Development of disposable electrochemical devices for rapid analysis

Orientador: Lauro Tatsuo KubotaTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de QuímicaResumo: Este trabalho apresenta o esforço dispendido na construção e caracterização de transdutores eletroquímicos sobre poliéster e papel, e também demonstra o emprego destas células eletroquímicas descartáveis no desenvolvimento de um biossensor para análises rápidas de salicilato em sangue, bem como a criação de um dispositivo de separação associado à detecção eletroquímica em papel. Cada célula eletroquímica é composta por um conjunto de três eletrodos de filmes finos construídos em ouro sobre poliéster ou papel cromatográfico por meio das técnicas de sputtering e electron-beam, respectivamente. Foi realizada a caracterização voltamétrica dos sistemas eletródicos empregando sondas redox como hexacianoferrato(II) de potássio, hexacianoferrato(III) de potássio e ácido ferrocenomonocarboxílico em meio eletrolítico, a fim de verificar a eletroatividade dos mesmos. Foi possível verificar que mesmo apresentando maior área eletroativa, os eletrodos de filmes finos construídos sobre papel apresentam uma menor densidade de corrente para as sondas redox em comparação com a célula eletroquímica construída em poliéster. Isto se deve à retenção das espécies eletroativas na fibra de celulose, fato que diminui a disponibilidade da espécie na superfície eletródica. Foi desenvolvido um biossensor amperométrico para a determinação de salicilato em sangue. O biossensor se baseia no emprego da enzima Salicilato hidroxilase imobilizada sobre a célula eletroquímica plástica. As condições experimentais otimizadas consistem em utilizar uma solução eletrolítica de tampão fosfato em pH 7,6 com 0,5 mmol L de NADH e 300 mV vs. Au como potencial aplicado durante as medidas. O biossensor apresentou adequada sensibilidade (97,4 nA/mmol L de salicilato) e faixa linear de resposta para o analito (1,25 10 to 1,0 10 mol L). O desempenho do biossensor foi verificado na determinação de salicilato em amostras de sangue dopadas com o analito e os resultados foram estatisticamente equivalentes àqueles obtidos com o método espectrofotométrico de Trinder em um nível de confiança de 95%. O dispositivo de separação cromatográfica em papel associado à detecção eletroquímica foi desenvolvido empregando a célula eletroquímica plástica e a célula eletroquímica sobre papel. O desempenho dos dispositivos foi avaliado na separação e quantificação de ácido úrico e áscórbico presentes em mistura. O método desenvolvido é uma alternativa para a determinação de compostos eletroativos em que o baixo custo e a simplicidade são essenciaisAbstract: This paper presents the efforts to the construction and characterization of electrochemical transducers on polyester and paper, and also demonstrates the use of these disposable electrochemical cells in the development of a biosensor for rapid analysis of salicylate in blood as well as the creation of a separation device associated electrochemical detection on paper. Each electrochemical cell consists of a set of three electrodes made of gold thin films on polyester or chromatographic paper using sputtering and electron-beam techniques, respectively. The electrochemical characterization of the systems with redox probes as potassium hexacyanoferrate(II), potassium hexacyanoferrate(III) and ferrocene monocarboxylic acid was performed in the electrolyte solution in order to evaluate the electroactivity of them. It was verified that even with higher electroactive area, the electrodes of thin films built on paper have a lower current density for the redox probes in comparison with the electrochemical cell constructed on polyester. This is due to retention of electroactive species in the cellulose fiber, a fact that reduces the availability of those species on the transducer surface. We developed an amperometric biosensor for the determination of salicylate in blood. The biosensor is based on the use of the salicylate hydroxylase enzyme immobilized on plastic electrochemical cell. The determined optimized experimental conditions are: an electrolyte solution of phosphate buffer at pH 7.6 with 0.5 mmol L of NADH and 300 mV vs. Au as the applied potential during the measurements. The biosensor showed adequate sensitivity (97.4 nA / mmol L salicylate) and linear response range for the analyte (1.25 10 to 1.0 10 mol L). The performance of the biosensor was found in the determination of salicylate in blood samples spiked with the analyte and the results were statistically equivalent to those obtained with the Trinder¿s spectrophotometric method, with a 95% confidence level. Prototypes of microfluidic paper-based separation devices with amperometric detection were developed and evaluated. The chromatographic separation on paper associated with electrochemical detection was developed using the plastic electrochemical cell and the gold electrochemical cell on paper. The performance of both devices was evaluated for separation and quantification of uric acid and ascorbic acid presented in the mixtures. The method is an alternative for the determination of electroactive compounds when low cost and simplicity are essentialDoutoradoQuimica AnaliticaDoutor em Ciência