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La Evolucion de la Electroquimica Hacia los Circuitos Impresos

La evolución de la electroquímica hacia los circuitos impresos

En nuestro post anterior, os explicamos qué es un PCB y cómo la tecnología de circuitos impresos ha impactado en la electrónica de consumo, permitiendo tener dispositivos más compactos y ligeros. En este post os explicaremos por qué en Macias Sensors estamos convencidos que los PCBs són el futuro de los sensores electroquímicos.

Qué es la electroquímica?

Al igual que los PCBs, la electroquímica ha impactado nuestro día a día. De hecho, utilizamos regularmente múltiples dispositivos que funcionan con electroquímica. Los principales ejemplos son las pilas y las baterías de litio. Sin embargo, la electroquímica tiene otras aplicaciones, tales como el saneamiento de aguas o el diagnóstico y control de enfermedades mediante biosensores. Pero, qué es la electroquímica?

La electroquímica es una ciencia que estudia la transformación de la energía química a energía eléctrica y viceversa.

electrodos tradicionales para experimentación electroquímica

Celda electroquímica de 3 electrodos.
Figura 1. Celda electroquímica de 3 electrodos.

Para el estudio de la electroquímica se requieren 2 cosas:

  1. Una reacción química, normalmente de oxidación/reducción
  2. Electrodos, que permiten monitorizar la reacción o provocarla

Existen distintas configuraciones de electrodos para reacciones electroquímicas, pero la más común es la que se muestra en la figura 1: una celda de 3 electrodos.

Estos 3 electrodos hacen las funciones de:

  1. Electrodo de trabajo o working electrode: este es el electrodo donde se mide la reacción electroquímica.
  2. Electrodo de referencia o reference electrode: este es un electrodo que mantiene un potencial eléctrico estable. Gracias a este potencial eléctrico estable se utiliza como referencia durante las medidas, lo cual permite obtener resultados fiables y repetibles. Para mantener este potencial estable, sin embargo, no se puede pasar una corriente eléctrica por el mismo, ya que esto puede hacer fluctuar su potencial.
  3. Electrodo auxiliar o counter electrode: este es un electrodo que permite cerrar el circuito eléctrico y así realizar medidas de la reacción química.

Transición de la electroquímica hacia los circuitos impresos

De forma parecida a lo que ocurre con el cableado en los dispositivos electrónicos, las celdas electroquímicas tradicionales tienen muchas limitaciones.

4 desventajas de los electrodos tradicionales en electroquímica

La primera y principal desventaja de las celdas electroquímicas tradicionales es su tamaño. Si bien son muy versátiles, ya que permiten controlar muy bien las condiciones del experimento, ocupan mucho espacio. Por lo tanto, las celdas electroquímicas tradicionales están limitadas a su uso en laboratorios especializados

La segunda desventaja es el volúmen de líquido requerido para los experimentos. Debido al tamaño de los electrodos y la celda, se requieren de varios mililitros para realizar un experimento. Esto puede resultar prohibitivo al estudiar reacciones químicas que involucren reactivos caros, com por ejemplo, enzimas u otras moléculas de orígen biológico.

La tercera desventaja es la posición de los electrodos. Las medidas electroquímicas dependen en gran medida de cómo estan dispuestos los distintos electrodos. De modo que su tamaño y/o la distancia entre los mismos afecta los resultados. Ya que en las celdas electroquímicas tradicionales los electrodos no estan 100% fijos, esto supone que, si la celda no se monta siempre exactamente igual, se podrán observar diferencias en los resultados.

Finalmente, la cuarta desventaja es el mantenimiento. Los electrodos utilizados en las celdas electroquímicas tradicionales són de alta calidad, y a menudo, están hechos con metales preciosos tales como oro o platino. Debido a esto, se deben reutilizar. Sin embargo, esto tambien significa que, para evitar contaminación entre experimentos, estos electrodos deben pasar por un riguroso lavado y pulido 

Celda electroquímica en electrodo serigrafiado.
Figura 2. Celda electroquímica en electrodo serigrafiado.

electrodos serigrafiados como la solución

Tal y como acabamos de explicar, las celdas electroquímicas tradicionales cuentan con múltiples desventajas. Si bien no importan mucho para los experimentos realizados en un laboratorio de investigación por personal altamente cualificado, son críticas para aplicaciones portátiles como los biosensores.

La solución a estas desventajas es sencilla: la miniaturizacion de las celdas electroquímicas.

Los electrodos serigrafiados, como el que podemos ver en la figura 2, son un ejemplo de miniaturización de las celdas electroquímicas. Fabricados por un proceso de serigrafía o screen-printing, estas tarjetas cuentan con un circuito impreso que contiene los 3 electrodos necesarios para un experimento electroquímico.

Gracias a su menor tamaño, estos electrodos permiten la aplicación de la electroquímica de forma portátil y ha permitido, entre otros, llevar los biosensores de glucosa al mercado.

Con los electrodos serigrafiados, se pueden estudiar reacciones electroquímicas con apenas 50 microlitros, con lo que el precio de los reactivos tiene menos importancia. Además, dada la menor cantidad de material en los electrodos, estos suelen ser de un sólo uso, lo que elimina por completo el mantenimiento.

Sin embargo, la tecnología de los electrodos serigrafiados también tiene limitaciones.

Si bien hay algunos electrodos serigrafiados impresos en sustratos flexibles, la mayoría se imprimen sobre finas tarjetas de cerámica. Esto es debido a las temperaturas de cocción de las tintas metálicas utilizadas, especialmente las de oro y platino. Esto limita en gran medida la aplicabilidad de los electrodos serigrafiados, ya que encarece su precio y los vuelve más frágiles. Además, dado que tan sólo pueden imprimirse por un lado, la integración de los mismos en un sistema electrónico complejo es casi imposible.

el siguiente paso: electrodos en PCB

Electrodo en PCB de Macias Sensors
Figura 3. Electrodo en PCB de Macias Sensors

La forma de solventar las limitaciones de los electrodos serigrafiados o SPEs es la transición hacia electrodos en PCBs.

La tecnología de los PCB es significativamente más versátil que la de los SPEs. Es gracias a esta versatilidad que se pueden fabricar sistemas de detección más complejos.

La posibilidad de realizar circuitos con múltiples capas y conexiones entre ellas permite incorporar facilmente nuevas functionalidades tales como:

  • Calentadores resistivos
  • Sensores de temperatura
  • Conductores de calor
  • Chips de calibración interna

Además, utilizando tecnología PCB, también es posible realizar circuitos microfluídicos que incluyan dispositivos  tales como sensores de flujo y de llenado.

Por lo tanto, gracias a la funcionalidad añadida de los PCBs,  se pueden fabricar auténticos dispositivos Lab-on-a-Chip (LoC o laboratorios en un chip).



Si estas interesado en cómo Macias Sensors puede ayudarte en el desarrollo de sensores electroquímicos con tecnología de PCB, contacta con nosotros.