Molecularly-imprinted materials for potentiometric transduction: application to the antibiotic enrofloxacin

Enrofloxacin (ENR) is an antimicrobial used both in humans and in food producing species. Its control is required in farmed species and their surroundings in order to reduce the prevalence of antibiotic resistant bacteria. Thus, a new biomimetic sensor enrofloxacin is presented. An artificial host was imprinted in specific polymers. These were dispersed in 2-nitrophenyloctyl ether and entrapped in a poly(vinyl chloride) matrix. The potentiometric sensors exhibited a near-Nernstian response. Slopes expressing mVΔlog([ENR]/M) varied within 48–63. The detection limits ranged from 0.28 to 1.01 µg mL 1. Sensors were independent from the pH of test solutions within 4–7. Good selectivity was observed toward potassium, calcium, barium, magnesium, glycine, ascorbic acid, creatinine, norfloxacin, ciprofloxacin, and tetracycline. In flowing media, the biomimetic sensors presented good reproducibility (RSD of ±0.7%), fast response, good sensitivity (47 mV/Dlog([ENR]/ M), wide linear range (1.0×10-5–1.0×10-3 M), low detection limit (0.9 µg mL-1), and a stable baseline for a 5×10-2 M acetate buffer (pH 4.7) carrier. The sensors were used to analyze fish samples. The method offered the advantages of simplicity, accuracy, and automation feasibility. The sensing membrane may contribute to the development of small devices allowing in vivo measurements of enrofloxacin or parent-drugs.

Ciprofloxacin-imprinted polymeric receptors as ionophores for potentiometric transduction

A 3D-mirror synthetic receptor for ciprofloxacin host–guest interactions and potentiometric transduction is presented. The host cavity was shaped on a polymeric surface assembled with methacrylic acid or 2-vinyl pyridine monomers by radical polymerization. Molecularly imprinted particles were dispersed in 2-nitrophenyl octyl ether and entrapped in a poly(vinyl chloride) matrix. The sensors exhibited a near-Nernstian response in steady state evaluations. Slopes and detection limits ranged from 26.8 to 50.0mVdecade−1 and 1.0×10−5 to 2.7×10−5 mol L−1, respectively. Good selectivity was observed for trimethoprim, enrofloxacin, tetracycline, cysteine, galactose, hydroxylamine, creatinine, ammonium chloride, sucrose, glucose, sulphamerazine and sulfadiazine. The sensors were successfully applied to the determination of ciprofloxacin concentrations in fish and in pharmaceuticals. The method presented offered the advantages of simplicity, accuracy, applicability to colored and turbid samples and automation feasibility, as well as confirming the use of molecularly imprinted polymers as ionophores for organic ion recognition in potentiometric transduction.

Selective recognition in potentiometric transduction of amoxicillin by molecularly imprinted materials

The indiscriminate use of antibiotics in foodproducing animals has received increasing attention as a contributory factor in the international emergence of antibiotic- resistant bacteria (Woodward in Pesticide, veterinary and other residues in food, CRC Press, Boca Raton, 2004). Numerous analytical methods for quantifying antibacterial residues in edible animal products have been developed over years (Woodward in Pesticide, veterinary and other residues in food, CRC Press, Boca Raton, 2004; Botsoglou and Fletouris in Handbook of food analysis, residues and other food component analysis, Marcel Dekker, Ghent, 2004). Being Amoxicillin (AMOX) one of those critical veterinary drugs, efforts have been made to develop simple and expeditious methods for its control in food samples. In literature, only one AMOX-selective electrode has been reported so far. In that work, phosphotungstate:amoxycillinium ion exchanger was used as electroactive material (Shoukry et al. in Electroanalysis 6:914–917, 1994). Designing new materials based on molecularly imprinted polymers (MIPs) which are complementary to the size and charge of AMOX could lead to very selective interactions, thus enhancing the selectivity of the sensing unit. AMOXselective electrodes used imprinted polymers as electroactive materials having AMOX as target molecule to design a biomimetic imprinted cavity. Poly(vinyl chloride), sensors of methacrylic acid displayed Nernstian slopes (60.7 mV/decade) and low detection limits (2.9×10-5 mol/L). The potentiometric responses were not affected by pH within 4–5 and showed good selectivity. The electrodes were applied successfully to the analysis of real samples.

Biomimetic sensors of molecularly-imprinted polymers for chlorpromazine determination

A new man-tailored biomimetic sensor for Chlorpromazine host-guest interactions and potentiometric transduction is presented. The artificial host was imprinted within methacrylic acid, 2-vinyl pyridine and 2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid based polymers. Molecularly imprinted particles were dispersed in 2-nitrophenyloctyl ether and entrapped in a poly(vinyl chloride) matrix. Slopes and detection limits ranged 51–67 mV/decade and 0.46–3.9 μg/mL, respectively, in steady state conditions. Sensors were independent fromthe pHof test solutionswithin 2.0–5.5.Good selectivitywas observed towards oxytetracycline, doxytetracycline, ciprofloxacin, enrofloxacin, nalidixic acid, sulfadiazine, trimethoprim, glycine, hydroxylamine, cysteine and creatinine. Analytical features in flowing media were evaluated on a double-channel manifold, with a carrier solution of 5.0×10−2 mol/L phosphate buffer. Near-Nernstian response was observed over the concentration range 1.0×10−4 to 1.0×10−2 mol/L. Average slopes were about 48 mV/decade. The sensors were successfully applied to field monitoring of CPZ in fish samples, offering the advantages of simplicity, accuracy, automation feasibility and applicability to complex samples.

New sensing materials of molecularly-imprinted polymers for the selective recognition of Chlortetracycline

As a result of the stressful conditions in aquaculture facilities there is a high risk of bacterial infections among cultured fish. Chlortetracycline (CTC) is one of the antimicrobials used to solve this problem. It is a broad spectrum antibacterial active against a wide range of Gram-positive and Gram-negative bacteria. Numerous analytical methods for screening, identifying, and quantifying CTC in animal products have been developed over the years. An alternative and advantageous method should rely on expeditious and efficient procedures providing highly specific and sensitive measurements in food samples. Ion-selective electrodes (ISEs) could meet these criteria. The only ISE reported in literature for this purpose used traditional electro-active materials. A selectivity enhancement could however be achieved after improving the analyte recognition by molecularly imprinted polymers (MIPs). Several MIP particles were synthesized and used as electro-active materials. ISEs based in methacrylic acid monomers showed the best analytical performance according to slope (62.5 and 68.6 mV/decade) and detection limit (4.1×10−5 and 5.5×10−5 mol L−1). The electrodes displayed good selectivity. The ISEs are not affected by pH changes ranging from 2.5 to 13. The sensors were successfully applied to the analysis of serum, urine and fish samples.

Trimethoprim-selective electrodes with molecularly imprinted polymers acting as ionophores and potentiometric transduction on graphite solid-contact

This work proposes a new biomimetic sensor material for trimethoprim. It is prepared by means of radical polymerization, having trimethylolpropane trimethacrylate as cross-linker, benzoyl peroxide as radicalar iniciator, chloroform as porogenic solvent, and methacrylic acid and 2-vinyl pyridine as monomers. Different percentages of sensor in a range between 1 and 6% were studied. Their behavior was compared to that obtained with ion-exchanger quaternary ammonium salt (additive tetrakis(p-chlorophenyl)borate or tetraphenylborate). The effect of an anionic additive in the sensing membrane was also tested. Trimethoprim sensors with 1% of imprinted particles from methacrylic acid monomers showed the best response in terms of slope (59.7 mV/decade) and detection limit (4.01×10−7 mol/L). These electrodes displayed also a good selectivity towards nickel, manganese aluminium, ammonium, lead, potassium, sodium, iron, chromium, sulfadiazine, alanine, cysteine, tryptophan, valine and glycine. The sensors were not affected by pH changes from 2 to 6. They were successfully applied to the analysis of water from aquaculture.

Man-tailored biomimetic sensor of molecularly imprinted materials for the potentiometric measurement of oxytetracycline

A novel biomimetic sensor for the potentiometric transduction of oxytetracycline is presented. The artificial host was imprinted in methacrylic acid and/or acrylamide based polymers. Different amounts of molecularly imprinted and non-imprinted polymers were dispersed in different plasticizing solvents and entrapped in a poly(vinyl chloride) matrix. Only molecularly imprinted based sensors allowed a potentiometric transduction, suggesting the existence of host–guest interactions. These sensors exhibited a near-Nernstian response in steady state evaluations; slopes and detection limits ranged 42–63 mV/decade and 2.5–31.3 µg/mL, respectively. Sensors were independent from the pH of test solutions within 2–5. Good selectivity was observed towards glycine, ciprofloxacin, creatinine, acid nalidixic, sulfadiazine, cysteine, hydroxylamine and lactose. In flowing media, the biomimetic sensors presented good reproducibility (RSD of ±0.7%), fast response, good sensitivity (65 mV/decade), wide linear range (5.0×10−5 to 1.0×10−2 mol/L), low detection limit (19.8 µg/mL), and a stable baseline for a 5×10−3M citrate buffer (pH 2.5) carrier. The sensors were successfully applied to the analysis of drugs and urine. This work confirms the possibility of using molecularly imprinted polymers as ionophores for organic ion recognition in potentiometric transduction.

Molecular epidemiology of Aspergillus collected from cystic fibrosis patients

Background - Aspergillus respiratory infection is a common complication in cystic fibrosis (CF) and is associated with loss of pulmonary function and allergic disease. Methods - Fifty-three Aspergillus isolates recovered from CF patients were identified to species by Internal Transcribed Spacer Region (ITS), β-tubulin, and calmodulin sequencing. Results - Three species complexes (Terrei, Nigri, and Fumigati) were found. Identification to species level gave a single Aspergillus terreus sensu stricto, one Aspergillus niger sensu stricto and 51 Aspergillus fumigatus sensu stricto isolates. No cryptic species were found. Conclusions - To our knowledge, this is the first prospective study of Aspergillus species in CF using molecular methods. The paucity of non-A. fumigatus and of cryptic species of A. fumigatus suggests a special association of A. fumigatus sensu stricto with CF airways, indicating it likely displays unique characteristics making it suitable for chronic residence in that milieu. These findings could refine an epidemiologic and therapeutic approach geared to this pathogen.

Deteção eletroquímica da norfloxacina e trimetoprim em amostras de urina utilizando polímero molecularmente impresso modificado e grafeno

A norfloxacina e o trimetoprim são dois antibióticos antibacterianos usados para o tratamento de infeções urinárias, intestinais e respiratórias. A maioria dos fármacos exige uma dosagem que garanta os níveis de segurança e eficácia de atuação. A necessidade de dosear os medicamentos e os seus metabolitos é assim um controlo imperioso e em muitos casos regular no tratamento de um paciente. Neste trabalho desenvolveram-se dois sensores eletroquímicos para a deteção da norfloxacina (NFX) e do trimetoprim (TMP), usando como superfície de suporte o carbono vítreo. A busca de novos materiais que conferiram maior seletividade e sensibilidade aos sistemas de deteção e por outro lado apresentem menores riscos para o paciente quando usados em dispositivos que permitam uma análise point-of-care, é especialmente importante e pode ser uma parte crucial do processo de decisão clínica. Assim, os polímeros molecularmente impresos enquadram-se nesse perfil e o seu uso tem vindo a ser cada vez mais avaliado. A impressão molecular é uma tecnologia capaz de produzir polímeros que incorporam as moléculas do analito e que após remoção por solventes específicos, permitem dotá-los de locais específicos de reconhecimento estereoquímico. A seleção do pirrol como polímero molecularmente impresso (MIP) permitiu construir com sucesso os sensores para doseamento dos antibióticos. A fim de aumentar a sensibilidade do método incorporou-se grafeno na superfície do elétrodo. Este material tem vindo a ser largamente utilizado devido às suas propriedades: estrutura molecular, condutividade elétrica e aumento da superfície são algumas das características que mais despertam o interesse para a sua aplicação neste projeto. Os sensores desenvolvidos foram incorporados em sistemas eletroquímicos. Os métodos voltamétricos aplicados foram a voltametria cíclica, a voltametria de onda quadrada e ainda a impedância. As condições de análise foram otimizadas no que respeita à polimerização do pirrol (concentração do polímero, número de ciclos de eletropolimerização e respetivos potenciais aplicados, tempo de incubação, solvente de remoção do analito), ao pH da solução do fármaco, à gama de concentrações dos antibióticos e aos parâmetros voltamétricos dos métodos de análise. Para cada um dos antibióticos um elétrodo não-impresso foi também preparado, usando o procedimento de polimerização mas sem a presença da molécula do analito, e foi usado como controlo. O sensor desenvolvido para o trimetoprim foi usado no doseamento do fármaco em amostras de urina. As amostras foram analisadas sem qualquer diluição, apenas foram centrifugadas para remoção de proteínas e algum interferente. Os sensores construídos apresentaram comportamento linear na gama de concentrações entre 102 e 107 mol/L. Os resultados mostram boa precisão (desvios padrão inferiores a 11%) e os limites de deteção foram de 8,317 e 1,307 mol/L para a norfloxacina e o trimetoprim, respetivamente. Para validação do método foram ainda efetuados ensaios de recuperação tendo obtido valores superiores a 94%.

Admittance spectroscopy of Cu2ZnSnS4 based thin film solar cells

In this report, we propose an AC response equivalent circuit model to describe the admittance measurements of Cu2ZnSnS4 thin film solar cell grown by sulphurization of stacked metallic precursors. This circuit describes the contact resistances, the back contact, and the heterojunction with two trap levels. The study of the back contact resistance allowed the estimation of a back contact barrier of 246 meV. The analysis of the trap series with varying temperature revealed defect activation energies of 45 meV and 113 meV. The solar cell’s electrical parameters were obtained from the J-V curve: conversion efficiency, 1.21%; fill factor, 50%; open circuit voltage, 360 mV; and short circuit current density, 6.8 mA/cm2.

Mo bilayer for thin film photovoltaics revisited

Thin film solar cells based on Cu(In,Ga)Se2 as an absorber layer use Mo as the back contact. This metal is widely used in research and in industry but despite this, there are only a few published studies on the properties of Mo. Properties such as low resistivity and good adhesion to soda lime glass are hard to obtain at the same time. These properties are dependent on the deposition conditions and are associated with the overall stress state of the film. In this report, a study of the deposition of a Mo bilayer is carried out by analysing first single and then bilayers. The best properties of the bilayer were achieved when the bottom layer was deposited at 10 × 10−3 mbar with a thickness of 500 nm and the top layer deposited at 1 × 10−3 mbar with a thickness of 300 nm. The films deposited under these conditions showed good adhesion and a sheet resistivity lower than 0.8 .

Potential pathogenic fungi assessment through molecular biology in cork industry

Portugal has been the world leader in the cork sector in terms of exports, employing ten thousands of workers. In this working activity, the permanent contact with cork may lead to the exposure to fungi, raising concerns as potential occupational hazards in cork industry. The application of molecular tools is crucial in this setting, since fungal species with faster growth rates may hide other species with clinical relevance, such as species belonging to P. glabrum and A. fumigatus complexes. A study was developed aiming at assessing fungal contamination due to Aspergillus fumigatus complex and Penicillium glabrum complex by molecular methods in three cork industries in the outskirt of Lisbon city.

Caracterização molecular da resistência a antimicrobianos em Escherichia coli produtoras de β-lactamases de espectro alargado isoladas em cães e estudo da partilha de clones bacterianos entre animais de companhia e coabitantes humanos

A pressão seletiva originada pelo uso excessivo de antimicrobianos na medicina humana e veterinária tem contribuído para a emergência de estirpes bacterianas multirresistentes, sendo os estudos mais escassos relativamente à sua presença nos animais de companhia. Porque os animais e os seus proprietários partilham o mesmo espaço habitacional, apresentando comportamentos de contacto próximo, existe uma hipótese elevada de transferência microbiana inter-espécie. Ante esta possibilidade é importante escrutinar o papel dos animais de companhia enquanto reservatórios de estirpes e de genes de resistência, bem como a sua envolvência na disseminação de estirpes bacterianas multirresistentes. Importa também, investigar o papel das superfícies e objetos domésticos partilhados por ambos, como potenciadores deste fenómeno. O objetivo deste trabalho foi, identificar o filogrupo e fazer a caracterização molecular dos genes que conferem resistência aos β-lactâmicos e às quinolonas, em quarenta isolados de Escherichia coli produtoras de β-lactamases de espectro alargado (ESBL), obtidas em zaragatoas fecais de cães consultados no Hospital Veterinário do ICBAS-UP. Complementarmente pretendeu-se inferir sobre a partilha de clones de Escherichia coli e Enterococcus spp. com elevadas resistências, em cinco agregados familiares (humanos e seus animais de companhia) assim como avaliar a potencial disseminação de estirpes multirresistentes no ambiente doméstico. Previamente foram recolhidas zaragatoas de fezes, pelo e mucosa oral dos animais e em alguns casos, dos seus proprietários, e ainda do ambiente doméstico. As zaragatoas foram processadas e as estirpes isoladas com base em meios seletivos. Foram realizados testes de suscetibilidade antimicrobiana de modo a estabelecer o fenótipo de resistência de cada isolado. O DNA foi extraído por varias metodologias e técnicas de PCR foram utilizadas para caracterização de filogrupos (Escherichia coli) e identificação da espécie (Enterococcus spp.). A avaliação da proximidade filogenética entre isolados foi efetuada por ERIC PCR e PFGE. No conjunto de quarenta isolados produtores de ESBL e/ou resistentes a quinolonas verificou-se que 47,5% pertenciam ao filogrupo A, havendo uma menor prevalência do filogrupo D (25,0%), B1 (17,5%), e B2 (10,0%).A frequência de resistência nestes isolados é factualmente elevada, sendo reveladora de uma elevada pressão seletiva. Com exceção de dois isolados, os fenótipos foram justificados pela presença de β-lactamases. A frequência da presença de genes foi: 47% blaTEM, 34% blaSHV, 24% blaOXA , 18% blaCTX-M-15, 8% blaCTX-M-2, 3% blaCTX-M-9. Nos isolados resistentes às quinolonas verificou-se maioritariamente a presença de mutações nos genes cromossomais gyrA e parC, e em alguns casos a presença de um determinante de resistência mediado por plasmídeo – qnrS. Nos cinco “agregados familiares” (humanos e animais) estudados foi observada uma partilha frequente de clones de E. coli e Enterococcus faecalis com múltiplas resistências, isolados em fezes e mucosa oral de cães e gatos e fezes e mãos dos respetivos proprietários, evidenciando-se assim uma possível transferência direta entre coabitantes (agregados A, C, D, E). Ficou também comprovado com percentagens de similaridade genotípica superiores a 94% que essa disseminação também ocorre para o ambiente doméstico, envolvendo objetos dos animais e de uso comum (agregados A, E). Os resultados obtidos reforçam a necessidade de um uso prudente dos antimicrobianos, pois elevados padrões de resistências terão um impacto não só na qualidade de vida dos animais mas também na saúde humana. Adicionalmente importa sensibilizar os proprietários para a necessidade de uma maior vigilância relativamente às formas de interação com os animais, bem como para a adoção de medidas higiénicas cautelares após essa mesma interação.

Ligand-Induced structural changes in TEM‑1 probed by molecular dynamics and relative binding free energy calculations

The TEM family of enzymes has had a crucial impact on the pharmaceutical industry due to their important role in antibiotic resistance. Even with the latest technologies in structural biology and genomics, no 3D structure of a TEM- 1/antibiotic complex is known previous to acylation. Therefore, the comprehension of their capability in acylate antibiotics is based on the protein macromolecular structure uncomplexed. In this work, molecular docking, molecular dynamic simulations, and relative free energy calculations were applied in order to get a comprehensive and thorough analysis of TEM-1/ampicillin and TEM-1/amoxicillin complexes. We described the complexes and analyzed the effect of ligand binding on the overall structure. We clearly demonstrate that the key residues involved in the stability of the ligand (hot-spots) vary with the nature of the ligand. Structural effects such as (i) the distances between interfacial residues (Ser70−Oγ and Lys73−Nζ, Lys73−Nζ and Ser130−Oγ, and Ser70−Oγ−Ser130−Oγ), (ii) side chain rotamer variation (Tyr105 and Glu240), and (iii) the presence of conserved waters can be also influenced by ligand binding. This study supports the hypothesis that TEM-1 suffers structural modifications upon ligand binding.

Molecular mobility of n-ethylene glycol dimethacrylate glass formers upon free radical polymerization

Quando um líquido evita a cristalização durante o arrefecimento, diz-se que entra no estado sobrearrefecido. Se a temperatura continuar a diminuir, o consequente aumento da viscosidade reflecte-se na mobilidade molecular de tal maneira que os tempos característicos se tornam da mesma ordem de grandeza que os tempos acessíveis experimentalmente. Se o arrefecimento continuar, o líquido altamente viscoso acaba por vitrificar, i.e. entra no estado vítreo onde apenas os movimentos locais são permitidos. Os monómeros da família n -etileno glicol dimetacrilato ( n -EGDMA, para n = 1 até 4, que constituem o objecto deste estudo, facilmente evitam a cristalização, sendo pois bons candidatos para estudar a mobilidade molecular nos estados sobrearrefecido e vítreo. A Espectroscopia de Relaxação Dieléctrica (DRS) foi a técnica escolhida para obter informação detalhada sobre a sua dinâmica molecular (Capítulos 1 e 2). A primeira parte deste trabalho consistiu na caracterização dieléctrica dos processos de relaxação existentes acima e abaixo da temperatura de transição vítrea (g T ), a qual aumenta com o aumento do peso molecular (w M ), sendo este resultado confirmado por Calorimetria Diferencial de Varrimento (DSC). No que respeita ao processo cooperativo a , associado à transição vítrea, e ao processo secundário b, observa-se uma dependência com w M , enquanto que o outro processo secundário, g , aparenta ser independente deste factor (Capítulo 3). Nos capítulos seguintes, foram levadas a cabo diferentes estratégias com o objectivo de clarificar os mecanismos que estão na origem destas duas relaxações secundárias (b e g ), assim como conhecer a sua respectiva relação com a relaxação principal (a ). Do estudo, em tempo real, da polimerização isotérmica via radicais livres do TrEGDMA por Calorimetria de Varrimento Diferencial com Modulação de Temperatura (TMDSC), levado a cabo a temperaturas abaixo da g T do polímero final, concluem-se entre outros, dois importantes aspectos: i) que a vitrificação do polímero em formação conduz a graus de conversão relativamente baixos, e ii) que o monómero que está por reagir é expulso da rede polimérica que se forma, dando lugar a uma clara separação de fases (Capítulo 4). Com base nesta informação, o passo seguinte foi estudar separadamente a polimerização isotérmica do di-, tri- e tetra-EGDMA, dando especial atenção às alterações de mobilidade do monómero ainda por reagir. Com as restrições impostas pela formação de ligações químicas, as relaxações a e b detectadas no monómero tendem a desaparecer no novo polímero formado, enquanto que a relaxação g se mantém quase inalterada. Os diferentes comportamentos que aparecem durante a polimerização permitiram a atribuição da origem molecular dos processos secundários: o processo g foi associado ao movimento twisting das unidades etileno glicol, enquanto que a rotação dos grupos carboxilo foi relacionada com a relaxação b (Capítulo 5). No que respeita ao próprio polímero, um processo de relaxação adicional foi detectado, pol b , no poly-DEGDMA, poly-TrEGDMA e poly-TeEGDMA, com características similares ao encontrado nos poli(metacrilato de n -alquilo). Este processo foi confirmado e bem caracterizado aquando do estudo da copolimerização do TrEGDMA com acrilato de metilo (MA) para diferentes composições (Capítulo 6). Para finalizar, o EGDMA, o elemento mais pequeno da família de monómeros estudada, além de vitrificar apresenta uma marcada tendência para cristalizar quer a partir do estado líquido ou do estado vítreo. Durante a cristalização, a formação de uma fase rígida afecta principalmente o processo a , cuja intensidade diminui sem no entanto se observarem modificações significativas na dependência do tempo de relaxação característico com a temperatura. Por outro lado, o processo secundário b torna-se melhor definido e mais estreito, o que pode ser interpretado em termos de uma maior homogeneidade dos micro-ambientes associados aos movimentos locais(Capítulo 7).