Dispositivos electroanalíticos y electroquimioluminiscentes basados en papel para análisis descentralizado y de bajo coste

Abstract

La creciente demanda de herramientas eficaces para la determinación de especies de interés en análisis descentralizados ha conducido al desarrollo de dispositivos que siguen las tendencias básicas en Química Analítica: miniaturización, automatización y simplificación. Además, a lo largo del tiempo, han surgido otras tendencias como la reducción en los costes y en el tiempo de análisis. Todas estas tendencias están relacionadas entre sí y han facilitado, entre otros avances, el desarrollo de dispositivos portátiles, de fácil uso y más económicos que los equipos convencionales de laboratorio, lo que permite llevar a cabo diagnósticos en el punto de atención (Point-of-Care, PoC) o de forma más general para otras áreas distintas a la clínica, en el punto en que sea necesario (Point-of-Need, PoN), convencionalmente conocidos como análisis de campo (in-field analysis) o in situ. En este contexto, los electrodos serigrafiados son un claro ejemplo de sistemas miniaturizados de bajo coste y, desde su desarrollo, han sido empleados en múltiples aplicaciones debido al pequeño volumen de muestra que requieren, carácter desechable y excelente comportamiento como transductores electroquímicos. El serigrafiado se ha realizado tradicionalmente sobre materiales cerámicos o poliméricos. Sin embargo, éstos están siendo sustituidos por otros de menor coste como el papel, material que presenta numerosas ventajas y gran utilidad, sobre todo, en regiones remotas o con pocos recursos, debido a su menor coste, requerir menores volúmenes de muestra y reactivos, facilidad de almacenamiento y distribución, mayor flexibilidad y capacidad de degradación ofreciendo propiedades microfluídicas intrínsecas al substrato que, por ejemplo, los electrodos serigrafiados basados en cerámica no presentan. Por otro lado, la detección electroquimioluminiscente está cobrando gran importancia en la actualidad, principalmente, en el desarrollo de sensores y biosensores por su elevada sensibilidad, así como la capacidad de miniaturización de la transducción electroquímica y de los fotodetectores actuales. El fundamento de esta Tesis Doctoral es el desarrollo de plataformas analíticas basadas parcial o totalmente en papel con un sistema de detección electroquímica o electroquimioluminiscente para su aplicación a la determinación de analitos de interés en el campo clínico o alimentario. El primer capítulo trata de la fabricación y caracterización electroquímica de plataformas basadas bien completamente en papel (donde todos los electrodos son de base celulósica) o bien combinadas (el electrodo de trabajo está fabricado en papel y los otros dos electrodos son hilos metálicos o están serigrafiados sobre material cerámico) cuya aplicabilidad se demuestra con la determinación de analitos de interés en muestras de la industria alimentaria. En la primera parte del capítulo se aborda la construcción de una plataforma electroanalítica que combina electrodos de película delgada de oro en papel (electrodo de trabajo) e hilos metálicos de oro (electrodo de referencia) y platino (contraelectrodo). Esta primera plataforma es aplicada a la determinación de glucosa en bebidas de consumo diario (isotónicas, energéticas, colas y zumos de frutas) mediante un sensor bienzimático (glucosa oxidasa y peroxidasa de rábano silvestre). Por último, la tercera parte del capítulo desarrolla un método de detección sencillo basado en la culombimetría utilizando electrodos de carbono basados en papel combinados con conectores metálicos para la determinación de ácido ascórbico. Dado que la culombimetría es un método absoluto, no requiere calibración, lo cual reduce considerablemente el coste y tiempo de análisis. El segundo capítulo se basa, principalmente, en el desarrollo de plataformas electroanalíticas modificadas con nanopartículas de oro, generadas directamente sobre electrodos de película fina de oro y sobre electrodos de película gruesa de carbono, ambos depositados sobre papel. El fin es la mejora de la sensibilidad de los dispositivos electroanalíticos basados en papel. Para asegurar una buena reproducibilidad de la nanoestructuración, se han empleado electrodos externos de plata (electrodo de referencia) y carbono (contraelectrodo) proporcionados por electrodos serigrafiados de carbono comerciales en los cuales el electrodo de trabajo actúa como conexión al potenciostato. Una vez caracterizados, se demostró la aplicabilidad de los electrodos de oro y de carbono nanoestructurados con oro mediante la determinación de arsénico inorgánico en muestras de vino y la determinación no enzimática de glucosa en bebidas. El tercer capítulo está relacionado con el trabajo realizado durante la estancia breve realizada en 2015 en la Universidad de Harvard. Éste aborda el desarrollo de una metodología electroquimioluminiscente para la detección en tiempo real de ADN de doble hebra en condiciones isotérmicas. A pesar de que el objetivo final de este trabajo es llevar a cabo la detección en una plataforma de papel, ha sido necesario poner a punto la metodología utilizando electrodos comerciales de carbono serigrafiado en material cerámico. Ésta ha de proporcionar una señal estable bajo condiciones isotérmicas superiores a la temperatura ambiente durante un tiempo superior a quince minutos, simulando las condiciones de una amplificación isotérmica de ADN. Para ello, se estudiaron las respuestas electroquimioluminiscentes de dos compuestos “indicadores” (complejos de rutenio con ligandos bipiridina o fenanotrolina) en ausencia y presencia de ADN a temperatura ambiente y, utilizando el mejor candidato, se optimizó la metodología en condiciones isotérmicas. Para ello, se estudió el efecto que producen sobre la señal electroquimioluminiscente factores tales como la presencia de modificadores que eviten la evaporación o de proteínas en el medio o los parámetros de la excitación electroquímica. En las condiciones óptimas se puede monitorizar ADN en tiempo real (haciendo uso de un equipo portátil y relativamente económico) con reducción en el coste, lo cual puede ser útil para análisis descentralizados.