Development of molecularly imprinted polymer membranes with specificity to triazine herbicides, prepared by the "surface photografting" technique

«Surface photografting» of polypropylene (PPy) microporous membranes by molecularly imprinted polymers selective to triazine herbicides has been carried out by the UV irradiation-initiated co-polymerization of the functional monomer (2-acrylamido-2-methyl-1-propane sulphonic acid) and a cross-linker (N,N?-methylene-bis-acrylamide) in the presence of the template (terbumeton) onto photoinitiator (benzophenone)-coated samples. The grafting reaction occurs in a thin liquid layer on the membrane substrate, which is pre-soaked in a dimethyl formamide solution containing template, functional monomer and cross-linker. After irradiation with a 500 W mercury lamp for 10 min at room temperature, the membranes covered with the layer of imprinted polymer were obtained. The recognition sites complementary to terbumeton were formed in the membranes after extraction of the template molecules with methanol. Alternatively, reference polymeric membranes were prepared with the same monomer composition, but without the template. The membranes' recognition properties were estimated by their capability to herbicide adsorption from its aqueous solution. The membranes modified by the mixture of monomers containing terbumeton showed significantly higher adsorption capability to this herbicide than to analogous compounds (terbuthylazine, atrazine, desmetryn, metribuzine). The effect of the polymer composition on the binding properties of the membranes has been investigated. High affinity of these membranes to triazine herbicides together with their inexpensive preparation, provide a good basis for applications of molecularly imprinted polymer membranes in separation and solid-phase extraction.Синтезовано новий тип матричних полімерних мембран шля­хом поверхневої модифікації мікрофільтраційних поліпропі­ ленових мембран, яка полягала в нанесенні на поверхню тонкого шару матричного полімеру, селективного до триазинового гербіциду тербуметону. Матричну полімеризацію здійснювали в диметилформаміді, використовуючи гербіцид тербуметон як матрицю, 2-акриламідо-2-метил-1-пропан-сульфонову І метакрилову І акрилову кислоту як функціональний мономер і N ,N' -метилен-бісакриламід як зшивальний агент на поверхні мікрофільтраційної мембрани, покритої тонким ша­ром фотоініціитора бензофенону. Екстракція матричних мо­лекул спричинювала формування в структурі мембрани сай­тів, які за формою та проепюровим розташуванням функ­ціональних груп були комплементарними тербуметону. Конт­рольні мембрани модифікували з використанням подібної су­міші мономерів, що не містила тербуметону. Здатність мембран до селективної адсорбції тербуметону досліджено в залежності від типу та концентрації функціонального моно­мера, а також від концентрації зшивального агента в мономерній суміші. Показано, що тербуметон-імпринтовані мат­ричні полімерні мембрани характеризуються високою селек­тивністю стосовно тербуметону та здатністю до незначної адсорбції його структурних аналогів — тертбутилазину, атразину, десметрину і метрибузину. Такі властивості синтезо­ваних мембран забезпечують їхнє ефективне використання у твердофазовій екстракції.Синтезирован новый тип матричных полимерных мембран методом поверхностной модификации микрофильтрационных полипропиленовых мембран, заключающемся в нанесении на поверхность тонкого слоя матричного полимера, селективно­го к триазиновому гербициду тербуметону. Матричную поли­меризацию проводили в диметилформамиде с использованием триазинового гербицида тербуметона в качестве матрицы, 2-акриламидо-2-метил-1-пропан-сульфоновойї метакриловой акриловой кислоты как функционального мономера и N,N'-метилен-би сак рилам ида как сшивающего агенпш на поверхности микрофильтрационной мембраны, покрытой тонким слоем фотоинииштюра бензофенона. Экстракция матричных моле­кул приводила к формированию в структуре мембраны сай­тов, комплементарных тербуметону по форме и простран­ственному расположению функциональных групп. Контроль­ ные мембраны синтезоровали с использованием той же моно­мерной смеси в отсутствие тербуметона. Способность мем­ бран к селективной адсорбции тербуметона исследовали в зависимости от типа и концентрации функционального моно­мера, а также концентрации сшивающего агента, в мономер­ной смеси. Показано, что тербуметон-импринтированные матричные полимерные мембраны характеризуются высокой селективностью к тербуметону и демонстрируют незначительную адсорбцию его структурних аналогов — тертбутилазина, атразина, десметрина и метрибузина. Такие свойства синтезованных мембран обеспечивают возможность их эф­фективного использования в твердофазной экстракции

Synthesis of biologically active molecules by imprinting polymerisation

Highly cross-linked molecularly imprinted polymers (MIPs) are synthetic materials with properties mimicking those of natural receptors. Here we describe an ability of MIP nanoparticles to manifest biological activity. Molecularly imprinted polymers were synthesised by co-polymerisation of urocanic acid, N,N’-bisacryloyl piperazine in the presence of herbicide binding D1 protein, ground and separated from the template by washing and ultrafiltration. It was demonstrated that MIP nanoparticles retained affinity to the template. Moreover, imprinted polymers were able to activate chloroplast photosystem II in in vitro experiments. This provides the first example of the use of imprinted polymers for the attenuation of a biological system and opens new possibilities for their application in pharmacology, biotechnology and medicine.Молекулярно-импринтированные полимеры (МИП) представ­ ляют собой сетчатые полимеры с высокой степенью сшива­ ния, имитирующие биологические рецепторы. В данной работе впервые продемонстрирована биологическая активность мат­ричних полимерных наночастиц. МИП получены вследствие сополимеризации урокановой кислоты и N,N'-бисакрилоил пиперазина в присутствии гербицид-связывающего белка Д1 как матричной молекулы. Далее их измельчали и с помощью ультрафильтрации выделяли фракцию матричных полимер­ных наночастиц. Показано, что такие частицы обладали аффинностью к матричным молекулам, а также способно­ стью активировать фотосистему II хлоропластов в экспери­ментах in vitro. Подобные свойства матричних полимерных наночастиц открывают широкие перспективы их использова­ ния в фармакологии, биотехнологии и медицине.Молекулярно-імпринтовані полімери (МІП) є сітчастими по­ лімерами з високим ступенем зиіивання, які імітують біо­логічні рецептори. В даній роботі вперше продемонстровано біологічну активність матричних полімерних наночастинок. МІП отримано внаслідок співполімеризації уроканової кислоти та NyN'-бісакрилоїлпіперазину за присутності гербіцид-зв'язувального білка Д1 як матричної молекули. Далі його под­ рібнювали і за допомогою ультрафільтрації виділяли фракцію матричних полімерних наночастинок. Показано, що такі час­ тинки мали афінність до матричних молекул, а також здатність активувати фотосистему II хлоропластів в експе­риментах in vitro. Подібні властивості матричних полімерних наночастинок відкривають широкі перспективі їхнього викори­стання в фармакології, біотехнології та медицині

Colorimetric biomimetic sensor systems based on molecularly imprinted polymer membranes for highly-selective detection of phenol in environmental samples

Aim. Development of an easy-to-use colorimetric sensor system for fast and accurate detection of phenol in envi- ronmental samples. Methods. Technique of molecular imprinting, method of in situ polymerization of molecularly imprinted polymer membranes. Results. The proposed sensor is based on free-standing molecularly imprinted polymer (MIP) membranes, synthesized by in situ polymerization, and having in their structure artificial binding sites capable of selective phenol recognition. The quantitative detection of phenol, selectively adsorbed by the MIP membranes, is based on its reaction with 4-aminoantipyrine, which gives a pink-colored product. The intensity of staining of the MIP membrane is proportional to phenol concentration in the analyzed sample. Phenol can be detected within the range 50 nM–10 mM with limit of detection 50 nM, which corresponds to the concentrations that have to be detected in natural and waste waters in accordance with environmental protection standards. Stability of the MIP-membrane-based sensors was assessed during 12 months storage at room temperature. Conclusions. The sensor system provides highly-selective and sensitive detection of phenol in both mo- del and real (drinking, natural, and waste) water samples. As compared to traditional methods of phenol detection, the proposed system is characterized by simplicity of operation and can be used in non-laboratory conditions.Мета. Розробка простих у використанні колориметричних сенсорних систем для швидкого і точного визначення фенолу у зразках із довкілля. Методи. Метод молекулярного імпринтингу, метод полімеризації in situ молекулярно імпринтованих полімерних (МІП) мембран. Результати. Запропонований сенсор створено на основі МІП мембран, синтезованих методом полімеризації in situ, які мають у своїй структурі штучні рецепторні сайти зв’язування фенолу. Кількісне визначення фенолу, селективно адсорбованого МІП мембранами, грунтується на детекції забарвленого у малиновий колір продукту його реакції з 4-аміноантипірином. Інтенсивність забарвлення МІП мембран є пропорційною концентрації фенолу в аналізованому зразку. Фенол детектується у діапазоні 50 нМ–10 мМ, що відповідає концентраціям, які необхідно виявляти у природних і стічних водах. Стабільність сенсорних систем на основі МІП мембран становить12 місяців за кімнатної температури. Висновки. Сенсорні системи забезпечують високоселективний і чутливий аналіз фенолу як у модельних, так і реальних зразках (питна, природна, стічна вода). Порівняно до традиційних методів визначення фенолу пропонована система є простою у використанні та може бути застосована за польових умов.Цель. Разработка простых в использовании колориметрических сенсорных систем для быстрого и точного определения фенола в образцах из окружающей среды. Методы. Метод молекулярного импринтинга, метод полимеризации in situ молекулярно импринтированных полимерных (МИП) мембран. Результаты. Предложенный сенсор создан на основе МИП мембран, синтезированных методом полимеризации in situ, имеющих в своей структуре синтетические рецепторные сайты связывания фенола. Количественное определение фенола, селективно адсорбированного МИП мембранами, основано на детекции окрашенного в малиновый цвет продукта его реакции с 4-аминоантипирином. Интенсивность окрашивания МИП мембран пропорциональна концентрации фенола в анализируемом образце. Фенол можно детектировать в пределах 50 нМ–10 мМ, что соответствует концентрациям, которые необходимо выявлять в природных и сточных водах. Стабильность сенсорных систем на основе МИП мембран составляет 12 месяцев при комнатной температуре. Выводы. Сенсорные системы обеспечивают высокоселективный и чувствительный анализ фенола как в модельных, так и реальных образцах (питьевая, природная и сточная вода). По сравнению с традиционными методами определения фенола предложенная система проста в использовании и может применяться в полевых условиях

Biosensors based on conductometric detection

The present paper is a self-review on the development of about 20 conductometric biosensors based on planar electrodes and containing different biological material (enzymes, cells, antibodies), bio-mimics or synthetic membranes, including Imprinting polymers, as a sensitive element. Highly specific, sensitive, simple, fast and cheap determination of different analytes makes them promising for needs of medicine, biotechnology, environmental control, agriculture and food industry. Non-specific interference of back-ground ions may be overcome by the differential mode of measurement, the usage of rather concentrated sample buffer and additional negatively or positively charged membranes, which decrease buffer capacity influence and extend a dynamic range of sensors response. For development of easy-to-use small conductometric immunosensors several approaches seem to be promising: i) the usage of polyaniline as electroconductive label for antibodies detection in competitive electroimmunoassay; ii) the elaboration of multilayer structures with phtalocyanine films; iii) the usage of acrylic copolymeric membranes. The advantages and disadvantages of conductometric biosensors created are discussed. For future commercialisation our effort are aimed to unite a thin-film technology with membranes deposition and to find the ways of membrane stabilisation, including bio-mimics creation, utilisation of bioaffinity polymeric membranes, imprinting polymers etc.Огляд присвячено аналізу власних робіт з розробки близько 20 кондуктометричних біосенсорів на основі планарних електродів та різноманітного біологічного матеріалу (ферменти, клітини, антитіла), синтетичних мембран як чутливих елементів. Висока селективність, чутливість, низька ціна, простота та експресність визначення різноманітних речовин роблять біосенсори необхідними для потреб медицини, біотехнологїі, екологи, сільського господарства та харчової промисловості. При аналізі реальних зразків неспецифічний вплив фонових електролітів можна суттєво зменшити завдяки використанню диференційного режиму вимірювань, більш концентрованих буферних розчинів, а також додаткових негативно чи позитивно заряджених мембран, які запобігають впливові буферної ємності та іонної сили розчинів і розширюють динамічний діапазон роботи сенсорів. Для створення мініатюрних імуносенсорів було запропоновано такі підходи: а) використання поліаніліну як електропровідної мітки при виз наче пні антитіл у конкурентному імуноаналізі: б) створення багатошарових структур з плівками фталоціаніну; в) використання акрилових сополімерних мембран. Обговорено переваги та недоліки розроблених кондуктометричних біосенсорів. Подальша комерціалізація таких приладів пов'язана з пошуком шляхів стабілізації чутливих мембран та суміщення тонкоплівкових технологій з нанесенням мембран у єдиному технологічному циклі.Обзор посвящен анализу собственных работ по разработке около 20 кондуктометрических биосенсоров на. основе планарных электродов и различного биологического материала, (ферменты, клетки, антитела) и синтетических мембран о качестве чувствительных элементов. Высокая селективность, чувствительность, дешевизна, простота и быстрота определения различных веществ делают биосенсоры необходимыми в медицине, биотехнологии, экологии, сельском хозяйстве и пищевой промышленности. При анализе реальных образцов неспецифическое влияние фоновых электролитов можно устранить благодаря использованию дифференциального режима измерений, более концентрированных буферных растворов, а также дополнительных отрицательно или положительно заряженных мембран, уменьшающих влияние буферной емкости и ионной силы растворов и расширяющих динамический диапазон работы сенсоров. Для создания миниатюрных иммуносенсоров предложены следующие подходы: а) использование полианилина как электропроводящей метки при определении антител в конкурентном иммуноанализе; б) создание многослойных структур с пленками на основе фталоцианина; в) использование акриловых со полимерных мембран. Обсуждены преимущества и недостатки разработанных кондуктометрических биосенсоров. Дальнейшая коммерциализация, таких приборов связана с поиском путей стабилизации чувствительных мембран и совмещения, тонкопленочной технологии с нанесением мембран в едином технологическом цикле

Towards the development of an integrated CE/optical biosensor.

Extending the previous preliminary study on the construction of a capillary electrophoresis (CE)/sensor for the detection of reducing analytes, we focus the interest on the simultaneous detection of redox active species, which are important indicators of the oxidative damage in tissues, of food preservation, and of pollution. The CE/sensor was built by modifying the detector-portion of the capillary with the redox-sensitive polymer polyaniline (PANI). The analyte is detected by monitoring the changes in optical absorption of the PANI film. The CE/sensor was tested, with good results, with ascorbic acid, glutathione (GSH), as well as with compounds with very close similarity (ascorbic and isoascorbic acid). The kinetics of oxidation and reduction of PANI were evaluated. Further a PANI/CE-biological sensor was developed by coupling an enzyme, glucose oxidase (GOD), to the PANI-modified portion of the capillary. The stability of the immobilized GOD and the sensitivity of the CE/biosensor were studied, by using glucose as test analyte in concentrations within the physiological range. The results indicate that the CE/biosensor had good stability (more than 75% of original activity retained after 30 operational days), manufacturing reproducibility and a sensing range convenient for monitoring physiological glucose (1-24 mm)

Development of an integrated CE/sensor for L-ascorbic acid detection.

A CE/biosensor for measuring ascorbic acid was developed by coupling a polyaniline optical sensor and capillary electrophoresis (CE). The capillary column was partially modified with a thin film of polyaniline redox sensitive material. Ascorbic acid was detected by monitoring the changes in optical absorbance occurring to the polyaniline film upon the reduction reaction. The sensor response (change in optical absorbance at 650 nm) is proportional to the concentration of ascorbic acid over a range of 2.5-250 mg/L and the response range has shown a clear dependence on the characteristics of the polymerized film. High specificity and sensitivity of the present method, low sample consumption, short times of response (ca. 2 min) and the reproducibility of the results demonstrate that the CE/polyaniline-sensor could be further employed in the study of the relation between the content of L-ascorbic acid in body fluids and clinical parameters, e.g., cell ageing

Development of a sensor prepared by entrapment of MIP particles in electrosynthesised polymer films for electrochemical detection of ephedrine

A voltammetric sensor for (−)-ephedrine has been prepared by a novel approach based on immobilisation of an imprinted polymer for ephedrine (MIPE) in an electrosynthesised polypyrrole (PPY) film. Composite films were grown potentiostatically at 1.0V vs. Pt (QRE) on a glassy carbon electrode using an unconventional “upside-down” (UD) geometry for the three-electrode cell. As a consequence, a high MIP loading was obtained, as revealed by SEM. The sensor response was evaluated, after overoxidation of PPY matrix, by cyclic voltammetry after pre-concentration in a buffered solution of analyte in 0.5–3mM concentration range. An ephedrine peak at ≈0.9V increasing with concentration and saturating at high concentrations was evident. PPY-modified electrode showed a response, which was distinctly lower than the MIP response for the same concentration of the template. The effect of potential interferences including compounds usually found in human fluids (ascorbic acid, uric acid, urea, glucose, sorbitol, glycine, dopamine) was examined

Electrochemical sensor for catechol and dopamine based on a catalytic molecularly imprinted polymer-conducting polymer hybrid recognition element

One of the difficulties with using molecularly imprinted polymers (MIPs) and other electrically insulating materials as the recognition element in electrochemical sensors is the lack of a direct path for the conduction of electrons from the active sites to the electrode. We have sought to address this problem through the preparation and characterization of novel hybrid materials combining a catalytic MIP, capable of oxidizing the template, catechol, with an electrically conducting polymer. In this way a network of gmolecular wires h assists in the conduction of electrons from the active sites within the MIP to the electrode surface. This was made possible by the design of a new monomer that combines orthogonal polymerizable functionality; comprising an aniline group and a methacrylamide. Conducting films were prepared on the surface of electrodes (Au on glass) by electropolymerization of the aniline moiety. A layer of MIP was photochemically grafted over the polyaniline, via N,N \u152- diethyldithiocarbamic acid benzyl ester (iniferter) activation of the methacrylamide groups. Detection of catechol by the hybrid-MIP sensor was found to be specific, and catechol oxidation was detected by cyclic voltammetry at the optimized operating conditions: potential range -0.6 V to +0.8 V (vs Ag/AgCl), scan rate 50 mV/s, PBS pH 7.4. The calibration curve for catechol was found to be linear to 144 \u192\ucaM, with a limit of detection of 228 nM. Catechol and dopamine were detected by the sensor, whereas analogues and potentially interfering compounds, including phenol, resorcinol, hydroquinone, serotonin, and ascorbic acid, had minimal effect (e3%) on the detection of either analyte. Nonimprinted hybrid electrodes and bare gold electrodes failed to give any response to catechol at concentrations below 0.5 mM. Finally, the catalytic properties of the sensor were characterized by chronoamperometry and were found to be consistent with Michaelis-Menten kinetics

Synthesis of biologically active molecules by imprinting polymerisation

Highly cross-linked molecularly imprinted polymers (MIPs) are synthetic materials with properties mimicking those of natural receptors. Here we describe an ability of MIP nanoparticles to manifest biological activity. Molecularly imprinted polymers were synthesised by co-polymerisation of urocanic acid, N,N’-bisacryloyl piperazine in the presence of herbicide binding D1 protein, ground and separated from the template by washing and ultrafiltration. It was demonstrated that MIP nanoparticles retained affinity to the template. Moreover, imprinted polymers were able to activate chloroplast photosystem II in in vitro experiments. This provides the first example of the use of imprinted polymers for the attenuation of a biological system and opens new possibilities for their application in pharmacology, biotechnology and medicine.Молекулярно-импринтированные полимеры (МИП) представ­ ляют собой сетчатые полимеры с высокой степенью сшива­ ния, имитирующие биологические рецепторы. В данной работе впервые продемонстрирована биологическая активность мат­ричних полимерных наночастиц. МИП получены вследствие сополимеризации урокановой кислоты и N,N'-бисакрилоил пиперазина в присутствии гербицид-связывающего белка Д1 как матричной молекулы. Далее их измельчали и с помощью ультрафильтрации выделяли фракцию матричных полимер­ных наночастиц. Показано, что такие частицы обладали аффинностью к матричным молекулам, а также способно­ стью активировать фотосистему II хлоропластов в экспери­ментах in vitro. Подобные свойства матричних полимерных наночастиц открывают широкие перспективы их использова­ ния в фармакологии, биотехнологии и медицине.Молекулярно-імпринтовані полімери (МІП) є сітчастими по­ лімерами з високим ступенем зиіивання, які імітують біо­логічні рецептори. В даній роботі вперше продемонстровано біологічну активність матричних полімерних наночастинок. МІП отримано внаслідок співполімеризації уроканової кислоти та NyN'-бісакрилоїлпіперазину за присутності гербіцид-зв'язувального білка Д1 як матричної молекули. Далі його под­ рібнювали і за допомогою ультрафільтрації виділяли фракцію матричних полімерних наночастинок. Показано, що такі час­ тинки мали афінність до матричних молекул, а також здатність активувати фотосистему II хлоропластів в експе­риментах in vitro. Подібні властивості матричних полімерних наночастинок відкривають широкі перспективі їхнього викори­стання в фармакології, біотехнології та медицині