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CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior

FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais

FAU - Fundação de Apoio Universitário

IQUFU - Instituto de Química da Universidade Federal de Uberlândia

Recent advances in the manufacturing of electroanalytical sensors, cells and devices using 3D-printing is the focus of this work. This thesis introduces this theme/topic with a wide and critical literature review, followed by several proposed applications at electroanalytical prototyping and sensing. The first of those is an electroanalytical cell, for hydrodynamic and stationary measurements, and 3D-printed sensors based on a conductive thermoplastic with carbonaceous materials (graphene or carbon black). The electrodes were applied in the forensic field by quantification, detection and sampling 2,4,6-trinitrotoluene, well known as TNT. The proposed device is a flexible samplersensor for suspect powders in crime scenes and presented proper analytical characteristics reaching a LOD of 0.4 mol L−1 in a linear interval of 1 – 870 molL−1 for TNT. This thesis also shows how a 3D pen can be used to fabricate electrochemical sensors, also proposed for TNT detection,presenting higher LOD, but interesting characteristics such as low volume in a drop of 100 L, low conductive plastic consumption and voltammetric results similar to a commercial SPE. All this in portable shape cylindrical or three in one electrode. In the field of bioanalytics, glucose was a target molecule for 3D-printed electrodes modified with glucose oxidase, using chronoamperometry, reaching LOD of 15 molL−1, inter-day and intra-day precision lower than 5 %, and adequate recovery values (90–105 %) for the analysis of blood plasma. A simultaneous method using amperometric detection of nitrite and uric acid within a linear range from 0.5–250 mol L−1 for both analytes, LODs of 0.02 and 0.03 mol L−1 for uric acid and nitrite, respectively, and high precision (RSD < 2.1 % were obtained). This thesis also shows the first application of 3D-printed sensors and biosensors for the analysis of real biological samples with analytical features comparable to conventional modified electrodes.All the 3D-printed devices presented a unit cost lower than U$0.50 and high precision of fabrication (RSD = 4%).

Esta tese tem como foco o uso de recentes inovações em manufatura aditiva (impressao 3D) na confecção de células e sensores eletroquímicos. Como introdução este trabalho faz uma revisão completa sobre o tema, seguida de construção, caracterizações e aplicações de sensores e células impressas em 3D na eletroanalítica. A primeira delas é uma célula eletroanalítica para medidas hidrodinâmicas e estacionárias. A segunda se trata de sensores impressos por 3D baseado em um termoplástico condutivo, dopado com materiais carbonáceos (grafeno ou negro de fumo). A combinação destas células e eletrodos impressos em 3D contendo grafeno, foram aplicados na área forense na amostragem, identificação e quantificação do explosivo 2,4,6-trinitrotolueno, o conhecido TNT. O dispositivo foi proposto para amostragens em locais suspeitos de crimes que envolvam manuseio deste material. Um limite de detecção (LOD) de 0,4 −1 em uma faixa linear de 1 – 870 mol L−1 foram reportados. Na área de bioanalítica, 3 moléculas foram analisadas em metodologias propostas. A primeira utilizando ou amperometria de múltiplos pulsos, para analise simultânea de nitrito e ácido úrico, em saliva e urina atingindo resultados de faixa linear de 0,5–250 mol L−1 para ambos analitos e LODs de 0,02 e 0,03 mol L−1 para ácido úrico e nitrito respectivamente, com precisão calculada de até RSD < 2,1 %. A modificação do sensor com a enzima glicose oxidase (GOx) foi proposta, atingindo LOD de 15 mol L−1, precisão intra-dia de 5% e índices de recuperação entre 90–105 % para glicose em plasma sanguíneo. Todos os dispositivos apresentaram custo inferior a U$0,50/unidade e alta precisão de fabricação (RSD = 4%). Por último esta tese também mostra como uma caneta 3D pode ser utilizada na construção de sensores com termoplástico condutivo contendo negro de fumo como material condutor. Em uma comparação o eletrodo impresso por impressora 3d! apresentou melhores característica analíticas em comparação ao eletrodo 3 em 1 proposto usando a caneta 3D, porém características promissoras foram observadas como possibilidade de análise em uma gota, baixo consumo de plástico condutivo na construção e resultados voltamétricos comparáveis a eletrodos SPE’s comerciais. Tudo isso com formato portátil e totalmente adaptável.

Tese (Doutorado)