Orientador: Frank Nelson Crespilho. / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós Graduação em Nanociências e Materiais Avançados, 2011.

O objetivo principal desta tese foi o de se desenvolver uma biocélula a combustível enzimática em microfluídica, utilizando a glicose como combustível e o oxigênio como oxidante. Foram utilizadas as enzimas Glicose Oxidase ou Glicose Desidrogenase em um bioânodo, de forma a promover reações bioeletrocatalíticas de oxidação da glicose e as enzimas Lacase ou Bilirrubina Oxidase, de forma a promover reações bioeletrocatalíticas de redução do oxigênio molecular. O trabalho se procedeu por tentativas de imobilizar estas enzimas, de forma a promover o mecanismo de transferência eletrônica direta com um eletrodo. Nas situações as quais isso não foi possível, foram utilizados mediadores eletrônicos, de forma a promover o mecanismo de transferência eletrônica mediada. O melhor par de sistemas de bioeletrodos e mediadores foi escolhido para serem aplicados em uma biocélula a combustível. O trabalho se procedeu em adaptar este par de bioeletrodos desenvolvidos para um sistema de microfluídica em papel, sendo ambos biocátodo e bioânodo em papel. Como as condições de concentração de combustível e de cofatores foram otimizadas para o bioânodo, foi necessário trabalhar com os biocátodos, de forma a apresentar as características de um biocátodo respirador, para melhor utilizar o oxigênio presente no ar e a apresentar um desempenho tão bom quanto o dos bioânodos. A biocélula a combustível em papel possibilitou a geração de energia elétrica por até 18 dias, utilizando uma resistência de 1.7 kΩ, nas condições experimentais ideais. De forma a provar o conceito da tecnologia para aplicações reais, a biocélula a combustível em papel foi demonstrada a ter a capacidade de geração de energia elétrica suficiente para fazer um relógio funcionar por pelo menos 36 horas, utilizando a bebida isotônica Gatorade®, como combustível. / The main objective of this thesis is to develop a microfluidic biofuel cell using glucose as the fuel and oxygen as the oxidant. The enzymes Glucose Oxidase or Glucose Dehydrogenase were used in a bioanode to promove the bioelectrocatalytic oxidation of glucose and the enzymes Laccase or Bilirubin Oxidase to promove the bioelectrocatalytic reduction of the molecular oxygen. The work was conducted by attempts to immobilize these enzymes in order to promote the mechanism of direct electron transfer with the electrode. For the situations where this was not observed, mediators were used in a way to promote the mechanism of mediated electron transfer. The best pair of bioelectrodes and mediatores was chosen to be applied in a biofuel cell. The work was carried out to adapt this par of developed bioelectrodes to a paper based microfluidic system, using both biocathode and bioanode in a paper-like design. As the conditions for concentration of fuel and cofactors were optimized for the bioanode, it was necessary to work on these biocathodes so as to have the characteristics of an air-breathing biocathode for a better use of the oxygen present in the air and to work with a performance as good as the bioanode. The paper based biofuel cell enabled the generation of electricity for up to 18 days using a resistance of 1.7 kΩ within the optimum experimental conditions. In order to prove the concept of this technology for real applications, the paper based biofuel cell was demonstrated to have the capacity for generation of enough electrical energy to power up a clock for at least 36 hours using the isotonic drink Gatored® as fuel.

O objetivo principal desta tese foi o de se desenvolver uma biocélula a combustível enzimática em microfluídica, utilizando a glicose como combustível e o oxigênio como oxidante. Foram utilizadas as enzimas Glicose Oxidase ou Glicose Desidrogenase em um bioânodo, de forma a promover reações bioeletrocatalíticas de oxidação da glicose e as enzimas Lacase ou Bilirrubina Oxidase, de forma a promover reações bioeletrocatalíticas de redução do oxigênio molecular. O trabalho se procedeu por tentativas de imobilizar estas enzimas, de forma a promover o mecanismo de transferência eletrônica direta com um eletrodo. Nas situações as quais isso não foi possível, foram utilizados mediadores eletrônicos, de forma a promover o mecanismo de transferência eletrônica mediada. O melhor par de sistemas de bioeletrodos e mediadores foi escolhido para serem aplicados em uma biocélula a combustível. O trabalho se procedeu em adaptar este par de bioeletrodos desenvolvidos para um sistema de microfluídica em papel, sendo ambos biocátodo e bioânodo em papel. Como as condições de concentração de combustível e de cofatores foram otimizadas para o bioânodo, foi necessário trabalhar com os biocátodos, de forma a apresentar as características de um biocátodo respirador, para melhor utilizar o oxigênio presente no ar e a apresentar um desempenho tão bom quanto o dos bioânodos. A biocélula a combustível em papel possibilitou a geração de energia elétrica por até 18 dias, utilizando uma resistência de 1.7 kΩ, nas condições experimentais ideais. De forma a provar o conceito da tecnologia para aplicações reais, a biocélula a combustível em papel foi demonstrada a ter a capacidade de geração de energia elétrica suficiente para fazer um relógio funcionar por pelo menos 36 horas, utilizando a bebida isotônica Gatorade®, como combustível. / The main objective of this thesis is to develop a microfluidic biofuel cell using glucose as the fuel and oxygen as the oxidant. The enzymes Glucose Oxidase or Glucose Dehydrogenase were used in a bioanode to promove the bioelectrocatalytic oxidation of glucose and the enzymes Laccase or Bilirubin Oxidase to promove the bioelectrocatalytic reduction of the molecular oxygen. The work was conducted by attempts to immobilize these enzymes in order to promote the mechanism of direct electron transfer with the electrode. For the situations where this was not observed, mediators were used in a way to promote the mechanism of mediated electron transfer. The best pair of bioelectrodes and mediatores was chosen to be applied in a biofuel cell. The work was carried out to adapt this par of developed bioelectrodes to a paper based microfluidic system, using both biocathode and bioanode in a paper-like design. As the conditions for concentration of fuel and cofactors were optimized for the bioanode, it was necessary to work on these biocathodes so as to have the characteristics of an air-breathing biocathode for a better use of the oxygen present in the air and to work with a performance as good as the bioanode. The paper based biofuel cell enabled the generation of electricity for up to 18 days using a resistance of 1.7 kΩ within the optimum experimental conditions. In order to prove the concept of this technology for real applications, the paper based biofuel cell was demonstrated to have the capacity for generation of enough electrical energy to power up a clock for at least 36 hours using the isotonic drink Gatored® as fuel.

A miniaturização de uma biocélula a combustível (BC) enzimática de glicose/O2 para aplicação em dispositivos bioeletrônicos implantáveis representa um grande desafio em eletroquímica moderna. Isso porque é preciso desenvolver bioeletrodos com alta atividade bioeletrocatalítica, com enzimas fortemente ligadas a superfície eletródica. Além disso, o próprio processo de micromanipulação é desafiador, uma vez que é desejável obter biocélulas miniaturizadas e com alta densidade de potência. Assim, propõe-se aqui o desenvolvimento de uma BC que atenda os requisitos supracitados. Para isso, desenvolveram-se bioânodos e biocátodos compostos por folhas de grafeno individuais modificadas com as enzimas glicose desidrogenase (GDh) e bilirrubina oxidase (BOx), respectivamente. Eletrodos de grafeno com área de 10-3 cm2 e espessura de 0,9 ± 0,2 nm foram utilizados em um microchip de Si/SiO2. Observou-se que o grafeno transferido para o microchip permanecia com contaminações de cobre, mesmo após a utilização dos métodos químicos tradicionais de remoção desse metal. A presença de cobre é decorrente do processo de fabricação do grafeno, neste caso, a deposição química em fase vapor (CVD). Para remover qualquer resíduo deste metal, submeteu-se o grafeno a um procedimento de remoção eletroquímica de cobre, denominada aqui como e-etching. Uma vez não observada qualquer corrente faradaica residual associada às impurezas, obtiveram-se os bioeletrodos com a GDh e a BOx. Para a imobilização enzimática, utilizou-se a ligação covalente via funcionalização com o ácido 4-aminobenzóico. As curvas de polarização de estado quase-estacionário obtidas com os bioeletrodos em tampão fosfato pH 7,0 revelaram correntes de onset para oxidação de glicose em -0,13 V e redução de oxigênio em 0,45 V. Por fim, os eletrodos foram utilizados em uma BC sem membrana, operando no microchip de Si/SiO2, em eletrólito tampão fosfato saturado com O2 e glicose 8,0 mmol L-1. A BC apresentou um potencial de circuito aberto em 0,55 V, com densidade de potência volumétrica igual a 1,7 W cm-3, o maior valor reportado até os dias de hoje para uma BC. / The miniaturization of a glucose/O2 enzymatic biofuel cell (BFC) for application in implantable bioelectronic devices is a challenge in electrochemistry. For this purpose, the necessity of bioelectrodes development with high biocatalytic activity such as enzymes strongly attached to electrode surfaces is a current trend. Moreover, the micromanipulation procedure itself is a challenge since the obtention of BFCs with high power density is desirable. Then, the present study shows the partial results obtained in the development of a glucose/O2 BFC with the characteristics exemplified. For the later, bioanodes and biocathodes were obtained with single graphene flakes modified with the enzymes glucose dehydrogenase (GDh) and bilirubin oxidase (BOx), respectively. Graphene flakes electrodes with area of about 10-3 cm2 and thickness of 0,9 ± 0,2 nm were used in a Si/SiO2 microchip. It was observed that transferred graphene to the microchip remained with copper/copper oxide contamination even after the use of conventional methodologies for the remotion of the metal from single graphene foils. The presence of the remaining copper is due to the fabrication process of graphene by chemical vapor deposition (CVD). For the remotion of remaining impurities from graphene, the electrochemical remotion of copper from graphene was carried out in acidic media by the so called e-etching procedure. Since no residual faradaic current was observed due to metal/metal oxide impurities in graphene electrodes, the bioelectrodes were obtained with the enzymes GDh and BOx. The covalent functionalisation of graphene with 4-aminobenzoic acid via diazonium coupling reaction was used for the enzymatic immobilization. The quasi-stationary polarization curves obtained with the bioelectrodes in phosphate buffer pH = 7,0 showed onset oxidation current for glucose at -0.13V and reduction of molecular oxygen starting at +0.45V. Finally, the bioelectrodes were used in a membraneless BFC operating in a Si/SiO2 microchip under saturated oxygen and glucose 8 mmol L-1 in the electrolyte media. The BFC showed an open circuit potential at 0.55V and volumetric power density of 1.7 W cm-3, the highest value reported for an enzymatic BFC so far.

A miniaturização de uma biocélula a combustível (BC) enzimática de glicose/O2 para aplicação em dispositivos bioeletrônicos implantáveis representa um grande desafio em eletroquímica moderna. Isso porque é preciso desenvolver bioeletrodos com alta atividade bioeletrocatalítica, com enzimas fortemente ligadas a superfície eletródica. Além disso, o próprio processo de micromanipulação é desafiador, uma vez que é desejável obter biocélulas miniaturizadas e com alta densidade de potência. Assim, propõe-se aqui o desenvolvimento de uma BC que atenda os requisitos supracitados. Para isso, desenvolveram-se bioânodos e biocátodos compostos por folhas de grafeno individuais modificadas com as enzimas glicose desidrogenase (GDh) e bilirrubina oxidase (BOx), respectivamente. Eletrodos de grafeno com área de 10-3 cm2 e espessura de 0,9 ± 0,2 nm foram utilizados em um microchip de Si/SiO2. Observou-se que o grafeno transferido para o microchip permanecia com contaminações de cobre, mesmo após a utilização dos métodos químicos tradicionais de remoção desse metal. A presença de cobre é decorrente do processo de fabricação do grafeno, neste caso, a deposição química em fase vapor (CVD). Para remover qualquer resíduo deste metal, submeteu-se o grafeno a um procedimento de remoção eletroquímica de cobre, denominada aqui como e-etching. Uma vez não observada qualquer corrente faradaica residual associada às impurezas, obtiveram-se os bioeletrodos com a GDh e a BOx. Para a imobilização enzimática, utilizou-se a ligação covalente via funcionalização com o ácido 4-aminobenzóico. As curvas de polarização de estado quase-estacionário obtidas com os bioeletrodos em tampão fosfato pH 7,0 revelaram correntes de onset para oxidação de glicose em -0,13 V e redução de oxigênio em 0,45 V. Por fim, os eletrodos foram utilizados em uma BC sem membrana, operando no microchip de Si/SiO2, em eletrólito tampão fosfato saturado com O2 e glicose 8,0 mmol L-1. A BC apresentou um potencial de circuito aberto em 0,55 V, com densidade de potência volumétrica igual a 1,7 W cm-3, o maior valor reportado até os dias de hoje para uma BC. / The miniaturization of a glucose/O2 enzymatic biofuel cell (BFC) for application in implantable bioelectronic devices is a challenge in electrochemistry. For this purpose, the necessity of bioelectrodes development with high biocatalytic activity such as enzymes strongly attached to electrode surfaces is a current trend. Moreover, the micromanipulation procedure itself is a challenge since the obtention of BFCs with high power density is desirable. Then, the present study shows the partial results obtained in the development of a glucose/O2 BFC with the characteristics exemplified. For the later, bioanodes and biocathodes were obtained with single graphene flakes modified with the enzymes glucose dehydrogenase (GDh) and bilirubin oxidase (BOx), respectively. Graphene flakes electrodes with area of about 10-3 cm2 and thickness of 0,9 ± 0,2 nm were used in a Si/SiO2 microchip. It was observed that transferred graphene to the microchip remained with copper/copper oxide contamination even after the use of conventional methodologies for the remotion of the metal from single graphene foils. The presence of the remaining copper is due to the fabrication process of graphene by chemical vapor deposition (CVD). For the remotion of remaining impurities from graphene, the electrochemical remotion of copper from graphene was carried out in acidic media by the so called e-etching procedure. Since no residual faradaic current was observed due to metal/metal oxide impurities in graphene electrodes, the bioelectrodes were obtained with the enzymes GDh and BOx. The covalent functionalisation of graphene with 4-aminobenzoic acid via diazonium coupling reaction was used for the enzymatic immobilization. The quasi-stationary polarization curves obtained with the bioelectrodes in phosphate buffer pH = 7,0 showed onset oxidation current for glucose at -0.13V and reduction of molecular oxygen starting at +0.45V. Finally, the bioelectrodes were used in a membraneless BFC operating in a Si/SiO2 microchip under saturated oxygen and glucose 8 mmol L-1 in the electrolyte media. The BFC showed an open circuit potential at 0.55V and volumetric power density of 1.7 W cm-3, the highest value reported for an enzymatic BFC so far.