Enzymatic microfluidic fuel cells : from active to passive power sources /

A portada: CNM Centro Nacional de MicroelectrónicaEsta tesis presenta el desarrollo y la fabricación de pilas de combustibles microfluídicas para aplicaciones portátiles de baja potencia. En concreto, pilas biológicas que utilizan las enzimas en la degradación de la glucosa. El trabajo está dividido en dos secciones dependiendo de si los dispositivos fabricados son activos, es decir, los reactivos son suministrados a la micropila por bombeo (Capítulo 2 y 3). O si por el contrario los reactivos fluyen sin necesidad de mecanismos externos los dispositivos serán pasivos (Capítulo 4 y 5). En el primer capítulo de la tesis se ha llevado a cabo la primera aproximación en el desarrollo de micro pilas de combustible glucosa/O2 con el objetivo de hacer posible las primeras medidas electroquímicas con enzimas. La pila microfluídica fue construida sobre un sustrato de vidrio en el cual se grabaron electrodos de oro mediante técnicas de microfabricación. Por otro lado, se utilizó fotolitografía suave para la fabricación de los canales (con forma de Y) en PDMS. Esta forma de canal permitió fluir dos soluciones en paralelo usando una bomba de jeringa. Como primera aproximación, las enzimas se encontraban fluyendo de manera continua a través del canal. Eso provocaba experimentos caros y dificultaba su posible aplicación portátil. De este modo, el siguiente aspecto en abordarse fue la inmovilización de los biocatalizadores sobre los electrodos de la micro pila. El Capítulo 2 presenta la fabricación de una pila de combustible que posee los biocatalizadores inmovilizados en la superficie de los electrodos lo cual hace que los biocatalizores sean aprovechados más eficientemente que en la anterior pila. Los electrodos se han fabricado utilizando resina pirolizada y se han usado por primera vez con éxito en pilas microfluídicas enzimáticas de este tipo. La pila está compuesta por diferentes capas de material plástico laminado que han sido cortadas usando un plotter de corte. Esto hace que la fabricación del dispositivo sea rápida, barata y compatible con la manufacturación a gran escala. El canal microfluídico se ha definido también sobre este tipo de material plástico, evitando el largo proceso litográfico relacionado con el PDMS. Por otro lado, el canal (en forma de Y) permite optimizar la potencia que obtenemos de la pila cuando bombeamos dos soluciones diferentes. Por otro lado, el dispositivo necesita ser simplificado para finalmente obtener una fuente de energía portátil. Con este objetivo se abordó la siguiente fase de la tesis. El Capítulo 4 describe la fabricación de una pila microfluídica implementada utilizando sustratos de papel a través de los cuales fluyen los reactivos (de manera pasiva) por efecto capilar. Los componentes de la pila se cortaron utilizando un plotter de corte, lo que permitía fabricar dispositivos con mucha rapidez. Se probó el buen funcionamiento de una pila de combustible de papel y enzimática obteniendo valores de potencia similares a los presentados en el Capítulo 3 (donde las soluciones eran bombeadas). A partir de aquí el trabajo se centró en aproximar la pila de papel a la simplicidad de los test de flujo lateral. Así que la micro pila fue adaptada y operada con éxito usando una única solución, generando energía de una bebida comercial. El Capítulo 5 presenta una micropila de combustible fabricada en papel mucho más sofisticada y pequeña que la del capítulo anterior. Se probó satisfactoriamente una nueva combinación de biocatalizadores que permitió trabajar utilizando muestras a pH neutro. Además, el tamaño compacto del sistema abrió la posibilidad de operar la pila de combustible con fluidos fisiológicos como por ejemplo la sangre. Finalmente, se ha demostrado que es posible tener una pila preparada para alimentar dispositivos que requieran poca demanda de energía. Sin embargo, todavía se deben hacer esfuerzos para acercar esta pila a un mundo real, debido principalmente a que el tiempo de vida de las enzimas es todavía limitadoThis thesis presents the development and fabrication of microfluidic fuel cells for low power and portable applications. Specifically, biological fuel cells that use enzymes for glucose degradation. This work is divided in two sections depending on whether the fabricated devices are active, i. e. the reagents are supplied into the micro fuel cell by pumping (Chapters 2 and 3). If, on the contrary, the reagents flow without needing external mechanisms they are passive devices (Chapters 4 and 5). In the first chapter of the thesis the first approach in the development of glucose/O2 micro fuel cells was conducted in order to allow for the initial electrochemical measurements with enzymes. The microfluidic fuel cell was fabricated using a glass substrate in which gold electrodes were impressed using microfabrication techniques. On the other hand, soft lithography was used to fabricate the Y-shaped PDMS channels. This channel shape enabled to flow two solutions in parallel using a syringe pump. The enzymes were continuously flowing through the channel causing expensive experiments in addition to hindering its possible portable application. Thereby, the biocatalysts immobilization on the electrodes was next addressed in this thesis. Chapter 2 presents the fabrication of a micro fuel cell with enzymes trapped on the electrode surfaces which lead to an effective use of the biocatalysts. The electrodes were fabricated using pyrolyzed resists and were successfully used for the first time in enzymatic microfluidic fuel cells of this kind. The fuel cell was formed by different layers of plastic laminated materials cut using a cutter plotter. This promotes a fast and inexpensive device fabrication which is compatible with large scale manufacturing. The microfluidic channel was also defined on this type of plastic materials, thus avoiding the long lithographic process related to the PDMS. Moreover, this Y-shaped channel allows to optimize the power obtained from the fuel cell when two different solution are pumped into the system. Therefore, the following aspect to be addressed was the biocatalyst immobilization over the electrodes of the micro fuel cell Chapter 4 describes the construction of a microfluidic fuel cell fabricated using paper substrates. The reagents flow through this paper (in a passive way) by capillary action. The fuel cell components were cut using a cutting plotter which allows fabricating devices much faster. The proper functioning of this paper-based microfluidic fuel cell was verified obtaining similar power values to those presented in Chapter 3 (were solution were pumped). From here, the work focused on bringing the paper fuel cell closer to the simplicity of lateral flow tests. The fuel cell was then adapted and successfully operated using a single solution, generating energy from a commercial drink. Chapter 5 presents a microfluidic paper-based fuel cell smaller and more sophisticated than the one presented in previous chapter. A new combination of enzyme was tested which allowed to work with samples at neutral pH. Additionally, the compact size of the system opened the possibility to operate the paper fuel cell with physiological fluids, such as blood. Finally, it was demonstrated that was possible to have a fuel cell ready to fed devices demanding low energy. However, more efforts have to be done in the field to approach this fuel cell to a real world mainly due to the still limited lifetime of the enzymes