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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.75.2013.tde-24022014-111358
Document
Author
Full name
Renato Sousa Lima
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2013
Supervisor
Committee
Carrilho, Emanuel (President)
Fatibello Filho, Orlando
Gutz, Ivano Gebhardt Rolf
Reis, Boaventura Freire dos
Cavalheiro, Eder Tadeu Gomes
Title in Portuguese
Sistemas microfluídicos eletroquímicos ultrassensíveis
Keywords in Portuguese
configuração de eletrodos
microchip
sensibilidade
Abstract in Portuguese
Esta tese de doutorado aborda o desenvolvimento de sistemas microfluídicos eletroquímicos ultrassensíveis mediante a integração de eletrodos i) concêntricos e ii) nanoestruturados seletivos à detecção condutométrica sem contato acoplada capacitivamente (capacitively coupled contactless conductivity detection, C4D) e à amperometria, respectivamente. O uso dos eletrodos concêntricos, uma configuração inédita em microdispositivos na qual o filme fino metálico circunda todo o microcanal, se mostrou efetivo na melhora da detectabilidade da C4D para análises em fluxo de soluções padrão de LiClO4. O limite de detecção (LD) para esse sal foi igual a 343 pmol L-1, um valor aproximadamente quatro ordens de grandeza inferior àquele obtido com eletrodos planares. O microchip amperométrico nanoestruturado, por sua vez, consistiu de filmes de Au modificados com nanotubos de carbono de parede única (single-walled carbon nanotubes, SWCNTs) verticalmente alinhados e foi aplicado a padrões do neurotransmissor serotonina. A melhora na detectabilidade do método foi novamente apreciável; os valores de LD foram de 11,8 (Au liso) e 0,2 nmol L-1 (Au modificado com os SWCNTs verticalmente alinhados). Esse último é menor frente à grande maioria dos valores descritos na literatura, para os quais técnicas diversas foram empregadas, incluindo: i) potenciometria com eletrodos modificados (1,0 a 500 nmol L-1), ii) HPLC-MS (18,2 nmol L-1), iii) eletroforese capilar combinada com etapas de extração, empilhamento e préconcentração do analito (7,9 nmol L-1) e iv) sensor químico (200 nmol L-1). Finalmente, objetivando a fabricação de microchips de vidro, condutométricos e amperométricos, incorporando eletrodos concêntricos nanoestrurados, uma nova técnica de selagem foi desenvolvida. Essa técnica, designada como selagem adesiva de sacrifício, baseia-se no uso do resiste negativo SU-8 como camada intermediária de modo a permitir a vedação entre duas lâminas de vidro. Numa etapa posterior, a remoção seletiva do SU-8 sob o microcanal é realizada. Logo, canais microfluídicos com propriedades de superfície similares às do vidro foram obtidos. O protocolo experimental adotado é i) simples, ii) rápido, iii) não envolve níveis de pressão e temperatura elevados e iv) prescinde o uso de salas "limpas". Vedações com forças de adesão satisfatórias foram alcançadas, suportando pressões superiores a 4 MPa.
Title in English
Ultrasensitive electrochemical microfluidic systems
Keywords in English
electrode assembly
microchip
sensitivity
Abstract in English
This PhD thesis reports the development of ultrasensitive electrochemical microfluidic systems by integrating concentric and nanostructured electrodes selective to capacitively coupled contactless conductivity detection (C4D) and amperometry, respectively. The use of the concentric electrodes, a new assembly in microdevices with thin films wrapping around the microchannel, showed to be effective towards improvement of the detectability in pressure-driven flow platforms incorporating C4D. The limit-of-detection (LOD) in flow analysis of LiClO4 solutions was 343 pmol L-1, ca. four orders of magnitude lower than to the levels obtained with planar electrodes alone. The nanostructured amperometric microchip, in turn, is related to integration of vertically aligned singlewalled carbon nanotubes (SWCNTs) over Au film. Such platform was applied to determination of serotonin standards. The nanomaterial influenced remarkably the sensitivity and detectability. Our system achieved a LOD of 0.2 nmol L-1, to the best of our knowledge one of the lowest values reported in the literature. Finally, in order to fabricate glass microdevices, conductometric and amperometric, with nanostructured concentric electrodes, we developed a new bonding method. This technique, called as sacrificial adhesive bonding, is based on SU-8 negative resist like intermediate layer so to allow the sealing between two glass slides. Next, the selective removal of the SU-8 under the microchannel is carried out. Thus, microfluidic channels presenting glass-like surface properties were achieved. The experimental protocol is simple and fast. In addition, neither high-pressure and elevated-temperature nor the use of "clean" rooms were not required. Bondings with satisfactory adhesion forces were obtained, supporting pressures above 4 MPa.
 
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Publishing Date
2014-06-18
 
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