Electronic tongues based on electropolymerized molecularly imprinted polymers for pharmaceutical analysis

Abstract

En les darreres dècades, atès que el creixent ús de fàrmacs pel tractament de diverses malalties contribueix a la millora progressiva de la qualitat de vida de l'ésser humà, l'anàlisi farmacèutica s'ha considerat un afer important que presenta una gran demanda en diversos camps, com la indústria farmacèutica, el control clínic i la protecció del medi ambient. No obstant això, fins ara, els mètodes de detecció de productes farmacèutics pateixen els inconvenients de ser cars, laboriosos i ineficaços. Per aquest motiu, en el present treball d'investigació es van construir dues llengües electròniques (ETs) combinant l'ús de sensors electroquímics basats en polímers molecularment impresos (MIPs) i eines quimiomètriques amb la finalitat de detectar dos conjunts d'analits farmacèutics. El primer d'ells, està relacionat amb els compostos farmacèutics actius comunament utilitzats, englobant-hi el paracetamol, l'àcid ascòrbic i l'àcid úric, mentre que l'altre pertany als antibiòtics de fluoroquinolona, incloent-hi la ciprofloxacina, la levofloxacina i la moxifloxacina. D'una banda, s'han fet esforços per millorar el rendiment de detecció dels MIPs electropolimeritzats en termes de conductivitat, sensibilitat i porositat estructural, principalment a través de dues vies. En primer lloc, es va incorporar pTS- als MIPs com anió dopant per formar la pel·lícula de MIP. En segon lloc, es van integrar nanotubs de carboni de paret múltiple (MWCNTs) i nanopartícules d'or (AuNPs) als MIPs per produir els materials híbrids. Ambdós tipus de sensors basats en l'ús de MIPs es van caracteritzar morfològicament i electroquímicament. A continuació, es van estudiar individualment les respostes voltamperomètriques cap a diferents analits, a partir de les quals es van obtenir sèries de relacions lineals i paràmetres analítics. D'altra banda, certes dificultats a què s'enfronten la majoria dels sensors convencionals poden ser resoltes mitjançant l'aplicació de la ET, fent ús d'una matriu de sensors basada en MIPs i eines quimiomètriques. Tenint present els models qualitatius i quantitatius, les dues ET desenvolupades presenten una capacitat excel·lent per analitzar simultàniament les famílies d'analits farmacèutics que comparteixen una estructura i naturalesa química similars.

En las últimas décadas, dado que el creciente uso de fármacos para el tratamiento de diversas enfermedades contribuye a la progresiva mejora de la calidad de vida del ser humano, el análisis farmacéutico se ha considerado una cuestión importante que presenta una gran demanda en varios campos, como la industria farmacéutica, el control clínico y la protección del medio ambiente. Sin embargo, hasta la fecha, los métodos de detección de productos farmacéuticos adolecen de los inconvenientes de ser caros, laboriosos e ineficaces. Por ello, en este trabajo se construyeron dos lenguas electrónicas (ETs) combinando sensores electroquímicos basados en polímeros molecularmente impresos (MIPs) y herramientas quimiométricas, y se aplicaron para detectar dos conjuntos de analitos farmacéuticos. Uno de ellos está relacionado con los compuestos farmacéuticos activos comúnmente utilizados, englobando el paracetamol, el ácido ascórbico y el ácido úrico, mientras que el otro pertenece a los antibióticos de fluoroquinolona, incluyendo la ciprofloxacina, la levofloxacina y la moxifloxacina. Por un lado, se han realizado esfuerzos para mejorar el rendimiento de detección de los MIPs electropolimerizados en términos de conductividad, sensibilidad y porosidad estructural, principalmente a través de dos vías. En primer lugar, se incorporó pTS- en los MIPs como anión dopante para formar la película de MIP. En segundo lugar, se integraron nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNTs) y nanopartículas de oro (AuNPs) en los MIPs para producir los materiales híbridos. Ambos tipos de sensores basados en MIPs se caracterizaron morfológica y electroquímicamente. A continuación, se estudiaron individualmente sus respuestas voltamperométricas hacia diferentes analitos, a partir de las cuales se obtuvieron series de relaciones lineales y parámetros analíticos. Por otra parte, ciertas dificultades a las que se enfrentan la mayoría de los sensores convencionales pueden ser resueltas mediante la aplicación de la ET, utilizando una matriz de sensores basada en MIPs y herramientas quimiométricas. Considerando los modelos cualitativos y cuantitativos, las dos ET desarrolladas presentan una excelente capacidad para analizar simultáneamente las familias de analitos farmacéuticos que comparten una estructura y naturaleza química similares.

In the past decades, as the increasing use of drugs for treating various diseases contributed to the progressively improved life quality of human being, pharmaceutical analysis has been regarded as an important issue that is demanded in several fields, such as pharmaceutical industry, clinical monitoring, and environmental protection. However, to date, the detection methods to pharmaceuticals suffer from some drawbacks of being expensive, laborious, and inefficient. To this end, in this work, two electronic tongues (ETs) were built by combining molecularly imprinted polymers (MIPs) based electrochemical sensors and chemometric tools, and applied to detect the two sets of pharmaceutical analytes. The one is related to the commonly used active pharmaceutical ingredients including paracetamol, ascorbic acid, and uric acid, while the other belongs to fluoroquinolone antibiotics including ciprofloxacin, levofloxacin, and moxifloxacin. On the one hand, efforts have been made to enhance the sensing performance of electropolymerized MIPs in terms of conductivity, sensitivity, and structural porosity, mainly through two ways. First, pTS- was incorporated into the MIPs backbone as doping anion to form the MIPs films. Second, multiwall carbon nanotubes (MWCNTs) and gold nanoparticles (AuNPs) were integrated into MIPs to produce the hybrid materials. Both kinds of fabricated MIPs-based sensors were characterized morphologically and electrochemically. After then, their voltammetric responses toward different analytes were investigated individually, from which series of linear relationships and analytical parameters were obtained. On the other hand, certain difficulties facing most conventional sensors can be solved by ET approach through combining MIPs-based sensor arrays with chemometric tools. Based on the qualitative and quantitative models, the two developed ETs present excellent capability of simultaneously analyzing the families of pharmaceutical analytes that share similar structure and nature.