Κατασκευή και εφαρμογές τρισδιάστατων εκτυπωμένων διατάξεων για ηλεκτροανάλυση

Abstract

The purpose of this PhD thesis is the development of low-cost completed electrochemical devices, entirely fabricated by 3D printing. The devices are composed of a micro-cell (printed from non-conductive filament) with integrated 3 electrodes printed by conductive filament and manufactured by a single-step printing process using a dual extruder 3D printer. The 3D printed devices were applied to the electrochemical determination of organic compounds and heavy metals, presenting low sensitivity, high selectivity, short analysis time, while they are suitable for point of need applications.More specifically, 3D printed integrated devices were fabricated and applied for the simultaneous electrochemical determination of paracetamol and caffein and for the determination of quetiapine and colchicine. Besides, 3D printed devices were constructed for the voltametric determination of heavy metals, such as mercury and cadmium and for the amperommetric determination of hydrogen peroxide. Also, 3D printed mini-biosensor were developed for the determination of C-reactive protein and a flexible wearable 3D printed sensor in the form of ring for the determination of glucose in biological fluids.With this applied technology in the fabrication of sensor the main disadvantages of conventional manufactory method are minimized. In particular, the use of 3D printing technology significantly reduces the production cost of the devices compared to existing techniques (such as injection molding, photolithography, screen printing) using desktopsized, portable, domestic and low-cost equipment. The devices are very small in size, can be designed in various geometries and are produced by non-toxic and disposable materials. Their overall size is quite small allowing the handling of small sample volumes and reagents in the microliter (μL) scale.

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη χαμηλού κόστους ολοκληρωμένων ηλεκτροχημικών διατάξεων, εξ ολοκλήρου κατασκευασμένων με τρισδιάστατη εκτύπωση (3D printing). Οι διατάξεις αποτελούνται από μικροκυψελίδα (εκτυπωμένη από μη αγώγιμο νήμα) με ενσωματωμένους αισθητήρες (εκτυπωμένους από αγώγιμο νήμα) και κατασκευάζονται σε ένα στάδιο από 3D εκτυπωτή δύο κεφαλών. Οι διατάξεις εφαρμόστηκαν για την ανάπτυξη ηλεκτροχημικών μεθόδων προσδιορισμού οργανικών ενώσεων και βαρέων μετάλλων παρουσιάζοντας ιδιαίτερα χαμηλή ευαισθησία, υψηλή εκλεκτικότητα, μειωμένους χρόνους ανάλυσης, ενώ είναι κατάλληλες για αναλύσεις στο πεδίο ανάγκης.Συγκεκριμένα, κατασκευάστηκαν 3D printed διατάξεις και αναπτύχθηκαν ηλεκτροχημικές μέθοδοι για τον ταυτόχρονο προσδιορισμό των φαρμακευτικών ουσιών παρακεταμόλης και καφεΐνης, και για τον προσδιορισμό της κουετιαπίνης και της κολχικίνης. Αναπτύχθηκαν 3D printed διατάξεις και μέθοδοι προσδιορισμού βαρέων μετάλλων όπως υδράργυρου και καδμίου καθώς και για τον προσδιορισμό υπεροξειδίου του υδρογόνου. Κατασκευάστηκε 3D printed μικροβιοαισθητήρας και αναπτύχθηκε μέθοδος για τον προσδιορισμό της Γ-αντιδρώσας πρωτεΐνης, καθώς και εύκαμπτος 3D printed φορετός αισθητήρας σε μορφή δακτυλιδιού κατάλληλος για τον προσδιορισμό γλυκόζης σε βιολογικά υγρά.Με την εφαρμοζόμενη τεχνολογία κατασκευής αισθητήρων τα σημαντικότερα μειονεκτήματα των συμβατικών μεθόδων κατασκευής ηλεκτροχημικών αισθητήρων ελαχιστοποιούνται. Ειδικότερα, η χρήση της τρισδιάστατης εκτύπωσης μειώνει σημαντικά το κόστος κατασκευής των διατάξεων σε σύγκριση με τις υπάρχουσες τεχνικές (όπως έγχυσης με εκμαγείο, φωτολιθογραφία, εκτύπωση με πλέγματα), χρησιμοποιώντας οικιακού τύπου, φορητή και φθηνή οργανολογία. Οι διατάξεις έχουν πολύ μικρό μέγεθος, μπορούν να κατασκευάζονται σε διάφορες γεωμετρίες και αποτελούνται από μη τοξικά και απορριπτόμενα υλικά. Το μέγεθος τους είναι αρκετά μικρό επιτρέποντας το χειρισμό μικρών όγκων δειγμάτων και αντιδραστηρίων τηςκλίμακας των μικρολίτρων (μL).