Aplicació de polímers sulfonats per a la construcció d’elèctrodes selectius d’ions i biosensors potenciomètrics

Abstract

En els últims anys, el camp dels sensors i bionsensors ha experimentat un desenvolupament exponencial degut a una combinació de diferents factors. Per una banda, existeixen noves tècniques per a la construcció de microdispositius, i per altra, a les bones característiques intrínseques que aquests dispositius presenten, com son la robustesa, la selectivitat, el baix cost i la rapidesa de resposta. Aquestes característiques els fan molt adequats per a la monitorització de molts paràmetres en camps tan diversos com el mediambiental, el mèdic, l’industrial, etc. Els elèctrodes selectius d’ions (ESIs) són sensors electroquímics que, degut al potencial electrostàtic de la seva membrana quan aquesta està en contacte amb una solució, permeten analitzar quantitativament l’analit al que és selectiva aquesta membrana. La selectivitat ve conferida per una espècie química (ionòfor) que interacciona de forma selectiva amb l’analit a determinar. La consistència física de la membrana, factor que defineix la viabilitat pràctica del sensor, ve determinada pel material emprat en la construcció d’aquesta, habitualment un polímer. Fins al moment, el material polimèric més emprat en la construcció d’ESIs de membrana de portador mòbil ha estat el policlorur de vinil (PVC). Una de les limitacions d’aquest polímer és que la incorporació de material biològic per a la construcció de biosensors no és fàcil degut a l’ús de dissolvents orgànics (normalment tetrahidrofurà). Les proteïnes (enzimes, anticossos) no es dissolen bé en aquests dissolvents, i se n’alteren les propietats, fet que dificulta abastament l’ús del PVC per a la construcció d’aquest tipus de dispositius. En el treball d’investigació presentat en aquesta tesi, s’estudien polímers alternatius al PVC per a la construcció de quimiosensors i biosensors potenciomètrics. Concretament, polímers amb sofre com la polisulfona i la poli(èterètercetona) sulfonada (SPEEK) que, per les seves característiques, s’han considerat que poden ser bons candidats alternatius. S’ha decidit estudiar el SPEEK perquè és un material que, a més de presentar bones característiques físiques per a la construcció de membranes potenciomètriques, té grups amb càrrega negativa que probablement afectaran la resposta del sensor. Així, s’han construït elèctrodes per a un catió (amoni) i per a un anió (nitrat). En tots dos casos la resposta ha estat raonablement correcta, però especialment positiva per a l’ió nitrat ja que la repulsió electrostàtica provocada pels grups sulfònics del polímer ha reduït l’efecte interferent dels anions estudiats. També s’ha estudiat la polisulfona que, a més de subministrar bones membranes potenciomètriques amb ionòfors convencionals per als quimiosensors, permet incorporar material d’origen biològic en l’etapa final de preparació de les membranes mitjançant el procés de precipitació del polímer per inversió de fase des d’una solució aquosa on es troben les biomolècules. D’aquesta manera no en surten malmeses i, per tant, mantenen la seva activitat. Aquesta tècnica no és viable amb el PVC i representa una gran millora en la construcció de biomembranes potenciomètriques. Com a analit model a l’hora de fabricar un quimiosensor per a anions s’ha escollit el nitrat i com a analit model per als cations, el dial.lil dimetil amoni (DADMAC). Aquest últim es va seleccionar per un requeriment d’una empresa química per a una aplicació industrial. Concretament, es volia desenvolupar un sensor per a la determinació de la concentració residual d'aquest monòmer en reaccions industrials de polímers carregats en solució. Finalment, per la major robustesa i temps de vida del ESI amb matriu de PVC, aquest és el que finalment s’ha aplicat en planta. S’han desenvolupat biosensors potenciomètrics amb membranes de polisulfona on s’han incorporat proteïnes dins la membrana polimèrica. Les proteïnes seleccionades són metal·lotioneïnes que són presents a tots els éssers vius i que presenten una elevada capacitat complexant d’ions metàl·lics. Així, per una banda s’han estudiat aquestes metal·lotioneïnes com a ionòfors, i s’ha desenvolupat un elèctrode selectiu de plata per demostrar-ne la viabilitat. Per altra banda, també s’ha construït un biosensor on aquestes proteïnes fan el paper d’agents reconeixedors de les pròpies proteïnes. Aquest darrer estudi obre una nova via pel que fa al disseny de biomembranes potenciomètriques compactes que permetrà desenvolupar sensors potenciomètrics capaços de reconèixer biomolècules carregades sense cap reacció bioquímica.

Over the last years, the field of sensors and biosensors experimented an exponential development due to the combination of several factors. On the one hand, new manufacturing technologies for microdevices have appeared and, on the other hand, the intrinsic characteristics of sensors and biosensors such as robustness, selectivity, low cost and quick response have boosted their development. These characteristics make sensors and biosensors suitable for a wide range of fields such as, inter alia, environmental, medical or industrial. Ions selective electrodes (ISEs) are electrochemical sensors, which by reason of the membrane electrostatic potential when it contacts with the solution, allow the quantitative analysis of an analyte for which the membrane is selective. This selectivity is conferred by a chemical species (ionophore) which interacts selectively with the analyte. The membrane physical consistency, which is the key factor that determines the practical viability of the sensor, is determined by the material used for its construction, usually a polymer. Up to now, polyvinyl chloride (PVC) has been the most common polymeric material used for the construction of ISE membranes of the mobile carrier type. However, one of the limitations of this polymer is the difficulty to incorporate biologic material to generate biosensors. This is due to the use of organic dissolvent - usually tetrahydrofuran. Proteins, enzymes and antibodies, do not solve properly in those organic solvents and they also suffer alterations on their characteristics. Thus, the use of PVC for such devices is not feasible. The research performed for this Ph.D. thesis is aimed at identifying alternative polymers to PVC in order to create potentiometric biosensors and quimiosensors. In particular, the thesis studies polymers containing sulfur such as polysulfone (PS) and sulfonated poly (ether ether ketone) (SPEEK) since both offer appropriate characteristics to achieve this purpose. SPEEK has been chosen – besides its good physical characteristics for potentiometric membranes- because it bears negatively charged groups, which are likely to influence on the response of the sensor. Two different paradigmatic electrodes have been built: one for a cationic analyte (amonium) and one an anionic analyte (nitrate). In both cases the results have achieved reasonably satisfactory results, especially for the anion-ISE since the electrostatic repulsion due to the sulfonic groups of the polymer reduces the interference effects. Polysulfone has also been tested as a potential candidate for making ISEs. Along with its suitability to construct potentiometric membranes with conventional ionophore for quimiosensors as carriers, this polymer also allows the incorporation of biological material in the final stage by precipitating the polymer through an inversion phase process. This process precipitates the polymer in an aqueous solution containing the desired biomolecules. By these means, biomolecules do not suffer any alteration and do maintain their biochemical activity. This option is not feasible with PVC and represents a great improvement in the construction of potentiometric membranes. Nitrate was chosen as a model analyte for making an anion quimiosensor whereas diallyldimethylammonium (DADMAC) was selected for the cation one. The latter compound was chosen following the requirement of a chemical company to conduct industrial applications, in particular for the determination of residual concentration of this monomer in industrial reactions. Following the analysis, in this case an electrode made with PVC was made on the basis of its robustness and improved life span, properties which are crucial for industrial purposes. Potentiometric biosensors have also been developed using polysulfone as matrix by studying the incorporation of proteins inside the polymeric membrane. The proteins of choice were metallothioneins, a group of proteins that can be found in every living being and which show a high affinity for metallic ions. Accordingly, a silver selective electrode was developed first to prove the feasibility of this strategy and, secondly, a biosensor was made where the metallothioneins act as detecting agent for proteins of the same family. This study provides new opportunities to design compact potentiometric biosensors since it would allow the recognition and quantification of charged biomolecules without any biochemical reaction.