Optoelectronic sensors based on molecularly imprinted polymers

La ricerca è stata incentrata sullo sviluppo di sensori ottici (senza impiego di indicatori) basati su fibre ottiche plastiche (POF). Queste presentano caratteristiche vantaggiose come flessibilità, grande apertura numerica e facile lavorazione; essendo inoltre in grado di sopportare curvature più strette rispetto alle fibre di vetro. Pertanto, le POF risultano adatte alla realizzazione di sensori ottici ad alta sensibilità, miniaturizzati, robusti ed a basso costo. Due approcci differenti sono stati impiegati: il primo è stato basato sullo sviluppo dei sensori direttamente sulle fibre ottiche plastiche (POF) (sensori intrinseci) e il secondo prevede l'impiego di diverse guide d'onda ad esempio in PMMA o PET (sensori estrinseci). I due approcci mostrano caratteristiche distinte per la facile preparazione e sono stati studiati al fine di ottenere una migliore riproducibilità. I sensori sfruttano diversi fenomeni ottici: la risonanza plasmonica di superficie (SPR) o l'accoppiamento di onde evanescenti (EWC). Tutti i sensori impiegano recettori biomimetici sintetici, cioè polimeri a stampo molecolare (MIP) per il rilevamento di analiti in matrici complesse acquose o organiche. I bio-recettori comunemente usati, nonostante la loro elevata selettività e sensibilità, soffrono di grossi svantaggi quali la non disponibilità per tutti i substrati, il limite di analisi in condizioni biologiche e la costosa e lunga procedura per il loro utilizzo. Invece i MIP risultano più resistenti, anche in condizioni di analisi più drastiche (elevate T, bassi pH,…), pur mantenendo affinità e selettività elevate, pari a quelle dei bio-recettori. Tali caratteristiche rendendo questi recettori sintetici utili ai fini sensoristici. Sono stati sviluppati MIP specifici, basati su monomeri funzionali che impiegano interazioni non covalenti con comune composizione riguardo il monomero funzionale e il cross-linker. In alcuni casi, la composizione MIP è stata ottimizzata mediante metodi computazionali considerando diversi monomeri funzionali e cross-linker nonché possibili interazioni interferenti. Le caratteristiche dei MIP, come costante di affinità, capacità di assorbimento e selettività sono state valutate mediante procedura di equilibrazione batch e procedura a flusso. Differenti formulazioni di MIP in forma di particelle porose e sferiche sono state considerate. Sono stati sviluppati e caratterizzati MIP per l'analisi delle seguenti molecole: furaldeide (2-FAL) e dibenzildisolfuro (DBDS) data la loro importanza come utili indicatori dell'usura dei trasformatori di media tensione. La 2-FAL è stata considerata anche in matrici acquose, data la sua rilevanza nel controllo qualità degli alimenti. I sensori ottici sono stati caratterizzati determinando le isoterme di adsorbimento sullo strato polimerico, basato sulla risposta del sensore. I sensori SPR risultano promettenti grazie alla elevata sensibilità, al basso costo e alla possibilità di miniaturizzazione impiegando le POF. Inoltre, l'impiego di MIP come recettore garantiscono un'elevata selettività e costante di affinità (Kaff), un basso LOD e la possibilità del riutilizzo. Simili risultati sono stati ottenuti con sensori basati sull'accoppiamento di onde evanescenti (EWC) che tuttavia risultano più promettenti delle piattaforme SPR presentando il vantaggio dell'eliminazione dello strato di oro e quindi una migliore riproducibilità. Inoltre, nuovi materiali per l'imprinting molecolare sono stati considerati per migliorare la biocompatibilità. In particolare, la fibroina della seta è stata esaminata date le sue ottimali proprietà ottiche e meccaniche ed essendo un biomateriale già approvato per applicazioni biomediche. Risultati preliminari sull'imprinting di fibroina con glucosio sono stati promettenti; riscontrando un fattore di imprinting superiore a uno. Tale materiale stampato è facilmente ottenuto come strato sottile adatto allo sviluppo di sensori.The research was focused on the development of marker-free optical sensors based on plastic optical fibers (POF). These are particularly suitable for sensing application because of their exceptional flexibility, large numerical aperture, and easy manipulation. Also, they are able to withstand smaller bend radii than glass fibers. Therefore, POFs are suitable for the realization of low-cost and miniaturized optical sensors both robust and highly sensitive for application with a remote control. Two approaches have been exploited the first in which the optical platform was directly developed on plastic optical fibers (POF) (intrinsic sensors) and the second that employ different waveguides made for example of PMMA or PET (extrinsic sensors). The two approaches show distinct characteristics of easy preparation and have been investigated to obtain a better reproducibility. In both sensors, different optical phenomena have been exploited, in particular, surface plasmon resonance (SPR) and the evanescent wave coupling (EWC). All the sensors employ synthetic biomimetic receptors, i.e. molecularly imprinted polymers (MIPs) for the detection of analytes in complex aqueous or organic matrices. The most commonly used bio-receptors, despite their high selectivity and sensitivity, suffer from great disadvantages as not being available for all the substrate, being limited to the biological condition of analysis and requiring an expensive and time-consuming development procedure. Instead, MIPs are more resistant, even in harsh conditions of analysis, while maintaining the high affinity and selectivity of the biological receptors, so making these synthetic receptors really promising for sensing purposes. Some specific MIPs have been developed, based on non-covalent interactions template-functional monomers, and with the most common composition as far as the functional monomer and the cross-linker are concerned. In some cases, the MIP composition was optimized by computational methods considering different functional monomers and cross-linkers as well as possible interfering interactions. The MIPs characteristics, as the affinity constant, the capacity of uptake and selectivity have been evaluated by batch procedure and the flow procedure. Porous MIP particles and MIP beads have been considered and characterized by batch equilibration. In particular MIPs for sensing the following molecules have been developed and characterized: 2-FAL (2-furhaldehide) and dibenzyldisulfide (DBDS) because of their rising importance as useful markers of health status of the middle tension transformers in the large distribution energy. 2-FAL was considered in aqueous matrices too, in view of its relevance in food quality control. The optical sensors developed have been characterized by determining the adsorption isotherms on the polymeric layer, based on the sensor response. The sensors based on SPR appear to be really promising due to the optimal sensitivity, low cost and possibility of miniaturization by employing POFs. Moreover, a high selectivity and affinity constant (Kaff), a low LOD and the possibility of the re-use are provided by the successful implementation of MIPs as receptors. Similar optimal results have been obtained by the evanescent wave coupling (EWC) moreover this platform presents the advantages of avoiding the use of Au layer, so could be superior to the SPR ones for the better reproducibility. Also, new kinds of molecularly imprinted materials have been considered in order to improve the biocompatibility of the sensing devices. In particular silk fibroin has been examined for its good optical and mechanical characteristics. Moreover, it is a biomaterial already approved for biomedical applications. Preliminary results on the imprinting of fibroin with glucose have been promising, with an imprinting factor higher than one. Moreover, the imprinted material can easily obtain a thin layer, which is particularly suitable for sensor development

Emerging and Disruptive Next-Generation Technologies for POC: Sensors, Chemistry and Microfluidics for Diagnostics

Recently, the attention paid to self-care tests and the easy and large screening of a high number of people has dramatically increased. Indeed, easy and affordable tools for the safe management of biological fluids together with self-diagnosis have emerged as compulsory requirements in this time of the COVID-19 pandemic, to lighten the pressure on public healthcare institutions and thus limiting the diffusion of infections. Obviously, other kinds of pathologies (cancer or other degenerative diseases) also continue to require attention, with progressively earlier and more widespread diagnoses. The contribution to the development of this research field comes from the areas of innovative plastic and 3D microfluidics, smart chemistry and the integration of miniaturized sensors, going in the direction of improving the performances of in vitro diagnostic (IVD) devices. In our Special Issue, we include papers describing easy strategies to identify diseases at the point-of-care and near-the-bed levels, but also dealing with innovative biomarkers, sample treatments, and chemistry processes which, in perspective, represent promising tools to be applied in the field

Desenvolvimento de sensores óticos de pH para aplicação em aquacultura e integração em plataforma híbrida multi-parâmetro

Optical fiber sensors have shown a lot of potential for application in marine environments e regarding monitoring multiple parameters crucial to the growth and well-being of fish, of which pH is one of the most important. Regarding this work, two types of optical fiber sensors were produced: tapers made from a silica single mode fiber with a fiber Bragg grating, and D-shape plastic optical fibers. There were used two different types of D-shape plastic optical fibers: home-made, using a polishing machine, and reused, from old cortisol sensors. Polyaniline (PANI) was synthesized by oxidative polymerization of aniline that was carried out onto the fibers and the selected synthesis time, for which better results were obtained, was 20 minutes. The sensitivity and the sensors’ behavior are determined by the geometry modifications applied onto the fibers, which allow the access of the evanescent wave to the surrounding medium which, in combination with polyaniline, results in a transmission decrease of the spectra as pH increases. The sensors present a certain degree of reproducibility and repeatability with the tapers, the D-shapes home-made and reused having a sensitivity of –0.25 dB/pH, –500 counts/pH and –2500 counts/pH, respectively. However, this is only valid for the increasing order. Regarding the stabilization time, for extreme pH values, whether very acidic, totally protonated, or very basic, totally unprotonated, the stabilization time is shorter. On the other hand, for the transition values of pH, this time is longer, since the PANI is in a transition phase. There were also made cross-sensitivity tests related to ionic strength and temperature, where the sensors did not show a spectra variation in the range of interest. Additionally, the pH sensor was integrated in a hybrid platform with a sensor of nitrites and the optical response to the increment of nitrites in a PBS solution was observed, having only slight variations. The tapers are very useful due to their remote sensing and multiplexing, which is the reason they were spliced with a sensor of nitrites. However, these lack mechanical robustness and ease of fabrication. On the other hand, the opposite happens in the D-shapes. These are more robust and easier to manufacture, but the possibility of multiplexing or remote sensing is challenging or unknown. As a future work, it is intended that the pH sensors produced are applied directly on the aquaculture tanks in order to identify possible water interferences in the measurements and perform tests to optimize the hybrid structure.Os sensores em fibra ótica têm-se mostrado muito promissores para a aplicação em ambientes marinhos na monitorização de vários parâmetros cruciais ao bom crescimento e reprodução dos peixes, dos quais o pH é dos mais importantes no setor da aquacultura. No caso deste trabalho, dois tipos de sensores em fibra ótica foram produzidos: tapers feitos a partir de uma fibra de sílica monomodo com uma rede de Bragg e fibras óticas de plástico com uma D-shape. Em relação às fibras óticas de plástico D-shape, foram usados dois tipo diferentes: umas produzidas no laboratório, usando uma máquina de polir, e outras foram reutilizadas a partir de sensores antigos de cortisol. A polianilina (PANI) foi sintetizada por polimerização oxidativa da anilina na presença das fibras e o tempo de síntese escolhido, para o qual se obteve melhores resultados, foi 20 minutos. A sensibilidade e comportamento do sensor são determinados pelas modificações de geometria aplicadas nas fibras que permitem que a onda evanescente tenha acesso ao meio circundante e, em combinação com a polianilina, isto resulta numa diminuição da transmissão dos espetros à medida que o pH aumenta. Os sensores apresentam um certo grau de reprodutibilidade e repetibilidade, com os tapers, as fibras D-shape produzidas no laboratório e as reutilizadas com sensibilidade de –0.25 dB/pH, –500 contagens/pH e –2500 contagens/pH, respetivamente. Contudo, isto apenas é válido no sentido ascendente de pH. Relativamente ao tempo de estabilização, para os extremos das regiões de pH, quer seja muito ácido, totalmente protonado, ou muito básico, totalmente desprotonado, o tempo de estabilização é mais curto. Já para os valores de transição de pH este tempo é mais elevado, pois a PANI também está numa fase de transição. Foram ainda efetuados testes de sensibilidade cruzada no que diz respeito à força iónica e à temperatura, sendo que os sensores não mostraram uma alteração espetral na zona de interesse. Adicionalmente, integrou-se o sensor de pH numa plataforma híbrida com um sensor de nitritos e observou-se a resposta ótica ao adicionar nitritos a uma solução de PBS, o que resultou em variações pouco significativas. As fibras tapers são bastante úteis devido às suas capacidades de monitorização remota e multiplexagem, daí terem sido fundidos com um sensor de nitritos. No entanto, estes carecem de robustez mecânica e facilidade de fabrico. Por outro lado, nas fibras D-shape o oposto é observado. Estas são mais robustas mecanicamente e fáceis de fabricar, mas a possibilidade de multiplexar ou monitorizar remotamente é desconhecida ou mais complicada. Como trabalho futuro pretende-se que os sensores de pH produzidos sejam aplicados diretamente nos tanques de aquacultura a fim de identificar possíveis interferentes da água nas medidas e de realizar testes para otimizar a estrutura híbrida.Mestrado em Engenharia Físic