Design and development of molecularly imprinted polymers for electronic tongues and biosensing

Abstract

En aquesta tesi doctoral convergeixen tres camps del coneixement científic: la tecnologia d’impronta molecular, l’ús de sensors electroquímics i el desenvolupament d’eines quimiomètriques, especialment en l’aplicació de la llengua electrònica. Aquesta combinació permet processar i discernir les dades útils de les redundants amb la finalitat d’obtenir paràmetres analítics inequívocs pel desenvolupament d’aplicacions amb un impacte real en la millora de la societat. Aquest treball s’ha realitzat al Grup de Sensors i Biosensors (GSB) de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) continuant el curs de la investigació focalitzada en l’aplicació de llengües electròniques per la resolució de mescles complexes en diferents aplicacions. La versatilitat, portabilitat i eficiència energètica i temporal han estat una constant en el consolidat i creixent món dels sensors i biosensors. En comparació amb els mètodes convencionals, els sensors ens aporten un ampli ventall de prestacions que ens faciliten l’obtenció real d’informació analítica. Si aquesta es combina amb les prestacions del sensat, la seva resposta pot tenir un valor afegit que millori els paràmetres analítics com ara el rang lineal, la sensibilitat i els límits de detecció o quantificació. Alhora l’electroquímica ofereix un conjunt de possibilitats en presentar una gran adquisició de dades en un espai temporal reduït, de manera fàcil i portàtil. No obstant això, la seva resposta pot ser inespecífica, supèrflua i requereix una planificació i posterior tractament de dades per obtenir informació analítica útil i nítida. Per tant, l’ús d’eines quimiomètriques sumat a les prestacions dels sensors electroquímics ens ajuda a discernir aquelles dades importants de les redundants, essent així, llur combinació una valuosa aliada. Les prestacions del sensat poden ésser limitades per la pròpia construcció i muntatge del sensor, per tant, la millora constant del principal component d’un sensor està en permanent evolució. La inclusió de nous materials per millorar les prestacions del sensors genera un ampli camp d’estudi, ja sigui per la incorporació de materials de naturalesa sintètica o biològica. En el present compendi, es presenta l’ús de polímers molecularment impresos com a eix conductor del manuscrit per millorar la resposta en el camp dels sensors electroquímics, especialment, en l’especificitat del sensor. Aquests polímers poden emprar-se com a elements de reconeixement biomimètics millorant les prestacions basals d’un sensor comú en diferents aplicacions de manera robusta, en un ampli període de temps, sense limitar-se a les estrictes condicions fisiològiques. En aquest manuscrit es presenten aplicacions en tres camps diferenciats: (1) en la producció de begudes per detectar i quantificar etilfenols durant l’elaboració del vi; (2) en la conservació i preservació de productes alimentaris amb l’objectiu de determinar la presència i proliferació d’histamina en vins; i finalment, (3) en el camp de la seguretat i el medi ambient per a la detecció i quantificació de TNT i els seus derivats nitroaromàtics, com a contaminats emergents.

Esta tesis doctoral pretende unir tres campos del conocimiento científico: la tecnología de impresión molecular, el uso de sensores electroquímicos y el desarrollo de herramientas quimiométricas, especialmente la aplicación de lengua electrónica. Esta combinación permite procesar y discernir los datos útiles de los redundantes con la finalidad de obtener parámetros analíticos inequívocos para el desarrollo de aplicaciones con impacto real en la mejora de la sociedad. Este trabajo se ha realizado en el Grupo de Sensores y Biosensores (GSB) de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB) continuando la senda investigadora focalizada en la aplicación de lenguas electrónicas para la resolución de mezclas complejas para diferentes aplicaciones. La versatilidad, portabilidad, la eficiencia energética y temporal han sido una constante en el asentado y pujante mundo de los sensores y biosensores. En comparación con los métodos convencionales los sensores nos aportan un amplio abanico de prestaciones que nos facilitan la obtención real de información analítica. Si esta se combina con las prestaciones del sensado, su propia respuesta puede tener un valor añadido al mejorar los parámetros analíticos como serian el rango lineal, la sensibilidad o los límites de detección y cuantificación. Al mismo tiempo, la electroquímica ofrece un conjunto de prestaciones al presentar una gran adquisición de datos en un espacio temporal reducido, fácilmente y de manera portátil. Sin embargo, esta respuesta puede ser inespecífica, superflua y requiere de una planificación y un posterior tratamiento de datos para obtener información analítica útil y nítida. Por ello, el uso de herramientas quimiométricas además de las prestaciones del sensado electroquímico nos ayuda a discernir aquellos datos importantes de los redundantes, siendo así, su combinación una valiosa aliada. Las prestaciones del sensado pueden verse limitadas por la propia construcción del sensor, por ello, la constante mejora del principal componente de un sensor está en permanente evolución. La inclusión de nuevos materiales para mejorar las prestaciones de dichos sensores genera un amplio campo de estudio, ya sea por la incorporación de materiales de naturaleza sintética o biológica. En el presente compendio, se presenta el uso de los polímeros molecularmente impresos como eje conductor del manuscrito para mejorar la respuesta en el campo de los sensores electroquímicos, especialmente en la especificidad del sensor. Dichos polímeros, pueden usarse como elementos de reconocimiento biomiméticos mejorando las prestaciones basales de un sensor común en diferentes campos de aplicación de un modo robusto en un amplio periodo de tiempo, sin limitarse solamente a las estrictas condiciones fisiológicas. En este manuscrito se presentan aplicaciones en tres campos diferenciados: (1) en la producción de bebidas para detectar y cuantificar etilfenoles durante la elaboración de vino; (2) en la conservación y preservación de productos alimentarios con el objetivo de determinar la presencia y proliferación de histamina en vinos; y finalmente, (3) en el campo de la seguridad y el medio ambiente para la detección y cuantificación de TNT y sus derivados nitroaromáticos como contaminantes emergentes.

This doctoral thesis aims to unite three fields of scientific knowledge: molecular imprinting technology, the use of electrochemical sensors and the development of chemometric tools, specifically the electronic tongue approach (ET). This combination makes it possible to process and discern useful data from redundant data in order to obtain unequivocal analytical parameters for the development of applications with a real impact on the improvement of society. This work has been carried out in the Group of Sensors and Biosensors (GSB) of the Autonomous University of Barcelona (UAB) continuing the research path focused on the application of electronic tongues for the resolution of complex mixtures for different applications. Versatility, portability and energy and time efficiency have been a constant in the established and thriving world of sensors and biosensors. Compared to conventional methods, sensors provide us with a wide range of features that make it easier to obtain real analytical information. When combined with the sensing performance, their own response can have added value by improving analytical parameters such as linear range, sensitivity or limits of detection and quantification. At the same time, electrochemistry offers an array of benefits by presenting large data acquisition in a small-time frame, easily and in a portable manner. However, this response can be non-specific, superfluous and requires planning and further data processing to obtain useful and clear analytical information. Therefore, the use of chemometric tools in addition to the performance of electrochemical sensing helps us to discern important data from redundant data, making their combination a valuable ally. Sensing performance can be limited by the construction of the sensor itself, so the The inclusion of new materials to improve the performance of these sensors generates a wide field of study, either by the incorporation of materials of a synthetic or biological nature. In this compendium, the use of molecularly imprinted polymers is presented as the main focus of the manuscript to improve the response in the field of electrochemical sensors, specifically in the specificity of the sensor. Such polymers can be used as biomimetic recognition elements improving the baseline performance of a common sensor in different fields of application in a robust way over a wide period of time, not limited only to strict physiological conditions. This manuscript presents applications in three distinct fields: (1) in beverage production to detect and quantify ethylphenols during winemaking; (2) in the conservation and preservation of food products with the aim of determining the presence and proliferation of histamine in wines; and finally, (3) in the field of safety and environment for the detection and quantification of TNT and its nitroaromatic derivatives as emerging contaminants.improvement of the different components of a sensor is constantly evolving.