Μελέτη της μοριακής αποτύπωσης πολυμερών για αναλυτικές εφαρμογές

Abstract

The aim of the present study is the development of molecularly imprinted micro- and nanoparticles for the selective recognition and separation of drugs (e.g., theophylline), biomolecules (e.g., amino acid derivatives and oligo-homo-peptides) and pesticides (e.g., triazines). All of the selected template molecules possess functional groups able to form non-covalent interactions with the functional monomers, while their physical properties and especially their solubility promote their successful handling as template molecules during the synthesis procedure. For the synthesis of the molecularly imprinted micro- and nanoparticles (MIPs) three different polymerization techniques, including precipitation, suspension and miniemulsion polymerization, were utilized. Initially, the effect of the various process parameters (e.g., type of functional monomer, cross-linker, porogen, stabilizer, etc) on the particle size distribution and the particle morphology of the produced polymers was studied aiming to the synthesis of molecularly imprinted polymeric nano- and microparticles combining optimized physical properties (size, porosity, etc) and high selectivity towards the template molecule. In all cases, the produced MIP particles are characterized by high surface area either due to their small size or due to their high porosity. In particular, the mean particle size of the polymeric particles produced by precipitation polymerization varies from 0.25 to 4μm, depending on the functional monomer, the cross-linker and the solvent type. The particles produced by miniemulsion polymerization appear a mean diameter equal to approximately 100nm and, consequently, a high specific surface area (i.e., 50m²/g). In case of suspension polymerization, polymeric microparticles with a mean particle size in the range of 90 to 150μm and a significantly high specific surface area (up to 450m²/g) were produced due to the presence of a porogen into the monomer phase. In all cases, the resulted molecularly imprinted nano- and microparticles are characterized by a high rebinding capacity towards the template molecule mainly due to their high specific surface area. Apart from the control of the physical properties of MIPs, an extra effort has been placed on the synthesis of molecularly imprinted polymers towards biomolecules and more specifically oligo-homo-peptides, such as the tripeptide of tryptophan, through precipitation and suspension polymerization. In case of precipitation polymerization, molecularly imprinted particles with a mean particle size approximately 1μm were produced, while suspension polymerization resulted in the formation of microparticles with a mean particle size approximately 100μm. Due to the limited availability of the specific peptide, the synthesis of MIPs was initially studied towards the corresponding amino acid (i.e., tryptophan). Then, the synthesis protocol was adapted to the synthesis of MIPs towards the peptide and it was found that MIPs adsorbed more peptide than NIPs. Moreover, a comparative analysis was performed and it was shown that MIPs’ binding towards the template molecule was higher than the binding towards other tripeptides. Additionally, MIPs produced by precipitation polymerization were incorporated into poly(vinyl alcohol) and alginate beads and, also, into hybrid ceramic filters. The main target was the development of composite materials that could be used in analytical applications for the packing of HPLC and SPE columns and moreover in separation processes (i.e., removal of polluting agents from water), since it is well known that particles with size smaller than 5μm can lead to extremely high pressure drop that hinder the operation of such continuous processes. More specifically, it was proved that in case of the composite alginate beads the impregnated MIPs preserve their selectivity and, thus, enable their use in analytical applications. On the contrary, the morphology of the composite poly(vinyl alcohol) beads restrains the binding properties of the impregnated MIPs, while the binding efficiency of the hybrid ceramic filters is reduced promptly, thus proving the necessity of further experimental study. Finally, the MIP microparticles produced by suspension polymerization were utilized as packing material in HPLC columns and the results showed that the use of polymers with a wider particle size distribution can lead to better resolution due to the longer retention time of the analyte.

Αντικείμενο μελέτης της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η σύνθεση μοριακά αποτυπωμένων πολυμερικών μικρο- και νανοσωματιδίων για την επιλεκτική δέσμευση μορίων που ανήκουν στην κατηγορία των φαρμάκων (π.χ. θεοφυλλίνη), των βιομορίων (π.χ. παράγωγα της φαινυλαλανίνης και της τρυπτοφάνης και του τριπεπτιδίου τρυπτοφάνης) καθώς, επίσης, και των παρασιτοκτόνων (π.χ. τριαζίνες). Τα μόρια αυτά αν και ανήκουν σε διαφορετικές κατηγορίες ουσιών φέρουν στο μόριο τους χαρακτηριστικές ομάδες που τις καθιστούν ικανές να αναπτύξουν μη-ομοιοπολικούς δεσμούς κατά τη σύνθεση μοριακά αποτυπωμένων πολυμερών ενώ οι φυσικές τους ιδιότητες, και κυρίως η διαλυτότητα που εμφανίζουν στους οργανικούς διαλύτες, επιτρέπει τη σχεδόν κοινή αντιμετώπιση τους σαν μια ενιαία ομάδα μορίων προς αποτύπωση. Για τη σύνθεση μοριακά αποτυπωμένων πολυμερικών μικρο- και νανοσωματιδίων, χρησιμοποιήθηκαν τρεις διαφορετικές τεχνικές πολυμερισμού, ο πολυμερισμός καθίζησης, αιωρήματος και μινι-γαλακτώματος. Στόχος ήταν να μελετηθεί η επίδραση των παραμέτρων της αντίδρασης πολυμερισμού (π.χ. είδος μονομερούς, μέσου δικτύωσης, τύπος διαλύτη, σταθεροποιητών, κ.α.) στο μέγεθος και στη μορφολογία των παραγόμενων σωματιδίων, ώστε να παρασκευαστούν βελτιστοποιημένα μοριακά αποτυπωμένα πολυμερή σε ότι αφορά τόσο τις φυσικές τους ιδιότητες (μέγεθος, ειδική επιφάνεια, κτλ.) όσο και την ικανότητα επιλεκτικής αναγνώρισης του μορίου αποτύπωσης. Συγκεκριμένα, παρασκευάστηκαν σωματίδια που διακρίνονται, ανάλογα με το είδος του πολυμερισμού, από μεγάλη ειδική επιφάνεια είτε λόγω του μικρού μεγέθους τους είτε λόγω της ιδιαίτερα πορώδους δομής τους. Πιο συγκεκριμένα, κατά τον πολυμερισμό καθίζησης παρασκευάστηκαν σωματίδια με μέση διάμετρο που κυμαίνεται από 0,25-4μm, ανάλογα με το είδος του λειτουργικού μονομερούς, το μέσο δικτύωσης και το διαλύτη, ενώ με τον πολυμερισμό μινι-γαλακτώματος το μέγεθος μειώθηκε στα 100nm με αποτέλεσμα να αυξηθεί σημαντικά η ειδική επιφάνεια (περίπου στα 50m²/g). Αντίθετα, στην περίπτωση του πολυμερισμού αιωρήματος καθοριστικός παράγοντας για την αύξηση της ειδικής επιφάνειας ήταν η παρουσία ενός πορογενούς μέσου στη φάση των μονομερών, γεγονός που οδήγησε σε αύξηση της ειδικής επιφάνειας (μέχρι και 460m²/g) παρά το σχετικά μεγάλο μέγεθος των παραγόμενων σωματιδίων (η μέση διάμετρος κυμαινόταν μεταξύ των τιμών 90-150μm). Λόγω των απόλυτα ελεγχόμενων συνθηκών παρασκευής των πολυμερικών μικρο- και νανοσωματιδίων με τις τρεις τεχνικές πολυμερισμού και της εξαιρετικά μεγάλης ειδικής τους επιφάνειας τα μοριακά αποτυπωμένα πολυμερή διακρίνονται από ιδιαίτερα υψηλή απόδοση σε ότι αφορά την ικανότητα της επαναδέσμευσης του μορίου αποτύπωσης. Ένα επίσης σημαντικό εγχείρημα ήταν η σύνθεση μοριακά αποτυπωμένων πολυμερών ως προς βιομόρια και συγκεκριμένα ολιγο-ομο-πεπτίδια (τριπεπτίδιο τρυπτοφάνης) με την τεχνική τόσο του πολυμερισμού καθίζησης για την παρασκευή σωματιδίων με μέσο μέγεθος της τάξης του 1μm όσο και με του πολυμερισμού αιωρήματος για την παρασκευή σωματιδίων με μέσο μέγεθος της τάξης των 100μm. Λόγω της εξαιρετικά μικρής διαθέσιμης ποσότητας του συγκεκριμένου πεπτιδίου, αρχικά, μελετήθηκε η σύνθεση μοριακά αποτυπωμένων πολυμερών ως προς το αντίστοιχο αμινοξύ (τρυπτοφάνη) και στη συνέχεια το πρωτόκολλο παρασκευής τροποποιήθηκε για τη σύνθεση των μοριακά αποτυπωμένων πολυμερών ως προς το πεπτίδιο. Από την επεξεργασία των αποτελεσμάτων προέκυψε ότι τα μοριακά αποτυπωμένα πολυμερή έχουν την ικανότητα να δεσμεύουν επιλεκτικά το πεπτίδιο που χρησιμοποιείται ως μόριο αποτύπωσης έναντι άλλων, και να επαναδεσμεύουν το μόριο αποτύπωσης σε μεγαλύτερο βαθμό από ότι τα πολυμερή αναφοράς. Επίσης, το μικρό μέγεθος των παραγόμενων μοριακά αποτυπωμένων πολυμερών με την τεχνική του πολυμερισμού καθίζησης αξιοποιήθηκε για την παρασκευή σύνθετων σωματιδίων πολυβινυλικής αλκοόλης και σωματιδίων αλγινικού καθώς και υβριδικών κεραμικών φίλτρων. Στόχος ήταν να αναπτυχθούν υλικά τα οποία καθιστούν τα μοριακά αποτυπωμένα πολυμερή πιο «εύχρηστα» σε αναλυτικές εφαρμογές, όπως είναι η πλήρωση στηλών υγρής χρωματογραφίας υψηλής απόδοσης (HPLC) και εκχύλισης στερεής φάσης (SPE), ή ακόμη σε διεργασίες μεγαλύτερης δυναμικότητας για την απομάκρυνση ρυπαντών (π.χ. για τον καθαρισμό νερού) καθώς είναι γνωστό ότι σωματίδια της τάξης μεγέθους μικρότερης των 5μm μπορούν να οδηγήσουν σε υψηλές πτώσεις πίεσης που δυσχεραίνουν τη λειτουργία του συστήματος. Από την εκτίμηση των ιδιοτήτων των εν λόγω σύνθετων υλικών προκύπτει ότι στην περίπτωση των σωματιδίων αλγινικού τα μοριακά αποτυπωμένα πολυμερή διατηρούν την επιλεκτική τους ικανότητα γεγονός που τα καθιστά εφαρμόσιμα σε αναλυτικές χρήσεις. Σε ότι αφορά τα σύνθετα σωματίδια πολυβινυλικής αλκοόλης και των υβριδικών κεραμικών φίλτρων απαιτείται περαιτέρω μελέτη του συστήματος για τη παραγωγή βελτιστοποιημένων υλικών καθώς παρατηρήθηκε ότι στην πρώτη περίπτωση η μορφολογία των σύνθετων σωματιδίων δεν επιτρέπει τη διατήρηση της προσροφητικής ικανότητας των μοριακά αποτυπωμένων σωματιδίων ενώ στην περίπτωση των κεραμικών φίλτρων το σύστημα χάνει σχετικά γρήγορα την απόδοσή του. Τέλος, τα σωματίδια που παρασκευάστηκαν με την τεχνική του πολυμερισμού αιωρήματος εφαρμόστηκαν ως πληρωτικά υλικά σε στήλες υγρής χρωματογραφίας. Από την ανάλυση προέκυψε ότι η χρησιμοποίηση σωματιδίων με ευρεία κατανομή μεγέθους μπορεί να οδηγήσει σε υψηλούς χρόνους έκλουσης της υπό ανάλυσης ουσίας, ώστε να αυξηθεί ο χρόνος αλληλεπίδρασης του πληρωτικού υλικού με την υπό ανάλυση ουσία και να επιτευχθεί καλύτερη διαχωριστική ικανότητα.