Sensibilitat i resposta de transductors impedimètrics modificats per a la detecció de toxines de bactèria

Treballs Finals de Grau de Química, Facultat de Química, Universitat de Barcelona, Any: 2016, Tutors: Pere L. Cabot Julià, Andrei Bratov i Natalia Abramova.In this work, an impedimetric transducer based on a three dimensional interdigitated electrode array (3D-IDEA) was used to study interactions with gram-negative bacteria endotoxins from Escherichia coli in a sample solution. Bacteria endotoxins mainly belong to a lipopolysaccharide (LPS) chemical class. LPS immobilization on the sensor surface affects the surface charge and produces changes in the superficial resistance which is possible to detect using impedance spectroscopy technique. The sensor surface was chemically modified with polyethilenimine (PEI) or epoxysilane. As a biorecognition element for bacterial endotoxin detection, lectin Concanavalin A (ConA) was deposited on the IDEA surface through PEI-ConA or epoxysilane-ConA interactions. To prevent non-specific adsorption of LPS different ways of surface blocking were studied. However, different types of blocking agents tested did not permit to enhance the specificity of the sensor. The best results on selective detection of LPS were achieved by modifying surface with Concanavalin A – Glycogen multilayers. Detection limit of the sensor with PEI-(ConA-Gly)2-ConA was found to be as low as 1μgLPS/mL in E. coli endotoxins with response time around 20 minutes. The sensor responses follow the Langmuir adsorption curve (type I) and can be perfectly fitted by Hill’s equation

Nanoceria dissolution at acidic pH by breaking off the catalytic loop

Nanoceria; Cerium oxide nanoparticlesNanoceria; Nanopartículas de óxido de cerioNanoceria; Nanopartícules d'òxid de ceriThis manuscript proves the reproducibility and robustness of cerium oxide nanoparticles, nanoceria, employed as a chemical reagent with oxidizing capacity (as an electron sink) at acidic pH. Unlike nanoceria multi-enzyme-mimetic capabilities at neutral or high pH, nanoceria can behave as a stoichiometric reagent at low pH where insoluble Ce4+ ions transform into soluble Ce3+ in the nanocrystal that finally dissolves. This behaviour can be interpreted as enzyme-like when nanoceria is in excess with respect to the substrate. Under these conditions, the Ce3+/Ce4+ ratio in the NPs can easily be estimated by titration with ferrocyanide. This procedure could become a rapid assessment tool for evaluating nanoceria capacity in liquid environments.N. Sabaté would like to acknowledge the financial support received from ERC Consolidator Grant (SUPERCELL – GA.648518). N. G. B and V. P. acknowledge financial support from the Spanish Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (MCIU) (RTI2018-099965-B-I00, AEI/FEDER,UE) proyectos de I + D + i de programación conjunta internacional MCIN/AEI (CONCORD, PCI2019-103436) cofunded by the European Union and Generalitat de Catalunya (2017-SGR-1431). ICN2 is supported by the Severo Ochoa program from Spanish MINECO (SEV-2017-0706) and is funded by the CERCA Programme/Generalitat de Catalunya. Dmitry Galyamin thanks the doctoral program “Electroquímica. Ciència i Tecnologia” of the Universitat Autònoma de Barcelona (UAB)

Insights into the High Activity of Ruthenium Phosphide for the Production of Hydrogen in Proton Exchange Membrane Water Electrolyzers

The demand of green hydrogen, that is, the hydrogen produced from water electrolysis, is expected to increase dramatically in the coming years. State-of-the-art proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE) uses high loadings of platinum group metals, such as Pt in the electrode where hydrogen is produced. Alternative electrodes based on phosphides, sulfides, nitrides, and other low-cost alternatives are under investigation. Herein, a simple process for the preparation of RuP electrodes with high activity for the hydrogen evolution reaction (HER) in acidic electrolyte is described. A straightforward one-pot synthesis that yields RuP nanoparticles with fine-tuned composition and stoichiometry is presented, as determined by multiple characterization techniques, including lab- and synchrotron-based experiments and theoretical modeling. The RuP nanoparticles exhibit a high activity of 10 mA cm−2 at 36 mV overpotential and a Tafel slope of 30 mV dec−1, which is comparable to Pt/C. Moreover, a RuP catalyst-coated membrane (CCM) with a low Ru loading of 0.6 mgRu cm−2 is produced and tested in a PEMWE cell configuration, yielding 1.7 A cm−2 at 2 V. © 2023 The Authors. Advanced Energy and Sustainability Research published by Wiley-VCH GmbH.The authors acknowledge the PROMET-H2 project. This project received funding from the European Union Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement no. 862253. The Deputyship for Research & Innovation, Ministry of Education of Saudi Arabia, is acknowl edged for funding this research work through the project number 341. The authors also acknowledge financial support from grants TED2021- 131033B-I00, PID2020-116712RB-C21, and PID2019-103967RJ-I00 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033. Computing resources for this work were provided by STFC scientific computing departments of the SCARF cluster. J.T. wishes to acknowledge the Deutsche Akademische Austausch Dienst (DAAD), scholarship code number 57540124. The authors acknowledge Diamond Light Source for time on the VerSoX B07-B beamline under the commissioning proposal cm-28150Peer reviewe

Active and durable R2MnRuO7 pyrochlores with low Ru content for acidic oxygen evolution

The production of green hydrogen in water electrolyzers is limited by the oxygen evolution reaction (OER). State-of-the-art electrocatalysts are based on Ir. Ru electrocatalysts are a suitable alternative provided their performance is improved. Here we show that low-Ru-content pyrochlores (R2MnRuO7, R = Y, Tb and Dy) display high activity and durability for the OER in acidic media. Y2MnRuO7 is the most stable catalyst, displaying 1.5 V at 10 mA cm−2 for 40 h, or 5000 cycles up to 1.7 V. Computational and experimental results show that the high performance is owed to Ru sites embedded in RuMnOx surface layers. A water electrolyser with Y2MnRuO7 (with only 0.2 mgRu cm−2) reaches 1 A cm−2 at 1.75 V, remaining stable at 200 mA cm−2 for more than 24 h. These results encourage further investigation on Ru catalysts in which a partial replacement of Ru by inexpensive cations can enhance the OER performance. © 2023, The Author(s).We acknowledge the funding granted to the PROMET-H2 project by the European Union’s Horizon 2020 research and innovation program under grant agreement No. 862253. The Deputyship for Research & Innovation, Ministry of Education of Saudi Arabia is acknowledged for funding this research work through project number 341. Financial support from grants PID2019−103967RJ-I00, PID2020-116712RB-C21, and PID2021-122477OB-I00 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 is acknowledged. The authors acknowledge Diamond Light Source for time on Beamline B18 and ALBA synchrotron for beamtime at MSPD line. The authors wish to acknowledge the Deutsche Akademische Austausch Dienst (DAAD), Scholarship code number 57540124. F.C.V. and M.J.K. acknowledge that the grants RTI2018-095460-B-I00, RYC-2015-18996, and MDM-2017-0767 were funded by MCIN/AEI/ 10.13039/501100011033 and by the European Union. The use of supercomputing facilities at SURFsara was sponsored by NWO Physical Sciences, with financial support from NWO.Supplementary information The online version contains supplementary material available at https://doi.org/10.1038/s41467-023-37665-9.Peer reviewe

Aspectos clave para el desarrollo de inmunosensores digitales electroquímicos sostenibles

Els test en el lloc d'assistència del pacient (més conegut pel seu nom en anglès, Point-of-Care) (POC) son necessaris per que permeten realitzar un primer diagnòstic ràpid fora d'un laboratori especialitzat. Per un costat, dins dels POC, podem trobar dispositius relativament sofisticats capaços de quantificar i emmagatzemar la informació proporcionada per un o varis sensors, amb la desavantatge que en la majoria de casos el seu cost per unitat es molt elevat. D'altra banda, trobem dispositius basats en paper extremadament senzills i d'un cost molt baix, com els denominats test de flux lateral, en el que es realitza un immunoassaig amb una sola gota de saliva, sang, suor o orina. Alguns d'aquests exemples d'aquests últims son els test d'embaràs, el test d'VIH o el més recent test ràpid per a la detecció del SARS-CoV-2. Els test de flux lateral tenen una resposta qualitativa o semi-quantitativa que permet una inspecció visual del resultat, mentre que, si es requereix d'una quantificació més precisa i inequívoca, es necessita de la incorporació d'un sistema de lectura. En aquest sentit, s'han estudiat diferents tècniques per quantificar la senyal, sent la més prometedora l'ús de tècniques electroquímiques. No obstant, totes les propostes realitzades fins la data segueixen sent fonts d'alimentació externes i mòduls electrònics, incomplint així bona part dels criteris ASSURED proposats per la OMS. Així, urgeix la necessitat de trobar una alternativa viable capaç d'aportar una lectura a un cost mínim i sense requerir d'equips externs. En aquest sentit, aquesta tesi profunditza en diversos aspectes encaminats a estudiar la viabilitat d'un test electroquímic autoalimentat d'un sol ús que pugui complir amb els criteris de cost, simplicitat i sostenibilitat requerits per a convertir-se en un test d'impacte global. El primer capítol experimental de la tesi descriu quins efectes pot tenir la selecció de diferents papers comunament emprats en els dispositius analítics basats en paper en la resposta electroquímica d'un sensor. Aquest estudi resulta nou, ja que, malgrat que hi ha un gran número de dispositius de paper publicats, no existeix cap estudi detallat sobre l'efecte de la porositat del paper en la resposta electroquímica d'aquests. Els resultats obtinguts experimentalment van ser validats mitjançant simulacions realitzades en COMSOL Multyphisics®. Gràcies a això, s'ha pogut demostrar que l'elecció del paper juga un paper determinant en la sensibilitat del sistema. En el segon capítol experimental es presenta un prototip d'un dispositiu basat en paper en el que es realitza un immunoassaig completament auto-alimentat per la detecció del biomarcador CRP. La detecció del biomarcador es realitza mitjançant anticossos marcats amb l'enzim HRP. A l'immunoassaig es fa servir Mg com ànode i benzoquinona (BQ) produïda per l'enzim com catolit, de tal forma que l'energia produïda es directament proporcional a la concentració del marcador a detectar. Els valors de detecció obtinguts amb aquest sistema es troben dins d'un rang clínic rellevant - entre 1 i 3 mg·L-1 de CRP - i amb voltatges de sortida majors a 1.55V. Aquest capítol presenta un punt de partida cap a una nova generació d'immunoassaigs digitals i auto-alimentats molt més senzills i assequibles que els actualment presents en el mercat del diagnòstic. Finalment, amb el fi de substituir els enzims per compostos inorgànics amb major reproductibilitat i robustesa que permetin disminuir variabilitats en els dispositius de diagnòstic, així com simplificar el disseny i abaratir els costs, en el tercer capítol experimental es va procedir a estudiar la viabilitat de fer servir nanopartícules (NP) de ceria com a agents catalítics. Els resultats ens mostren que, a diferència del que és àmpliament reportat, les NPs de ceria no actuen com catalitzadors de la reacció d'oxidació d'un mediador, si no que es comporten com agents oxidants. Aquesta característica fa que la quantitat de molècules de ferrocianur oxidades per cada NP present a la mostra sigui fixa i que, a més, la reacció d'oxidació s'aturi un cop consumit tot el ceri disponible. La caracterització d'aquests materials han demostrat una alta reproductibilitat inclús en condicions d'emmagatzematge poc controlats, fet que el fa firmes candidates a substituir als enzims que es fan servir en els immunoassaigs actuals.Los test en el lugar de asistencia del paciente (más conocido por su nombre en inglés, Point-of-Care) (POC) son necesarios porque permiten realizar un primer diagnóstico rápido fuera de un laboratorio especializado. Por un lado, dentro de los POC, podemos encontrar dispositivos relativamente sofisticados capaces de cuantificar y almacenar la información proporcionada por uno o varios sensores, con la desventaja de que en la mayoría de los casos su coste es por unidad es muy elevado. Por el otro lado, encontramos dispositivos basados en papel extremadamente sencillos y de muy bajo coste, como los denominados test de flujo lateral, en los que se realiza un inmunoensayo con solo una gota de saliva, sangre, sudor u orina. Algunos ejemplos de estos últimos son el test de embarazo, el test del VIH o el más reciente test rápido para la detección del SARS-CoV-2. Los test de flujo lateral tienen una respuesta cualitativa o semicuantitativa que permite una inspección visual del resultado, mientras que, si se requiere de una cuantificación más precisa e inequívoca, se necesita incorporar un sistema de lectura. En este sentido, se han estudiado diferentes técnicas para cuantificar la señal, siendo la más prometedora el uso de técnicas electroquímicas. Sin embargo, todas las propuestas realizadas hasta la fecha siguen usando fuentes de alimentación externas y módulos electrónicos, incumpliendo así buena parte de los criterios ASSURED propuestos por la OMS. Así, urge la necesidad de encontrar una alternativa viable capaz de aportar una lectura a un coste mínimo y sin requerir de equipos externos. En este sentido, esta tesis profundiza en diversos aspectos encaminados a estudiar la viabilidad de un test electroquímico autoalimentado de un solo uso que pueda cumplir con los criterios de coste, simplicidad y sensibilidad requeridos para convertirse en un test de impacto global. El primer capítulo experimental de la tesis describe qué efectos puede tener la selección de distintos papeles comúnmente empleados en los dispositivos analíticos basados en papel en la respuesta electroquímica de un sensor. Este estudio resulta novedoso, ya que, a pesar del gran número de dispositivos de papel publicados hasta la fecha, no existía ningún estudio detallado sobre el efecto de la porosidad del papel en la respuesta electroquímica de los mismos. Los resultados obtenidos experimentalmente fueron validados mediante simulaciones realizadas en COMSOL Multyphisics®. Gracias a ello se ha podido demostrar que la elección del papel juega un papel determinante en la sensibilidad del sistema. En el segundo capítulo experimental se presenta un prototipo de un dispositivo basado en papel en el que se realiza un inmunoensayo completamente autoalimentado para la detección del biomarcador CRP. La detección del biomarcador se realiza mediante anticuerpos marcados con la enzima HRP. En el inmunoensayo se usa Mg como ánodo y la benzoquinona (BQ) producida por la enzima como catolito, de tal forma que la energía producida es directamente proporcional a la concentración del marcador a detectar. Los valores de detección obtenidos con este sistema se encuentran dentro de un rango clínico relevante - entre 1 y 3 mg·L-1 de CRP - y con voltajes de salida mayores a 1.55 V. Este capítulo presenta un punto de partida hacia una nueva generación de inmunoensayos digitales y autoalimentados mucho más sencillos y asequibles que los actualmente presentes en el mercado del diagnóstico. Finalmente, con el fin de substituir las enzimas por compuestos inorgánicos con mayor reproducibilidad y robustez que permitan disminuir variabilidades en los dispositivos de diagnóstico, así como simplificar el diseño y abaratar los costes, en el tercer capítulo experimental se procedió a estudiar la viabilidad de usar nanopartículas (NP) de ceria como agentes catalíticos. Los resultados nos muestran que, a diferencia de lo ampliamente reportado, las NPs de ceria no actúan como catalizador de la reacción de oxidación de un mediador, sino que se comportan como agente oxidante. Esta característica hace que la cantidad de moléculas de ferrocianuro oxidadas por cada nanopartícula presente en la muestra sea fija y que, además, la reacción de oxidación se detenga una vez consumido todo el cerio disponible. La caracterización de estos materiales ha demostrado una alta reproducibilidad incluso en condiciones de almacenamiento poco controladas, lo que las hace firmes candidatas a substituir a las enzimas usadas en los inmunoensayos actuales.Point-of-care (POC) tests are necessary because they allow a rapid diagnosis to be made outside of a specialized laboratory. Within the POC, we can find relatively sophisticated devices capable of quantifying and storing the information provided by one or several sensors, with the disadvantage that in most cases their cost per unit is very high. Within POC, paper-based devices are extremely simple and low-cost, such as the so-called lateral flow tests, in which an immunoassay is performed with just a drop of saliva, blood, sweat, or urine. Some examples are the pregnancy test, the HIV test or test for the detection of SARS-CoV-2. The lateral-flow tests have a qualitative or semi-quantitative response that allows a visual inspection of the result, however, when a more precise and unequivocal quantification is required, it is necessary to incorporate a reading system. Different techniques have been studied to quantify the signal, the most promising being the use of electrochemical techniques. However, up to date all the proposals have been carried out from external power sources and electronic modules, breaching part of the ASSURED criteria proposed by the WHO. Therefore, there is an urgent need to find a viable alternative capable of providing a reading at a minimum cost and without requiring external equipment. Consequently, this thesis delves into various aspects aimed at studying the feasibility of a single-use self-powered electrochemical test that can meet the criteria of cost, simplicity and sensitivity required to become a global impact test. The first experimental chapter describes which effects may have the selection of different papers commonly used in paper-based analytical devices on the electrochemical response. This study is innovative as there was no detailed study on the effect of paper porosity on the electrochemical response despite the larger number of studies published to date. The results obtained experimentally were validated by means of simulations carried out in COMSOL Multyphisics®. Thanks to this, it has been possible to demonstrate that the choice of paper plays a determining role in the sensitivity of the system. The second experimental chapter, a prototype of a paper-based device is presented in which a completely self-powered immunoassay is performed for the detection of the CRP biomarker. The detection is carried out by means of antibodies marked with the HRP enzyme. Then, Mg is used as anode while benzoquinone (BQ) produced by the enzyme is used as catholyte, therefore, the energy produced is directly proportional to the concentration of the biomarker. The detection values obtained with this system are within a relevant clinical range and with output voltages greater than 1.55 V. This chapter presents a starting point towards a new generation of digital and self-powered immunoassays much simpler and more affordable than those currently present in the diagnostic market. Finally, in order to replace enzymes with inorganic compounds with greater reproducibility and robustness that allow to reduce variabilities in diagnostic devices, as well as simplify the design and lower costs, in the third experimental chapter we proceeded to study the feasibility of using ceria nanoparticles (NP) as catalytic agents. The results show us that, contrary to what has been widely reported, ceria NPs do not act as a catalyst for the oxidation reaction of a mediator, but rather behave as an oxidizing agent. This characteristic means that the number of ferrocyanide molecules oxidized per NP present in the sample is fixed and the oxidation reaction stops once all the available cerium is consumed. The characterization of these materials has shown high reproducibility even under poorly controlled storage conditions, which makes them strong candidates to replace the enzymes used in current immunoassays

Aspectos clave para el desarrollo de inmunosensores digitales electroquímicos sostenibles

Els test en el lloc d’assistència del pacient (més conegut pel seu nom en anglès, Point-of-Care) (POC) son necessaris per que permeten realitzar un primer diagnòstic ràpid fora d’un laboratori especialitzat. Per un costat, dins dels POC, podem trobar dispositius relativament sofisticats capaços de quantificar i emmagatzemar la informació proporcionada per un o varis sensors, amb la desavantatge que en la majoria de casos el seu cost per unitat es molt elevat. D’altra banda, trobem dispositius basats en paper extremadament senzills i d’un cost molt baix, com els denominats test de flux lateral, en el que es realitza un immunoassaig amb una sola gota de saliva, sang, suor o orina. Alguns d’aquests exemples d’aquests últims son els test d’embaràs, el test d’VIH o el més recent test ràpid per a la detecció del SARS-CoV-2. Els test de flux lateral tenen una resposta qualitativa o semi-quantitativa que permet una inspecció visual del resultat, mentre que, si es requereix d’una quantificació més precisa i inequívoca, es necessita de la incorporació d’un sistema de lectura. En aquest sentit, s’han estudiat diferents tècniques per quantificar la senyal, sent la més prometedora l’ús de tècniques electroquímiques. No obstant, totes les propostes realitzades fins la data segueixen sent fonts d’alimentació externes i mòduls electrònics, incomplint així bona part dels criteris ASSURED proposats per la OMS. Així, urgeix la necessitat de trobar una alternativa viable capaç d’aportar una lectura a un cost mínim i sense requerir d’equips externs. En aquest sentit, aquesta tesi profunditza en diversos aspectes encaminats a estudiar la viabilitat d’un test electroquímic autoalimentat d’un sol ús que pugui complir amb els criteris de cost, simplicitat i sostenibilitat requerits per a convertir-se en un test d’impacte global. El primer capítol experimental de la tesi descriu quins efectes pot tenir la selecció de diferents papers comunament emprats en els dispositius analítics basats en paper en la resposta electroquímica d’un sensor. Aquest estudi resulta nou, ja que, malgrat que hi ha un gran número de dispositius de paper publicats, no existeix cap estudi detallat sobre l’efecte de la porositat del paper en la resposta electroquímica d’aquests. Els resultats obtinguts experimentalment van ser validats mitjançant simulacions realitzades en COMSOL Multyphisics®. Gràcies a això, s’ha pogut demostrar que l’elecció del paper juga un paper determinant en la sensibilitat del sistema. En el segon capítol experimental es presenta un prototip d’un dispositiu basat en paper en el que es realitza un immunoassaig completament auto-alimentat per la detecció del biomarcador CRP. La detecció del biomarcador es realitza mitjançant anticossos marcats amb l’enzim HRP. A l’immunoassaig es fa servir Mg com ànode i benzoquinona (BQ) produïda per l’enzim com catolit, de tal forma que l’energia produïda es directament proporcional a la concentració del marcador a detectar. Els valors de detecció obtinguts amb aquest sistema es troben dins d’un rang clínic rellevant – entre 1 i 3 mg·L-1 de CRP – i amb voltatges de sortida majors a 1.55V. Aquest capítol presenta un punt de partida cap a una nova generació d’immunoassaigs digitals i auto-alimentats molt més senzills i assequibles que els actualment presents en el mercat del diagnòstic. Finalment, amb el fi de substituir els enzims per compostos inorgànics amb major reproductibilitat i robustesa que permetin disminuir variabilitats en els dispositius de diagnòstic, així com simplificar el disseny i abaratir els costs, en el tercer capítol experimental es va procedir a estudiar la viabilitat de fer servir nanopartícules (NP) de ceria com a agents catalítics. Els resultats ens mostren que, a diferència del que és àmpliament reportat, les NPs de ceria no actuen com catalitzadors de la reacció d’oxidació d’un mediador, si no que es comporten com agents oxidants. Aquesta característica fa que la quantitat de molècules de ferrocianur oxidades per cada NP present a la mostra sigui fixa i que, a més, la reacció d’oxidació s’aturi un cop consumit tot el ceri disponible. La caracterització d’aquests materials han demostrat una alta reproductibilitat inclús en condicions d’emmagatzematge poc controlats, fet que el fa firmes candidates a substituir als enzims que es fan servir en els immunoassaigs actuals.Los test en el lugar de asistencia del paciente (más conocido por su nombre en inglés, Point-of-Care) (POC) son necesarios porque permiten realizar un primer diagnóstico rápido fuera de un laboratorio especializado. Por un lado, dentro de los POC, podemos encontrar dispositivos relativamente sofisticados capaces de cuantificar y almacenar la información proporcionada por uno o varios sensores, con la desventaja de que en la mayoría de los casos su coste es por unidad es muy elevado. Por el otro lado, encontramos dispositivos basados en papel extremadamente sencillos y de muy bajo coste, como los denominados test de flujo lateral, en los que se realiza un inmunoensayo con solo una gota de saliva, sangre, sudor u orina. Algunos ejemplos de estos últimos son el test de embarazo, el test del VIH o el más reciente test rápido para la detección del SARS-CoV-2. Los test de flujo lateral tienen una respuesta cualitativa o semicuantitativa que permite una inspección visual del resultado, mientras que, si se requiere de una cuantificación más precisa e inequívoca, se necesita incorporar un sistema de lectura. En este sentido, se han estudiado diferentes técnicas para cuantificar la señal, siendo la más prometedora el uso de técnicas electroquímicas. Sin embargo, todas las propuestas realizadas hasta la fecha siguen usando fuentes de alimentación externas y módulos electrónicos, incumpliendo así buena parte de los criterios ASSURED propuestos por la OMS. Así, urge la necesidad de encontrar una alternativa viable capaz de aportar una lectura a un coste mínimo y sin requerir de equipos externos. En este sentido, esta tesis profundiza en diversos aspectos encaminados a estudiar la viabilidad de un test electroquímico autoalimentado de un solo uso que pueda cumplir con los criterios de coste, simplicidad y sensibilidad requeridos para convertirse en un test de impacto global. El primer capítulo experimental de la tesis describe qué efectos puede tener la selección de distintos papeles comúnmente empleados en los dispositivos analíticos basados en papel en la respuesta electroquímica de un sensor. Este estudio resulta novedoso, ya que, a pesar del gran número de dispositivos de papel publicados hasta la fecha, no existía ningún estudio detallado sobre el efecto de la porosidad del papel en la respuesta electroquímica de los mismos. Los resultados obtenidos experimentalmente fueron validados mediante simulaciones realizadas en COMSOL Multyphisics®. Gracias a ello se ha podido demostrar que la elección del papel juega un papel determinante en la sensibilidad del sistema. En el segundo capítulo experimental se presenta un prototipo de un dispositivo basado en papel en el que se realiza un inmunoensayo completamente autoalimentado para la detección del biomarcador CRP. La detección del biomarcador se realiza mediante anticuerpos marcados con la enzima HRP. En el inmunoensayo se usa Mg como ánodo y la benzoquinona (BQ) producida por la enzima como catolito, de tal forma que la energía producida es directamente proporcional a la concentración del marcador a detectar. Los valores de detección obtenidos con este sistema se encuentran dentro de un rango clínico relevante - entre 1 y 3 mg·L-1 de CRP - y con voltajes de salida mayores a 1.55 V. Este capítulo presenta un punto de partida hacia una nueva generación de inmunoensayos digitales y autoalimentados mucho más sencillos y asequibles que los actualmente presentes en el mercado del diagnóstico. Finalmente, con el fin de substituir las enzimas por compuestos inorgánicos con mayor reproducibilidad y robustez que permitan disminuir variabilidades en los dispositivos de diagnóstico, así como simplificar el diseño y abaratar los costes, en el tercer capítulo experimental se procedió a estudiar la viabilidad de usar nanopartículas (NP) de ceria como agentes catalíticos. Los resultados nos muestran que, a diferencia de lo ampliamente reportado, las NPs de ceria no actúan como catalizador de la reacción de oxidación de un mediador, sino que se comportan como agente oxidante. Esta característica hace que la cantidad de moléculas de ferrocianuro oxidadas por cada nanopartícula presente en la muestra sea fija y que, además, la reacción de oxidación se detenga una vez consumido todo el cerio disponible. La caracterización de estos materiales ha demostrado una alta reproducibilidad incluso en condiciones de almacenamiento poco controladas, lo que las hace firmes candidatas a substituir a las enzimas usadas en los inmunoensayos actuales.Point-of-care (POC) tests are necessary because they allow a rapid diagnosis to be made outside of a specialized laboratory. Within the POC, we can find relatively sophisticated devices capable of quantifying and storing the information provided by one or several sensors, with the disadvantage that in most cases their cost per unit is very high. Within POC, paper-based devices are extremely simple and low-cost, such as the so-called lateral flow tests, in which an immunoassay is performed with just a drop of saliva, blood, sweat, or urine. Some examples are the pregnancy test, the HIV test or test for the detection of SARS-CoV-2. The lateral-flow tests have a qualitative or semi-quantitative response that allows a visual inspection of the result, however, when a more precise and unequivocal quantification is required, it is necessary to incorporate a reading system. Different techniques have been studied to quantify the signal, the most promising being the use of electrochemical techniques. However, up to date all the proposals have been carried out from external power sources and electronic modules, breaching part of the ASSURED criteria proposed by the WHO. Therefore, there is an urgent need to find a viable alternative capable of providing a reading at a minimum cost and without requiring external equipment. Consequently, this thesis delves into various aspects aimed at studying the feasibility of a single-use self-powered electrochemical test that can meet the criteria of cost, simplicity and sensitivity required to become a global impact test. The first experimental chapter describes which effects may have the selection of different papers commonly used in paper-based analytical devices on the electrochemical response. This study is innovative as there was no detailed study on the effect of paper porosity on the electrochemical response despite the larger number of studies published to date. The results obtained experimentally were validated by means of simulations carried out in COMSOL Multyphisics®. Thanks to this, it has been possible to demonstrate that the choice of paper plays a determining role in the sensitivity of the system. The second experimental chapter, a prototype of a paper-based device is presented in which a completely self-powered immunoassay is performed for the detection of the CRP biomarker. The detection is carried out by means of antibodies marked with the HRP enzyme. Then, Mg is used as anode while benzoquinone (BQ) produced by the enzyme is used as catholyte, therefore, the energy produced is directly proportional to the concentration of the biomarker. The detection values obtained with this system are within a relevant clinical range and with output voltages greater than 1.55 V. This chapter presents a starting point towards a new generation of digital and self-powered immunoassays much simpler and more affordable than those currently present in the diagnostic market. Finally, in order to replace enzymes with inorganic compounds with greater reproducibility and robustness that allow to reduce variabilities in diagnostic devices, as well as simplify the design and lower costs, in the third experimental chapter we proceeded to study the feasibility of using ceria nanoparticles (NP) as catalytic agents. The results show us that, contrary to what has been widely reported, ceria NPs do not act as a catalyst for the oxidation reaction of a mediator, but rather behave as an oxidizing agent. This characteristic means that the number of ferrocyanide molecules oxidized per NP present in the sample is fixed and the oxidation reaction stops once all the available cerium is consumed. The characterization of these materials has shown high reproducibility even under poorly controlled storage conditions, which makes them strong candidates to replace the enzymes used in current immunoassays.Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Electroquímica. Ciència i Tecnologi

Impedimetric label-free sensor for specific bacteria endotoxin detection by surface charge registration

An impedimetric sensor based on a three dimensional electrode array modified with concanavalin A (Con A) was used for label-free detection of bacterial endotoxin: lipopolysaccharide (LPS) from Escherichia coli. The transducer permits the detection of the surface charge changes due to interaction of immobilized Con A biorecognition element and LPS of E. coli in test solution. The deposition of Con A on the surface was carried out using the layer-by-layer method with polyethyleneimine (PEI) polycation as an initial layer. The sensor surface characterization by means of electrochemical impedance spectroscopy technique allowed registering variations in superficial resistance provoked by surface charge changes and is demonstrated as an effective method to monitor sensor parameters at each modification step as well as to follow Con A – LPS reaction. In order to prevent non-specific adsorption of LPS on PEI covered surface different blocking strategies were tested to achieve the specific response between Con A and LPS. Results obtained in this work clearly show that blocking with bovine serum albumin (BSA) is not sufficient to prevent non-specific interactions of PEI and to ensure the selective biorecognition of LPS by Con A. To achieve more efficient PEI blocking a new method was proposed based on consecutive deposition of Con A-glycogen-Con A layers. Sensors modified with PEI-(Con A-Gly)2-Con A multilayers are shown to be highly sensitive, selective and reproducible. Presented biosensor is able to detect bacterial LPS in a very short detection time (20 min) with 2 μg mL−1 limit of detection, which is much lower than reported for other biosensors with Con A.The authors acknowledge financial support from the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (project CTQ2014-54553-C3-1-R and S.B.O. fellowship of FPI-MICINN program BES-2015-071250) co-funded by the European Regional Development Fund (Feder) and from the Government of Russian Federation (Grant 074-U01).Peer reviewe

Unraveling the Most Relevant Features for the Design of Iridium Mixed Oxides with High Activity and Durability for the Oxygen Evolution Reaction in Acidic Media

Proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE) is the technology of choice for the large-scale production of green hydrogen from renewable energy. Current PEMWEs utilize large amounts of critical raw materials such as iridium and platinum in the anode and cathode electrodes, respectively. In addition to its high cost, the use of Ir-based catalysts may represent a critical bottleneck for the large-scale production of PEM electrolyzers since iridium is a very expensive, scarce, and ill-distributed element. Replacing iridium from PEM anodes is a challenging matter since Ir-oxides are the only materials with sufficient stability under the highly oxidant environment of the anode reaction. One of the current strategies aiming to reduce Ir content is the design of advanced Ir-mixed oxides, in which the introduction of cations in different crystallographic sites can help to engineer the Ir active sites with certain characteristics, that is, environment, coordination, distances, oxidation state, etc. This strategy comes with its own problems, since most mixed oxides lack stability during the OER in acidic electrolyte, suffering severe structural reconstruction, which may lead to surfaces with catalytic activity and durability different from that of the original mixed oxide. Only after understanding such a reconstruction process would it be possible to design durable and stable Ir-based catalysts for the OER. In this Perspective, we highlight the most successful strategies to design Ir mixed oxides for the OER in acidic electrolyte and discuss the most promising lines of evolution in the field. © 2023 The Authors. Published by American Chemical Society.Financial support from projects PID2019-103967RJ-I00 andPID2020-116712RB-C21 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 is acknowledged. We acknowledge the fundinggranted to the PROMET-H2 project by the European Union’sHorizon 2020 research and innovation programme underGrant Agreement No. 862253 and the Deputyship forResearch & Innovation, Ministry of Education of Saudi Arabia,for the project number 341. We also thank the Consejería deEducación, Juventud y Deporte of the Comunidad de Madridfor the Ayuda Destinada a la Atracción de Talento Investigador(2020-T2/AMB-19927) granted to Á.T.-MTables and figures collating the OER activities of Ir-based mixed oxides in RDE and PEMEW; evolution of the double-layer capacitance during OER cyclingPeer reviewe