Estrategias para el diseño y caracterización de dispositivos analíticos colorimétricos

Abstract

La presente Tesis Doctoral expone el resultado del trabajo de investigación que se ha realizado durante cuatro años en el ámbito del diseño y caracterización de dispositivos microfluídicos colorimétricos para análisis de muestras de tipo ambiental, fisiológico y alimentario. Esta memoria se ha estructurado en cinco capítulos, los dos primeros dedicados a la introducción a la metodología de trabajo y los tres últimos a los dispositivos y estrategias analíticas desarrolladas. La introducción se ha centrado en explicar los aspectos generales más relevantes y la clasificación de los dispositivos Point of Care (POC) y Point of Need (PON) para, a continuación, profundizar en los dispositivos microfluídicos, la evolución en la selección de materiales más sostenibles y flexibles como soporte de estos, especialmente el papel, y las técnicas de fabricación de dispositivos microfluídicos. Por último, también se ha mostrado el estado del arte en cuanto a las aplicaciones de los dispositivos microfluídicos de soporte flexible. Por otra parte, en el capítulo dedicado a la metodología se han descrito de manera ordenada cada una de las etapas en el diseño y fabricación de los dispositivos microfluídicos: el diseño, incluyendo la etapa de selección de materiales; las técnicas de fabricación de dispositivos disponibles; la preparación de membranas sensoras; la síntesis de materiales inteligentes y, en particular, de polímeros de N-isopropilacrilamida (NIPAM), tanto en hidrogel como en ionogel; la toma y el análisis de imágenes y las técnicas de caracterización de materiales empleados en los sensores. El primer dispositivo desarrollado (Sensors and Actuators B: Chemical, 2021, 327, 128948-128956) es una pulsera para medida a tiempo real del pH del sudor con transmisión de información a una aplicación móvil hecha a medida. El sistema consiste en un dispositivo microfluídico de tela (μCAD) serigrafiado para reducir el volumen y dirigir el flujo de muestra hacia una zona de detección en la que se encuentra retenido covalentemente un indicador colorimétrico que vira con la variación de concentración de hidrogenoiones, una bomba pasiva que alarga la vida útil del μCAD. Para su uso, éste se introduce en la pulsera que proporciona una iluminación constante, y posee la electrónica que permite detectar el cambio en la coordenada H del espacio de color HSV y trasmitir, via Bluethoot, la información a la aplicación móvil, donde se extrae de forma continua los valores de pH. El segundo dispositivo (Sensors and Actuators B: Chemical, 2023, 376, 133001-133012) consiste en el desarrollo de códigos de respuesta rápida (QR) para extraer información química, en concreto para el análisis in situ de las condiciones ambientales del lugar de trabajo y para el envasado inteligente de alimentos. Para ello se imprimió el código QR en papel (μPAD) y luego se inmovilizaron en el QR, mediante serigrafia y drop casting, tres zonas sensoras para la determinación de diferentes gases y vapores. Las variaciones en las coordenadas de color de los espacios RGB y HSV de las zonas sensoras se registraron con una aplicación de smartphone hecha a medida, que además permitía leer el código QR y hacer correcciones en función de la iluminación ambiental. El último trabajo ha consistido en el desarrollo y caracterización de materiales inteligentes capaces de sufrir un cambio de fase como respuesta a variaciones de temperatura. El material de base elegido para estos han sido los polímeros de NIPAM tanto en hidrogeles, que pueden ser usados como repositorio de reactivos en disolución acuosa, como en ionogeles, que han sido usados como ralentizadores de flujo. Además, se han realizado unas primeras pruebas acerca del uso de estos para control de flujo en un dispositivo microfluídico.