3D-printed electrodes dor sensing: design, characterization, and applications

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Veloso, William Barros
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/46/46136/tde-29092025-151330/
Resumo: 3D printing has revolutionized the production of three-dimensional objects. Its digitally controlled layer-by-layer material deposition allows for a level of creative freedom that is not achievable with traditional manufacturing methods. The possibility of obtaining conductive parts employing raw materials with electrical properties has paved the way for the current number of 3D-printed electrochemical platforms for sensing applications. However, the lack of fundamental understanding of the limiting electrochemical response aspects, due to the focus on the application step, has limited it to studies of new surface treatment development in similarly designed 3D-printed platforms. This thesis presents a systematic investigation into the development and optimization of 3D-printed electrodes, structured across four chapters. Chapter 1 explores the effect of combining laser ablation and electrochemical activation on enhancing the electrochemical performance of 3D-printed carbon-based electrodes. The treated electrodes exhibited improved redox behavior toward the [Fe(CN)6]3-/4- couple and the electrooxidation of tyrosine, although the system remained quasi-reversible. Chapter 2 addresses this limitation by investigating the role of electric contact resistance in 3D-printed electrodes as a critical factor influencing electrochemical response. Experimental measurements supported by finite element simulations reveal the detrimental impact of high contact resistance, leading to the design of a low-resistance electrode configuration. In Chapter 3, photothermal reduction of gold precursors using infrared laser irradiation is employed to impart electrocatalytic properties to the optimized low-resistance electrodes. The resulting Aumodified electrodes demonstrated high electrocatalytic activity toward glucose oxidation under strong alkaline conditions (0.5 mol L-1 KOH). To extend applicability to neutral media, Chapter 4 introduces a 3D-printed interdigitated electrode array capable of local pH modulation via in situ OH- generation. This configuration enabled glucose oxidation in nonalkaline bulk environments, exemplifying how 3D printing’s geometrical flexibility can be leveraged for electroanalytical applications.
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spelling 3D-printed electrodes dor sensing: design, characterization, and applicationsEletrodos impressos em 3D para sensoriamento: Design, caracterização e aplicações3D-printed electrodesControle local de pHElectrochemical sensorsEletrodos impressos em 3DIn situ pH controlIR-laser treatmentModificação de superfícieSensores eletroquímicosSurface modificationTratamento com laser infravermelho3D printing has revolutionized the production of three-dimensional objects. Its digitally controlled layer-by-layer material deposition allows for a level of creative freedom that is not achievable with traditional manufacturing methods. The possibility of obtaining conductive parts employing raw materials with electrical properties has paved the way for the current number of 3D-printed electrochemical platforms for sensing applications. However, the lack of fundamental understanding of the limiting electrochemical response aspects, due to the focus on the application step, has limited it to studies of new surface treatment development in similarly designed 3D-printed platforms. This thesis presents a systematic investigation into the development and optimization of 3D-printed electrodes, structured across four chapters. Chapter 1 explores the effect of combining laser ablation and electrochemical activation on enhancing the electrochemical performance of 3D-printed carbon-based electrodes. The treated electrodes exhibited improved redox behavior toward the [Fe(CN)6]3-/4- couple and the electrooxidation of tyrosine, although the system remained quasi-reversible. Chapter 2 addresses this limitation by investigating the role of electric contact resistance in 3D-printed electrodes as a critical factor influencing electrochemical response. Experimental measurements supported by finite element simulations reveal the detrimental impact of high contact resistance, leading to the design of a low-resistance electrode configuration. In Chapter 3, photothermal reduction of gold precursors using infrared laser irradiation is employed to impart electrocatalytic properties to the optimized low-resistance electrodes. The resulting Aumodified electrodes demonstrated high electrocatalytic activity toward glucose oxidation under strong alkaline conditions (0.5 mol L-1 KOH). To extend applicability to neutral media, Chapter 4 introduces a 3D-printed interdigitated electrode array capable of local pH modulation via in situ OH- generation. This configuration enabled glucose oxidation in nonalkaline bulk environments, exemplifying how 3D printing’s geometrical flexibility can be leveraged for electroanalytical applications.A impressão 3D tem revolucionado a produção de objetos tridimensionais. A deposição digitalmente controlada de material camada por camada permite uma liberdade de criação não disponível empregando métodos de fabricação tradicionais. A possibilidade de obter peças condutoras empregando matéria-prima com propriedades elétricas abriu caminho para a criação de plataformas eletroquímicas impressas em 3D para aplicações analíticas. No entanto, a pouca compreensão fundamental dos aspectos limitantes da resposta eletroquímica, devido ao foco em aplicações, restringiu-a a estudos de desenvolvimento de novos tratamentos de superfície usando plataformas impressas em 3D projetadas de forma semelhante. Esta tese apresenta uma investigação sistemática sobre o desenvolvimento e a otimização de eletrodos impressos em 3D, estruturada em quatro capítulos. O Capítulo 1 explora o efeito da combinação de ablação a laser e da ativação eletroquímica no aprimoramento do desempenho eletroquímico de eletrodos à base de carbono impressos em 3D. Os eletrodos tratados apresentaram melhor comportamento redox em relação ao par [Fe(CN)6]3-/4- e à oxidação de tirosina, embora o sistema apresente comportamento quase reversível. O Capítulo 2 aborda essa limitação investigando o efeito da resistência de contato elétrico em eletrodos impressos em 3D como um fator crítico que influencia a resposta eletroquímica. Os resultados experimentais apoiados por simulações por método de elementos finitos revelam o impacto da resistência de contato, levando ao desenvolvimento de uma configuração de eletrodo de baixa resistência. No Capítulo 3, a redução fototérmica de ouro usando irradiação de laser infravermelho é empregada a fim de conferir propriedades eletrocatalíticas aos eletrodos otimizados de baixa resistência. Os eletrodos modificados com Au demonstraram alta atividade eletrocatalítica em relação à oxidação da glicose em condições fortemente alcalinas (KOH 0,5 mol L-1). Para estender a aplicabilidade a meios neutros, o Capítulo 4 apresenta um arranjo de eletrodos interdigitados impressos em 3D capaz de modular o pH local por meio da geração de OH-. Essa configuração permitiu a oxidação da glicose em ambientes não alcalinos, demonstrando que a liberdade de criação da impressão 3D pode ser explorada para aplicações eletroanalíticas específicas.Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USPMuñoz, Rodrigo Alejandro AbarzaPaixão, Thiago Regis Longo Cesar daVeloso, William Barros2025-07-04info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttps://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/46/46136/tde-29092025-151330/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/openAccesseng2025-10-03T14:13:02Zoai:teses.usp.br:tde-29092025-151330Biblioteca 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:27212025-10-03T14:13:02Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP - Universidade de São Paulo (USP)false
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description 3D printing has revolutionized the production of three-dimensional objects. Its digitally controlled layer-by-layer material deposition allows for a level of creative freedom that is not achievable with traditional manufacturing methods. The possibility of obtaining conductive parts employing raw materials with electrical properties has paved the way for the current number of 3D-printed electrochemical platforms for sensing applications. However, the lack of fundamental understanding of the limiting electrochemical response aspects, due to the focus on the application step, has limited it to studies of new surface treatment development in similarly designed 3D-printed platforms. This thesis presents a systematic investigation into the development and optimization of 3D-printed electrodes, structured across four chapters. Chapter 1 explores the effect of combining laser ablation and electrochemical activation on enhancing the electrochemical performance of 3D-printed carbon-based electrodes. The treated electrodes exhibited improved redox behavior toward the [Fe(CN)6]3-/4- couple and the electrooxidation of tyrosine, although the system remained quasi-reversible. Chapter 2 addresses this limitation by investigating the role of electric contact resistance in 3D-printed electrodes as a critical factor influencing electrochemical response. Experimental measurements supported by finite element simulations reveal the detrimental impact of high contact resistance, leading to the design of a low-resistance electrode configuration. In Chapter 3, photothermal reduction of gold precursors using infrared laser irradiation is employed to impart electrocatalytic properties to the optimized low-resistance electrodes. The resulting Aumodified electrodes demonstrated high electrocatalytic activity toward glucose oxidation under strong alkaline conditions (0.5 mol L-1 KOH). To extend applicability to neutral media, Chapter 4 introduces a 3D-printed interdigitated electrode array capable of local pH modulation via in situ OH- generation. This configuration enabled glucose oxidation in nonalkaline bulk environments, exemplifying how 3D printing’s geometrical flexibility can be leveraged for electroanalytical applications.
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