La evolución de la electroquímica hacia los circuitos impresos

En nuestro anterior post, explicamos qué es una placa de circuito impreso y cómo la tecnología de las placas de circuito impreso ha influido en la electrónica de consumo al permitir dispositivos más compactos y ligeros.

En este post, explicamos por qué en Macias Sensors estamos convencidos de que los PCB son el futuro de los biosensores electroquímicos

¿Qué es la electroquímica?

Al igual que los PCB, la electroquímica ha influido en nuestra vida cotidiana.

De hecho, utilizamos habitualmente dispositivos que se alimentan de la electroquímica. El principal ejemplo son las pilas.

Sin embargo, la electroquímica tiene otras aplicaciones, como el tratamiento de aguas o la diangósis y el control de enfermedades.

Pero, ¿qué es la electroquímica?

En resumen, la electroquímica es una ciencia que estudia las transformaciones entre las energías química y eléctrica.

Electrodos tradicionales para la investigación electroquímica

Para estudiar una reacción electroquímica se necesitan dos cosas:

  • Una reacción química, normalmente una oxidación o reducción
  • Electrodos, permiten controlar o provocar la reacción

Hay varias configuraciones diferentes de electrodos en electroquímica, pero la más común es la célula de 3 electrodos. Estos electrodos funcionan como:

  1. Electrodo de trabajo: este electrodo mide la reacción electroquímica
  2. Electrodo de referencia: este electrodo tiene un potencial eléctrico estable y sirve de referencia para las mediciones.
  3. Contraelectrodo: este electrodo cierra el circuito eléctrico y permite realizar las mediciones

Transición de la electroquímica hacia los circuitos impresos

Al igual que el cableado de los dispositivos electrónicos, las celdas electroquímicas tradicionales presentan varias limitaciones.

4 desventajas de las células electroquímicas tradicionales

La primera y principal desventaja de las pilas electroquímicas tradicionales es su tamaño. Sí, son versátiles. Y también permiten un ajuste fino de las condiciones experimentales. Pero ocupan mucho espacio. Por este motivo, se limitan a los laboratorios especializados.

La segunda desventaja es el volumen que requieren. Como la célula y los electrodos son voluminosos, se necesitan varios mililitros de solución de prueba para realizar las mediciones. Esto puede ser prohibitivo cuando se estudian reacciones en las que intervienen reactivos caros, como las enzimas u otros analitos biológicos.

El tercer inconveniente es la posición de los electrodos. En las mediciones electroquímicas, la posición y la distancia de los electrodos afectan a los resultados obtenidos. Dado que las celdas electroquímicas tradicionales no tienen electrodos fijos, esto significa que después de cada montaje pueden observarse diferencias en los resultados.

Por último, la cuarta desventaja es el mantenimiento. Los electrodos utilizados en las células electroquímicas tradicionales son de muy alta calidad y están fabricados con metales preciosos como el oro o el platino. Por este motivo, es necesario reutilizarlos. Sin embargo, esto también significa que, para evitar la contaminación entre experimentos, estos electrodos deben limpiarse y pulirse a fondo.

Electrodos serigrafiados como solución

Como hemos explicado anteriormente, las celdas electroquímicas tradicionales presentan varias desventajas. Si bien estos pueden ser manejables para el personal experimentado de un laboratorio de investigación, son críticos en aplicaciones portátiles como los biosensores PoC.

La solución a estos inconvenientes es sencilla: la miniaturización de las células electroquímicas.

Los electrodos serigrafiados (SPE) son un ejemplo de miniaturización de las células electroquímicas. Fabricados por serigrafía, estos circuitos impresos tienen los 3 electrodos necesarios para una célula electroquímica.

SPE Oro Economico

Gracias a su menor tamaño, estos electrodos permiten el uso de la electroquímica en aplicaciones portátiles. Un ejemplo de ello es el glucómetro.

Con los SPE, las reacciones electroquímicas pueden medirse a partir de pequeños volúmenes de 50 microlitros o menos (dependiendo del diseño). Esto hace que la electroquímica sea adecuada para medir muestras que contienen reactivos costosos.

Además, como los electrodos son más finos y utilizan menos metales preciosos, los SPE suelen ser de un solo uso. Lo que elimina la necesidad de mantenimiento.

Aun así, las EPE tienen algunas limitaciones.

Aunque algunos SPE se imprimen en sustratos flexibles, la mayoría se imprimen en cerámica. Esto se debe a las altas temperaturas de cocción de las tintas de metales preciosos. Esto limita su aplicabilidad, ya que las hace costosas y frágiles. Además, como sólo pueden imprimirse en una cara, no es posible integrar estos dispositivos en un sistema electrónico complejo.

El siguiente paso: Electrodos de PCB

Sensores Macias Electrodos PCB

La solución a las limitaciones de los SPE es la transición a los PCB.

La tecnología de PCB es mucho más versátil que la de SPE, ya que permite la fabricación de complejos sistemas de detección.

Gracias a la posibilidad de integrar circuitos en múltiples capas, así como de disponer de conexiones entre capas, la electroquímica basada en PCB permite incorporar más funcionalidades como:

  • calentadores resistivos
  • sensores de temperatura
  • tubos de calor
  • chips de calibración interna

Además, utilizando la tecnología de PCB, también es posible crear circuitos microfluídicos y sensores de flujo/relleno. Así, los biosensores basados en PCB tienen el potencial de permitir la creación rápida de prototipos de dispositivos Lab-on-a-chip (LoC).

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