Development of different fabrication methods for (electro) chemical sensors on paper and their analytical applications
| Ano de defesa: | 2023 |
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| Autor(a) principal: | |
| Orientador(a): | |
| Banca de defesa: | |
| Tipo de documento: | Tese |
| Tipo de acesso: | Acesso aberto |
| Idioma: | eng |
| Instituição de defesa: |
Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
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| Programa de Pós-Graduação: |
Não Informado pela instituição
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| Departamento: |
Não Informado pela instituição
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| País: |
Não Informado pela instituição
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| Palavras-chave em Português: | |
| Link de acesso: | https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/46/46136/tde-15102024-113910/ |
Resumo: | There has been an increasing search for alternative, low-cost platforms for sensing target molecules. This work initially presents analytical platforms coupled with colorimetric and fluorescence using chromatographic papers as a substrate. Both detection systems were accomplished with an organic molecule, Se-BODIPY, containing a chromophore that changes color due to its specificity to palladium II, allowing its quantification. A smartphone captured images of color changes for subsequent analysis with the GIMP 2.10.24 software. Colorimetric detection provided a limit of detection (LOD) and quantification (LOQ) of 46.1 and 153.8 mol L-1, while fluorescence detection yielded 16.0 and 53.2 mol L-1, respectively. Next, electrochemical sensors were produced by pyrolyzing Kraft paper with a CO2 laser source. After fabrication, the resulting sensors were electrochemically activated, allowing nitrite determination in environmental and biological samples, with LOD and LOQ of 4.3 and 14.3 mol L-1, respectively. Laser pyrolysis also produced gold-modified electrochemical sensors. The modification decreased the peak-to-peak separation from 154 to 116mV for the [Fe(CN)6]4-/[Fe(CN)6]3- probe, demonstrating improvement in their electrochemical performance. The electrochemical sensors were applied to determine bacterial activity in probiotics and yogurts in a quick 10 minutes of analysis, showcasing comparable results to conventional glassy carbon electrodes. Paper-based electrochemical sensors were manufactured in different atmosphere conditions as a straightforward way of improving their electrochemical performance. The conditions included laser pyrolysis in argon, oxygen, and ambient conditions. Changing the pyrolysis medium formed different carbon structures besides modulating their electrochemical responses for analytical applications. Finally, the inkjet printing technique made electrochemical sensors onto poly(vinyl chloride) (PVC) substrate with commercial silver ink. This sensor detected picric acid and hydrogen peroxide with LOD and LOQ of 12 and 40 mol L-1 and 15 and 25 mol L-1, respectively. The devices were also used for glucose detection in real and artificial saliva samples, with LOD and LOQ of 15 and 30 mol L-1. Therefore, its possible to create and measure targeted analytes with simple yet robust sensors made from daily-use materials. |
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Development of different fabrication methods for (electro) chemical sensors on paper and their analytical applicationsDesenvolvimento de diferentes métodos de fabricação de dispositivos (eletro) químicos e suas aplicações analíticasBiosensorsBiossensoresCarbonização a laserColorimetric sensorsElectrochemical sensorsImpressão de jato de tinta condutivaInkjet printingLaser inducingPapelPaperSensores colorimétricosSensores eletroquímicosThere has been an increasing search for alternative, low-cost platforms for sensing target molecules. This work initially presents analytical platforms coupled with colorimetric and fluorescence using chromatographic papers as a substrate. Both detection systems were accomplished with an organic molecule, Se-BODIPY, containing a chromophore that changes color due to its specificity to palladium II, allowing its quantification. A smartphone captured images of color changes for subsequent analysis with the GIMP 2.10.24 software. Colorimetric detection provided a limit of detection (LOD) and quantification (LOQ) of 46.1 and 153.8 mol L-1, while fluorescence detection yielded 16.0 and 53.2 mol L-1, respectively. Next, electrochemical sensors were produced by pyrolyzing Kraft paper with a CO2 laser source. After fabrication, the resulting sensors were electrochemically activated, allowing nitrite determination in environmental and biological samples, with LOD and LOQ of 4.3 and 14.3 mol L-1, respectively. Laser pyrolysis also produced gold-modified electrochemical sensors. The modification decreased the peak-to-peak separation from 154 to 116mV for the [Fe(CN)6]4-/[Fe(CN)6]3- probe, demonstrating improvement in their electrochemical performance. The electrochemical sensors were applied to determine bacterial activity in probiotics and yogurts in a quick 10 minutes of analysis, showcasing comparable results to conventional glassy carbon electrodes. Paper-based electrochemical sensors were manufactured in different atmosphere conditions as a straightforward way of improving their electrochemical performance. The conditions included laser pyrolysis in argon, oxygen, and ambient conditions. Changing the pyrolysis medium formed different carbon structures besides modulating their electrochemical responses for analytical applications. Finally, the inkjet printing technique made electrochemical sensors onto poly(vinyl chloride) (PVC) substrate with commercial silver ink. This sensor detected picric acid and hydrogen peroxide with LOD and LOQ of 12 and 40 mol L-1 and 15 and 25 mol L-1, respectively. The devices were also used for glucose detection in real and artificial saliva samples, with LOD and LOQ of 15 and 30 mol L-1. Therefore, its possible to create and measure targeted analytes with simple yet robust sensors made from daily-use materials.Tem-se cada vez mais buscado plataformas alternativas e de baixo custo para o sensoriamento de moléculas alvo. Desta forma este trabalho apresenta diversas plataformas alternativas analíticas (colorimétricas/fluorimétricas e eletroquímicas) que chegam neste objetivo. Para isto utilizou-se de papel como uma forma de substrato para a fabricação destes sensores. Os papéis utilizados foram papel cromatográfico e folhas Kraft, respectivamente para sensor colorimétrico e sensor eletroquímico. E como fonte alternativa de substrato para sensor eletroquímico, foram utilizadas folhas de PVC, por possuírem características diferentes ao do papel. O sensor colorimétrico, também avaliado na forma fluorimétrica, valeu-se de uma molécula orgânica como mecanismo de detecção o Se-BODIPY, cromóforo que muda de cor, por especificidade ao paládio II. Foi possível obter com simples fotos capturadas por um smarphone, um limite de detecção (LD) e quantificação (LQ) de 46,1 e 153,8 mol L-1 para colorimétrico e 16,0 e 53,2 mol L-1 para o fluorimétrico, respectivamente. Já para os sensores eletroquímicos, os fabricados em papel foram produzidos através da carbonização a laser de CO2, sendo que todos utilizaram folhas Kraft de diferentes gramaturas como plataforma. Estes sensores na sua forma mais simples, com a carbonização e ativação eletroquímica de superfície foram capazes de detectar nitrito em amostras ambientais e biológicas com LD e LQ de 4.3 e 14.3 mol L-1, respectivamente. Visando a determinação de analitos biológicos, este sensor foi submetido a uma modificação de superfície com uma solução de ouro e reduzida no laser de CO2 para a formação de um nanofilme na superfície, que melhorou o desempenho eletroquímico do sensor para a sonda [Fe(CN)6]4-/[Fe(CN)6]3-, com uma melhora na separação de picos entre o não modificado e o modificado de 154 para 116mV, além de grande variação no potencial onde os picos aparecem de 0,146V para o não modificado, contra -0,032V (picos anódicos) para o modifcado com ouro. Os sensores foram capazes de detectar atividade bacteriana em probióticos e iogurtes em rápidos 10 minutos totais de análise. Já em uma forma alternativa visando a melhoria de performance deste sensor, de forma mais simples, eles foram também fabricados em condições de atmosfera inerte (na presença de Ar), mais oxidantes (na presença de O2) e ambiente, e foi possível verificar estruturalmente, que houve formação de estruturas carbônicas diferentes, também apresentado respostas eletroquímicas diferentes. Por fim, utilizando o substrato de PVC, foi utilizada a técnica de impressão de jato de tinta por uma impressora de tinta condutiva, uma célula eletroquímica de tinta de nanopartícula de prata. Este sensor exibiu capacidade para a detecção de ácido pícrico e peróxido de hidrogênio com LD e LQ respectivamente de 12 e 40 mol L-1 e 15 e 25 mol L-1. Por ser uma plataforma flexível, o dispositivo foi aplicado para a deteção de glicose. Além de apresentar ótimo desvio das curvas de sensibilidade para o analíto de 3%, e a capacidade de detecção de glicose em amostras de saliva real quanto artificial.Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USPPaixão, Thiago Regis Longo Cesar daPradela Filho, Lauro AntonioGongoni, Juliana Luz Melo2023-12-21info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttps://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/46/46136/tde-15102024-113910/reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USPinstname:Universidade de São Paulo (USP)instacron:USPLiberar o conteúdo para acesso público.info:eu-repo/semantics/openAccesseng2024-10-21T19:37:02Zoai:teses.usp.br:tde-15102024-113910Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.teses.usp.br/PUBhttp://www.teses.usp.br/cgi-bin/mtd2br.plvirginia@if.usp.br|| atendimento@aguia.usp.br||virginia@if.usp.bropendoar:27212024-10-21T19:37:02Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP - Universidade de São Paulo (USP)false |
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