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

摘要

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.