Microdispositivos eletroquímicos confeccionados com caneta 3D e outros instrumentos portáteis e acessíveis para a análise de contaminantes ambientais
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Data de Publicação: | 2023 |
Tipo de documento: | Tese |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Repositório Institucional da UFU |
Texto Completo: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/41025 http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.665 |
Resumo: | The development of new low-cost electrochemical cells and sensors associated with the principles of Green Analytical Chemistry has been the objective of several research groups. In this thesis, miniaturized, practical and versatile electroanalytical devices were described for the determination of contaminants in environmental samples, using only portable and low-cost instruments (e.g., 3D pen, micro-grinder, scissors, tips, etc.). In the first chapter, the 3D pen is proposed as an alternative instrument to 3D printers for the manufacture of sensors, being used to extrude a commercial carbon black and polylactic acid (CB/PLA) conductive filament on phenolite substrates (copper board). Although manufactured by hand, the electrodes manufactured with a 3D pen showed electrochemical performance and manufacturing reproducibility comparable to a 3D printer (DPR < 20% vs 8% n = 10). As a proof of concept, calibration curves for model analytes in different electrochemical systems were constructed, such as Cd2+ and Pb2+ by square wave anodic redissolution voltammetry (SWASV), paracetamol by batch injection analysis with amperometric detection, and ascorbic acid by electrochemical voltammetry. square wave (SWV). In the second chapter, an electrochemical cell is proposed that contains three integrated electrodes (work, counter and pseudo-reference) printed with a 3D pen on the smallest micropipette tip (volume: 1 – 10L). The cell required a reduced sample volume (minimum of 10 μL) and proved to be very versatile, as it can be easily coupled with different commercial micropipette tips (manual and electronic) and used for stationary voltammetric measurements (measured after aspiration) and hydrodynamic (measured concomitantly with aspiration). These characteristics were demonstrated for the voltammetric detection of catechol, determination of catechol by stationary SWV and determination of Pb2+ by SWASV (pre-concentration step carried out during controlled aspiration of the solution) in tap water and artesian well water, with recoveries close to 100%. The manufacturing cost of the developed devices is very low (< R$ 0.50), as it uses low-cost instruments and requires minimal quantities of conductive filaments. The 3D pen proved to be a promising tool for manufacturing electrochemical devices, as it has a reduced cost compared to printers using fused deposition modeling (R$ 50 vs 1200), in addition to being simpler and more portable, allowing even more production decentralized and by anyone. |
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Microdispositivos eletroquímicos confeccionados com caneta 3D e outros instrumentos portáteis e acessíveis para a análise de contaminantes ambientaisElectrochemical microdevices made with a 3D pen and other portable and accessible instruments for the analysis of environmental contaminantsModelagem por deposição fundidaFused deposition modelingManufatura aditivaAdditive manufacturingSensor 3D3D sensorCarbonoCarbonCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::QUIMICA ANALITICA::ELETROANALITICACNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::QUIMICA ANALITICACNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::FISICO-QUIMICA::ELETROQUIMICAQuímicaODS::ODS 7. Energia limpa e acessível - Garantir acesso à energia barata, confiável, sustentável e renovável para todos.The development of new low-cost electrochemical cells and sensors associated with the principles of Green Analytical Chemistry has been the objective of several research groups. In this thesis, miniaturized, practical and versatile electroanalytical devices were described for the determination of contaminants in environmental samples, using only portable and low-cost instruments (e.g., 3D pen, micro-grinder, scissors, tips, etc.). In the first chapter, the 3D pen is proposed as an alternative instrument to 3D printers for the manufacture of sensors, being used to extrude a commercial carbon black and polylactic acid (CB/PLA) conductive filament on phenolite substrates (copper board). Although manufactured by hand, the electrodes manufactured with a 3D pen showed electrochemical performance and manufacturing reproducibility comparable to a 3D printer (DPR < 20% vs 8% n = 10). As a proof of concept, calibration curves for model analytes in different electrochemical systems were constructed, such as Cd2+ and Pb2+ by square wave anodic redissolution voltammetry (SWASV), paracetamol by batch injection analysis with amperometric detection, and ascorbic acid by electrochemical voltammetry. square wave (SWV). In the second chapter, an electrochemical cell is proposed that contains three integrated electrodes (work, counter and pseudo-reference) printed with a 3D pen on the smallest micropipette tip (volume: 1 – 10L). The cell required a reduced sample volume (minimum of 10 μL) and proved to be very versatile, as it can be easily coupled with different commercial micropipette tips (manual and electronic) and used for stationary voltammetric measurements (measured after aspiration) and hydrodynamic (measured concomitantly with aspiration). These characteristics were demonstrated for the voltammetric detection of catechol, determination of catechol by stationary SWV and determination of Pb2+ by SWASV (pre-concentration step carried out during controlled aspiration of the solution) in tap water and artesian well water, with recoveries close to 100%. The manufacturing cost of the developed devices is very low (< R$ 0.50), as it uses low-cost instruments and requires minimal quantities of conductive filaments. The 3D pen proved to be a promising tool for manufacturing electrochemical devices, as it has a reduced cost compared to printers using fused deposition modeling (R$ 50 vs 1200), in addition to being simpler and more portable, allowing even more production decentralized and by anyone.Tese (Doutorado)O desenvolvimento de novas células e sensores eletroquímicos de baixo custo e associados aos princípios da Química Analítica Verde vem sendo o objetivo de vários grupos de pesquisa. Nesta tese foram descritos dispositivos eletroanalíticos miniaturizados, práticos e versáteis para a determinação de contaminantes em amostras ambientais, empregando apenas instrumentos portáteis e de baixo custo (p.ex. caneta 3D, microrretífica, tesoura, ponteiras, etc). No primeiro capítulo a caneta 3D é proposta como um instrumento alternativo às impressoras 3D para a fabricação de sensores, sendo utilizada para extrudar um filamento condutivo de negro de fumo e ácido polilático (CB/PLA) comercial em substratos de fenolite (placa de circuito impresso). Embora fabricados artesanalmente, os eletrodos fabricados com caneta 3D apresentaram desempenho eletroquímico e reprodutibilidade de fabricação comparável com uma impressora 3D (DPR < 20 % vs 8 % n = 10). Como prova de conceito, curvas de calibração para analitos modelo em diferentes sistemas eletroquímicos foram construídas, como Cd2+ e Pb2+ por voltametria de redissolução anódica por onda quadrada (SWASV), paracetamol por análise de injeção em batelada com detecção amperométrica e ácido ascórbico por voltametria de onda quadrada (SWV). No segundo capítulo é proposta uma célula eletroquímica que contém os três eletrodos integrados (trabalho, auxiliar e referência) impressos com caneta 3D na menor ponteira de micropipeta (volume: 1 – 10 L). A célula necessitou de um reduzido volume de amostra (mínimo de 10 μL) e mostrou-se muito versátil, uma vez que pode ser facilmente acoplada com diferentes ponteiras de micropipetas comerciais (manuais e eletrônicas) e ser utilizada para medidas voltamétricas estacionárias (medida após a aspiração) e hidrodinâmicas (medida concomitante à aspiração). Estas características foram demonstradas para a detecção voltamétrica de catecol, determinação de catecol por SWV estacionário e determinação de Pb2+ por SWASV (etapa de pré-concentração realizada durante a aspiração controlada da solução) em água de torneira e de poço artesiano, sendo obtidas recuperações próximas a 100 %. O custo de fabricação dos dispositivos desenvolvidos é muito baixo (< R$ 0,50), uma vez que utiliza instrumentos de baixo custo e requer mínimas quantidades de filamentos condutivos. A caneta 3D mostrou-se uma ferramenta promissora para fabricar dispositivos eletroquímicos, uma vez que apresenta custo reduzido em relação às impressoras mediante modelagem por deposição fundida (R$ 50 vs 1200), além de ser mais simples e portátil, permitindo ainda mais a produção descentralizada e por qualquer pessoa.Universidade Federal de UberlândiaBrasilPrograma de Pós-graduação em QuímicaMelo, Edmar Isaias dehttp://lattes.cnpq.br/7960282543025449Silva, Rodrigo Amorim Bezerra dahttp://lattes.cnpq.br/7504196787086099Santos, André Luiz doshttp://lattes.cnpq.br/3299204309097010Munoz, Rodrigo Alejandro Abarzahttp://lattes.cnpq.br/0884149595277368Lucca, Bruno Gabrielhttp://lattes.cnpq.br/1694391359935540Lourenção, Bruna Cláudiahttp://lattes.cnpq.br/0205548799348406Oliveira, Fabiano Mendonça de2024-01-22T20:04:41Z2024-01-22T20:04:41Z2023-11-24info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfOLIVEIRA, Fabiano Mendonça de. Microdispositivos eletroquímicos confeccionados com caneta 3D e outros instrumentos portáteis e acessíveis para a análise de contaminantes ambientais. 2023. 132 f. Tese (Doutorado em Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2023. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.665https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/41025http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.665porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFUinstname:Universidade Federal de Uberlândia (UFU)instacron:UFU2024-01-23T06:18:04Zoai:repositorio.ufu.br:123456789/41025Repositório InstitucionalONGhttp://repositorio.ufu.br/oai/requestdiinf@dirbi.ufu.bropendoar:2024-01-23T06:18:04Repositório Institucional da UFU - Universidade Federal de Uberlândia (UFU)false |
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