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La presente Tesis Doctoral tiene como objetivo principal el desarrollo y funcionalización de diversos materiales carbonosos para su posterior aplicación como elemento transductor en sensores y biosensores electroquímicos. En este trabajo se ha evaluado el efecto de emplear diferentes materiales carbonosos como elementos transductores en sensores voltamétricos y cronoamperométricos para la cuantificación de ácido ascórbico y ácido úrico en fluidos fisiológicos humanos (e.g., orina, sudor, suero y sangre). Se han empleado materiales carbonosos basados en grafito, grafeno, óxido de grafeno y nanotubos de carbono con estructura de espina de pescado (herringbone), siendo los tres primeros funcionalizados con nanopartículas metálicas (platino y oro), mientras que los nanotubos de carbono herringbone han sido sometidos a una funcionalización electroquímica covalente con ácido 4-aminobenzoico. Dispersiones acuosas de los materiales carbonos han sido empleadas para modificar, mediante la técnica drop-casting, unas redes de microelectrodos interdigitados de oro. Los electrodos preparados basados en grafeno y en nanotubos de carbono han sido empleados en el desarrollo de sensores voltamétricos para la detección de ácido ascórbico y ácido úrico, mostrando resultados prometedores. Por otra parte, los electrodos basados en óxido de grafeno y nanotubos de carbono herringbone, estando ambos materiales funcionalizados, han sido evaluados para cuantificar simultáneamente ácido ascórbico y ácido úrico mediante cronoamperometría. El electrodo basado en nanotubos de carbono proporciona mejores sensibilidades, lo que es indicativo de las excepcionales propiedades que presentan estos materiales. Ambos sensores han sido empleados para el análisis de muestras reales, resaltando nuevamente las extraordinarias propiedades que presenta el sensor basado en nanotubos de carbono ya que permite el análisis de matrices complejas como sangre, suero u orina, mediante la simple dilución de la muestra y haciendo uso de una calibración externa. Finalmente, se ha desarrollado un biosensor basado en grafito decorado con nanopartículas de platino y sobre el cual se ha inmovilizado la enzima glucosa oxidasa para la cuantificación de glucosa en muestras de sudor humano. Este biosensor ha sido preparado mediante la impresión manual de tintas flexibles sobre un sustrato que también presenta una elevada flexibilidad, de modo que puede ser fijado en la piel humana. La sensibilidad y límite de detección alcanzados con el dispositivo desarrollado ha permitido la cuantificación de glucosa en muestras reales de sudor humano.

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En esta tesis se describe un estudio espectroelectroquímico in-situ de la adsorción y reactividad, sobre electrodos de oro, de pequeñas moléculas modelo derivadas de la urea (tiourea (TU) e hidroxiurea (HU)) y compuestos relacionados con las mismas (disulfuro de formamidina, (FDS)), cianato y ácido cianúrico (CYA)). La caracterización voltamperométrica del comportamiento de estas moléculas se complementó con el estudio mediante espectroscopía infrarroja in-situ (IRRAS y ATR-SEIRAS) y Raman (SERS). Además se realizaron cálculos teóricos (DFT) para interpretar los espectros de especies adsorbidas a partir de las geometrías optimizadas y las frecuencias armónicas correspondientes. El trabajo experimental se realizó principalmente con electrodos nanoestructurados de oro, comparando su comportamiento con el obtenido con electrodos monocristalinos Au(111) y Au(100). La caracterización microscópica, voltamperometrica y espectroscópica de los electrodos nanoestructurados de oro, preparados por evaporación térmica sobre sustratos de Si, ha mostrado para los mismos una orientación preferente (111). En el estudio del comportamiento de la tiourea, se ha demostrado la existencia de un proceso de adsorción irreversible de la misma a través del átomo de azufre, con el enlace C-S inclinado con respecto a la normal a la superficie. A potenciales suficientemente altos, la TU adsorbida se desprotona oxidativamente dando lugar a capas mixtas de TU y aniones tioureato, los cuales se enlazan de forma bidentada a través de átomo de azufre y el nitrógeno desprotonado de uno de los grupos amino. Este tipo de capas también puede formarse por disociación homolítica del FDS, producto de la oxidación de la TU. Los cálculos DFT para el FDS indican que esta especie se fisisorbe con una orientación paralela a la superficie de oro. La hidroxiurea presenta un perfil voltamperométrico de oxidación irreversible complejo sobre los electrodos de oro. Esto sugiere la existencia de procesos que involucran especies adsorbidas, con una rápida acumulación de las mismas y un bloqueo de sitios superficiales que produce la inhibición de la reacción de oxidación de HU. En los experimentos espectroscópicos se han detectado bandas asociadas a la formación de CO2, óxido nitroso y aniones cianato adsorbidos, los cuales podrían dar lugar a la formación de ácido isociánico al pH al que se realizan los experimentos. Se han detectado además otras especies adsorbidas que dan lugar a una estructura de bandas de absorción compleja entre 1300 y 1800 cm-1 en los espectros ATR-SEIRAS. Cálculos DFT han demostrado que no hay contribución de la propia HU a estas bandas, planteándose la presencia de otros adsorbatos que conservan el esqueleto NCN y que se forman en etapas sucesivas de desprotonación oxidativa. En particular, una banda alrededor de 1800 cm-1 podría estar relacionada con el grupo carbonilo de la nitrosoformamida, un intermedio propuesto para la oxidación química de la HU. Se ha realizado un estudio espectroelectroquímico paralelo del comportamiento en medio neutro de la adsorción, sobre electrodos de oro, de los aniones cianato. Se han obtenido perfiles voltamperométricos sobre superficies monocristalinas de oro que muestran procesos de adsorción/desorción reversibles con respecto al potencial. Los espectros IRRAS presentan bandas de adsorción en un amplio rango de frecuencias entre 2150 y 2250 cm-1 que, de acuerdo con los cálculos DFT, corresponden a aniones cianato adsorbidos a través de átomo de nitrógeno en una variedad de sitios de adsorción y con frecuencias que dependen de los acoplamientos entre especies adsorbidas que aumentan al hacerlo el grado de recubrimiento. La contribución de posibles formas protonadas (ácidos ciánico e isociánico) puede considerarse como despreciable ya que estas especies interaccionan muy débilmente con la superficie electródica. Por otra parte, experimentos con capas finas de oro en contacto con disoluciones neutras de cianato, muestran bandas adicionales entre 1300 y 1800 cm-1 en los espectros ATR-SEIRA que plantean la existencia de otras especies adsorbidas formadas a partir de cianato adsorbido. La observación de estas bandas en la región de los grupos carbonilo, sugiere la posibilidad de una proceso de trimerización del cianato adsorbido, vía su transformación en ácido isociánico, para formar el anión monocianurato adsorbido. Esta hipótesis se ve refrendada por los espectros obtenidos con los electrodos de capa fina de oro en disoluciones de ácido cianúrico, similares, salvo la banda del cianato adsorbido, a los que se obtienen en disoluciones de cianato, y por los cálculos DFT, que ratifican que el anión monocianurato se adsorbe con su plano molecular perpendicular a la superficie mientras que el ácido cianúrico lo haría de forma paralela a la superficie de Au(111).

La selección y el desarrollo de un material funcional es todo un reto para el progreso de la sociedad actual. En los últimos 30 años se han venido investigando nuevos materiales funcionalizados con miras a adaptarlos en aplicaciones diagnósticas y terapéuticas (nanotecnológicas). Investigaciones recientes en el campo de la nanotecnología han sentado las bases en el desarrollo de sensores electroquímicos y biosensores. La función principal de estos dispositivos es transformar una información química en una señal analítica útil. Dentro de los sensores electroquímicos el tipo de señal, ya sea una intensidad de corriente o un potencial eléctrico, determinará el tipo de sensor. En el caso de los biosensores, un elemento biológico constituye la parte receptora, por lo que una proteína o enzima recibe la información permitiendo así el traspaso de electrones. A lo largo de los años se han desarrollado diferentes metodologías para estudiar la transferencia electrónica distinguiéndose 3 generaciones de biosensores: primera, segunda y tercera. Este trabajo se centra en estudiar dispositivos basados en la tercera generación, es decir, la transferencia de electrones entre el elemento biológico y la superficie del electrodo se produce de forma directa, sin necesidad de mediadores redox. La transferencia electrónica entre una proteína y un electrodo se produce gracias al contacto eléctrico. Para ello, se necesita inmovilizar el elemento biológico a la superficie del electrodo asegurando que la distancia de separación sea mínima y por tanto, la transferencia de carga, máxima. La inmovilización de una proteína es un proceso crítico y crucial para el desarrollo de un biosensor electroquímico. Dado que se confina la proteína en una región limitada en el espacio, se restringe en parte la libertad de movimiento del elemento biológico llevando a la desnaturalización de la proteína, pérdida de estabilidad del dispositivo y mal contacto eléctrico. La encapsulación de proteínas en matrices de sílice se lleva a cabo mediante el método sol-gel, proceso que tiene lugar en condiciones suaves (presión y temperatura ambiente). Éste es un procedimiento muy utilizado en inmovilización de diferentes biomoléculas para el desarrollo de dispositivos biosensores. La proteína redox elegida en esta tesis es el citocromo c (cyt c), hemoproteína sencilla cuyas propiedades físicas y químicas resultan interesantes en el estudio de electroquímica directa en diferentes electrodos. La transferencia electrónica entre proteína y electrodo puede mejorarse introduciendo materiales conductores en el sistema de estudio. El término polímero conductor se viene empleando en las últimas tres décadas para denominar a aquellos materiales sintéticos de naturaleza polimérica que presentan la capacidad de conducir la corriente eléctrica. El polímero conductor poli(3,4-etilendioxitiofeno) (PEDOT) se ha utilizado ampliamente en películas finas por su carácter electrónico, interesantes propiedades ópticas y su fácil síntesis. Comprender el mecanismo de transferencia electrónica entre el PEDOT y la proteína cyt c nos lleva al desarrollo de nuevos materiales modificados en el campo de los biosensores electroquímicos.

Los neurotransmisores, las quinonas y las enzimas redox desempeñan un papel muy importante en muchos procesos biológicos. Todos ellos tienen en común su importante papel en diferentes reacciones redox biológicas. Los neurotransmisores participan en los procesos de transmisión de impulsos nerviosos de organismos multicelulares; las enzimas redox actúan como catalizadores de un gran número de procesos biológicos basados en reacciones de transferencia de electrones que permiten obtener la energía necesaria para el sustento de la vida, tales como la reducción de oxígeno (O2) a agua (H2O) durante la respiración, la oxidación de azúcares a CO2 u otras vías metabólicas como la glicólisis o la fosforilación oxidativa. Esta tesis se centra en la caracterización de neurotransmisores (dopamina), quinonas (4-etilcatecol, 4-metilcatecol y catecol) y enzimas redox (CueO, lacasa perteneciente al grupo de las multicobre oxidasas) desde un punto de vista fundamental utilizando la electroquímica como herramienta de trabajo. Para ello, se han empleado como principales técnicas experimentales la voltametría cíclica (CV), el desplazamiento de carga con CO, las espectroscopías infrarroja (FTIR y ATR), Ultravioleta-Visible (UV-vis) y Raman, así como la microscopía de efecto túnel (STM). En el primer capítulo el trabajo de la tesis se contextualiza dentro del campo de la bioelectrocatálisis y de las biopilas de combustible. Además, se describen también los diferentes procedimientos utilizados para la funcionalización de electrodos y la inmovilización de enzimas. De la misma forma, también se resumen las propiedades de las catecolaminas y multicobre oxidasas, así como sus estructuras típicas, reacciones, mecanismos de transferencia de electrones y métodos de síntesis. Los contenidos principales de la tesis están estructurados en dos partes diferentes. La primera parte describe la reactividad de las catecolaminas sobre electrodos de oro, platino y carbón tipo diamante, prestando especial atención a los procesos de adsorción y oxidación registrados a bajos y altos potenciales, respectivamente. La segunda parte describe las condiciones óptimas para la catálisis de la reacción de reducción de O2 por parte de la CueO y su comportamiento electroquímico y espectroscópico. El efecto de compuestos comúnmente descritos en la literatura como inhibidores también está recogido en los capítulos 6 y 8.

Este trabajo de Tesis Doctoral se ha centrado en comprender el comportamiento de electrocatalizadores basados en materiales carbonosos para la reacción de reducción de oxígeno. Con el fin de profundizar en el conocimiento de la naturaleza de los sitios activos de catalizadores basados en materiales carbonosos para esta reacción, se han seleccionado o preparado muestras con diferentes composiciones, texturas porosas y estructuras. De estos resultados se han conseguido importantes avances en el conocimiento del papel que los sitios activos de catalizadores basados en materiales carbonosos desempeñan en dicha reacción. Estos conocimientos y los materiales derivados pueden utilizarse en el desarrollo de cátodos para pilas de combustible en medio alcalino. / Heiwa Nakajima Foundation

Las etapas de transferencia electrónica o transferencia de carga involucradas en reacciones electroquímicas juegan un papel muy importante en un gran número de procesos biológicos y bioquímicos. Hoy en día, el interés de la comunidad científica se centra en explorar y entender exhaustivamente la naturaleza biológica y química de los fenómenos bioelectroquímicos que ocurren en los seres vivos, con el objeto de mimetizarlos en el laboratorio. Los procesos bioelectrocatalíticos presentan un amplio abanico de aplicaciones dirigidas al: (i) desarrollo de biorreactores electroquímicos para la mitigación de las emisiones de gases de efecto invernadero, la eliminación de contaminantes presentes en aguas residuales y urbanas, o la síntesis de productos con alto valor añadido para la industria, (ii) el desarrollo de biopilas y biobaterías, y (iii) el desarrollo de (bio)sensores electroquímicos con fines analíticos. Sin embargo, la implantación en el mercado de dispositivos basados en procesos biocatalíticos aún se enfrenta a varios desafíos, como son la robustez, la estabilidad a largo plazo, la reproducibilidad y la rentabilidad de producción en términos de materiales y fabricación de los dispositivos electroquímicos. La motivación de esta tesis doctoral es la de enfrentarse a algunos de los desafíos con los que se encuentra hoy en día la bioelectrocatálisis, para ello esta tesis doctoral se centra, principalmente en el estudio de nuevos materiales y mejora de rutas y estrategias bioelectrocatalíticas, con la finalidad de desarrollar dispositivos electroquímicos con aplicaciones analíticas y en la obtención de productos de valor añadido. En primer lugar esta tesis doctoral recoge el estudio y desarrollo de (bio)sensores electroquímicos para la determinación de lactato, L-cisteína, peróxido de hidrógeno y pH en medios biológicos complejos, y en segundo lugar estudia la bioelectrosíntesis de ácido fórmico a través de la reducción bioelectroquímica de dióxido de carbono.

Esta Tesis Doctoral trata sobre la funcionalización de materiales carbonosos con elevado contenido de microporosidad con grupos funcionales nitrogenados y su uso como electrodos de supercondensadores y electrocatalizadores de la reacción de reducción de oxígeno. De este modo, este trabajo describe la incorporación de grupos funcionales nitrogenados mediante distintas metodologías en materiales carbonosos de elevada microporosidad (carbones activados y materiales carbonosos nanomoldeados), su caracterización química y electroquímica en distintos electrolitos (orgánicos, acuosos y líquidos iónicos) y su comportamiento en las aplicaciones propuestas.

El trabajo realizado en esta tesis busca entender el efecto de la doble capa eléctrica en la reactividad electroquímica. El uso de electrodos de monocristalinos de platino ha permitido realizar estudios fundamentales de la estructura interfacial electrodo/disolución poniendo de manifiesto la sensibilidad estructural que tienen la mayoría de los procesos electroquímicos. Así mismo, el uso de diferentes condiciones de pH ha permitido la obtención de información molecular. La primera parte de la tesis lidia sobre aspectos más fundamentales, como lo es la obtención del potencial de carga cero, parámetro fundamental para entender la interfase electroquímica. Para obtener los valores del potencial de carga cero, se han usado principalmente dos técnicas: desplazamiento de carga por CO y sondas locales. La sonda local usada ha sido la reducción del anión peroxodisulfate. La segunda parte de la tesis presenta dos casos de estudio: La adsorción de iones bicarbonato y carbonato y la adsorción/oxidación del ácido glioxílico como ejemplos del efecto que tienen algunas propiedades interfaciales en la reactividad electroquímica.