Desarrollo de dispositivos electroforéticos basados en papel para análisis cuantitativos

Abstract

Los dispositivos electroforéticos de papel representan plataformas emergentes para el análisis cuantitativo de especies iónicas, combinando bajo costo, portabilidad y la posibilidad de operar con volúmenes mínimos de muestra. Su implementación plantea desafíos particulares, vinculados con la heterogeneidad y anisotropía del sustrato, el transporte de especies y la variabilidad experimental asociada. Esta tesis aborda el diseño y la caracterización de estos sistemas mediante un enfoque integrado que combina modelado computacional y validación experimental. Se desarrollaron técnicas experimentales innovadoras para estudiar fenómenos clave, como el flujo electroosmótico, cuya comprensión resultó fundamental para el desarrollo de estos dispositivos. Mediante un modelo de tubos constrictos se describieron de manera precisa los principales mecanismos de transporte involucrados: conducción eléctrica, flujos electroosmótico e hidrodinámico e imbibición capilar. Este marco teórico-experimental permitió avanzar hacia el diseño racional de plataformas orientadas tanto a la caracterización de propiedades electroforéticas de especies cargadas como a la detección de analitos de interés. En particular, se propuso un método sencillo y reproducible para estimar la movilidad electroforética de colorantes en condiciones reales de operación, y se desarrolló un dispositivo para la detección de glifosato en aguas residuales, basado en una técnica de preconcentración isotacoforética. Ambos sistemas fueron concebidos y optimizados mediante simulaciones numéricas, que guiaron el diseño experimental y permitieron mejorar su desempeño. Los modelos, dispositivos y técnicas experimentales desarrollados constituyen un aporte original y significativo a la comunidad científico-tecnológica dedicada a esta temática, lo cual se refleja en las publicaciones con referato que integran esta tesis.

Paper-based electrophoretic devices represent emerging platforms for the quantitative analysis of ionic species, combining low cost, portability, and the ability to operate with minimal sample volumes. Their implementation presents particular challenges related to the heterogeneity and anisotropy of the substrate, species transport, and the associated experimental variability. This thesis addresses the design and characterization of these systems through an integrated approach that combines computational modeling and experimental validation. Innovative experimental techniques were developed to study key phenomena such as electroosmotic flow, whose understanding proved fundamental for the development of these devices. Using a constricted-tube model, the main transport mechanisms involved—electrical conduction, electroosmotic and hydrodynamic flows, and capillary imbibition—were accurately described. This theoretical–experimental framework enabled progress toward the rational design of platforms aimed both at characterizing the electrophoretic properties of charged species and at detecting analytes of interest. In particular, a simple and reproducible method was proposed to estimate the electrophoretic mobility of dyes under real operating conditions, and a device was developed for the detection of glyphosate in wastewater based on an isotachophoretic preconcentration technique. Both systems were conceived and optimized through numerical simulations, which guided the experimental design and improved their performance. The models, devices, and experimental techniques developed constitute an original and significant contribution to the scientific and technological community working in this field, as reflected in the peer-reviewed publications included in this thesis.