Lineas de Investigación
Consolidadas
El LABMyN está enfocado en desarrollar dispositivos electroquímicos sin membrana para suministrar energía en sistemas de baja potencia (MEMS, BioMEMS y µTAS), basados en celdas de combustible micro/nanofluídicas que convierten la energía química en eléctrica acoplados con sistemas electrónicos que elevan el voltaje de salida. Estos dispositivos los clasificamos en bióticos y abióticos, según sea el material catalítico empleado.
En dispositivos bióticos, las enzimas glucosa oxidasa, lactato oxidasa, alcohol deshidrogenasa, aldehído deshidrogenasa, ureasa, colesterol oxidasa y formiato deshidrogenasa se emplean para la oxidación de combustibles (glucosa, sangre, alcoholes de cadena corta, colesterol, urea, lactato y ácido fórmico). Por otra parte, la bilirrubina oxidasa y lacasa se utilizan para la reducción de oxígeno. Las enzimas son inmovilizadas mediante unión covalente, entrecruzamiento y adsorción física. La alta selectividad y bio-compatibilidad son características que resaltan de este tipo de materiales.
Materiales bimetálicos como Ag@Pt, Cu@Pd, Cu@Pt, PdNiO, PtAg, AuAg, PtAg, PdCo y Pd de diferentes morfologías son utilizados en dispositivos abióticos por su tolerancia al envenenamiento y alta actividad catalítica hacia la oxidación de combustibles (glicerol, etilenglicol, metanol, etanol, glucosa y ácido fórmico); investigaciones recientes incluyen materiales foto-catalíticos con base en membranas de nanotubos de TiO2 para incrementar la actividad catalítica hacia la oxidación de alcoholes de cadena corta.
Los dispositivos que se han diseñado, construido y evaluado se caracterizan por su versatilidad, flexibilidad, fácil operación y sus altos rendimientos, sin embargo, nos mantenemos bajo innovación constante buscando desarrollar tecnología de vanguardia.
“Reproducida de Lab Chip, 2014, 14, 4596-4598 con permiso de The Royal Society of Chemistry”
En construcción…
Los procesos de polimerización tanto tradicionales como novedosos, permiten desarrollar polímeros con enfoque integral de síntesis química e ingeniería de reactores. Estos procesos incluyen a las polimerizaciones en heterofase: micelar, emulsión, microemulsión, miniemulsión, suspensión, masa, y emulsiones múltiples. En el LabMyN, existe interés en aplicar estos procesos para la síntesis de polímeros en medios dispersos con propiedades controladas: composición química, morfología, peso molecular y tamaño de partículas (en escala micro y nanométrica). Así mismo, se trabaja en la síntesis de polímeros núcleo-coraza, y el encapsulamiento de principios activos (anticancerosos y otras aplicaciones biomédicas, biológicas y agrícolas). Los polímeros se preparan mediante los mecanismos de polimerización clásicos (radicales libres, aniónica, catiónica, coordinación, condensación) y novedosos (polimerizaciones controladas mediadas por nitróxidos, adición fragmentación reversible, y RAFT, entre otros).
Las bioceldas de combustible son un subtipo de celda que utiliza enzimas para la conversión de energía química en energía eléctrica. El uso de enzima tiene ciertas como el ser altamente selectiva por su sustrato, económicamente accesibles, su producción es regenerativa, tiene un rango de actividad a pH´s ácidos, neutros y básicos, su actividad catalítica procede en condiciones suaves de reacción, no producen compuestos secundarios tóxicos, son biocompatibles, entre otras. Por otro lado, la baja producción de densidad de corriente y potencia, la perdida de actividad catalítica por inhibición o desnaturalizaron y un tiempo de vida corto son uno de los inconvenientes para su uso, por ello, nuevas y estratégicas formas de inmovilización enzimática se han estudiado para extender la vida útil de las bioceldas de combustible así como la obtención de altas densidades de energía y potencia.
El grupo de LABMyN ha estudiado diferentes formas de inmovilización enzimática para su aplicación en bioceldas y biosensores utilizando agentes entrecruzadores como el glutaraldehído, poli-L-lisina, etilenglicol digliceril éter; inmovilización covalente entre la unión amino de la proteína y moléculas con cadena terminal carboxílica; utilizando polímeros unidos a un mediador electroquímico para facilitar la transferencia de electrones; Nafion® sin y con modificación generando un ambiente propicio para el atrapamiento de enzimas; empleando nanotubos de carbono multipared sin modificar para facilitar el transporte de electrones y modificados con antraceno y/o pireno para inmovilizar selectivamente enzimas como lacasa y bilirrubin oxidasa en colaboración con la Universidad de Utah. Se han utilizado diferentes superficies sobre las cuales las enzimas son inmovilizadas como nanoparticulas de oro, grafito, carbón vítro, carbón vulcan, papel toray, papel de nanotubos, nanofibras de carbono y nanoesponja de carbono. La actividad de las enzimas inmovilizadas son evaluadas por métodos espectrofotométricos y principalmente electroquímicos de forma directa o utilizando mediadores químicos en la solución. La eficiente inmovilización de las enzimas ha permitido preservar su actividad enzimática en fluidos biológicos como suero, sangre y sudor para su aplicación biomédica.
En desarrollo
En los últimos años el grupo de trabajo se ha enfocado en el proceso de modelado, diseño, evaluación y optimización de Celdas de Combustible Micro y nanofluídicas de Flujo Laminar sin Membrana (LMµFC’s), comenzando con las primeras generaciones que empleaban electrodos dispuestos sobre las paredes hasta su evolución a cuerpos porosos, mejorando así la eficiencia del uso del combustible. Otro aspecto importante ha sido el cambio de oxígeno disuelto por oxígeno tomado directamente del aire lo que otorga una mayor entrega de potencia en los dispositivos. La mayoría de los componentes que emplean estos sistemas son fabricados en el laboratorio de Sistemas Electroquímicos de Energía (SEQE) ubicado en el Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Electroquímica (CIDETEQ), lo que ha generado investigación de vanguardia que ha permitido al grupo de trabajo ser líderes a nivel mundial en el desarrollo de este tipo de tecnología.
Existen ciertos factores que permiten que una LMµFC sea eficiente en la entrega de energía, por lo que el laboratorio se ha especializado en optimizar cada uno de ellos, entre los que destaca la geometría, principal responsable del uso eficiente de los fluidos involucrados en las reacciones electroquímicas y en la reducción significativa de las dimensiones de la LMµFC. Otros factores son los catalizadores, la forma de los electrodos y los combustibles y oxidantes utilizados.
La miniaturización y el incremento de la potencia en las LMµFC’s elaboradas por el grupo de trabajo se ha presentado como una meta a corto plazo con el objetivo de poder emplear este tipo de sistemas en dispositivos eléctricos y aplicaciones biomédicas. De esta manera, en los siguientes años se ha fijado como meta generar sistemas autónomos de generación de energía eléctrica que satisfagan las demandas energéticas.
El desarrollo de la microfluídica ha favorecido la miniaturización de sistemas analíticos capaces de efectuar todas las operaciones que tradicionalmente se llevan a cabo en un laboratorio (toma de muestra, pretratamiento, separación y cuantificación) en chips no más grandes que una tarjeta de crédito. Esta tecnología permitiría crear sistemas analíticos portátiles “point-of-care” para usarse directamente en el sitio de interés por personal no especializado (como es el caso del glucómetro). Aunque por dos décadas se han desarrollado diferentes componentes para las operaciones analíticas individuales, la integración completa sigue siendo un reto; actualmente pocos ejemplos han alcanzado producción industrial, algunos de ellos siendo solamente semi-portátiles.
El desarrollo de un dispositivo LOC no es simplemente miniaturizar los instrumentos convencionales. El proceso de miniaturización implica nuevos retos asociados a la mecánica de fluidos y fenómenos de transporte de muestras, debido a los procesos químicos, biológicos y electroquímicos que se realizan en medios acuosos. En el LabMyN se tiene el interés por el desarrollo métodos híbridos mutiescala enfocados a fenómenos electrocinéticos, combinando modelos dinámicos continuos, métodos moleculares y determinísticos de simulación directa para fluidos en escala micro y nanométrica.
Proyectos
Este proyecto se enmarca en la “Estrategia Tecnológica” de Laboratorios Nacionales 2021, del fondo LABORATORIO NACIONAL DE MICRO Y NANOFLUÍDICA LABMYN 2021 en la convocatoria CONACYT número 316263. Este proyecto consiste en el desarrollo de modelos confiables para el diseño, construcción y evaluación de celdas de combustible nanofluídicas, capaces de generar bioenergía a través de fluidos corporales, tal como el sudor, con el objeto de promover biosensores autosuficientes energéticamente.
Con número de propuesta 845132, aprobado en la pasada convocatoria CIENCIA DE FRONTERA-CONACYT 2019 (vigencia 3 años).
Este proyecto se enmarca en el desarrollo de modelos híbridos multiescala enfocados a fenómenos electrocinéticos, combinando modelos dinámicos continuos basados en ecuaciones de Navier Stokes y métodos moleculares y determinísticos de simulación directa para simular fluidos en escala micro y nanométrica. La novedad científica que aporta este trabajo reside en desarrollar modelos confiables para el diseño, construcción y evaluación de una nueva generación de celdas de combustible nanofluidicas sin membrana. El reto tecnológico se basa en principio de funcionamiento de las celdas de combustible, ya que no solamente está limitado al entender y recrear el paso de un fluido por un canal o cavidad nanométrica, sino a mantener un flujo laminar entre dos especies (anolito y catolito) y en cuya frontera se efectúa el intercambio iónico entre analito y electrodo. Adicionalmente, este trabajo plantea obtener evidencia experimental visual con la construccion de prototipos de celdas de combustible nanofluidicas LOC y su evaluación por tecnologías de microscópía de infrarrojo (FTIR) y pruebas electroquímicas.
Convocatoria ciencia básica 2014
Los sistemas microelectromecánicos MEMS (por sus siglas en ingles), son dispositivos mecánicos y electromecánicos miniaturizados con dimensiones que van desde los milímetros a unos cuantos micrones. Una rama de alto interés en investigación es el desarrollo de dispositivos MEMS para la generación de energía a partir de fuentes físicas o químicas, estos dispositivos son llamados PowerMEMS. El proyecto powerMEMS tiene como objetivo el desarrollo de una tecnología para la sustitución de las baterías recargables en una amplia gama de aplicaciones. La tecnología propuesta se basa en sistemas electroquímicos de conversión de energía específicamente celdas de combustible miro/nanofluidicas con capacidades que van desde unos pocos mW hasta la gama de W. La tecnología POWER MEM promete soluciones de alto rendimiento y análisis altamente específico para la química, la biología y la medicina, bajo un esquema de bajo consumo de reactivos, muestras y energía en un mínimo espacio.
Desarrollar un dialogo en materia de colaboración enfocado al desarrollo de un prototipo de un sistema acoplado para la purificación y compresión del hidrógeno proveniente de afluentes reformados mediante métodos electroquímicos de alta eficiencia basados en tecnología PEM. Con la finalidad de lograr la transferencia tecnológica y posicionar el dispositivo en el mercado a largo plazo.
Se busca desarrollar electrodos a partir de catalizadores enzimáticos para la oxidación de glucosa, ácido úrico y ácido láctico presentes en el sudor humano y aplicarlos en la construcción de celdas de combustible microfluídicas dérmicas para la conversión de energía y su uso en dispositivos de baja potencia.
En la primera etapa se estudiará la inmovilización de las enzimas en presencia de nanotubos de carbón, Vulcan o polímeros conductores y agentes entrecruzadores estableciendo mayor actividad catalítica y tiempo de vida útil.
Se evaluará la actividad electrocatalítica de las diversas enzimas empleando electroquímicas como voltamperometría cíclica, lineal, de pulso diferencial, cronoamperometría, espectroscopía de impedancia electroquímica y espectroscopía de infrarrojo. Se caracterizará la enzima inmovilizada, cantidad, actividad electrocatalítica, velocidades de transferencia electrónica y directa transferencia de electrones de la enzima al electrodo.
La segunda etapa consiste en diseñar y evaluar la celda microfluídica dérmica basada en materiales biocompatibles haciendo uso de software especializado como AutoCAD y SolidWorks; posteriormente el maquinado se realizará con técnicas simples y de bajo costo. El prototipo se evaluará en condiciones controladas (pH, temperatura, solución electrocatalítica) e in vivo para establecer su eficiencia por medio de curvas de polarización, potencia y cronoamperometría para establecer su estabilidad. Además, se estudiarán parámetros electrocinéticos de la celda de combustible microfluídica dérmica para obtener información importante de la enzima, como estabilidad, actividad catalítica y su interacción con el sudor en la oxidación de las biomoléculas de interés.
Desarrollar, caracterizar y evaluar un sistema acoplado para la purificación y compresión de hidrígeno proveniente de efluentes reformados mediante métodos electroquímicos de alta eficiencia basados en tecnología PEM.
Este proyecto propone el uso del hidrógeno como vector energético mediante el desarrollo de un sistema de purificación de hidrógeno proveniente de efluentes de gas reformado y la compresión electroquímica del mismo a altas presiones como método de almacenamiento de energía, para acomplamiento con otras fuentes de energía renovables.
Una plataforma común para la fabricaión de chips microfluídicos consiste en estructuras canales y cámaras fabricadas en polidimetilsiloxano (PDMS) selladas a un soporte de vidrio. Usualmente estos dos componentes se sellan usando plasma de aire u oxígeno. Desafortunadamente, dicha modificación es incapaz de crear un buen sellado cuando hay estructuras metálicas depositadas sobre la capa de vidrio (por ejemplo, electrodos). Esto conlleva problemas de fugas con repercusiones en la robustez de los dispositivos y en la calidad de las mediciones llevadas a cabo con ellos. En el LABMyN estudiamos opciones de modificación química para disminuir este problema.