Design and development of molecularly imprinted polymers and imprinted sensors

Esta tesis se ha hecho principalmente para estudiar e investigar polimeros impresos (MIPs) con la intencion de usarlos como sensores de larga vida. La linea de investigacion de esta tesis es la dirigida a conseguir la integracion de estas formaciones impresas dentro de una lengua electronica (ET), que es la rama de especializacion en la que se ha desarrollado principalmente este proyecto. Despues de hacer una revision de la literatura, que inicialmente se centraba en la aplicacion de MIPs a un equipo electroquimico, un sensor voltametrico impreso y un procedimiento sensitivo complementario, el procedimiento se creo a traves de una combinacion de protocolos tomados de la literatura. Este sensor, descrito en el Articulo 1, presentaba una buena selectividad hacia el analito primario, teofilina, ademas de la especificidad requerida frente a sus analogos estructurales. Aunque el diseno del sensor permitia una mejor regeneracion de la superficie respecto a otros sistemas parecidos encontrados en la literatura, el comportamiento de los polimeros usados en el MIP retardaba la tasa de transferencia de electrones en la superficie del sensor. Por culpa de este fenomeno, la sensibilidad del sensor se reducia. Justo despues de estos experimentos iniciales, se hizo una colaboracion con el grupo del Profesor Sergey Piletskey en la Universidad de Leicester (UoL) de Reino Unido. Durante este periodo, se realizo un estudio intensivo del proceso de diseno de impresion molecular asistido por un sistema computacional de modelizacion molecular ‘inhouse’. Se puso enfasis en el diseno de un receptor impreso para la molecula de baja solubilidad melanina, que se toma como ‘template modelo’. El MIP resultante se caracterizo y uso para la deteccion de melanina en muestras de leche, tal y como se describe y detalla en el Articulo 2. Mas tarde, utilizando los conocimientos adquirido durante la estancia en Leicester, se desarrollaron nuevas tecnicas de modelizacion computacional para la evaluacion de los metodos utilizados en la modelizacion de MIPs, con el objetivo de obtener una tecnica de evaluacion virtual para el diseno de receptores impresos, optimizados para los requerimientos necesarios para su posterior aplicacion en un sensor ET, tal como se detalla en el Articulo 3. Tal y como se detalla en el capitulo final de esta tesis, la experiencia y conocimientos adquiridos durante la investigacion, se usaron para disenar un grupo de sensores que funcionan asociados a ET. Este desarrollo podria ampliarse profundizando en la seleccion computacional de polielectrolitos, que luego serian inmovilizados en la superficie de un electrodo voltametrico mediante una tinta de grafito conductora, de elevada robustez y estabilidad. En este sentido, tambien se proponen otras recomendaciones para lograr la mejora de la capacidad de regeneracion de los MIPs utilizados, por ejemplo mediante la separacion de MIP y electrodo. Finalmente, se presentan algunas sugerencias para colaboraciones institucionales, con el proposito de crear un sistema ET movil, que permita recoger y analizar muestras en campo. This thesis was predominantly undertaken to study and investigate molecular imprinted polymers (MIPs) with a view to their use as high longevity sensing elements in sensor arrays. The research line of the thesis was intended to lead to the integration of these imprinted arrays into an Electronic Tongue (ET) sensing system which is the area of expertise of the research group in which this project was primarily executed. Having initially executed a review of the literature, focusing initially on the application of the MIPs to an electrochemical device, an imprinted voltammetric sensor and a complimentary sensing procedure was developed using a combination of protocols extracted from the literature. This sensor, described in Article 1, had good selectivity toward the primary analyte, theophylline, and specificity against structural analogues. Though the design of the sensor allowed for significantly improved regeneratibility of the sensor relative to similar systems in the literature, the insulating nature of the polymers used in the MIP reduced the electron transfer rate at the sensor surface and thus resulted in a reduction in sensitivity. Following this initial experimental study, a secondment was undertaken in the University of Leicester under the supervision of Professor Sergey Piletsky. During this period, an intensive study of the design process of molecular imprinting, aided by an in-house computational molecular modelling platform, was conducted focusing on the design of an imprinted receptor for the low solubility 'model template', melamine. This MIP was successfully synthesised, characterised and used in the detection of melamine in milk samples, as detailed in Article 2. Further development of computational modelling techniques for the evaluation of MIP modelling techniques was also achieved with a view to create a virtual evaluation technique for the design of imprinted receptor sites optimised for the requirements of their application to an ET sensor array using the skills acquired during the Leicester secondment as detailed in Article 3. As detailed in the final chapter of this thesis, the insight into the imprinting process which was acquired during the research has been used to design a sensor array system which meets the specifications of ET experimental runs. This takes the form of the introduction of the research topic computationally selected polyelectrolytes, immobilised onto a voltammetric electrode surface via highly robust conducting graphite ink. Additional recommendations are also made to further enhance the on-going MIP projects within the laboratory, such as the separation of the MIP and the electrode to increase MIP regeneratibility. Some final suggestions for some other inter-institutional collaboration are also presented which aim to creating portable ET system for in-field sample collection and analysis.