This thesis focuses on the development of two new applications using ion concentration polarization (ICP): an out-of-plane microfluidic approach for water desalination and a method for concentration and transportation of charged analytes in paper-based biomedical diagnostic device. In the first work, we present an out-of-plane desalination approach using ICP. A depletion boundary separates salt ions and purified water into distinct vertically stacked layers. The out-of-plane design enables multiplexing in three dimensions, providing the functional density required for practical applications. The second work demonstrates an active control mechanism of target analytes in paper using ICP. Both external devices (with all functional units on one side of paper) and integrated paper microfluidic devices (by embedding all functional units in paper) were developed to concentrate and transport charged analyte molecules in the paper. We also demonstrate a new fabrication method of nanofluidic and hydrophobic barriers (nanoporous membrane patterning) in paper microfluidic device.

This thesis focuses on the development of two new applications using ion concentration polarization (ICP): an out-of-plane microfluidic approach for water desalination and a method for concentration and transportation of charged analytes in paper-based biomedical diagnostic device. In the first work, we present an out-of-plane desalination approach using ICP. A depletion boundary separates salt ions and purified water into distinct vertically stacked layers. The out-of-plane design enables multiplexing in three dimensions, providing the functional density required for practical applications. The second work demonstrates an active control mechanism of target analytes in paper using ICP. Both external devices (with all functional units on one side of paper) and integrated paper microfluidic devices (by embedding all functional units in paper) were developed to concentrate and transport charged analyte molecules in the paper. We also demonstrate a new fabrication method of nanofluidic and hydrophobic barriers (nanoporous membrane patterning) in paper microfluidic device.

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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.

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The purpose of this thesis was to demonstrate device functionality of 3-D paper-based, multiplex platforms, µPADs, without the use of coupling agents between layers. Previously, these platforms were fabricated with double-sided tape and cellulose powder to try to augment proper fluid routing, but difficulties with this method occurred. An acrylic housing unit with strategically placed pressure tabs was designed to aid horizontal and vertical fluid routing through the platform, thus eliminating the inconsistencies associated with coupling agents. Channel characterization studies, a COMSOLTM simulation, and development time studies were performed to aid device design and demonstrate device functionality. The implementation of this µPAD platform as a diagnostic instrument was validated via lateral flow immunoassays utilizing both biotinylated antibodies and biotinylated aptamers as capture reagents. Successful detection of the target analyte, IgE, as well as successful fluid routing through multiple layers of membrane was demonstrated by immunoassays performed on 3-D, multiplex platforms. Another important result determined the aptamers’ ability to detect IgE to be statistically the same as the antibodies’ ability; thus confirming aptamers as viable capture reagent alternatives to antibodies in lateral flow assays. Overall, this research project was performed to develop and validate via experiment a prototype paper-based microfluidic diagnostic device, µPAD, with the capability to detect multiple biomarkers on one platform.

A funcionalização da matriz celulósica é um ponto essencial para o aprimoramento dos dispositivos microfluídicos baseados em papel (µPADs). Ela permite minimizar o preparo de amostras e a interferência do usuário, principais fontes de erro no processo analítico. A oxidação da celulose durante uma hora com m-periodato de sódio e a imobilização química de enzimas a partir da formação de bases de Schiff (iminas), via a adição direta da enzima ao substrato oxidado sem a necessidade de outras etapas, é um processo rápido e de baixo custo, apresentando grande potencialidade de aplicação nos dispositivos microfluídicos em papel. A enzima glicose oxidase imobilizada na celulose, com a adição do estabilizante trealose, apresentou elevada atividade catalítica - de 31,9 ± 5,5 mmol L-1 para a enzima não imobilizada a 14,8 ± 2,0 mmol L-1 para a enzima imobilizada e com o estabilizante - além de apresentar maior homogeneidade de sinal, condições desejáveis em testes rápidos em papel. A confecção de dispositivos em papel via impressão em cera alia rapidez e baixo custo de produção, e o arranjo em camadas para originar dispositivos tridimensionais (3D) permite ampliar as funcionalidades dos dispositivos em duas dimensões, tal como o tratamento individualizado de camadas e o armazenamento de reagentes no próprio dispositivo. O método da adição de padrão para obtenção de curvas analíticas no próprio microchip em papel surge como alternativa às curvas analíticas externas, minimizando a manipulação e o preparo de amostras. O uso do ácido 2,2’-azino-bis (3-etilbenzotiazolina-6-sulfônico) - ABTS como indicador redox para as reações enzimáticas e o método de adição de padrão nos µPADs apresentou boa correlação com um modelo de crescimento e saturação de Michaelis-Menten (r2 = 0,8723) na faixa de 0 a 10 mmol L-1, e a utilização da faixa linear para quantificação de glicose (0 a 3 mmol L-1) apresentou grande correlação linear com a concentração estimada pelas curvas de adição de padrão (r2 = 0,959), demonstrando a potencialidade do método. A união da tecnologia desses dispositivos em papel com a de um software automatizado de reconhecimento de imagens (PAlizer) torna instantânea a obtenção de resultados, eliminando-se a necessidade de intervenção humana no processo, tornando os testes em papel mais robustos, reprodutíveis e rápidos. Com o contínuo aperfeiçoamento das funcionalidades e potencialidades dos dispositivos microfluídicos em papel espera-se que os testes diagnósticos de baixo custo atinjam àqueles que deles necessitam, contribuindo para a saúde da população. / Functionalization of a cellulosic matrix is essential for the success of the paper-based microfluidic analytical devices (µPADs). It allows minimization of sample preparation and user interference, both being major sources of errors in the analytical process. Cellulose oxidation with sodium m-periodate during one hour and the direct chemical immobilization of enzymes on it by Schiff-base (imines) formation, which is made by direct insertion of the enzyme on the oxidized substrate without subsequent steps, is a fast and low cost process of immobilization, presenting great potential of application in paper-based microfluidic analytical devices. The glucose oxidase enzyme immobilized on cellulose, with the addition of trehalose stabilizer presented enhanced catalytic activity - from 31.9 ± 5.5 mmol L-1 for the non-immobilized enzyme to 14.8 ± 2.0 mmol L-1 for the immobilized enzyme with the stabilizing agent - also presenting greater signal homogeneity, which are ideal characteristics in a paper-based rapid test. Wax printing is a simple, inexpensive and fast method by which micro-devices can be fabricated. Additionally, the stacking of layers originating tridimensional devices (3D) allow for the improvement of functionalities of 2-dimensional ones, such as individualized layer treatment and reagent storage at different layers in the same device. Standard addition to analytical curves in paper-based microchips is an alternative to external analytical curves, minimizing handling/sample preparation. The use of 2,2\'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic acid - ABTS redox indicator with the enzymatic reactions and the standard addition method in µPADs presented a good correlation in a growth and saturation Michaelis-Menten model (r2 = 0.8723), in the range of 0 to 10 mmol L-1, and the usage of the linear range to the glucose quantification (0 to 3 mmol L-1) presented a high linear correlation with the estimated concentration from the standard addition curves (r2 = 0.959), showing the potentiality of the method. The coupling of such paper-based devices to automated image analysis software, such as \'PAlizer\', turns the data acquisition process instantaneous, eliminating the need of human intervention during the process, making it more robust, reproducible and rapid. Expectations lie in improving the devices functions and potential so that these low-cost diagnostic devices can one day reach those who need them, contributing significantly to public health.

A funcionalização da matriz celulósica é um ponto essencial para o aprimoramento dos dispositivos microfluídicos baseados em papel (µPADs). Ela permite minimizar o preparo de amostras e a interferência do usuário, principais fontes de erro no processo analítico. A oxidação da celulose durante uma hora com m-periodato de sódio e a imobilização química de enzimas a partir da formação de bases de Schiff (iminas), via a adição direta da enzima ao substrato oxidado sem a necessidade de outras etapas, é um processo rápido e de baixo custo, apresentando grande potencialidade de aplicação nos dispositivos microfluídicos em papel. A enzima glicose oxidase imobilizada na celulose, com a adição do estabilizante trealose, apresentou elevada atividade catalítica - de 31,9 ± 5,5 mmol L-1 para a enzima não imobilizada a 14,8 ± 2,0 mmol L-1 para a enzima imobilizada e com o estabilizante - além de apresentar maior homogeneidade de sinal, condições desejáveis em testes rápidos em papel. A confecção de dispositivos em papel via impressão em cera alia rapidez e baixo custo de produção, e o arranjo em camadas para originar dispositivos tridimensionais (3D) permite ampliar as funcionalidades dos dispositivos em duas dimensões, tal como o tratamento individualizado de camadas e o armazenamento de reagentes no próprio dispositivo. O método da adição de padrão para obtenção de curvas analíticas no próprio microchip em papel surge como alternativa às curvas analíticas externas, minimizando a manipulação e o preparo de amostras. O uso do ácido 2,2’-azino-bis (3-etilbenzotiazolina-6-sulfônico) - ABTS como indicador redox para as reações enzimáticas e o método de adição de padrão nos µPADs apresentou boa correlação com um modelo de crescimento e saturação de Michaelis-Menten (r2 = 0,8723) na faixa de 0 a 10 mmol L-1, e a utilização da faixa linear para quantificação de glicose (0 a 3 mmol L-1) apresentou grande correlação linear com a concentração estimada pelas curvas de adição de padrão (r2 = 0,959), demonstrando a potencialidade do método. A união da tecnologia desses dispositivos em papel com a de um software automatizado de reconhecimento de imagens (PAlizer) torna instantânea a obtenção de resultados, eliminando-se a necessidade de intervenção humana no processo, tornando os testes em papel mais robustos, reprodutíveis e rápidos. Com o contínuo aperfeiçoamento das funcionalidades e potencialidades dos dispositivos microfluídicos em papel espera-se que os testes diagnósticos de baixo custo atinjam àqueles que deles necessitam, contribuindo para a saúde da população. / Functionalization of a cellulosic matrix is essential for the success of the paper-based microfluidic analytical devices (µPADs). It allows minimization of sample preparation and user interference, both being major sources of errors in the analytical process. Cellulose oxidation with sodium m-periodate during one hour and the direct chemical immobilization of enzymes on it by Schiff-base (imines) formation, which is made by direct insertion of the enzyme on the oxidized substrate without subsequent steps, is a fast and low cost process of immobilization, presenting great potential of application in paper-based microfluidic analytical devices. The glucose oxidase enzyme immobilized on cellulose, with the addition of trehalose stabilizer presented enhanced catalytic activity - from 31.9 ± 5.5 mmol L-1 for the non-immobilized enzyme to 14.8 ± 2.0 mmol L-1 for the immobilized enzyme with the stabilizing agent - also presenting greater signal homogeneity, which are ideal characteristics in a paper-based rapid test. Wax printing is a simple, inexpensive and fast method by which micro-devices can be fabricated. Additionally, the stacking of layers originating tridimensional devices (3D) allow for the improvement of functionalities of 2-dimensional ones, such as individualized layer treatment and reagent storage at different layers in the same device. Standard addition to analytical curves in paper-based microchips is an alternative to external analytical curves, minimizing handling/sample preparation. The use of 2,2\'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic acid - ABTS redox indicator with the enzymatic reactions and the standard addition method in µPADs presented a good correlation in a growth and saturation Michaelis-Menten model (r2 = 0.8723), in the range of 0 to 10 mmol L-1, and the usage of the linear range to the glucose quantification (0 to 3 mmol L-1) presented a high linear correlation with the estimated concentration from the standard addition curves (r2 = 0.959), showing the potentiality of the method. The coupling of such paper-based devices to automated image analysis software, such as \'PAlizer\', turns the data acquisition process instantaneous, eliminating the need of human intervention during the process, making it more robust, reproducible and rapid. Expectations lie in improving the devices functions and potential so that these low-cost diagnostic devices can one day reach those who need them, contributing significantly to public health.

Philosophiae Doctor - PhD / The need for clean, non-toxic drinking water supplies, free of pollutants and metal contamination is vital in impoverished areas and the developing world alike. With this in mind, the development of accurate, inexpensive, portable and simple devices for remote sensing applications is therefore pivotal for early detection and the prevention of illnesses. Over the last two decades, adsorptive stripping voltammetry (AdSV) has emerged as a superior detection method over common analytical techniques due to its low-cost instrumentation, unskilled labour and ability to detect a wide range of analytes. / 2020-08-31