Dispositivos sob demanda: desenvolvimento de sistemas microfluídicos e sensores eletroquímicos por impressão 3D

dc.contributor.advisor1Coltro, Wendell Karlos Tomazelli
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/8302650734477213
dc.contributor.referee1Coltro, Wendell Karlos Tomazelli
dc.contributor.referee2Lago, Claudimir Lucio do
dc.contributor.referee3Muñoz, Rodrigo Alejandro Abarza
dc.contributor.referee4Bonacin, Juliano Alves
dc.contributor.referee5Vaz, Boniek Gontijo
dc.creatorDuarte, Lucas da Costa
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/3455692454351226
dc.date.accessioned2025-02-27T20:34:56Z
dc.date.available2025-02-27T20:34:56Z
dc.date.issued2020-11-30
dc.description.abstract3D printing technology has been widely explored as an alternative method of manufacturing analytical microdevices. This technology has been solving many limitations of conventional microfabrication techniques due to its ability to build microstructures with different materials and geometries in a simple, fast and low-cost way. In this sense, this thesis describes the use of 3D printing to manufacture analytical platforms for applications involving counting E. coli cells embedded in droplets based on contactless conductometric detection (C4D), online monitoring of chemical reactions by mass spectrometry (MS) and estradiol detection in electrochemical analysis. For C4D measurements, microfluidic devices were printed containing Tjunction microchannels and two electrodes integrated in the antiparallel arrangement. The droplets with incorporated cells were monitored in real time using the C4D system. The proposed approach demonstrated the ability to detect E. coli cells in the concentration range between 86.5 and 8650 CFU droplet-1 with a detection limit of 63.66 CFU droplet-1. For the development of the miniaturized reactor used in the monitoring of chemical reactions by MS, a microfluidic device was built containing a channel in the shape of a 3D serpentine and another one containing a channel in the Y-shaped. Both devices were evaluated for monitoring the Katritzky reaction, injecting simultaneously 2,4,6-triphenylpriryllium (TPP) and amino acid (glycine or alanine) solutions and the reaction product were monitored online by MS at different flow rates. The acquired spectra demonstrated that the relative abundances of the products obtained with the device containing the 3D serpentine channel had an order of magnitude up to three times greater than those obtained with the Y-shaped device. The device performance in 3D serpentine was also evaluated comparing with the traditional ESI(+)-MS technique. The 3D serpentine printed reactor promoted the reaction quickly and with a higher rate of product formation compared to the ESI(+)- MS technique. The electrochemical cell containing integrated electrodes was entirely manufactured by 3D printing. The electrochemical device was manufactured in a single step with a manufacturing time of 12 min and a cost of US$ 0.08. Preliminary tests for the detection of 17β - estradiol by DPV reached an LOD of 0.1 μmol L-1 and an analytical curve with a linear range of 0.19 to 25 μmol L-1. These results demonstrate the excellent versatility of 3D printing technology being applied in different areas of bioanalytical chemistry. The counting method of counting bacteria, the device for online monitoring of chemical reactions, as well as the electrochemical cell for detection of hormones offer instrumental simplicity, low cost, high sensitivity, allowing the opening of new application possibilities in different areas of chemistry.eng
dc.description.resumoA tecnologia de impressão 3D vem sendo amplamente explorada como método alternativo de fabricação de microdispositivos analíticos. Esta tecnologia vem resolvendo muitas limitações das técnicas convencionais de microfabricação devido sua capacidade de construir microestruturas com materiais e geometrias diversas de forma simples, rápida e de baixo custo. Neste sentido, a presente tese descreve o uso da impressão 3D para fabricação de plataformas analíticas para aplicações que envolvem contagem de células de E. coli incorporadas em gotículas baseadas na detecção condutométrica sem contato (C4D), monitoramento online de reações químicas por espectrometria de massas (MS) e detecção de estradiol em análises eletroquímicas. Para medidas de C4D os dispositivos microfluídicos foram impressos contendo microcanais na forma de junção em T e dois eletrodos integrados na disposição antiparalela. As gotas com células incorporadas foram monitoradas em tempo real utilizando o sistema C4D. A abordagem proposta demonstrou capacidade de detectar células de E. coli na faixa de concentração entre 86,5 e 8650 UFC gotícula- 1 com limite de detecção de 63,66 UFC gota-1. Para o desenvolvimento do reator miniaturizado empregado no monitoramento de reações químicas por MS foi construído um dispositivo microfluídico contendo um canal em forma de serpentina 3D e outro contendo canal em forma de Y. Ambos os dispositivos foram avaliados para o monitoramento da reação de Katritzky injetando simultaneamente as soluções de 2,4,6-trifenilprirílio (TPP) e de aminoácidos (glicina ou alanina) e o produto da reação foi monitorado de forma online por MS em diferentes vazões. Os espectros adquiridos demonstraram que as abundâncias relativas dos produtos obtidos com o dispositivo contendo canal em serpentina 3D tiveram ordem de grandeza até três vezes maior que as obtidas com o dispositivo com canal em Y. A performance do dispositivo em serpentina 3D também foi avaliada comparando com a técnica de ESI(+)-MS tradicional. O reator impresso em serpentina 3D promoveu a reação de forma mais rápida e com maior taxa de formação de produto em relação a técnica de ESI(+)-MS. A célula eletroquímica contendo eletrodos integrados foi inteiramente fabricada por impressão 3D. O dispositivo eletroquímico foi fabricado em única etapa com tempo de fabricação de 12 min e custo de US$ 0,08. Testes preliminares para detecção de 17β - estradiol por DPV alcançaram um LOD de 0,1 μmol L-1 e curva analítica com faixa linear de 0,19 a 25 μmol L-1. Estes resultados demonstram a excelente versatilidade da tecnologia de impressão 3D sendo aplicada em diferentes áreas da química bioanalítica. O método de contagem de contagem de bactérias, o dispositivo para monitoramento online de reações químicas, bem como a célula eletroquímica para detecção de hormônios oferecem simplicidade instrumental, baixo custo, alta sensibilidade permitindo a abertura de novas possibilidades de aplicações em diversas áreas da química.
dc.description.sponsorshipConselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq
dc.identifier.citationDUARTE, L. C. Dispositivos sob demanda: desenvolvimento de sistemas microfluídicos e sensores eletroquímicos por impressão 3D. 2020. 98 f. Tese (Doutorado em Química) - Instituto de Química, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, 2020.
dc.identifier.urihttp://repositorio.bc.ufg.br/tede/handle/tede/13881
dc.languagePortuguêspor
dc.publisherUniversidade Federal de Goiás
dc.publisher.countryBrasil
dc.publisher.departmentInstituto de Química - IQ (RMG)
dc.publisher.initialsUFGpor
dc.publisher.programPrograma de Pós-graduação em Química (IQ)
dc.rightsAcesso Aberto
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subjectBactéria E. Colipor
dc.subjectContagem bacterianapor
dc.subjectMicromisturadorpor
dc.subjectReação Katritzkypor
dc.subjectEstradiolpor
dc.subjectDetecção condutométrica sem contatopor
dc.subjectEspectrometria de massaspor
dc.subjectDetecção eletroquímicapor
dc.subjectImpressão 3Dpor
dc.subjectE. Coli bacteriaeng
dc.subjectBacterial counteng
dc.subjectMicromixereng
dc.subjectKatritzky reactioneng
dc.subjectContactless conductivity detectioneng
dc.subjectMass spectrometryeng
dc.subjectElectrochemical detectioneng
dc.subject3D printingeng
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
dc.titleDispositivos sob demanda: desenvolvimento de sistemas microfluídicos e sensores eletroquímicos por impressão 3D
dc.title.alternativeDevices on demand: development of microfluidic systems and electrochemical sensors by 3D printingeng
dc.typeTese

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