Development of electrochemical sensors based on nanostructured carbon materials for health-care applications

Resumen

Los sensores y biosensores electroquímicos presentan un gran interés desde un punto de vista clínico, debido a que la concentración de muchos de los compuestos presentes en los fluidos fisiológicos humanos está relacionada con la aparición y desarrollo de diversas enfermedades. Estos dispositivos presentan excelentes propiedades que han propiciado el uso de los mismos en la monitorización y cuantificación de analitos de importancia en fluidos fisiológicos. Por ello, la presente Tesis Doctoral tiene como objetivo principal el desarrollo y funcionalización de diversos materiales carbonosos nanoestructurados para su posterior aplicación como elemento transductor en sensores y biosensores electroquímicos. En este trabajo se ha evaluado el efecto de emplear diferentes materiales carbonosos como elementos transductores en sensores voltamétricos y cronoamperométricos para la cuantificación de ácido ascórbico y ácido úrico en fluidos fisiológicos humanos (e.g., orina, sudor, suero y sangre). Se han empleado materiales carbonosos basados en grafito, grafeno, óxido de grafeno y nanotubos de carbono con estructura de espina de pescado (herringbone), siendo los tres primeros funcionalizados con nanopartículas metálicas (platino y oro), mientras que los nanotubos de carbono herringbone han sido sometidos a una funcionalización electroquímica covalente con ácido 4-aminobenzoico. Dispersiones acuosas de los materiales carbonosos han sido empleadas para modificar, mediante la técnica drop-casting, unas redes de microelectrodos interdigitados de oro. Los electrodos preparados basados en grafeno y en nanotubos de carbono han sido empleados en el desarrollo de sensores voltamétricos para la detección de ácido ascórbico y ácido úrico, mostrando resultados prometedores. Por otra parte, los electrodos basados en óxido de grafeno y nanotubos de carbono herringbone, estando ambos materiales funcionalizados, han sido evaluados para cuantificar simultáneamente ácido ascórbico y ácido úrico mediante cronoamperometría. El electrodo basado en nanotubos de carbono proporciona mejores sensibilidades, lo que es indicativo de las excepcionales propiedades que presentan estos materiales. Ambos sensores han sido empleados para el análisis de muestras reales, resaltando nuevamente las extraordinarias propiedades que presenta el sensor basado en nanotubos de carbono, ya que permite el análisis de matrices complejas como sangre, suero u orina, mediante la simple dilución de la muestra y haciendo uso de una calibración externa. Finalmente, se ha desarrollado un biosensor basado en grafito decorado con nanopartículas de platino y sobre el cual se ha inmovilizado la enzima glucosa oxidasa para la cuantificación de glucosa en muestras de sudor humano. Este biosensor ha sido preparado mediante la impresión manual de tintas flexibles sobre un sustrato que también presenta una elevada flexibilidad, de modo que puede ser fijado en la piel humana. La sensibilidad y límite de detección alcanzados con el dispositivo desarrollado ha permitido la cuantificación de glucosa en muestras reales de sudor humano. Además, se han correlacionado estas concentraciones con las existentes en sangre, resultando una alternativa competente a los glucómetros comerciales actuales. Los resultados obtenidos en la presente Tesis Doctoral han permitdo extraer las siguientes conclusiones: - Se ha investigado la actividad de cuatro materiales carbonosos nanoestructurados (Gr-FMN, Pt-Gr-FMN, hCNTs y hCNTs-4ABA) como transductores (electrodos) para el desarrollo de sensores voltamétricos para la cuantificación AA y UA. - Los materiales preparados se han utilizado para modificar redes de microelectrodos interdigitados de Au (Au-IDA), mostrando una actividad electrocatalítica frente a las reacciones de oxidación del AA y UA, ya que éstas ocurren a un potencial menos positivo y con una mayor intensidad de corriente que cuando se emplea el electrodo Au-IDA sin modificar (Tabla 7.1). - Los cuatro electrodos preparados (Gr-FMN/Au-IDA, Pt-Gr-FMN/Au-IDA, hCNTs/Au-IDA y hCNTs-4ABA/Au-IDA) permiten la separación de los picos de oxidación correspondientes al AA y al UA, mientras que estas señales aparecen solapadas cuando se emplea un electrodo Au-IDA (Figura 7.1). - Haciendo una comparación de los cuatro materiales/electrodos estudiados (Gr-FMN/Au-IDA, Pt-Gr-FMN/Au-IDA, hCNTs/Au-IDA y hCNTs-4ABA/Au-IDA), puede concluirse que los electrodos basados en grafeno muestran los resultados más prometedores, como consecuencia de las excepcionales propiedades que presenta este material. Además, la presencia de nanopartículas metálicas (Pt-NPs) conlleva una importante mejora de los resultados obtenidos (Tabla 7.1). Desarrollo de sensores amperométricos para la determinación de AA y UA - Se ha investigado la actividad de dos materiales carbonosos nanoestructurados (Au-GO y hCNTs-4ABA), preparados mediante estrategias de síntesis simples y rápidas, para ser empleados como transductores (electrodo) en el desarrollo de sensores cronoamperométricos para la determinación de AA y UA. - Los electrodos preparados a partir de estos materiales (Au-GO/Au-IDA y hCNTs-4ABA/Au-IDA muestran una actividad electrocatalítica frente a las reacciones de oxidación del AA y del UA, mediante la disminución del potencial al cual se oxidan y en el caso del electrodo hCNTs-4ABA/Au-IDA, aumentando también la intensidad de corriente generada en la reacción, con respecto al electrodo Au-IDA sin modificar (Tabla 7.1). - Mediante comparación de los resultados obtenidos con ambos electrodos (Au-GO/Au-IDA y hCNTs-4ABA/Au-IDA) se pueden extraer diversas conclusiones (Tabla 7.1). - Por una parte, las figuras de mérito obtenidas con ambos electrodos son más prometedoras en el caso del electrodo hCNTs-4ABA/Au-IDA, como consecuencia de las excepcionales propiedades de los CNTs. Por otra parte, el análisis de muestras reales permite afirmar, principalmente, que a pesar de la actividad electrocatalítica que presentan las Au-NPs, mejorando los parámetros electroquímicos y analíticos, son fácilmente contaminables por los fluidos fisiológicos, especialmente por aquellos cuyas matrices son realmente complejas (orina, suero y sangre). Desarrollo de dispositivos para la determinación de glucosa - Se ha desarrollado un material electródico (Pt-graphite line electrode), basado en una tinta de grafito decorado con Pt-NPs y manualmente impresa, para ser usado como electrodo de trabajo en la cuantificación de glucosa mediante su oxidación directa. La cuantificación de glucosa se lleva a cabo mediante cronoamperometría a -0.4 V y 0.2 V, obteniéndose la mejor sensibilidad con el menor potencial. Los resultados obtenidos hacen posible su aplicación en fluidos fisiológicos de pacientes diagnosticados de diabetes. - Dos materiales electródicos (graphite line electrode y Pt-graphite line electrode), basados en tintas de grafito manualmente impresas, han sido evaluados frente a la reacción de reducción del H2O2, en la que el electrodo que contiene Pt-NPs muestra una excelente electroactividad. - Se ha desarrollado un biosensor electroquímico y flexible para la determinación de glucosa en muestras de sudor mediante la cuantificación de la reducción de H2O2, presentando una alternativa no invasiva a los actuales glucómetros comerciales. El biosensor se prepara mediante la impresión sucesiva de diferentes tintas, siendo el Pt-graphite y la GOx, el transductor y receptor, respectivamente. - Se han obtenido excelentes resultados para la sensibilidad y LOD, y además se ha comprobado que el sensor puede fijarse en la piel, lo que permite su aplicación en el análisis in-situ de glucosa en sudor humano. Se ha llevado a cabo el análisis de seis muestras de sudor en sujetos sin ninguna enfermedad diagnosticada, encontrándose grandes diferencias entre los niveles de glucosa antes y después de la ingesta de comida para un mismo sujeto. Además, mediante el uso de un glucómetro comercial también se determinaron las concentraciones de glucosa en sangre para estos mismos sujetos, encontrándose que existe una correlación entre los niveles de este analito en sangre y en sudor.