Design and development of molecularly imprinted polymers and imprinted sensors

Abstract

Esta tesis se ha hecho principalmente para estudiar e investigar polímeros impresos (MIPs) con la intención de usarlos como sensores de larga vida. La línea de investigación de esta tesis es la dirigida a conseguir la integración de estas formaciones impresas dentro de una lengua electrónica (ET), que es la rama de especialización en la que se ha desarrollado principalmente este proyecto. Después de hacer una revisión de la literatura, que inicialmente se centraba en la aplicación de MIPs a un equipo electroquímico, un sensor voltamétrico impreso y un procedimiento sensitivo complementario, el procedimiento se creó a través de una combinación de protocolos tomados de la literatura. Este sensor, descrito en el Artículo 1, presentaba una buena selectividad hacia el analito primario, teofilina, además de la especificidad requerida frente a sus análogos estructurales. Aunque el diseño del sensor permitía una mejor regeneración de la superficie respecto a otros sistemas parecidos encontrados en la literatura, el comportamiento de los polímeros usados en el MIP retardaba la tasa de transferencia de electrones en la superficie del sensor. Por culpa de este fenómeno, la sensibilidad del sensor se reducía. Justo después de estos experimentos iniciales, se hizo una colaboración con el grupo del Profesor Sergey Piletskey en la Universidad de Leicester (UoL) de Reino Unido. Durante este período, se realizó un estudio intensivo del proceso de diseño de impresión molecular asistido por un sistema computacional de modelización molecular ‘inhouse’. Se puso énfasis en el diseño de un receptor impreso para la molécula de baja solubilidad melanina, que se toma como ‘template modelo’. El MIP resultante se caracterizó y usó para la detección de melanina en muestras de leche, tal y como se describe y detalla en el Artículo 2. Más tarde, utilizando los conocimientos adquirido durante la estancia en Leicester, se desarrollaron nuevas técnicas de modelización computacional para la evaluación de los métodos utilizados en la modelización de MIPs, con el objetivo de obtener una técnica de evaluación virtual para el diseño de receptores impresos, optimizados para los requerimientos necesarios para su posterior aplicación en un sensor ET, tal como se detalla en el Artículo 3. Tal y como se detalla en el capítulo final de esta tesis, la experiencia y conocimientos adquiridos durante la investigación, se usaron para diseñar un grupo de sensores que funcionan asociados a ET. Este desarrollo podría ampliarse profundizando en la selección computacional de polielectrolitos, que luego serían inmovilizados en la superficie de un electrodo voltamétrico mediante una tinta de grafito conductora, de elevada robustez y estabilidad. En este sentido, también se proponen otras recomendaciones para lograr la mejora de la capacidad de regeneración de los MIPs utilizados, por ejemplo mediante la separación de MIP y electrodo. Finalmente, se presentan algunas sugerencias para colaboraciones institucionales, con el propósito de crear un sistema ET móvil, que permita recoger y analizar muestras en campo.

This thesis was predominantly undertaken to study and investigate molecular imprinted polymers (MIPs) with a view to their use as high longevity sensing elements in sensor arrays. The research line of the thesis was intended to lead to the integration of these imprinted arrays into an Electronic Tongue (ET) sensing system which is the area of expertise of the research group in which this project was primarily executed. Having initially executed a review of the literature, focusing initially on the application of the MIPs to an electrochemical device, an imprinted voltammetric sensor and a complimentary sensing procedure was developed using a combination of protocols extracted from the literature. This sensor, described in Article 1, had good selectivity toward the primary analyte, theophylline, and specificity against structural analogues. Though the design of the sensor allowed for significantly improved regeneratibility of the sensor relative to similar systems in the literature, the insulating nature of the polymers used in the MIP reduced the electron transfer rate at the sensor surface and thus resulted in a reduction in sensitivity. Following this initial experimental study, a secondment was undertaken in the University of Leicester under the supervision of Professor Sergey Piletsky. During this period, an intensive study of the design process of molecular imprinting, aided by an in-house computational molecular modelling platform, was conducted focusing on the design of an imprinted receptor for the low solubility 'model template', melamine. This MIP was successfully synthesised, characterised and used in the detection of melamine in milk samples, as detailed in Article 2. Further development of computational modelling techniques for the evaluation of MIP modelling techniques was also achieved with a view to create a virtual evaluation technique for the design of imprinted receptor sites optimised for the requirements of their application to an ET sensor array using the skills acquired during the Leicester secondment as detailed in Article 3. As detailed in the final chapter of this thesis, the insight into the imprinting process which was acquired during the research has been used to design a sensor array system which meets the specifications of ET experimental runs. This takes the form of the introduction of the research topic computationally selected polyelectrolytes, immobilised onto a voltammetric electrode surface via highly robust conducting graphite ink. Additional recommendations are also made to further enhance the on-going MIP projects within the laboratory, such as the separation of the MIP and the electrode to increase MIP regeneratibility. Some final suggestions for some other inter-institutional collaboration are also presented which aim to creating portable ET system for in-field sample collection and analysis.