Aplicació de llengües electròniques potenciomètriques per al monitoratge en els camps agrícola, mediambiental i clínic

Abstract

Els sensors químics tenen avui dia un renovat interès degut a les creixents necessitats actuals de la societat de disposar de més i millor informació analítica. No obstant, la manca de sensors ideals específics per a una espècie determinada va portar al nostre grup d'investigació a explorar les possibilitats de les llengües electròniques. Aquests sistemes analítics, bioinspirats en el sentit del gust, consideren un conjunt o matriu de sensors i/o biosensors amb selectivitat creuada, i no un únic sensor. La rica i abundant informació obtinguda és posteriorment tractada amb eines de calibratge multivariable per a extreure la informació analítica útil.<br/>La present tesi doctoral va començar enfocada en el desenvolupament, per primera vegada al grup, de llengües electròniques potenciomètriques basades en matrius de biosensors. Concretament, es va construir una llengua electrònica per a la determinació simultània d'urea, NH4+, K+ i Na+ en mostres clíniques. Es van fabricar i caracteritzar primer diferents biosensors d'urea basats en l'enzim ureasa i, un cop demostrada la seva idoneïtat per a ser implementats en una matriu, es van construir dos models de resposta diferents basats en xarxes neuronals artificials (XNA) i regressió per mínims quadrats parcials, respectivament. Els resultats obtinguts van mostrar una millor capacitat de predicció en el cas del model amb XNA, aconseguint determinar la urea sense necessitat d'eliminar les interferències alcalines.<br/>Amb l'experiència adquirida amb aquest primer sistema, es van iniciar i continuar altres aplicacions de les llengües electròniques potenciomètriques. Primerament, es va considerar la fabricació de matrius integrades de sensors potenciomètrics mitjançant la tècnica serigràfica (screen-printing), que permet la miniaturització i la producció massiva, en col·laboració amb el Centro de Investigación y Estudios Avanzados de Mèxic. Aquesta matriu serigrafiada va servir per a desenvolupar una llengua electrònica per a la quantificació simultània dels ions NH4+, K+ i Na+ en mostres mediambientals. També es va proposar l'ús per primera vegada d'una llengua electrònica per al monitoratge on-line de la composició de la solució nutritiva d'un hivernacle hidropònic, gràcies a una col·laboració amb investigadors de l'Institut de Recerca i Tecnologia Agroalimentària de la Generalitat de Catalunya. La idea era optimitzar una llengua electrònica per a la determinació simultània i en temps real dels ions fertilitzants NH4+, K+, NO3- i PO43-, i els ions salins Na+ i Cl-. Els resultats obtinguts van ser prou interessants com per seguir treballant en el tema. A més, es va explorar l'aplicabilitat de dues diferents llengües electròniques en el monitoratge mediambiental in-line amb transmissió de dades per radiofreqüència. La primera d'elles per a la determinació simultània i en temps real dels ions NH4+, K+, Na+, Cl- i NO3- en un reactor continu de tanc agitat que simulava les condicions de biodegradació naturals, i la segona, per a la determinació simultània i en temps real dels cations NH4+, K+ i Na+ en la presa mexicana d'Ignacio Ramírez. Els bons resultats obtinguts van permetre demostrar l'aplicabilitat de les llengües electròniques desenvolupades com a sistemes de mesura remota en aplicacions mediambientals. En totes aquestes aplicacions en camp, es va posar especial èmfasi en corregir l'efecte de la temperatura i les derives de la resposta dels elèctrodes.<br/>Finalment, i per tal de tornar a la línia de recerca inicial, es va desenvolupar amb èxit una nova llengua electrònica amb biosensors per a la quantificació d'urea, creatinina, NH4+, K+ i Na+ en mostres clíniques. En aquest cas els biosensors de creatinina desenvolupats estaven basats en l'enzim creatinina deiminasa i el model de resposta, que estava basat en XNA, va permetre la determinació simultània de les cinc espècies, deixant el sistema a punt per a passar a estudis en hospitals.

Chemical sensors have nowadays a renewed interest due to the increasing current needs of the society for having more and better analytical information. However, the lack of specific ideal sensors for a determinate species brought to our research group to explore the possibilities of the electronic tongues. These analytical systems, bio inspired in the sense of taste, consider a set or array of sensors and/or biosensors with cross selectivity, and not only one sensor. The rich obtained information is later treated with tools of multivariable calibration to extract the useful analytical information.<br/>The present doctoral thesis started focusing on the development of potentiometric electronic tongues based on arrays of biosensors for the first time in our group. Precisely, an electronic tongue was constructed for the simultaneous determination of urea, NH4+, K+ and Na+ in clinical samples. Firstly, different urea biosensors based on the enzyme urease were manufactured and characterized. Once demonstrated their suitability to be implemented in an array, two different models of response based on artificial neural networks (ANN) and partial least squares were constructed. The results showed a better capacity of prediction in the case of the model with ANN, which allowed the determination of urea concentration without the need of eliminating the alkaline interferences.<br/>With the experience acquired with this first system, other applications of the potentiometric electronic tongues were studied. Firstly, the construction of integrated arrays of potentiometric sensors by using the screen-printing technique was considered in collaboration with the Centro de Investigación y Estudios Avanzados of Mexico. This technique allows the miniaturization and the massive production of arrays. This array served to develop an electronic tongue for the simultaneous quantification of NH4+, K+ i Na+ ions in environmental samples. Also, the use of an electronic tongue was proposed for the first time in the monitoring of the nutrient solution composition produced by a hydroponic greenhouse, thanks to collaboration with researchers of the Institut de Recerca i Tecnologia Agroalimentària of the Generalitat de Catalunya. The idea was to optimize an electronic tongue for the simultaneous real-time determination of the fertilizer ions NH4+, K+, NO3- and PO43-, and the saline ions Na+ and Cl-. The obtained results were so interesting to continue working on the subject. Moreover, the applicability of two different electronic tongues was explored in environmental in-line monitoring with data transmission for radio frequency. The first of them was used for the simultaneous real-time determination of NH4+, K+, Na+, Cl- and NO3- ions in a continuous stirred-tank reactor that simulated the natural biodegradation conditions; and the second one, for the simultaneous real-time determination of the cations NH4+, K+ and Na+ in the Ignacio Ramírez Mexican dam. The good results obtained allowed to demonstrate the applicability of the developed electronic tongues as systems for remote measurement in environmental applications. In all these applications carried out of the laboratory, special attention was paid in compensating for temperature effects and response drifts.<br/>Finally, and in order to come back to the initial-research line, a new electronic tongue was successfully developed using biosensors for the quantification of urea, creatinine, NH4+, K+ and Na+ in clinical samples. In this case creatinine biosensors were based on the enzyme creatinine deiminase and the model of response based on XNA allowed the simultaneous determination of the five species, leaving the system ready to be used in hospital studies.