Bioczujniki: papierowa platforma do wykrywania narkotyków
Wyrzucany sprzęt elektroniczny stanowi szybko rosnące źródło odpadów. Niestety, blisko połowa odpadów w formie tworzyw sztucznych pochodzących ze sprzętu elektronicznego i elektrycznego w Unii Europejskiej nie jest poddawana recyklingowi w sposób właściwy lub w ogóle nie trafia do recyklingu. Interesującym rozwiązaniem tego problemu może okazać się elektronika oparta na papierze, nad którą trwają obecnie aktywne badania, a pierwsze produkty wytworzone tą metodą wchodzą już na rynek. Problemem jest to, że właściwości powierzchniowe konwencjonalnego papieru nie są odpowiednie dla elektroniki drukowanej. Zazwyczaj zastosowania te wymagają powłok z tworzyw sztucznych, co minimalizuje uzyskane korzyści. Celuloza, główny składnik strukturalny ścian komórkowych roślin zielonych i jeden z najbardziej wszechobecnych polimerów w naturze, może być kluczem do produkcji elektroniki opartej na papierze. W ramach finansowanego przez Unię Europejską projektu GREENSENSE opracowano filmy, powłoki i tusze na bazie nanocelulozy oraz półautomatyczne procesy produkcyjne umożliwiające uzyskanie nowatorskich platform bioczujników na bazie celulozy, służących do analizy narkotyków. Liczące 17 członków konsorcjum GREENSENSE, w którym uczestniczyli przedstawiciele sześciu krajów Unii, Izraela, Jordanii i Zjednoczonego Królestwa, połączyło wiedzę z zakresu materiałoznawstwa, fizyki, biochemii i elektroniki. Konsorcjum zapewniło zespołowi wsparcie konieczne do pracy nad materiałami i procesami niezbędnymi do wytworzenia elektroniki opartej na nanocelulozie, jak również nad spełnieniem międzynarodowych standardów dla elektroniki drukowanej oraz nad uzyskaniem zdolności do zwiększenia skali wszystkich procesów na potrzeby produkcji komercyjnej.
Filmy na bazie nanocelulozy, powlekane płyty papierowe, tusze i elementy elektroniczne
Konsorcjum wyprodukowało kilka rodzajów funkcjonalnych nanowłókien i nanokryształów celulozowych, dzięki którym można by produkować tony materiału rocznie. Dzięki produkcji wielkoskalowej wyprodukowano z tych materiałów wolnostojące filmy nanocelulozowe oraz płyty papierowe pokryte nanocelulozą, a następnie opisano ich właściwości. Zespół wyprodukował również różne tusze na bazie nanocelulozy (przewodzące, elektrochemiczne i elektrolityczne do zastosowań w wyświetlaczach elektrochromatycznych i magazynowaniu energii) w ilości do 50 kilogramów na serię. Farby sklasyfikowano zgodnie z międzynarodowymi standardami dla elektroniki drukowanej (IEC 62899). „Wykorzystaliśmy nasze materiały i techniki produkcji oparte na nanocelulozie do projektowania i wytwarzania wysokowydajnych drukowanych elementów elektronicznych: anten do komunikacji zbliżeniowej, superkondensatorów, akumulatorów pierwotnych i wyświetlaczy elektrochromowych. Wyprodukowano ponad 1 500 sztuk produktów”, zauważa koordynatorka projektu, Sandra Martínez-Crespiera z Leitat.
Bioczujniki i platformy detekcyjne oparte na nanocelulozie
Prace nad materiałami, komponentami i procesami opartymi na nanocelulozie przyczyniły się do wsparcia rozwoju bioczujników do wykrywania narkotyków bazujących na atramencie redoks-aktywnym (może przyjmować lub oddawać elektrony w reakcjach redoks, wspomagając detekcję elektrochemiczną) i hydrożelu. Wydajność analityczna biosensorów została dowiedziona w rygorystycznych testach. „Konsorcjum GREENSENSE opracowało mikroprocesor z interfejsami dla bioczujnika opartego na celulozie, zarządzania energią i znacznika identyfikacji radiowej. Obejmowało to możliwość gromadzenia energii w celu ładowania podłączonych systemów magazynowania energii i wyświetlaczy. Bioczujniki zintegrowano z platformami biosensorycznymi produkowanymi w dużej skali (do 75 sztuk) z wykorzystaniem półautomatycznych procesów na podłożach o wymiarach około 300 x 350 mm2 (8 platform na arkusz)”, wyjaśnia Martínez. Platformy poddano testom mechanicznym, adhezyjnym i starzeniowym zgodnie z międzynarodowymi normami (IEC 62951). By uprościć ich obsługę, stworzono też aplikację na smartfony. Martínez podsumowuje: „W przeciwieństwie do konwencjonalnych plastikowych zestawów do jakościowej analizy moczu, przenośna platforma bioczujników GREENSENSE do testów na obecność narkotyków wykorzystuje elektronikę i tusze oparte na nanocelulozie i przechowuje dane numeryczne. Platformy umożliwią nam lepsze monitorowanie nielegalnych i potencjalnie niebezpiecznych zachowań, zarówno na potrzeby organów ścigania, jak i w domach i szkołach, a to wszystko przy użyciu nadającej się do recyklingu kartki papieru”.
Słowa kluczowe
GREENSENSE, nanoceluloza, celuloza, elektronika drukowana, bioczujniki, biosensory, narkotyki, odpady z urządzeń elektronicznych i elektrycznych, detekcja elektrochemiczna