Myoglobin-biomimetic electroactive materials made by surface molecular imprinting on silica beads and their use as ionophores in polymeric membranes for potentiometric transduction

Myoglobin (Mb) is among the cardiac biomarkers playing a major role in urgent diagnosis of cardiovascular diseases. Its monitoring in point-of-care is therefore fundamental. Pursuing this goal, a novel biomimetic ionophore for the potentiometric transduction of Mb is presented. It was synthesized by surface molecular imprinting (SMI) with the purpose of developing highly efficient sensor layers for near-stereochemical recognition of Mb. The template (Mb) was imprinted on a silane surface that was covalently attached to silica beads by means of self-assembled monolayers. First the silica was modified with an external layer of aldehyde groups. Then, Mb was attached by reaction with its amine groups (on the external surface) and subsequent formation of imine bonds. The vacant places surrounding Mb were filled by polymerization of the silane monomers 3-aminopropyltrimethoxysilane (APTMS) and propyltrimethoxysilane (PTMS). Finally, the template was removed by imine cleavage after treatment with oxalic acid. The results materials were finely dispersed in plasticized PVC selective membranes and used as ionophores in potentiometric transduction. The best analytical features were found in HEPES buffer of pH 4. Under this condition, the limits of detection were of 1.3 × 10−6 mol/L for a linear response after 8.0 × 10−7 mol/L with an anionic slope of −65.9 mV/decade. The imprinting effect was tested by preparing non-imprinted (NI) particles and employing these materials as ionophores. The resulting membranes showed no ability to detect Mb. Good selectivity was observed towards creatinine, sacarose, fructose, galactose, sodium glutamate, and alanine. The analytical application was conducted successfully and showed accurate and precise results.

Mass spectrometry parameters optimization for the 46 multiclass pesticides determination in strawberries with gas chromatography ion-trap tandem mass spectrometry

Multiclass analysis method was optimized in order to analyze pesticides traces by gas chromatography with ion-trap and tandem mass spectrometry (GC-MS/MS). The influence of some analytical parameters on pesticide signal response was explored. Five ion trap mass spectrometry (IT-MS) operating parameters, including isolation time (IT), excitation voltage (EV), excitation time (ET),maximum excitation energy or “q” value (q), and isolationmass window (IMW) were numerically tested in order to maximize the instrument analytical signal response. For this, multiple linear regression was used in data analysis to evaluate the influence of the five parameters on the analytical response in the ion trap mass spectrometer and to predict its response. The assessment of the five parameters based on the regression equations substantially increased the sensitivity of IT-MS/MS in the MS/MS mode. The results obtained show that for most of the pesticides, these parameters have a strong influence on both signal response and detection limit.Using the optimized method, a multiclass pesticide analysis was performed for 46 pesticides in a strawberry matrix. Levels higher than the limit established for strawberries by the European Union were found in some samples.

Mixed extractant systems for metal recovery

Hoje em dia, a prevenção dos resíduos de metais é uma questão muito importante para um grande número de empresas, pois necessitam optimizar o seu sistema de tratamento de águas residuais a fim de alcançarem os limites legais dos teores em iões metálicos e poderem efectuar a descarga das águas residuais no domínio hídrico público. Devido a esta problemática foram efectuados estudos inovadores relacionados com a remoção de iões metálicos de águas residuais, verificando-se que as tecnologias de membrana oferecem uma série de vantagens para o efeito. Uma dessas tecnologias, referida como Membrana Líquida de Suporte (SLM), é baseada num mecanismo de extracção. A membrana hidrofóbica, impregnada com uma solução extractora, funciona como barreira entre a água residual e uma solução, geralmente ácida. A diferença de pH entre a água residual e a solução actua como força motriz para o transporte de iões metálicos da água residual para a referida solução. Poderá ocorrer um problema de falta de estabilidade, resultante da possível fuga da solução extractora para fora dos poros das membranas. Estudos anteriores mostraram que os ácidos alquilfosfóricos ou ácidos fosfónicos, como os reagentes D2EHPA e CYANEX e hidroxioximas como o LIX 860-I podem ser muito úteis para a extração de iões metálicos como ferro, cobre, níquel, zinco e outros. A clássica extracção líquido-líquido também tem mostrado que a mistura de diferentes extractores pode ter um efeito sinergético. No entanto, não é claro que haja um efeito óptimo da razão de extractor ou que tipo de complexo é formado durante o processo de extracção. O objectivo deste projecto é investigar este comportamento sinergético e as complexas formações por meio de um método espectrofotométrico, o “Job’s method” e “Mole-ratio method”. Estes métodos são utilizados para estimar a estequiometria dos vários complexos entre dois solutos, a partir da variação de absorvância dos complexos quando comparado com a absorvância do soluto. Com este projecto, o Job’s method e mole-ratio method serão aplicados a um sistema de três componentes, para conseguir mais informações sobre a complexação de níquel (II) e a fim de determinar a razão extractor: metal dos complexos formados durante a aplicação de mistura de extractores D2EHPA e LIX 860-I. Segundo Job’s method a elavada absorvância situa-se na região de 0,015-0,040 M de LIX 860-I e uma baixa concentração de D2EHPA. Quando as diferentes experiências são encontradas num conjunto experimental foram avaliadas de acordo com o método de trabalho, o valor máximo do gráfico foi encontrado para uma baixa fração molar do ião metálico e uma maior concentração de D2EHPA. Esta mudança foi encontrado de 0,50 até 0,30, que poderia apontar para a direção da formação de diferentes complexos. Para o Mole-Ratio method, a estequiometria dos complexos metal pode ser determinada a partir do ponto de intersecção das linhas tangente do gráfico da absorbância versus a concentração do ligante. Em todos os casos, o máximo foi obtido em torno de uma concentração total de 0,010 M. Quando D2EHPA foi aplicado sozinho, absorvâncias muito baixos foram obtidas.

Determination of tartaric acid in wines by FIA with tubular tartrate-selective electrodes

A flow injection analysis (FIA) system comprising a tartrate- (TAT) selective electrode has been developed for determination of tartaric acid in wines. Several electrodes constructed for this purpose had a PVC membrane with a complex of quaternary ammonium and TAT as anion exchanger, a phenol derivative as additive, and a more or less polar mediator solvent. Characterization of the electrodes showed behavior was best for membranes with o-nitrophenyl octyl ether as solvent. On injection of 500 μL into a phosphate buffer carrier (pH = 3.1; ionic strength 10–2 mol/L) flowing at 3 mL/min, the slope was 58.06 ± 0.6 with a lower limit of linear range of 5.0 × 10–4 mol/L TAT and R2 = 0.9989. The interference of several species, e.g. chloride, bromide, iodide, nitrate, gallic acid, tannin, sucrose, glucose, fructose, acetate, and citrate, was evaluated in terms of potentiometric selectivity coefficients. The Hofmeister series was followed for inorganic species and the most interfering organic ion was citrate. When red and white wines were analyzed and the results compared with those from an independent method they were found to be accurate, with relative standard deviations below 5.0%.

Citrate selective electrodes for the flow injection analysis of soft drinks, beers and pharmaceutical products

Aiming the establishment of simple and accurate readings of citric acid (CA) in complex samples, citrate (CIT) selective electrodes with tubular configuration and polymeric membranes plus a quaternary ammonium ion exchanger were constructed. Several selective membranes were prepared for this purpose, having distinct mediator solvents (with quite different polarities) and, in some cases, p-tert-octylphenol (TOP) as additive. The latter was used regarding a possible increase in selectivity. The general working characteristics of all prepared electrodes were evaluated in a low dispersion flow injection analysis (FIA) manifold by injecting 500µl of citrate standard solutions into an ionic strength (IS) adjuster carrier (10−2 mol l−1) flowing at 3ml min−1. Good potentiometric response, with an average slope and a repeatability of 61.9mV per decade and ±0.8%, respectively, resulted from selective membranes comprising additive and bis(2-ethylhexyl)sebacate (bEHS) as mediator solvent. The same membranes conducted as well to the best selectivity characteristics, assessed by the separated solutions method and for several chemical species, such as chloride, nitrate, ascorbate, glucose, fructose and sucrose. Pharmaceutical preparations, soft drinks and beers were analyzed under conditions that enabled simultaneous pH and ionic strength adjustment (pH = 3.2; ionic strength = 10−2 mol l−1), and the attained results agreed well with the used reference method (relative error < 4%). The above experimental conditions promoted a significant increase in sensitivity of the potentiometric response, with a supra-Nernstian slope of 80.2mV per decade, and allowed the analysis of about 90 samples per hour, with a relative standard deviation <1.0%.

Construction and evaluation of cysteine selective electrodes for FIA analysis of pharmaceuticals

A flow injection analysis (FIA) system comprising a cysteine selective electrode as detection system was developed for determination of this amino acid in pharmaceuticals. Several electrodes were constructed for this purpose, having PVC membranes with different ionic exchangers and mediator solvents. Better working characteristics were attained with membranes comprising o-nitrophenyl octyl ether as mediator solvent and a tetraphenylborate based ionic-sensor. Injection of 500 µL standard solutions into an ionic strength adjuster carrier (3x10-3 M) of barium chloride flowing at 2.4mL min-1, showed linearity ranges from 5.0x10-5 to 5.0x10-3 M, with slopes of 76.4±0.6mV decade-1 and R2>0.9935. Slope decreased significantly under the requirement of a pH adjustment, selected at 4.5. Interference of several compounds (sodium, potassium, magnesium, barium, glucose, fructose, and sucrose) was estimated by potentiometric selectivity coefficients and considered negligible. Analysis of real samples were performed and considered accurate, with a relative error to an independent method of +2.7%.

Chlormequat selective electrodes: construction, evaluation and application at FIA systems

A flow injection analysis (FIA) system having a chlormequat selective electrode is proposed. Several electrodes with poly(vinyl chloride) based membranes were constructed for this purpose. Comparative characterization suggestedthe use of membrane with chlormequat tetraphenylborate and dibutylphthalate. On a single-line FIA set-up, operating with 1x10-2 mol L-1 ionic strength and 6.3 pH, calibration curves presented slopes of 53.6±0.4mV decade-1 within 5.0x10-6 and1.0x10-3 mol L-1, andsquaredcorrelation coefficients >0.9953. The detection limit was 2.2x10-6 mol L-1 and the repeatability equal to ±0.68mV (0.7%). A dual-channel FIA manifold was therefore constructed, enabling automatic attainment of previous ionic strength andpH conditions and thus eliminating sample preparation steps. Slopes of 45.5±0.2mV decade -1 along a concentration range of 8.0x10-6 to 1.0x10-3 mol L-1 with a repeatability ±0.4mV (0.69%) were obtained. Analyses of real samples were performed, and recovery gave results ranging from 96.6 to 101.1%.

Analysis of PCBs in soils and sediments by microwave-assisted extraction, headspace-SPME and high resolution gas chromatography with ion-trap tandem mass spectrometry

A procedure for the determination of seven indicator PCBs in soils and sediments using microwave-assisted extraction (MAE) and headspace solid-phase microextraction (HS-SPME) prior to GC-MS/MS is described. Optimization of the HS-SPME was carried out for the most important parameters such as extraction time, sample volume and temperature. The adopted methodology has reduced consumption of organic solvents and analysis runtime. Under the optimized conditions, the method detection limit ranged from 0.6 to 1 ng/g when 5 g of sample was extracted, the precision on real samples ranged from 4 to 21% and the recovery from 69 to 104%. The proposed method, which included the analysis of a certified reference material in its validation procedure, can be extended to several other PCBs and used in the monitoring of soil or sediments for the presence of PCBs.

Flow injection potentiometric determination of chlorpromazine

New chlorpromazine selective electrodes with a tubular arrangement and no internal reference solution are proposed. Selective membranes are of poly(vinyl chloride) (PVC) with the tetraphenylborate•chlorpromazine (TPB•CPZ) ion-exchanger dissolved in o-nitrophenyl octyl ether (oNPOE). Analytical features of the electrodes were evaluated on a single-channel flow assembly having 500 µl injection volumes and flow-rates of 4.5 ml min−1. For a carrier solution of 3.3×10−3Min sodium sulphate, Nernstian responsewas observed over the concentration range 1.0×10−5 to 1.0×10−2 M. Average slopes were about 59mVdecade−1 and squared correlation coefficients were >0.9984. Slight hiper-Nernstian behaviour was observed in buffer solutions of 4.4 pH; average slopes were of 62.06mVdecade−1. The electrode displayed a good selectivity for CPZ, with respect to, several foreign inorganic and organic species. The selective electrodes were successfully applied to the analysis of pure solutions and pharmaceutical preparations. Proposed method allows the analysis of 84 samples h−1, producing wastewaters of low toxicity. The proposed method offers the advantage of simplicity, accuracy, applicability to coloured and turbid samples, and automation feasibility.

Desenvolvimento de Anticorpos Plásticos para um Biomarcador do Cancro

O trabalho descrito compreende o desenvolvimento de um anticorpo plástico (MIP, do inglês Molecularly Imprinted Polymer) para o antigénio carcinoembrionário (CEA, do inglês Carcinoembriogenic Antigen) e a sua aplicação na construção de dispositivos portáteis, de tamanho reduzido e de baixo custo, tendo em vista a monitorização deste biomarcador do cancro do colo-retal em contexto Point-of-Care (POC). O anticorpo plástico foi obtido por tecnologia de impressão molecular orientada, baseada em eletropolimerização sobre uma superfície condutora de vidro recoberto por FTO. De uma forma geral, o processo foi iniciado pela electropolimerização de anilina sobre o vidro, seguindo-se a ligação por adsorção do biomarcador (CEA) ao filme de polianilina, com ou sem monómeros carregados positivamente (Cloreto de vinilbenziltrimetilamónio, VB). A última fase consistiu na electropolimerização de o-fenilenodiamina (oPD) sobre a superfície, seguindo-se a remoção da proteína por clivagem de ligações peptídicas, com o auxílio de tripsina. A eficiência da impressão do biomarcador CEA no material polimérico foi controlada pela preparação de um material análogo, NIP (do inglês, Non-Imprinted Polymer), no qual nem a proteína nem o monómero VB estavam presentes. Os materiais obtidos foram caracterizados quimicamente por técnicas de Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR, do inglês, Fourier Transform Infrared Spectroscopy) e microscopia confocal de Raman. Os materiais sensores preparados foram entretanto incluídos em membranas poliméricas de Poli(cloreto de vinilo) (PVC) plastificado, para construção de sensores (biomiméticos) seletivos a CEA, tendo-se avaliado a resposta analítica em diferentes meios. Obteve-se uma boa resposta potenciométrica em solução tampão de Ácido 4-(2-hidroxietil)piperazina-1-etanosulfónico (HEPES), a pH 4,4, com uma membrana seletiva baseada em MIP preparada com o monómero carregado VB. O limite de deteção foi menor do que 42 pg/mL, observando-se um comportamento linear (versus o logaritmo da concentração) até 625 pg/mL, com um declive aniónico igual a -61,9 mV/década e r2>0,9974. O comportamento analítico dos sensores biomiméticos foi ainda avaliado em urina, tendo em vista a sua aplicação na análise de CEA em urina. Neste caso, o limite de deteção foi menor do que 38 pg/mL, para uma resposta linear até 625 pg/mL, com um declive de -38,4 mV/década e r2> 0,991. De uma forma geral, a aplicação experimental dos sensores biomiméticos evidenciou respostas exatas, sugerindo que os biossensores desenvolvidos prossigam estudos adicionais tendo em vista a sua aplicação em amostras de indivíduos doentes.

Desenvolvimento e aplicação de um biossensor para monitorização de creatinina, um biomarcador associado a doenças emergentes

Este trabalho descreve o desenvolvimento de um material sensor para creatinina por impressão molecular em estrutura polimérica (MIP) e a sua aplicação no desenvolvimento de um dispositivo de natureza potenciométrica para a determinação da molécula alvo em fluidos biológicos. A creatinina é um dos biomarcadores mais utilizados no acompanhamento da doença renal, já que é um bom indicador da taxa de filtração glomerular (TFG). Os materiais biomiméticos desenhados para interação com a creatinina foram obtidos por polimerização radicalar, recorrendo a monómeros de ácido metacríclico ou de vinilpiridina e a um agente de reticulação apropriado. De modo a aferir o efeito da impressão da creatinina na resposta dos materiais MIP à sua presença, foram também preparados e avaliados materiais de controlo, obtidos sem impressão molecular (NIP). O controlo da constituição química destes materiais, incluindo a extração da molécula impressa, foi realizado por Espectroscopia de Raman e de Infravermelho com Transformada de Fourrier. A afinidade de ligação entre estes materiais e a creatinina foi também avaliada com base em estudos cinéticos. Todos os materiais descritos foram integrados em membranas selectivas de elétrodos seletivos de ião, preparadas sem ou com aditivo iónico lipófilo, de carga negativa ou positiva. A avaliação das características gerais de funcionamento destes elétrodos, em meios de composição e pH diferentes, indicaram que as membranas com materiais impressos e aditivo aniónico eram as únicas com utilidade analítica. Os melhores resultados foram obtidos em solução tampão Piperazine-N,N′-bis(2- ethanesulfonic acid), PIPES, de pH 2,8, condição que permitiu obter uma resposta quasi-Nernstiana, a partir de 1,6×10-5 mol L-1. Estes elétrodos demonstraram ainda uma boa selectividade ao apresentaram uma resposta preferencial para a creatinina quando na presença de ureia, carnitina, glucose, ácido ascórbico, albumina, cloreto de cálcio, cloreto de potássio, cloreto de sódio e sulfato de magnésio. Os elétrodos foram ainda aplicados com sucesso na análise de amostras sintéticas de urina, quando os materiais sensores eram baseados em ácido metacrilico, e soro, quando os materiais sensores utilizados eram baseados em vinilpiridina.

Novel Prostate Specific Antigen plastic antibody designed withcharged binding sites for an improved protein binding and itsapplication in a biosensor of potentiometric transduction

This work shows that the synthesis of protein plastic antibodies tailored with selected charged monomersaround the binding site enhances protein binding. These charged receptor sites are placed over a neutralpolymeric matrix, thus inducing a suitable orientation the protein reception to its site. This is confirmed bypreparing control materials with neutral monomers and also with non-imprinted template. This concepthas been applied here to Prostate Specific Antigen (PSA), the protein of choice for screening prostate can-cer throughout the population, with serum levels >10 ng/mL pointing out a high probability of associatedcancer.Protein Imprinted Materials with charged binding sites (C/PIM) have been produced by surfaceimprinting over graphene layers to which the protein was first covalently attached. Vinylben-zyl(trimethylammonium chloride) and vinyl benzoate were introduced as charged monomers labellingthe binding site and were allowed to self-organize around the protein. The subsequent polymerizationwas made by radical polymerization of vinylbenzene. Neutral PIM (N/PIM) prepared without orientedcharges and non imprinted materials (NIM) obtained without template were used as controls.These materials were used to develop simple and inexpensive potentiometric sensor for PSA. Theywere included as ionophores in plasticized PVC membranes, and tested over electrodes of solid or liq-uid conductive contacts, made of conductive carbon over a syringe or of inner reference solution overmicropipette tips. The electrodes with charged monomers showed a more stable and sensitive response,with an average slope of -44.2 mV/decade and a detection limit of 5.8 × 10−11mol/L (2 ng/mL). The cor-responding non-imprinted sensors showed lower sensitivity, with average slopes of -24.8 mV/decade.The best sensors were successfully applied to the analysis of serum, with recoveries ranging from 96.9to 106.1% and relative errors of 6.8%.

New molecularly-imprinted polymer for carnitine and its application as ionophore in potentiometric selective membranes

Carnitine (CRT) is a biological metabolite found in urine that contributes in assessingseveral disease conditions, including cancer. Novel quick screening procedures for CRT are therefore fundamental. This work proposes a novel potentiometric device where molecularly imprinted polymers (MIPs) were used as ionophores. The host-tailored sites were imprinted on a polymeric network assembled by radical polymerization of methacrylic acid (MAA) and trimethylpropane trimethacrylate (TRIM). Non-imprinted polymers (NIPs) were produced as control by removing the template from the reaction media. The selective membrane was prepared by dispersing MIP or NIP particles in plasticizer and poly(vinyl chloride), PVC, and casting this mixture over a solid contact support made of graphite. The composition of the selective membrane was investigated with regard to kind/amount of sensory material (MIP or NIP), and the need for a lipophilic additive. Overall, MIP sensors with additive exhibited the best performance, with near-Nernstian response down to ~ 1 × 10− 4 mol L− 1, at pH 5, and a detection limitof ~ 8 × 10− 5 mol L− 1. Suitable selectivity was found for all membranes, assessed by the matched potential method against some of the most common species in urine (urea, sodium, creatinine, sulfate, fructose and hemoglobin). CRT selective membranes including MIP materials were applied successfully to the potentiometric determination of CRT in urine samples.

Smart Plastic Antibody Material for Hemoglobin Tailored by Silica Surface Imprinting and with Charged Binding Sites: Its use as Ionophore in Potentiometric Transduction

JORNADAS DE ELECTROQUÍMICA E INOVAÇÃO 2013

Desenvolvimento de um biossensor para Ácido Glutâmico

A presente dissertação tem com objetivo o desenvolvimento de um biossensor com base nos polímeros de impressão molecular para a deteção de uma molécula alvo, o ácido glutâmico que é convertido em glutamina pela glutamina sintetase, recorrendo à potenciometria. Nas células neoplásicas a glutamina não é sintetizada podendo-se considerar que o ácido glutâmico é um potencial agente anti-cancro. A técnica de impressão molécular utilizada foi a polimerização em bulk, combinando a acrilamida e a bis acrilamida com o ácido glutâmico. Para se verificar se a resposta potenciométrica obtida era de facto da molécula alvo foram preparados em paralelo com os sensores, materiais de controlo, ou seja, moléculas sem impressão molécular (NIP). Para se controlar a constituíção química dos vários sensores nomeadamente, do NIP e do polímero de impressão molecular (MIP) antes e após a remoção bem como a molécula foram realizados estudos de Espetroscopia de Infravermelhos de Transformada de Fourier (FTIR), Scanning electron microscope (SEM) e Espetroscopia de Raios X por dispersão em energia (EDS). Os materiais desenvolvidos foram aplicados em várias membranas que diferiam umas das outras, sendo seletivas ao ião. A avaliação das características gerais das membranas baseou-se na análise das curvas de calibração, conseguidas em meios com pHs diferentes, comparando os vários elétrodos. O pH 5 foi o que apresentou melhor resultado, associado a uma membrana que continha um aditivo, o p-tetra-octilphenol, e com o sensor com percentagem de 3%. Posto isto, testou-se em material biológico, urina, com as melhores características quer em termos de sensibilidade (18,32mV/década) quer em termos de linearidade (1,6x10-6 a 1,48x10-3 mol/L). Verificou-se ainda que aplicando iões interferentes na solução, estes não interferem nesta, podendo ser aplicados na amostra sem que haja alteração na resposta potenciométrica. O elétrodo é capaz de distinguir o ácido glutâmico dos restantes iões presentes na solução.