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Master's Dissertation
DOI
Document
Author
Full name
Nathalia Oezau Gomes
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2019
Supervisor
Committee
Sgobbi, Lívia Flório (President)
Araujo, William Reis de
Machado, Sergio Antonio Spinola
Paixão, Thiago Regis Longo Cesar da
Title in Portuguese
Desenvolvimento de dispositivos eletroquímicos baseados em papel para monitoramento não invasivo de lactato em suor
Keywords in Portuguese
azul da prússia
celulose bacteriana
eletrodos impressos
lactato
sensor eletroquímico
serigrafia
suor
Abstract in Portuguese

O lactato é um metabólito chave formado pelo metabolismo anaeróbico da glicose nos músculos, e tem se tornado um biomarcador importante no âmbito clínico e esportivo. Atualmente, existem biossensores eletroquímicos portáteis que são capazes de determinar os níveis de lactato no organismo em tempo real. No entanto, tal método é invasivo uma vez que requer amostras de sangue. O presente projeto tem como objetivo desenvolver um biossensor eletroquímico descartável para detecção de lactato no suor. Para isto a configuração do dispositivo foi feita utilizando a celulose bacteriana como substrato para obtenção de um dispositivo que seja resistente à deformação mecânica, especialmente quando molhado e, também, permeável ao suor. A impressão dos eletrodos de carbono neste substrato foi efetuada utilizando o processo de serigrafia. Com os dispositivos produzidos foram realizados experimentos de voltametria cíclica e espectroscopia de impedância eletroquímica, a fim de caracterizar o sensor desenvolvido e investigar a influência do pré-tratamento eletroquímico na sua performance analítica. A partir da modificação da superfície eletródica com nanocubos de Azul da Prússia foi possível desenvolver um sensor eletroquímico para detecção de peróxido de hidrogênio. A cronoamperometria foi utilizada para a determinação da curva analítica para o peróxido de hidrogênio. Com todos os parâmetros da cronoamperometria otimizados, uma dependência linear da corrente catódica com a concentração de peróxido de hidrogênio foi obtida, com a equação: Ip = 0,1 + 4,30 [H2O2], com r2 = 0,999 (n = 3). Esta curva analítica mostrou que a metodologia apresenta um Limite de Detecção e de Quantificação de mol L-1 e mol L-1, respectivamente. Para a configuração do biossensor eletroquímico a enzima lactato oxidase foi incorporada à superfície do papel pelo método de ligação covalente. Adotando esta metodologia foi verificado um aumento da área eletroativa que possibilitou uma melhora significativa no desempenho do sensor desenvolvido. No qual se obteve uma região linear de 1-24,0 mmol L-1 em suor sintético, obtendo-se Limites de detecção e Quantificação de e mol L-1. Tais parâmetros se mostraram adequados já que o suor pode apresentar níveis de aproximadamente 25 mmol L-1 de lactato. De modo geral, foi possível desenvolver uma plataforma eletroquímica no substrato de celulose bacteriana para a detecção de lactato em amostras de suor sintético. O dispositivo desenvolvido apresentou uma boa durabilidade e resistência ao se executarem sucessivas medidas corroborando a viabilidade deste substrato na projeção de sensores vestíveis para a aplicação direta na pele e monitoramento dos níveis de lactato em tempo real.

Title in English
Development of wearable electrochemical paper-based devices for noninvasive monitoring of lactate in sweat
Keywords in English
bacterial cellulose
electrochemical sensor
lactate
screen printed electrodes
screenprinting, prussian blue
sweat
Abstract in English

Lactate is a key metabolite formed in the anaerobic metabolism of glucose in the muscles. It has become an important biomarker in the clinical and sport scopes. Currently, there are portable biosensors that are able to determine lactate levels in real time. However, these methods are invasive since they require blood samples. Herein, we aim to develop a disposable wearable electrochemical biosensor for detection of lactate in sweat. For this purpose the configuration of the device was made with bacterial cellulose substrate in order to be permeable to sweat and resistant to mechanical deformation, especially when wet. The fabrication of the electrodes was made through screen printing technique. Electrochemical impedance spectroscopy and cyclic voltammetry were used to characterize the sensor developed in order to investigate the influence of the electrochemical pre-treatment in the analytical performance of the electrodes. To develop an electrochemical sensor for the detection of hydrogen peroxide the screen printed electrode was modified with Prussian blue nanocubes. Chronoamperometry experiments were used to detect of hydrogen peroxide. From optimized chronoamperometry parameters, a linear dependence of the cathodic current with the hydrogen peroxide concentration was obtained with the equation: Ip = 0.1 + 4.30 [H2O2], with r2 = 0.999 (n = 3). The limit of detection (LOD) and the limit of quantification (LOQ) were mol L-1 e mol L-1, respectively. For the configuration of the electrochemical biosensor the lactate oxidase enzyme was immobilized on the paper surface by the covalent bonding method. Adopting this methodology was verified an increase of the electroactive area that allowed a significant improvement in the performance of the developed sensor. In which a linear concentration range of 1-24.0 mmol L-1 was obtained in the synthetic sweat, obtaining LOD and LOQ of mol L-1 e mol L-1, respectively. Such parameters were adequate since sweat may have lactate levels of approximately 25 mmol L-1. Finally, it was possible to develop an electrochemical platform using the bacterial cellulose substrate for the detection of lactate in samples of synthetic sweat. The developed device presented a good durability and resistance when performing electrochemical measurements assuring the feasibility of this substrate in the projection of wearable sensors for the direct application to skin and monitoring of lactate levels in real time.

 
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Publishing Date
2019-04-24
 
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