Fabricación y caracterización de arreglos de electrodos recubiertos con películas delgadas mesoporosas de óxido de silicio y óxidos mixtos de silicio y circonio
Los sensores químicos han cobrado importancia en las últimas décadas. Enparticular, el subgrupo de sensores electroquímicos es uno de los campos quemás ha crecido. Este trabajo de tesis tuvo dos objetivos fundamentales. El primero fue sintetizary estudiar películas delgadas mesoporososas (PDM) basad...
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Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
2018
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PELICULAS DELGADAS MESOPOROSAS PERMEOSELECTIVAS SIO2 ZRO2 ELECTRONES DE ORO MICROFABRICACION SENSORES ELECTROQUIMICOS MULTISENSORES PERMSELECTIVE MESOPOROUS THIN FILM SIO2 ZRO2 GOLD ELECTRODE ARRAY MICROFABRICATION ELECTROCHEMICAL SENSORS MULTISENSORS |
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PELICULAS DELGADAS MESOPOROSAS PERMEOSELECTIVAS SIO2 ZRO2 ELECTRONES DE ORO MICROFABRICACION SENSORES ELECTROQUIMICOS MULTISENSORES PERMSELECTIVE MESOPOROUS THIN FILM SIO2 ZRO2 GOLD ELECTRODE ARRAY MICROFABRICATION ELECTROCHEMICAL SENSORS MULTISENSORS Giménez, Gustavo Estrin, Darío Fabricación y caracterización de arreglos de electrodos recubiertos con películas delgadas mesoporosas de óxido de silicio y óxidos mixtos de silicio y circonio |
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PELICULAS DELGADAS MESOPOROSAS PERMEOSELECTIVAS SIO2 ZRO2 ELECTRONES DE ORO MICROFABRICACION SENSORES ELECTROQUIMICOS MULTISENSORES PERMSELECTIVE MESOPOROUS THIN FILM SIO2 ZRO2 GOLD ELECTRODE ARRAY MICROFABRICATION ELECTROCHEMICAL SENSORS MULTISENSORS |
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Los sensores químicos han cobrado importancia en las últimas décadas. Enparticular, el subgrupo de sensores electroquímicos es uno de los campos quemás ha crecido. Este trabajo de tesis tuvo dos objetivos fundamentales. El primero fue sintetizary estudiar películas delgadas mesoporososas (PDM) basadas en SiO2 parautilizar como elemento permeoselectivo para un analito o grupo de analitos. Elsegundo fue la integración de dichas películas en sensores electroquímicos fabricadoscon tecnologías de microfabricación, compatibilizando de esta forma losprocesos bottom-up con los top-down. Durante la primera etapa se sintetizaron PDM sobre electrodos de oro, empleandodiferentes surfactantes para regular el tama˜no de los poros entre 3 y 10nm. Dado que la remoción del molde de poros mediante calcinación deterioralos electrodos, se desarrollaron procesos alternativos a la calcinación, permitiendocondensar el SiO2 por debajo de los 130 °C, minimizando efectos difusivosy ampliando el espectro de sustratos compatibles. Las PDM se caracterizaronmediante elipsoporosimetría ambiental, espectroscopía IR, microscopía óptica,de barrido electrónico y de haz de iones focalizados. En una segunda etapa se estudiaron los fenómenos de transporte que ocurrena través de las PDM mediante técnicas electroquímicas: voltametría cíclica, voltametría de corriente alterna y simulación por elementos finitos. Los resultaronpermitieron obtener información significativa de los sistemas, tanto cualitativa (casos de exclusión, permeación y preconcentración) como cuantitativa (coeficientesde difusión, capacidad de adsorción, distancias entre sitios rédox, etc.). Sin embargo, se observó que las PDM de sílice se disuelven en el término dehoras durante las medidas electroquímicas, lo que limita su aplicabilidad en elcaso de sensores para uso continuo. Se fabricaron en forma continua y constante electrodos de Au, optimizandodise˜nos, condiciones de depósito, sustratos y funcionalizaciones superficiales, deforma de mejorar el desempe˜no electroquímico y aumentar la compatibilidad delas PDM con los electrodos. Ya en una etapa avanzada se incorporó circonio alos soles lo que redunda en un aumento significativo de la estabilidad químicade las PDM de sílice frente a la disolución. Finalmente se fabricó un multisensorprototipo funcionalizando las PDM en forma localizada específicamente sobre elárea de cada electrodo con la intención de darle una característica distintiva acada elemento del sensor. Sobre este prototipo se realizó un análisis multivariblede la respuesta electroquímica de cada electrodo de forma de obtener marcassensoriales especificas para cada sonda utilizada. Los resultados obtenidos permiten escalar la fabricación de sensores basadosen electrodos de oro recubiertos con PDM potencialmente selectivas, químicamenteestables, reproducibles y de fácil funcionalización. El conocimiento adquiridoes la base que permitirá avanzar en el desarrollo y dise˜no de multisensoreselectroquímicos basados en películas delgadas mesoporosas permeoselectivas. |
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I28-R145-tesis_n6373_Gimenez_oai2023-04-26 Ybarra, Gabriel De Ávila Arturo Soler Illia, Galo Juan Giménez, Gustavo Estrin, Darío 2018-06-06 Los sensores químicos han cobrado importancia en las últimas décadas. Enparticular, el subgrupo de sensores electroquímicos es uno de los campos quemás ha crecido. Este trabajo de tesis tuvo dos objetivos fundamentales. El primero fue sintetizary estudiar películas delgadas mesoporososas (PDM) basadas en SiO2 parautilizar como elemento permeoselectivo para un analito o grupo de analitos. Elsegundo fue la integración de dichas películas en sensores electroquímicos fabricadoscon tecnologías de microfabricación, compatibilizando de esta forma losprocesos bottom-up con los top-down. Durante la primera etapa se sintetizaron PDM sobre electrodos de oro, empleandodiferentes surfactantes para regular el tama˜no de los poros entre 3 y 10nm. Dado que la remoción del molde de poros mediante calcinación deterioralos electrodos, se desarrollaron procesos alternativos a la calcinación, permitiendocondensar el SiO2 por debajo de los 130 °C, minimizando efectos difusivosy ampliando el espectro de sustratos compatibles. Las PDM se caracterizaronmediante elipsoporosimetría ambiental, espectroscopía IR, microscopía óptica,de barrido electrónico y de haz de iones focalizados. En una segunda etapa se estudiaron los fenómenos de transporte que ocurrena través de las PDM mediante técnicas electroquímicas: voltametría cíclica, voltametría de corriente alterna y simulación por elementos finitos. Los resultaronpermitieron obtener información significativa de los sistemas, tanto cualitativa (casos de exclusión, permeación y preconcentración) como cuantitativa (coeficientesde difusión, capacidad de adsorción, distancias entre sitios rédox, etc.). Sin embargo, se observó que las PDM de sílice se disuelven en el término dehoras durante las medidas electroquímicas, lo que limita su aplicabilidad en elcaso de sensores para uso continuo. Se fabricaron en forma continua y constante electrodos de Au, optimizandodise˜nos, condiciones de depósito, sustratos y funcionalizaciones superficiales, deforma de mejorar el desempe˜no electroquímico y aumentar la compatibilidad delas PDM con los electrodos. Ya en una etapa avanzada se incorporó circonio alos soles lo que redunda en un aumento significativo de la estabilidad químicade las PDM de sílice frente a la disolución. Finalmente se fabricó un multisensorprototipo funcionalizando las PDM en forma localizada específicamente sobre elárea de cada electrodo con la intención de darle una característica distintiva acada elemento del sensor. Sobre este prototipo se realizó un análisis multivariblede la respuesta electroquímica de cada electrodo de forma de obtener marcassensoriales especificas para cada sonda utilizada. Los resultados obtenidos permiten escalar la fabricación de sensores basadosen electrodos de oro recubiertos con PDM potencialmente selectivas, químicamenteestables, reproducibles y de fácil funcionalización. El conocimiento adquiridoes la base que permitirá avanzar en el desarrollo y dise˜no de multisensoreselectroquímicos basados en películas delgadas mesoporosas permeoselectivas. Chemical sensors have gained relevance in the last decades, particularly thesubgroup of electrochemical sensors is one with the larger growth rate. This work had two fundamental goals. The first one was to synthesize andstudy mesoporous thin films (MTF) based on SiO2 to be used as perm-selectiveelements for an analyte or group of analytes. The second was the integration ofthese films in electrochemical sensors manufactured with microfabrication technologies,thus compatibilizing the bottom-up and top-down processes strategies. During the first stage, MTF were deposited on gold electrodes, using differentsurfactants to tailor the pore size between 3 and 10nm . Thermal treatmentsused for template removal negatively affect the electrode response. Therefore,alternative processes were developed for the calcination, allowing to condensethe SiO2 below 130 °C, minimizing diffusive effects and expanding the spectrumof compatible substrates. The TMFs were characterized by ellipsoporosimetry, IR spectroscopy, optical microscopy, scanning electron microscopy and focusedion beam microscopy. In a second stage, the transport phenomena that take place through the MTPwere studied using electrochemical techniques: cyclic voltammetry, alternatingcurrentvoltammetry and simulation by finite elements. The results allowed obtainingsignificant information of the systems, qualitatively (cases of exclusion,permeation and preconcentration) and quantitatively (diffusion coefficients, adsorptioncapacity, distances between redox sites, etc.). However, silica MTF dissolveafter several electrochemical cycles, thus limiting the use of these systemsas continuous sensors. The main motivation of the thesis was centered in the manufacture of electrochemicallybased sensors. For this reason, Au electrodes were deposited, optimizingseveral designs, spinning conditions, substrates and functionalized surface,in order to improve the electrochemical performance and to optimize theadhesion of the MTF to the electrodes. At an advanced stage, Zr(IV) was incorporatedinto the precursor solutions, which significantly increased the chemicalstability of the silicon MTFs against dissolution. Finally, a prototype multisensorwas manufactured functionalizing the MTF specifically over the area of eachelectrode with the intention of giving a distinctive feature to each element of thesensor. A multivariate analysis of the electrochemical response of each electrodewas performed for this prototype in order to obtain an specific sensorial sign foreach one of used probes. The results obtained allow scaling the fabrication of sensors based on goldelectrodes coated with PDM potentially selective, chemically stable, reproducibleand easy to functionalize. The knowledge acquired is the basis for advancingthe development and design of electrochemical multisensors based on permeoselectivemesoporous thin films. Fil: Giménez, Gustavo. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina. application/pdf https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6373_Gimenez spa Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales info:eu-repo/semantics/openAccess https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.5/ar PELICULAS DELGADAS MESOPOROSAS PERMEOSELECTIVAS SIO2 ZRO2 ELECTRONES DE ORO MICROFABRICACION SENSORES ELECTROQUIMICOS MULTISENSORES PERMSELECTIVE MESOPOROUS THIN FILM SIO2 ZRO2 GOLD ELECTRODE ARRAY MICROFABRICATION ELECTROCHEMICAL SENSORS MULTISENSORS Fabricación y caracterización de arreglos de electrodos recubiertos con películas delgadas mesoporosas de óxido de silicio y óxidos mixtos de silicio y circonio Fabrication and characterization of electrodes array with a mesoporous thin film coating based on silicon and zirconium / silicon oxide info:eu-repo/semantics/doctoralThesis info:ar-repo/semantics/tesis doctoral info:eu-repo/semantics/publishedVersion http://repositoriouba.sisbi.uba.ar/gsdl/cgi-bin/library.cgi?a=d&c=aextesis&d=tesis_n6373_Gimenez_oai |