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. A quarter of a century of R&D experience

The paper is a review of the researches of Biomolecular Electronics Laboratory concerning the development of biosensors based on electrochemical transducers (amperometric and conductometric electrodes, potentiometric pH-sensitive field effect transistors) and different biorecognition molecules (enzymes, cells, antibodies), biomimics (molecularly imprinted polymers), as sensitive elements for direct analysis of substrates or inhibitory analysis of toxicants. Highly specific, sensitive, simple, fast and cheap detection of different substances renders them as promising tools for needs of health care, environmental control, biotechnology, agriculture and food industries. Diverse biosensor formats for direct determination of different analytes and inhibitory enzyme analysis of a number of toxins have been designed and developed. Improvement of their analytical characteristics may be achieved by using differential mode of measurement, negatively or positively charged additional semipermeable membranes, nanomaterials of different origin, genetically modified enzymes. These approaches have been aimed at increasing the sensitivity, selectivity and stability of the biosensors and extending their dynamic ranges. During the last 25 years more than 50 laboratory prototypes of biosensor systems based on mono- and multibiosensors for direct determination of a variety of metabolites and inhibitory analysis of different toxic substances were created. Some of them were tested in real samples analysis. The advantages and disadvantages of the biosensors developed are discussed. The possibility of their practical application is considered.Представлено огляд виконаних у лабораторії біомолекулярної электроніки досліджень в області розробки біосенсорів на основі електрохімічних перетворювачів (амперо- і кондуктометричні електроди, потеціометричні рН-чутливі польові транзистори) і різних біорозпізнавальних молекул (ферменти, клітини, антитіла), біоміміків або синтетичних мембран, включаючи матричні полімери, як чутливих елементів для прямого аналізу субстратів або інгібіторного аналізу токсинів. Завдяки високій специфічності і чутливості, простоті та низькій вартості визначення різних речовин біосенсори є перспективними приладами для потреб охорони здоров’я, контролю довкілля, біотехнології, сільського господарства і харчової промисловості. Розроблено й досліджено біосенсори для прямого визначення низки аналітів та інгібіторного аналізу різних токсичних речовин. Поліпшення їхніх аналітичних характеристик можна досягти за рахунок застосування диференційного режиму вимірювань, негативно або позитивно заряджених допоміжних напівпроникних мембран, наноматеріалів різного походження, генетично модифікованих ферментів тощо. Використання цих підходів зробить можливим підвищити чутливість, селективність і стабільність біосенсорів, а також розширити динамічний діапазон вимірювань. Упродовж останніх 25 років виготовлено більш як 50 лабораторних прототипів біосенсорних систем на основі моно- і мультибіосенсорів для прямого визначення різноманітних метаболітів та інгібіторного аналізу токсикантів. Деякі з них випробувано за умов аналізу реальних зразків. В огляді обговорено переваги і недоліки розроблених біосенсорів та розглянуто можливості їхнього практичного застосування.Представлен обзор выполненных в лаборатории биомолекулярной электроники исследований в области разработки биосенсоров на основе электрохимических преобразователей (амперо- и кондуктометрические электроды, потециометрические рН-чувствительные полевые транзисторы) и различных биораспознающих молекул (ферменты, клетки, антитела), биомимиков или синтетических мембран, в том числе матричных полимеров, в качестве чувствительных элементов для прямого анализа субстратов или ингибиторного анализа токсинов. Благодаря высокой специфичности и чувствительности, простоте и дешевизне оп- ределения различных веществ биосенсоры представляют собой перспективный инструментарий для потребностей здравоохранения, контроля окружающей среды, биотехнологии, сельского хозяйства и пищевой промышленности. Разработаны и исследованы биосенсоры для прямого определения ряда аналитов и ингибиторного ферментного анализа различных токсичных веществ. Улучшения их аналитических характеристик можно достичь за счет применения дифференциального режима измерений, негативно или позитивно заряженных дополнительных полупроницаемых мембран, наноматериалов разного происхождения, генетически модифицированных ферментов и др. Эти подходы дают возможность повысить чувствительность, селективность и стабильность биосенсоров, расширить их динамический диапазон измерений. В течение последних 25 лет изготовлено более 50 лабораторных прототипов биосенсорных систем на основе моно- и мультибиосенсоров для прямого определения разнообразных ме- таболитов и ингибиторного анализа различных токсикантов. Некоторые из них исследованы в условиях анализа реальных об- разцов. В обзоре обсуждаются достоинства и недостатки разра- ботанных биосенсоров. Рассматривается возможность их прак- тического использования

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

Biosensors. A quarter of a century of R&D experience

The paper is a review of the researches of Biomolecular Electronics Laboratory concerning the development of biosensors based on electrochemical transducers (amperometric and conductometric electrodes, potentiometric pH-sensitive field effect transistors) and different biorecognition molecules (enzymes, cells, antibodies), biomimics (molecularly imprinted polymers), as sensitive elements for direct analysis of substrates or inhibitory analysis of toxicants. Highly specific, sensitive, simple, fast and cheap detection of different substances renders them as promising tools for needs of health care, environmental control, biotechnology, agriculture and food industries. Diverse biosensor formats for direct determination of different analytes and inhibitory enzyme analysis of a number of toxins have been designed and developed. Improvement of their analytical characteristics may be achieved by using differential mode of measurement, negatively or positively charged additional semipermeable membranes, nanomaterials of different origin, genetically modified enzymes. These approaches have been aimed at increasing the sensitivity, selectivity and stability of the biosensors and extending their dynamic ranges. During the last 25 years more than 50 laboratory prototypes of biosensor systems based on mono- and multibiosensors for direct determination of a variety of metabolites and inhibitory analysis of different toxic substances were created. Some of them were tested in real samples analysis. The advantages and disadvantages of the biosensors developed are discussed. The possibility of their practical application is considered.Представлено огляд виконаних у лабораторії біомолекулярної электроніки досліджень в області розробки біосенсорів на основі електрохімічних перетворювачів (амперо- і кондуктометричні електроди, потеціометричні рН-чутливі польові транзистори) і різних біорозпізнавальних молекул (ферменти, клітини, антитіла), біоміміків або синтетичних мембран, включаючи матричні полімери, як чутливих елементів для прямого аналізу субстратів або інгібіторного аналізу токсинів. Завдяки високій специфічності і чутливості, простоті та низькій вартості визначення різних речовин біосенсори є перспективними приладами для потреб охорони здоров’я, контролю довкілля, біотехнології, сільського господарства і харчової промисловості. Розроблено й досліджено біосенсори для прямого визначення низки аналітів та інгібіторного аналізу різних токсичних речовин. Поліпшення їхніх аналітичних характеристик можна досягти за рахунок застосування диференційного режиму вимірювань, негативно або позитивно заряджених допоміжних напівпроникних мембран, наноматеріалів різного походження, генетично модифікованих ферментів тощо. Використання цих підходів зробить можливим підвищити чутливість, селективність і стабільність біосенсорів, а також розширити динамічний діапазон вимірювань. Упродовж останніх 25 років виготовлено більш як 50 лабораторних прототипів біосенсорних систем на основі моно- і мультибіосенсорів для прямого визначення різноманітних метаболітів та інгібіторного аналізу токсикантів. Деякі з них випробувано за умов аналізу реальних зразків. В огляді обговорено переваги і недоліки розроблених біосенсорів та розглянуто можливості їхнього практичного застосування.Представлен обзор выполненных в лаборатории биомолекулярной электроники исследований в области разработки биосенсоров на основе электрохимических преобразователей (амперо- и кондуктометрические электроды, потециометрические рН-чувствительные полевые транзисторы) и различных биораспознающих молекул (ферменты, клетки, антитела), биомимиков или синтетических мембран, в том числе матричных полимеров, в качестве чувствительных элементов для прямого анализа субстратов или ингибиторного анализа токсинов. Благодаря высокой специфичности и чувствительности, простоте и дешевизне оп- ределения различных веществ биосенсоры представляют собой перспективный инструментарий для потребностей здравоохранения, контроля окружающей среды, биотехнологии, сельского хозяйства и пищевой промышленности. Разработаны и исследованы биосенсоры для прямого определения ряда аналитов и ингибиторного ферментного анализа различных токсичных веществ. Улучшения их аналитических характеристик можно достичь за счет применения дифференциального режима измерений, негативно или позитивно заряженных дополнительных полупроницаемых мембран, наноматериалов разного происхождения, генетически модифицированных ферментов и др. Эти подходы дают возможность повысить чувствительность, селективность и стабильность биосенсоров, расширить их динамический диапазон измерений. В течение последних 25 лет изготовлено более 50 лабораторных прототипов биосенсорных систем на основе моно- и мультибиосенсоров для прямого определения разнообразных ме- таболитов и ингибиторного анализа различных токсикантов. Некоторые из них исследованы в условиях анализа реальных об- разцов. В обзоре обсуждаются достоинства и недостатки разра- ботанных биосенсоров. Рассматривается возможность их прак- тического использования

Synthesis and physiological activity of 2,3,6-triaryl-4-oxo (hydroxy, oximino, amino) piperidine

[No abstract available