Innovative analytical strategies for the development of sensor devices and mass spectrometry methods

Il lavoro presentato in questa tesi di Dottorato è incentrato sullo sviluppo di strategie analitiche innovative basate sulla sensoristica e su tecniche di spettrometria di massa in ambito biologico e della sicurezza alimentare. Il primo capitolo tratta lo studio di aspetti metodologici ed applicativi di procedure sensoristiche per l’identificazione e la determinazione di biomarkers associati alla malattia celiaca. In tale ambito, sono stati sviluppati due immunosensori, uno a trasduzione piezoelettrica e uno a trasduzione amperometrica, per la rivelazione di anticorpi anti-transglutaminasi tissutale associati a questa malattia. L’innovazione di questi dispositivi riguarda l’immobilizzazione dell’enzima tTG nella conformazione aperta (Open-tTG), che è stato dimostrato essere quella principalmente coinvolta nella patogenesi. Sulla base dei risultati ottenuti, entrambi i sistemi sviluppati si sono dimostrati una valida alternativa ai test di screening attualmente in uso per la diagnosi della celiachia. Rimanendo sempre nel contesto della malattia celiaca, ulteriore ricerca oggetto di questa tesi di Dottorato, ha riguardato lo sviluppo di metodi affidabili per il controllo di prodotti “gluten-free”. Il secondo capitolo tratta lo sviluppo di un metodo di spettrometria di massa e di un immunosensore competitivo per la rivelazione di prolammine in alimenti “gluten-free”. E’ stato sviluppato un metodo LC-ESI-MS/MS basato su un’analisi target con modalità di acquisizione del segnale selected reaction monitoring per l’identificazione di glutine in diversi cereali potenzialmente tossici per i celiaci. Inoltre ci si è focalizzati su un immunosensore competitivo per la rivelazione di gliadina, come metodo di screening rapido di farine. Entrambi i sistemi sono stati ottimizzati impiegando miscele di farina di riso addizionata di gliadina, avenine, ordeine e secaline nel caso del sistema LC-MS/MS e con sola gliadina nel caso del sensore. Infine i sistemi analitici sono stati validati analizzando sia materie prime (farine) che alimenti (biscotti, pasta, pane, etc.). L’approccio sviluppato in spettrometria di massa apre la strada alla possibilità di sviluppare un test di screening multiplo per la valutazione della sicurezza di prodotti dichiarati “gluten-free”, mentre ulteriori studi dovranno essere svolti per ricercare condizioni di estrazione compatibili con l’immunosaggio competitivo, per ora applicabile solo all’analisi di farine estratte con etanolo. Terzo capitolo di questa tesi riguarda lo sviluppo di nuovi metodi per la rivelazione di HPV, Chlamydia e Gonorrhoeae in fluidi biologici. Si è scelto un substrato costituito da strips di carta in quanto possono costituire una valida piattaforma di rivelazione, offrendo vantaggi grazie al basso costo, alla possibilità di generare dispositivi portatili e di poter visualizzare il risultato visivamente senza la necessità di strumentazioni. La metodologia sviluppata è molto semplice, non prevede l’uso di strumentazione complessa e si basa sull’uso della isothermal rolling-circle amplification per l’amplificazione del target. Inoltre, di fondamentale importanza, è l’utilizzo di nanoparticelle colorate che, essendo state funzionalizzate con una sequenza di DNA complementare al target amplificato derivante dalla RCA, ne permettono la rivelazione a occhio nudo mediante l’uso di filtri di carta. Queste strips sono state testate su campioni reali permettendo una discriminazione tra campioni positivi e negativi in tempi rapidi (10-15 minuti), aprendo una nuova via verso nuovi test altamente competitivi con quelli attualmente sul mercato.

Synthesis of new calixarene-based lubricant additives

The lubricants are normally composed by base oils and a number of additives which are added to improve the performances of the final product. In this work, which is due to the collaboration between ENI S.p.A. and Prof. Casnati’s group, significant results in the application of calixarene structures to two classes of lubricant additives (viscosity index improvers and detergents) were shown. In particular, several calix[8]arene derivatives were synthesized to use as core precursors in the “arm-first" synthetic processes of star polymers for viscosity index improver applications. The use of calixarene derivatives enable the production of star polymers with a high and well-defined number of branches and endowed with a very low dispersivity of molecular weight which can originate better performances than the current commercially available viscosity index improvers of the major competitor. Several functional groups were considered to prepare reactive p-tert-butylcalix[8]arene cores to be used in living anionic polymerization. n-butyllithium was used as model of the living anionic polymer to test the outcome of the reaction of polymer insertion on the calixarene core, facilitating the analyses of the products. The calixarene derivative, which easier reacts with n-BuLi, was selected for the preparation of star polymers by using a isoprene/styrene living anionic polymer. Finally, the lubricant formulations, which include the calixarene-based star polymers or commercially available products as viscosity index improvers, were prepared and comparatively tested. In the last part of Thesis, the use of calixarenes as polycarboxylic acids to synthetize new sulfur-free detergents as lubricant additives was carried out. In this way, these calcium-based detergents can be used for the formulation of new automotive lubricants with low content of ash, phosphorus and sulfur (low SAPS). To increase the low deprotonation degree of OH groups and their capacity to complex calcium ions, a complete functionalization of the calixarene mixtures with acetic acid groups was required. Futhermore, the “one-step” synthesis of new calixarenes with alkyl chains in para positions longer than the ones already known was necessary to improve the oil solubility and stability of reverse micelles formed by the detergents. Moreover, the separation and characterization of the calixarenes were carried out to optimize their synthetic process, also on pilot scale. For our purpose, the use of p-tert-octylcalixarenes for the preparation of detergents was carried out to compare the properties of the final detergents respect to the use of the p-dodecyl calixarenes. Once achieved the functionalization of both calixarene mixtures with carboxylic acid groups, the syntheses of new calixarene-based detergents were carried out to identify the best calixarene derivative for our research goals. The synthetic process for the preparation of calixarene-based detergent having very high basicity (TBN 400) was also investigated for applications in lubricants for marine engines. In addition, with the aim of testing the calixarene-based detergents in automotive lubricants, several additive packages (concentrated mixture of additives) containing our detergents were prepared. Using these packages the corresponding automotive lubricants can be formulated. Besides, a lubricant containing commercial calcium alkylbenzene-sulfonates detergents was prepared to compare its detergency properties with those of the calixarene-based oils.