Memoria para optar al Título Profesional de Químico / Se realizó la oxidación del grafito usando el método reportado por Hummers y Offeman. Este método permite incorporar diferentes grupos funcionales oxigenados al grafito. Posteriormente, se realizó la reducción térmica del óxido de grafito a dos temperaturas diferentes, 600ºC o 800ºC, obteniendo de esta forma las nanoláminas de óxido de grafeno reducido térmicamente (TrGO600) y (TrGO800). La reducción térmica del óxido de grafito a temperaturas elevadas permite eliminar de forma parcial los grupos funcionales oxigenados logrando una exfoliación de las nanoláminas de grafito. Una vez obtenidas estas nanoláminas fueron agregadas al polipropileno (PP) en fase fundida para obtener nanocompósitos de PP/TrGO. Las mediciones de permeabilidad al oxígeno y vapor de agua evidenciaron que el nanocompósito PP/TrGO800 posee mejores propiedades de barrera que el nanocompósito PP/TrGO600. En general, como era esperar, la rigidez de los nanocompósitos aumentó al incorporar las nanoláminas de TrGO al polipropileno, observándose para ambos casos un incremento del módulo elástico al aumentar la carga de nanoláminas de TrGO y una disminución del límite de elasticidad y de deformación a la fractura. Estas pruebas evidenciaron que el nanocompósito PP/TrGO800 posee mejores propiedades mecánicas que el nanocompósito PP/TrGO600. Estas diferencias entre PP/TrGO600 y TrGO800 son explicadas mediante las técnicas de microscopía transmisión electrónica (TEM) y difracción de rayos-X (DRX) / The oxidation of the graphite was carried out using the method reported by Hummers and Offeman. This method allows to incorporate different oxygenated functional groups to the graphite. Subsequently, the thermal reduction of the graphite oxide was carried out at two different temperatures, 600°C or 800°C, obtaining thermally reduced graphene oxide (TrGO600) and (TrGO800) nanosheets. The thermal reduction of graphite oxide at elevated temperatures allows partial elimination of the oxygenated functional groups, resulting in an exfoliation of graphite nanosheets. These nanosheets were added to polypropylene (PP) in the molten phase to obtain PP / TrGO nanocomposites. The permeability measurements of the nanocomposites to the oxygen and water vapor indicated that the PP/TrGO800 nanocomposite has better barrier properties than PP/TrGO600 nanocomposite. As expected, the stiffness of the nanocomposites increased when TrGO nanosheets were added to the polypropylene. For both cases, an increase of the elastic modulus was observed by increasing the loading of TrGO nanosheets, while the elasticity limit and the limit of fracture deformation decreased. These tests showed that the PP / TrGO800 nanocomposite has better mechanical properties than the PP / TrGO600 nanocomposite. These differences and similarities between PP/TrGO600 and TrGO800nanocomposites are explained by transmission electron microscopy (TEM) and X-ray diffraction (XRD) techniques / FONDECYT 1160521

En la presente tesis, se reporta la modificación de electrodos de fieltro de grafito formando micropartículas de plata sobre su superficie mediante un método no electroquímico. Para ello se utilizó nitrato de plata amoniacal a concentraciones de 0,03; 0,1 y 0,2 M y se empleó como solución reductora glucosa 0,03; 0,1 y 0,2 M, respectivamente. Los fieltros de grafito modificados fueron caracterizados mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) y voltametría cíclica. Luego los fieltros fueron utilizados para generar peróxido de hidrógeno por electro-reducción del oxígeno en su superficie. Los fieltros modificados no mostraron una importante electroactividad para tal fin, a pesar de haber incrementado su área electroquímica tal como indican los voltamperogramas. Los fieltros modificados fueron utilizados para la degradación del para-nitrofenol por método electro- Fenton. / Tesis

Memoria para optar al título de Químico / La utilización de nanopartículas a base de grafito como refuerzo de matrices poliméricas permite la obtención de compósitos con propiedades físicas y mecánicas mejoradas en comparación con el material polimérico original. Las cargas nanométricas pueden ser una opción atractiva para la formación de nanocompósitos elastoméricos con propiedades superiores a la matriz, siempre que se logre una dispersión homogénea del nanorefuerzo en la matriz polimérica. Además, la naturaleza, el tipo de refuerzo y el procedimiento utilizado para elaborar el compósito son factores importantes que determinan sus propiedades finales. En este trabajo se ha estudiado el uso de grafito y sus derivados, óxidos de grafito (GO) y óxidos de grafito funcionalizados con ácido itacónico (GO-AI) como materiales de refuerzo en la preparación de nanocompósitos de caucho natural (NR). Se estudió la influencia de estos refuerzos sobre las propiedades mecánicas y conductividad eléctrica de caucho natural (NR). Se utilizaron tres métodos de oxidación diferentes, reportados por Hummers, Brodie y Staudenmaier, para sintetizar los óxidos de grafitos. Los óxidos de grafitos obtenidos fueron funcionalizados con ácido itacónico para evaluar su comportamiento como nanorefuerzos en caucho natural. Por otra parte, se sometieron a los óxidos de grafito a un proceso de reducción térmica a 1000 °C para obtener nanopartículas denominadas óxido de grafito reducido térmicamente (TRGO). Estas nanopartículas fueron caracterizadas mediante espectroscopia FT-IR, Raman y difracción de rayos X (DRX). Los resultados indicaron que el óxido de grafito obtenido por el método de Brodie posee características estructurales que permiten elaborar nanocompósitos a base de caucho natural con mejores propiedades mecánicas y conductividad eléctrica, comparado con caucho natural. Los nanocompósitos de NR se prepararon mediante mezcla de látex de caucho natural y suspensiones acuosas de las nanopartículas. El uso de látex de caucho natural permite una mejor dispersión y distribución del nanorefuerzo en la matriz de NR. Los GO y GO-AIs alcanzaron una suspensión estable en agua desionizada siendo el TRGO la muestra que alcanzó la mejor estabilidad de su suspensión acuosa en solución de bromuro de dodeciltrimetilamonio (DTAB), un surfactante de carácter catiónico. Se determinaron las propiedades mecánicas de los nanocompósitos mediante ensayo de esfuerzo-deformación. Los valores de módulo elástico correspondientes al 300% de elongación (E300), resistencia a la tracción y elongación a la rotura obtenidos para nanocompósitos de NR/GO-AIs y NR/TRGOs con contenido de 1, 2, 3 o 4 % p/p de nanorefuerzo indicaron que los nanocompósitos de NR/TRGOs poseen mejores propiedades mecánicas que los nanocompósitos de NR/GO-AIs. Los nanocompósitos que contienen óxido de grafito obtenido por el método de Brodie (GO-B) y GO-B funcionalizado con ácido itacónico (GO-AI-B) mostraron mejores propiedades mecánicas que los nanocompósitos preparados con óxidos de grafito obtenidos por los métodos de Hummers y Staudenmaier. Las propiedades eléctricas de los nanocompósitos de NR/TRGO y NR/GO-AI con contenido de 1, 2, 3 o 4 % p/p de nanorefuerzo, otorgan valores de conductividad superiores para TRGOs que para GO-AIs, debido a su mejor grado de dispersión en la matriz polimérica. El nanocompósito de NR/TRGO-B que contiene 4% p/p de nanopartículas mostró la máxima conductividad eléctrica (10-7 S/cm) entre todos los nanocompósitos estudiados y comparado con 10-13 S/cm para NR / The use of carbon nanoparticles for reinforcing polymeric matrices allows to obtain composite materials with improved physical and mechanical properties compared to the original polymer. Nanometric loads can be an attractive option for the formation of elastomeric nanocomposites with superior properties when the nanoreinforcement particles are homogeneously distributeed in the polymer matrix. Furthermore, the nature, type of reinforcement and the process used to develop the composite are important factors that determine its final properties. In this work the use of graphite and its derivatives i. e. graphite oxide (GO) and graphite oxides functionalized with itaconic acid (GO-AI) were used as reinforcing materials in the preparation of nanocomposites based on natural rubber (NR). Three different oxidation methods, reported by Hummers, Brodie and Staudenmaier were used to synthesize the graphite oxides. The influence of these reinforcements on the mechanical properties and electrical conductivity of natural rubber (NR) was studied. Graphite oxides obtained were functionalized with itaconic acid to assess their behavior as nanoreinforcements in natural rubber. Moreover, the graphite oxides were subjected to a thermal reduction process at 1000 ° C to obtain graphite oxide nanoparticles called thermally reduced graphite oxide (TRGO). These nanoparticles were characterized by FT-IR spectroscopy, Raman and X-ray diffraction (XRD). Results showed that the graphite oxide obtained by the method of Brodie has structural features which allows to prepare natural rubber based nanocomposites with better mechanical properties and electrical conductivity compared to natural rubber. NR nanocomposites were prepared by mixing natural rubber latex and aqueous suspensions of the nanoparticles. The use of natural rubber latex allows better distribution and dispersion of the nanoparticles in the NR matrix. Stable suspensions of GO and GO-AIs samples were obtained in deionized wáter, while TRGO showed the best stability of its suspensión in aqueous solution of dodecyltrimethylammonium bromide (DTAB), used as a cationic surfactant. The mechanical properties of the nanocomposites were determined using stress-strain test. Corresponding values of elastic modulus at 300% elongation (E300), tensile strength and elongation at break for NR/GO-AIS and NR/TRGOs nanocomposites containing 1, 2, 3 or 4% w/w of nanoparticles indicated that NR/TRGOs nanocomposites have better mechanical properties NR/GO-AIs nanocomposites. Nanocomposites containing graphite oxide obtained by the method of Brodie (GO-B) and GO-B functionalized with itaconic acid (GO-AI-B) exhibited better mechanical properties than the nanocomposites prepared with graphite oxide obtained by the methods Hummers and Staudenmaier. The electrical properties of NR/TRGO and NR/GO-AI nanocomposites containing 1, 2, 3 or 4% w/w of nanoparticles showed higher electrical conductivity values for TRGOs that GO-AIs, due to its better degree of dispersion and distribution in the polymer matrix. The nanocomposite prepared from TRGO-B showed the highest electrical conductivity (10-7 S/cm) of all nanocomposites studied and is much higher than that of NR (10-13S/cm) / Fondecyt

Memoria para optar al título de Químico / El grafito es el alótropo más estable del carbono. Su estructura está constituida por una gran cantidad de láminas de grafeno apiladas una sobre la otra a una determinada distancia a raíz de las fuerzas de Van der Waals. Sus propiedades varían según la dirección en que se midan. El grafito es susceptible a la oxidación obteniéndose un material que presenta diferentes grupos funcionales en su estructura .El óxido de grafito (GO) puede ser reducido mediante métodos químicos o tratamientos térmicos. El óxido de grafito reducido térmicamente (TRGO) se obtiene al someter al GO a una elevada temperatura para eliminar los grupos funcionales. La presión que se origina en este proceso hace que las láminas de grafeno se separen a una distancia mayor la que se encontraban en el grafito. En esta tesis se prepararon nanocompósitos de caucho natural reforzados con diferentes concentraciones de grafito y óxido de grafito reducido térmicamente. Los nanocompósitos se prepararon mezclando el látex de caucho natural con dispersiones de grafito u óxido de grafito en soluciones acuosas de diferentes surfactantes. Los surfactantes que se utilizaron fueron de tipo iónicos como el dodecilsulfato de sodio (SDS) y el bromuro de dodeciltrimetilamonio (DTAB) y no iónicos tales como Triton X100 y Pluronic F-127.Se estudió el efecto de la naturaleza del surfactante sobre estabilidad coloidal del grafito y/o óxido de grafito reducido térmicamente usando tanto surfactantes iónicos como no-iónicos. Se dispuso de la utilización de ultrasonido para dispersar de manera eficaz el G o TRGO en las soluciones de los surfactantes. Los nanocompósitos reforzados con grafito no presentaron mejoras en las propiedades eléctricas comparados con la matriz de caucho natural sin reforzar. Sin embargo, los compósitos reforzados con TRGO presentaron mejores propiedades eléctricas, dieléctricas y mecánicas con respecto al caucho natural, debido a la buena dispersión lograda de los TRGO en la matriz de caucho natural. Los nanocompósitos de NR/TRGO estabilizado en DTAB resultaron ser eléctricamente conductores y mostraron mejores propiedades mecánicas en comparación con aquellos nanocompósitos preparados a partir de TRGO dispersado en SDS / Graphite is the most stable allotrope of carbon. Its structure consists of a large number of graphene sheets stacked one above the other at a given distance due to the van der Waals force. Their properties vary according to the direction in which they are measured. Graphite is susceptible to oxidation to obtain a material having different functional groups in their structure .The graphite oxide (GO) can be reduced by heat treatments or chemical methods. The thermally reduced graphite oxide (TRGO) is obtained by subjecting the GO at an elevated temperature to remove functional groups. The pressure that builds up in this process makes graphene sheets are separated at a greater distance which were in the graphite. In this thesis reinforced natural rubber nanocomposites with various concentrations of graphite and thermally reduced graphite oxide were prepared. Nanocomposites were prepared by mixing the natural rubber latex with dispersion of graphite or graphite oxide in aqueous solutions of different surfactants. The surfactants used were of ionic type as sodium dodecyl sulfate (SDS) and dodecyltrimethylammonium bromide (DTAB) and nonionic surfactants such as Triton X100, and Pluronic F-127.Se studied the effect of the nature of the surfactant on colloidal stability graphite and / or graphite oxide using both thermally reduced ionic surfactants and non-ionic. Were available from the use of ultrasound to disperse effectively in the G or TRGO surfactant solutions. Graphite reinforced nanocomposites did not show improved electrical properties compared to natural rubber matrix unreinforced. However, TRGO reinforced composites showed better electrical, dielectric and mechanical properties compared to natural rubber, due to the good dispersion of the TRGO achieved in the natural rubber matrix. Nanocomposites of NR / DTAB TRGO proved stabilized electrically conductive and showed better mechanical properties compared to those prepared from nanocomposites dispersed in SDS TRGO / Conicyt Fondecyt

Los procesos más eficientes de remoción de arsénico remueven en mayor cantidad el arsénico en forma de arseniato (As(V)) en comparación al arsenito (As(III)), debido a ello, el tratamiento de remoción de arsénico debe incluir una etapa de pre oxidación para convertir el arsenito en arseniato. Es por ello que en la presente tesis, se desarrolla y evalúa un electrodo de fieltro de grafito modificado con óxido de manganeso-cobalto para así aplicarlo en la oxidación de arsénico (III) a arsénico (V) en sistemas acuosos. La preparación de los electrodos se realiza mediante electrodeposición anódica evaluando parámetros como la relación molar Mn/Co, pH, potencial y tiempo de deposición. Se determinó que los parámetros de deposición más favorables para la oxidación de arsénico (III) a arsénico (V) son a 60 min, pH=3, 1,5 V y relación molar de Mn/Co de 5:1. El electrodo modificado es caracterizado mediante voltametría cíclica, espectrofotometría UV-visible por reflectancia difusa, microscopia electrónica de barrido, difracción de rayos X y espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier de reflectancia total atenuada. En la evaluación de las condiciones experimentales (pH y potencial de trabajo) para favorecer la oxidación del As(III) a As(V) se determinó que en medios de pH ácidos se favorece la oxidación del As(III) y se encontró menores tiempos de oxidación del As(III) a potenciales de trabajo de 2,5 V. Además, el fieltro de grafito modificado con óxidos mixtos de Mn-Co mostró una mayor efectividad en la oxidación del As(III) a As(V) respecto al fieltro de grafito modificado solo con óxidos de manganeso. / Tesis

Memoria para optar al título de Químico / La variación de la temperatura y tiempo en el proceso de oxidación del grafito influye significativamente en la obtención de un óxido de grafito (GO) altamente funcionalizado. Esta funcionalización permite al GO ser exfoliado mediante expansión térmica para producir óxido de grafito reducido térmicamente (TRGO). La incorporación de TRGO en una matriz de caucho natural (NR), mejora sustancialmente las propiedades mecánicas y eléctricas del NR. En este trabajo se investigó la dependencia del comportamiento mecánico y eléctrico de nanocompósitos de TRGO a base de caucho, con el procesamiento empleado en la elaboración de TRGO, como lo es la variación de parámetros en el proceso de oxidación del grafito mediante el método de Hummers. La preparación de los nanocompósitos contempló la adición de TRGO en una suspensión de látex de NR. Los resultados indican que los nanocompósitos de caucho reforzados con TRGO estándar (sin variación en el método de oxidación) presentan conductividad eléctrica de hasta 10-2 S/m, valor que puede aumentar un 100% con la adición de TRGO elaborado a partir de la exfoliación de un GO sometido a 6 horas de oxidación (TRGO-6h). Igualmente, los nanocompósitos de NR/TRGO-6h presentan mejoras en las propiedades mecánicas en comparación al NR/TRGO-30m (nanocompósito de TRGO estándar), que se reflejan en el aumento de la rigidez y resistencia a la tracción. Para la caracterización de grafito y sus derivados se utilizaron las técnicas de espectroscopía infrarroja FT-IR, microscopía electrónica de barrido acoplada a análisis de espectroscopía de energía dispersiva (SEM-EDS), difracción de rayos X (DRX) y adsorción física de gases. Para el estudio de las propiedades mecánicas y eléctricas de los nanocompósitos de TRGO a base de caucho, se realizaron ensayos de tensión-deformación y análisis de resistencias eléctricas respectivamente / The variation of time and temperature in the graphite oxidation process influence significantly in the obtainment of a highly-functionalized graphite oxide (GO). This functionalization allows GO to be exfoliated through thermal expansion to produce thermally reduced graphite oxide (TRGO). The addition of TRGO to natural rubber (NR) substantially improves the mechanical and electric properties of NR. In this thesis the dependency of the mechanical and electrical behavior of rubber based TRGO nanocomposites with the procedure used for the TRGO preparation was investigated. The nanocomposites preparation considered the TRGO addition to NR latexsuspension. Results indicate that rubber nanocomposites reinforced with TRGO prepared by an standard method (without the variation in the oxidation method reported in the literature) show electric conductivity up to 10-2 S/m, which could increase by 100% with the addition of TRGO obtained from the GO exfoliation subjected to 6 hours of oxidation (TRGO-6h). Likewise, NR/TRGO-6h nanocomposites show improvements in mechanical properties in comparison with NR/TRGO-30m (standard TRGO nanocomposite), which are reflected in the increased stiffness and increased tensile strength. Infrared spectroscopy (FT-IR) technique was used for the characterization of graphite and its derivatives. Scanning electron microscopy coupled with energy dispersive spectroscopy (SEM-EDS) and x-ray diffraction (DRX) were also used. Mechanical and electric properties of the rubber based TRGO nanocomposites were studied by tensile mechanical and electrical resistance, respectively / FONDECYT 1131139

En la presente tesis de maestría se reporta la preparación, caracterización y evaluación de electrodos de fieltro de grafito modificados con nanoaleaciones de Cu-Ag (NPs Cu- Ag), para su aplicación en procesos electro Fenton. El fieltro de grafito fue caracterizado mediante voltametría cíclica (VC), para evaluar su comportamiento electroquímico, encontrándose una mejor eficiencia al ser activado en un rango de voltaje de -2 a 2 V. Los electrodos activados fueron tratados mediante electro oxidación en presencia de HNO3 1 M y luego se caracterizaron mediante espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FT-IR). Los electrodos tratados fueron modificados mediante la deposición de NPs Ag, Cu y Cu-Ag, en medio ligeramente ácido, mediante el método de amperometría de pulso diferencial (DPA). La presencia de las NPs se confirmó mediante análisis por UV-vis de reflectancia difusa. El análisis estructural y morfológico se llevó a cabo mediante difracción de rayos X (DRX) y microscopia electrónica de barrido (SEM). La evaluación de los electrodos en procesos Fenton se llevó a cabo mediante la determinación de la cantidad de H2O2 producida luego de 1 h de tratamiento, a valores de pH de 3, 7 y 10 y empleando voltajes de -1, -2 y -3 V. Se encontró que a voltajes entre -1 y -2 V, los electrodos modificados para la producción de H2O2 presentan una eficiencia por debajo de la de los electrodos tratados con HNO3, y que a -3 V, la eficiencia de los electrodos activados se multiplica solo por un factor 1,4 (40 %), mientras que la de los electrodos modificados se multiplica por factores entre 3 – 8,7, dependiendo de la relación Cu:Ag y del pH. Finalmente se determinó que es posible modificar el pH al cual se produce la máxima cantidad de H2O2, variando la proporción molar Cu:Ag. / In the present Master Degree thesis it is reported the preparation, characterization and evaluation of graphite felt electrodes modified with Cu-Ag nanoalloys (Cu-Ag NPs), for applications in Fenton processes. The graphite felt was characterized by cyclic voltammetry (CV) in order to study its electrochemical behaviour, and it was found that it yielded better efficiency when activated in a voltage range of -2 to 2 V. The activated electrodes were treated by electro oxidation in presence of HNO3 1 M and thereafter they were characterized by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR). The treated electrodes were modified by the deposition of Ag, Cu and Cu-Ag NPs in neutral media by means of the differential pulse amperometry method (DPA). The presence of those NPs was confirmed by diffuse reflectance UV-vis spectroscopy. The structural and morphological analysis was carried out by X-ray diffraction (XRD) and scanning electronic microscopy (SEM). As for the production of H2O2 after 1 h of its electro-generation, at pH values of 3, 7 and 10, and using voltages of -1, -2 and 3 V, it was found that at voltages between -1 and -2 V, the efficiency for producing H2O2 was lower for the modified electrodes than for the electrodes treated by electro-oxidizing in HNO3; and that at -3 V, the efficiency of the treated electrodes is multiplied by a factor of 1,4 (40 %), while that of the modified electrodes is multiplied by factors between 3 – 8,7, depending on the Cu: Ag ratio and pH. Finally, it was determined that the pH value at which the maximum amount of H2O2 is produced can vary according to the molar ratio Cu:Ag in these NPs. / Tesis

La creciente demanda de información genética en campos cada vez más variados ha llevado al desarrollo de nuevas metodologías de análisis de DNA. El Proyecto Genoma Humano ha contribuido en favorecer la creación de metodologías analíticas que den información genética de manera rápida y fiable para poder culminarlo. Además, los resultados derivados del PGH han generado nuevos mercados para la genética, abriendo las puertas a nuevas posibilidades analíticas. Para continuar con estos avances, los dispositivos de análisis futuros deben reunir ciertas características tales como alta eficacia, rapidez, simplicidad y bajo coste. En la presente tesis se ha planteado como objetivo la construcción de genosensores robustos y económicos y cuya utilización no requiera supervisión profesional. Por este motivo, los transductores electroquímicos fueron nuestros candidatos de estudio por sobre otras transducciones como la óptica. Nuestros esfuerzos se dirigieron hacia la inmovilización por adsorción física del DNA debido a que es compatible con el desarrollo de dispositivos de fabricación masiva y de bajo coste. Así, se han estudiado y caracterizado distintos transductores y el que mostró propiedades físicas y electroquímicas extraordinarias fue el composite grafito-epoxi.En una primera instancia nos planteamos la construcción de genosensores amperométricos de membranas recambiables en las que el DNA se inmovilice sobre el nylon, que es el soporte más utilizado en los métodos de análisis clásicos de DNA. Los protocolos de inmovilización, hibridación y marcación enzimática sobre este soporte son muy conocidos y utilizados de manera masiva. Por primera vez una membrana de nylon modificada con DNA se integró al transductor grafito-epoxi para la detección del evento de hibridación. Vale la pena destacar además que debido a las falencias en las metodologías de detección del DNA en genosensores electroquímicos, se utilizó por primera vez un sistema de marcación basado en la enzima HRP, acoplada al DNA mediante la interacción biotina-estreptavidina, hasta ahora no utilizado en genosensores electroquímicos.Los resultados obtenidos se compararon con genosensores en los cuales el DNA se inmovilizó por adsorción física sobre un composite grafito-epoxi. Estos genosensores mostraron unas propiedades excelentes en comparación con los genosensores de membranas recambiables. Las señales amperométricas fueron sensiblemente superiores, el tiempo de hibridación se consiguió reducir desde 15 horas a 45 minutos, se pudieron detectar de 10 a 100 veces menos cantidad de analito, y la adsorción inespecífica fue notablemente inferior.Finalmente, el genosensor basado en un composite grafito-epoxi se ha aplicado también a diversos formatos. El formato de captura es el más idóneo para ser implementado en forma de kit, ya que permite tener pre-preparados los dispositivos genosensores con la sonda de captura inmovilizada. Los genosensores se podrían fabricar con procedimientos planares de fabricación masiva, lo que aumentaría sus perspectivas comerciales.Finalmente, se ha demostrado la utilidad de los dispositivos genosensores en la determinación de Salmonella, mediante el acoplamiento de la PCR y la detección del amplicón con el genosensor amperométrico. El procedimiento total de análisis fue de 6 a 8 hs, en contraste con los 3 a 5 días requeridos para la determinación con métodos microbiológicos clásicos. El nuevo dispositivo genosensor que se ha desarrollado, basado en un composite grafito-epoxi, cumple con todos los requerimientos que se habían planteado en los objetivos: es robusto, sensible, de bajo coste, capaz de ser miniaturizado y de ser construido en distintas configuraciones, su uso es sencillo y su respuesta es rápida, se ha demostrado su capacidad de ser utilizado para medidas de campo, y es viable su implementación en kits genosensores. Además, puede aplicarse a diversas situaciones analíticas y en campos de análisis genético tan variados como medicina, biotecnología y biología molecular y en determinaciones forenses, medioambientales y, principalmente, industriales. / The growing demand for genetic information in increasingly varied fields has generated new methodologies for DNA analysis. The Human Genome Project (HGP) has multiplied the demand for these techniques as it requires analytical methodologies that produce genetic information quickly and reliably. Furthermore, the knowledge obtained from the HGP has expanded the market which requires genetic devices, hence, generating new applications. To sustain these advancements, future analytical devices should be highly efficient, quick, simple and low-cost. The aim of the present thesis is to build robust and economical genosensors that can be used without professional supervision. For these reasons, electrochemical transducers were our obvious choice over other possibilities such as optical devices. Our efforts were directed towards the immobilisation of DNA using physical adsorption as this procedure is compatible with the development of mass-produced and low-cost devices. Several transducers were studied and characterised in the course of this work and we found that the graphite-epoxy composite showed extraordinary physical and electrochemical properties. At first we directed our efforts towards the development of amperometric genosensors with exchangeable membranes where DNA is immobilised on nylon as it is the more widely used support material in classical DNA techniques. The protocols for immobilisation, hybridisation and enzyme labelling using this support material are widely known and used. For the first time a nylon membrane modified with DNA was integrated to a graphite-epoxy transducer for the detection of the hybridisation event. It is worth noticing that a labelling system based on the HRP enzyme coupled to DNA through the biotin-streptavidin interaction was used for the first time due to the shortcomings of DNA detection methodologies using electrochemical genosensors. This setup had not been reported previously for electrochemical genosensors. The results obtained were compared to those of genosensors where DNA was immobilised using physical adsorption on a graphite-epoxy composite. The latter genosensors showed excellent properties compared to those with changeable membranes. Amperometric signals were sizeably larger, hybridisation time was reduced from 15 hours to 45 minutes, 10 to a 100 times less analyte could be detected and unspecific adsorption was noticeably lower. Finally, genosensors based on a graphite-epoxy composite was applied to several formats. The capture format is the most suitable for use in a kit form as it allows to have the genosensing devices already prepared with the immobilised capture probe. Genosensors could be built using mass-production planar procedures, raising their commercial potential. Lastly, the usefullness of genosensors was demonstrated in the detection of Salmonella using PCR coupling and the detection of the amplicon using the amperometric genosensor. The total analytical procedure took from 6 to 8 hs, in contrast to the 3 to 5 days required with classical microbiological methods. The new genosensor developed based on a graphite-epoxy composite fulfils all the requirements stated as part of the objectives of the present work. These requirements include robustness, sensitivity, low-cost, capability of miniaturisation, capability of being built in several configurations, ease of use and quickness. The devices proved to be useful in field studies and they can be used to produce genosensor kits. Additionally, they can be applied to a wide range of analytical situations and in a wide range of genetic analytical fields including medicine, biotechnology and molecular biology as well as forensic examinations, and environmental and industrial applications.

La creciente demanda de metodologías analíticas simples, selectivas y de bajo coste para el análisis cuantitativo o semicuantitativo de analitos de variada naturaleza en muestras complejas ha favorecido el desarrollo de alternativas analíticas a los métodos clásicos de análisis. En este contexto, en la presente tesis se ha planteado como objetivo la construcción de biosensores robustos y económicos y cuya utilización no requiera supervisión profesional, para la detección descentralizada y fiable de compuestos de interés en la seguridad alimentaria y en el control medioambiental. Debido a la experiencia de nuestro grupo de trabajo y a las demostradas ventajas del material grafito-epoxi (GEC) como transductor electroquímico, se dirigieron los esfuerzos hacia la construcción de nuevos transductores basados en compósitos rígidos grafito-epoxi. Así, se abordaron dos líneas distintas de investigación: la primera, dirigida hacia la construcción de transductores biocompósitos grafito-epoxi (GEB) modificados en volumen con biomoléculas de afinidad universal, para la inmovilización de enzimas, anticuerpos, u oligonucleótidos y, la segunda, en el desarrollo de nuevos protocolos para la detección electroquímica de biomoléculas inmovilizadas en partículas magnéticas, mediante el diseño de un sensor con propiedades magnéticas, m-GEC. Abordando el primer eje de esta tesis, se estudiaron diferentes moléculas de afinidad universal para la preparación de biocompósitos, tales como la proteína A y la proteína G (para la inmovilización de anticuerpos de diferentes especificidades a través del Fc) y la estrept(avidina), para la inmovilización de prácticamente cualquier analito biotinilado, sea este enzimas, oligonucleótidos o anticuerpos. Así, se construyeron exitosamente biocompósitos de avidina (Av-GEB) capaces de inmovilizar con una excelente orientación, oligonucleótidos, enzimas y anticuerpos. Del mismo modo se diseñaron y construyeron plataformas universales para la inmovilización de anticuerpos basados en biocompósitos grafito-epoxi de proteína A (ProtA-GEB). Usando esta plataforma se consiguieron inmovilizar anticuerpos de las más variada naturaleza a través de su fracción constante para la detección de diferentes analitos como, por ejemplo, atrazina en zumo de naranja o en aguas embotelladas, alcanzando límites de detección por debajo del límite de 0.1 ?g L-1 fijado por la legislación europea. Además de estas plataformas electroquímicas de afinidad universal, se construyeron con éxito inmunocompósitos grafito-epoxi de afinidad específica (Ab-GEB), en concreto inmunocompósitos anti-atrazina para la determinación de este analito en muestras reales con una alta sensibilidad. Resultados muy prometedores se han obtenido también con el segundo eje de la presente tesis, mediante ensayos llevados a cabo con un nuevo sensor magnético basado en compósito grafito-epoxi (m-GEC) y esferas magnéticas modificadas con bioespecies. Las partículas magnéticas representan una nueva estrategia para bioanálisis que aportan numerosas ventajas adicionales. Después de un estudio exhaustivo de la inmovilización de biomoléculas sobre diferentes tipologías de esferas magnéticas funcionalizadas por diferentes grupos químicos (tosil y carboxilo) o moléculas biológicas (proteína A), se consiguió inmovilizar con éxito anticuerpos para la determinación de una familla de antibióticos (sulfonamidas) en muestras alimentarias y de anticuerpos para la determinación de atrazina en muestras alimentarias y medioambientales. Con esta estrategia se consiguió detectar atrazina en muestras tales como agua de consumo y zumo de naranja, y sulfonamidas en leche fresca o UHT entera, desnatada y semidesnatada. En este último caso, se ha conseguido rebajar en un factor de 100 los límites de detección fijados por la legislación europea. Por último, y para concluir, con el objetivo final de desarrollar en un futuro un sistema de detección de DNA de E. coli patógenas basado m-GEC y detección electroquímica, para la aplicación en seguridad alimentaria en cuanto a bacterias patógenas, se ha desarrollado un sistema de primers específicos basados en experimentos de RT-PCR. / The increasing interest in simple, selective and cost-effective analytical methodologies for quantitative analysis in different complex samples is related with the development of analytical alternatives beside instrumental methods of analysis. This thesis is focused on the development of robust, low-cost, user-friendly biosensors, for the accurate detection of compound related with food safety and environmental monitoring. One of the main expertise area in our group is the construction of conducting and rigid graphite-epoxy composites. Due to our experience as well as the improved properties of this transducer material, the research was focused on the construction of novel transducers based on rigid graphite-epoxy composite (GEC). On one hand, this thesis was focused on the construction of graphite-epoxy biocomposite (GEB) transducer bulk-modified with universal affinity biomolecules for the improved immobilization of enzymes, antibodies and oligonucleotides. On the other hand, the development of novel strategies for the electrochemical detection of biomolecules previously immobilized on magnetic beads was also performed, by the construction of a novel magneto sensor based on graphite-epoxy composite (m-GEC). In order to design graphite-epoxy biocomposite based-transducers, different universal affinity molecules such as protein A and G -for the immobilization of antibodies through the Fc region-, and strept(avidin) -for the immobilization of almost any biotinylated biomolecules such as enzymes, DNA or antibodies- were studied. Avidin graphite-epoxy biocomposite transducers -Av-GEB- with improved immobilizing properties for biotinylated DNA, antibodies and enzymes were constructed and electrochemically evaluated. In a similar way, protein A graphite-epoxy biocomposite (ProtA-GEB) transducers for the improved immobilization of antibodies with different specificities were also constructed. Atrazine in bottled water samples as well as orange juices were determined by immunosensing with this strategy, reaching the maximum residues limits established by the European Commission (0.1 ?g L-1). Beside these universal affinity platforms, graphite-epoxy immunocomposite transducers (Ab-GEB) with specific affinity were constructed for the specific detection of atrazine in real samples with high sensitivity. On the other hand, very promising results were also achieved with a novel magneto sensor based on graphite-epoxy composite (m-GEC) and magnetic beads modified with biomolecules. Magnetic beads provide further improvement to a bioassay, such as better and easier separation of the biomolecule from the complex sample. After a carefully study of the different modified magnetic beads (such as tosyl, carboxilate and Protein A modified magnetic beads), a class specific antibodies for the determination of sulfonamides as well as the specific anti-atrazine antibody were immobilized on tosyl modified magnetic beads. The detection of atrazine in water samples and orange juices, as well as sulfonamides in skimmed, semi-skimmed and full cream UHT and raw full cream milk samples was achieved following this strategy with remarkable sensitivity and reaching by far the maximum residues limits established by the European Commission. Finally, the design of a set of specific primers for the detection of pathogenic E. Coli by RT-PCR has been described. This system will be used in the electrochemical genosensing based on m-GEC of pathogenic bacteria in a near future.

El grafeno es, por definición, una de las capas bidimensionales (2D) de espesor monoatómico que forman el grafito, cuando está aislada. Sus prometedoras propiedades (anómalo efecto Hall cuántico, alta movilidad portadora, alta concentración de portadores de carga, elevada resistencia mecánica) lo convierten en un foco de incesante estudio. Además del grafeno, existen diferentes materiales basados en grafeno, de los cuales el óxido de grafito o grafeno (G-O) es el que se obtiene con un método de síntesis que hasta el momento es el más viable industrialmente hablando [1, 2]. El G-O se obtiene por oxidación de un material grafítico y consiste en una capa de grafeno que contiene grupos funcionales oxigenados en el plano basal y en los bordes de plano. Los grupos funcionales y los defectos producidos hacen que el G-O pierda algunas de las propiedades características del grafeno, como su estructura electrónica conjugada, si bien algunas pueden recuperarse parcialmente mediante tratamientos de reducción, obteniéndose óxido de grafeno reducido, rG-O. Establecer un protocolo de síntesis adecuado requiere conocer en profundidad la estructura del óxido de grafeno, durante años estudiada, pero sobre la que aun existen dudas. En este trabajo se ha pretendido realizar un estudio exhaustivo de la estructura del óxido de grafeno, partiendo de la base de que dependerá de distintos factores relacionados con su síntesis, como el precursor o el método de oxidación. Este estudio ha consistido en probar cuatro métodos de obtención, que suponen el uso de distintos intercalantes, oxidantes y condiciones de reacción: método de Hummers-Offeman original (H2SO4/KMnO4/NaNO3) [3], de Hummers-Offeman modificado (H2SO4/KMnO4), de Brodie (HNO3/NaClO3) [4] y de Staudenmaier (HNO3/H2SO4/NaClO3) [5]. Las materias primas utilizadas para obtener G-O son nanofibras de carbono, tipo helical-ribbon [6], y grafito natural. También se ha estudiado la estructura real del óxido de grafeno en base a un modelo existente según el cual el G-O obtenido de la reacción es una estructura compleja formada por dos entes: las láminas de G-O y moléculas menores adheridas a ellas, debris [7]. Por último, se ha realizado la reducción de G-O mediante tratamientos basados en choques térmicos (a distintas temperaturas [8], en microondas [9] , y en presencia de disolventes [10]) o reactivos químicos (borohidruro de sodio [11], hidracina [12] y ácido hidriódico [13]). Mediante la producción por el método de Hummers-Offeman modificado se ha observado que partiendo de nanofibras de carbono se obtiene un mayor rendimiento de cristales de G-O monocapa que partiendo de grafito. Se da una mayor dificultad de incorporación de grupos oxigenados en el plano basal de las capas de grafito, es decir, es más efectiva la penetración de los reactivos en las nanofibras de carbono. Por otro lado, se ha demostrado la existencia de láminas de G-O y debris como estructura compleja, y que la formación de debris es mayor en el G-O procedente de nanofibras de carbono que en el procedente de grafito. En cuanto a los métodos de producción, el método de Hummers-Offeman, modificado u original, ha resultado ser el más efectivo en la formación de cristales de G-O de pocas capas. Se ha observado que el uso de NaNO3 en dicho método facilita la separación de capas y evita el posterior reapilamiento tras una exfoliación térmica, especialmente cuando se parte de grafito. Asimismo, este reactivo favorece la rotura de capas grafíticas y la penetración del KMnO4, dando lugar a una mayor formación de debris. Por último, se ha comprobado que los debris enmascaran la interpretación de los resultados de la reducción de G-O, pues durante los tratamientos térmicos o químicos, además de disminuir el contenido de oxígeno, se produce una eliminación de debris.