Desarrollo de bioánodos a partir de glucosa oxidasa (GOx) para su aplicación en biomicroceldas que usan glucosa como combustible

En el presente trabajo, se evaluaron tres formas diferentes de inmovilización de la enzima glucosa oxidasa (GOx) para su uso como bioánodo en una biocelda de combustible híbrida microfluídica (BCH-¿F) que utiliza glucosa como combustible. Los métodos de inmovilización probados fueron: adsorción física, por entrecruzamiento e inmovilización covalente de la GOx. La inmovilización física de la GOx se caracterizó por voltamperometría cíclica (VC) encontrándose un pico de oxidación en -0.44 V y otro de reducción a -0.49 V (vs Electrodo de Calomel Saturado ECS) pertenecientes al cofactor FAD/FADH2 (Flavín adenín dinucleótido) respectivamente. Por otro lado, los dos agentes entrecruzadores evaluados fueron glutaraldehído (GA), poli-L-lisina y una combinación de ambos, obteniendo con GA (4.5 %) una mayor cantidad de GOx inmovilizada con un recubrimiento de 2.6865 x 10-9 mol cm-2. Posteriormente, el depósito se optimizó con el uso de nanotubos de carbono de multipared (NTCMP) combinados con GOx y GA (1%), mejorando la transferencia directa de electrones (TDE), caracterizado por métodos electroquímicos y por FTIR (espectroscopia de infrarrojo con transformadas de Fourier). Mediante el modelo de Laviron se estimó el coeficiente de transferencia de electrones (¿) cuyo valor resultante fue de 0.5 y la constante de velocidad de la transferencia de electrones (Ks) fue de 1.01 s-1 para GOx/NTCMP-GA sobre grafito. Con el uso del bioánodo GOx/NTCMP-GA se obtuvo el mejor rendimiento dentro de una BCH-¿F utilizando Pt/C como cátodo en presencia de glucosa 5mM en BF, logrando un valor de potencial a circuito abierto de 0.72 V, 1.43 mA cm-2 de densidad de corriente y una potencia de 610 ¿W cm-2, valores mayores de los reportados en literatura para una BCH-¿F de TDE. Adicionalmente, la inmovilización de la GOx/NTCMP-GA se realizó sobre una estructura de oro electrodepositada sobre grafito logrando un valor de ¿=0.5 y Ks=2.1 s-1. Después se construyó un diseño de electrodo formado por el ácido 3-mercaptopropiónico anclado sobre la superficie de oro en presencia de EDC/NHS (1-etil-3-(3-dimetilaminopropil) carbodiimida)/N-hidroxisuccinamida) para favorecer la inmovilización covalente de la GOx.

In this work, three different glucose oxidase (GOx) immobilization methods were evaluated to be used as a bioanode inside hybrid microfluidic biofuel cell (BCH-¿F) using glucose as fuel. The GOx immobilization methods were: physical adsorption, cross-linking and covalent. The physical immobilization of GOx was characterized by cyclic voltammetry (CV); a -0.44 V oxidation peak and a -0.49 V reduction peak (vs Saturated Electrode Calomel) belonging to the FAD/FADH2 (Flavin adenine dinucleotide) cofactor respectively, were found. On other hand, the two cross-linking agents evaluated were glutaraldehyde (GA), poly-L-lysine (PLL) and a combination of both. The highest GOx immobilization, with a 2.6865 x 10-9 mol cm-2 cover, was obtained through GA (4.5 %). Afterwards, the deposit was optimized with multiwall carbon nanotubes (MWCNT) combined with GOx and GA (1 %), which improved direct electron transfer (DET), characterized by electrochemical methods and FTIR (Fourier transform infrared spectroscopy). The coefficient electron transfer (¿) was estimated at 0.5 and the constant rate of electron transfer (Ks) was estimated at 1.01 s-1 via Laviron¿s model for GOx/MWCNT-GA on a graphite electrode. The best performance of BCH-¿F with the GOx/MWCNT-GA bioanode using Pt/C as a cathode in 5 mM of glucose in BF was obtained, resulting in an open circuit potential (OCP) of 0.72 V, current density at 1.43 mA cm-2 and power density at 610 ¿W cm-2; these results are the highest reported for DET GOx/MWCNT-GA. Additionally, GOx/MWCNT-GA was immobilization on architecture of golden electrodeposited on graphite carbon obtaining values of ¿=0.5 y Ks=2.1 s-1. Afterwards, 3-mercaptopropionic acid electrode was adsorbed on gold surface and modified by a mixture of EDC/NHS (1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide/ N-hidroxisuccinamide) to promote covalent immobilization of GOx.