Electrozi hibrizi serigrafiati pentru detectia si monitorizarea lipopolizaharidelor – TOXINSENS – 255PED/2020
Partenerii proiectului si institute:
Director de proiect:
CS I. Dr. Eng. Tanta-Verona IORDACHE, Lider Echipa 1 – Grupul de Materiale Polimerice Avansate si Reciclare Polimeri, Departamentul Polimeri, ICECHIM,
Coordonator:
Institutul National de Cercetare & Dezvoltare pentru Chimie si Petrochimie – ICECHIM, Bucuresti, Romania (www.icechim.ro)
Responsabil Proiect:
Profesor Dr. Ing. Catalin ZAHARIA, Director Departament Bioresurse si Stiinta Polimerilor, Facultatea de Chimie Aplicata si Stiinta Materialelor, Universitatea Politehnica Bucuresti,
Ing. Petru EPURE, Administrator EPI-SISTEM S.R.L. Brasov,
Parteneti:
Universitatea Politehnica Bucuresti, www.upb.ro
EPI-SISTEM S.R.L. Brasov, www.epi.ro
Agentii Nationale de Finantare:
Unitatea Executiva pentru Finantarea Invatamantului Superior, a Cercetarii, Dezvoltarii si Inovarii (UEFISCDI): https://www.uefiscdi.ro/
UEFISCDI contract nr.225PED/2020; UEFISCDI Buget Contract: 600 000 RON
EPI-SISTEM Brasov Romania, www.epi.ro: 36 000 RON
Durata proiectului: 24 luni (inceput: 03 august 2020)
Abstract
Proiectul TOXINSENS se referă la proiectarea unor biosenzori inovativi, versatili și reutilizabili pentru detectarea și monitorizarea rapidă, calitativă și cantitativă a lipopolizaharidelor (LPS- endotoxină derivată din bacterii Gram-negative, GNB) în diferite probe biologice, mancare sau apă. In acest sens, a fost creat un consorțiu mediu ținând cont de interdisciplinaritatea și de complexitatea proiectului, care, include Coordonatorul de Proiect-ICECHIM ce deține proprietatea intelectuala a Conceptului abordat in propunere, un partener cu facilități de ultimă generație pentru caracterizare, adică UPB și un Partener IMM-EPI SISTEM SRL, capabil să testeze prototipurile proiectului, să adsoarba know-how-ul de fabricatie și să comercializeze biosenzorii LPS rezultați. Proiectul utilizeaza următorul concept bioinspirat: Metodologia de preparare a filmelor sensibile pentru LPS-TRL 2. Conceptul a fost inițial propus de către Liderul de proiect și fost dezvoltat in cadrul Grupului de Materiale Polimerice Avansate si Reciclare Polimeri de la ICECHIM pe proiectul TE123/2018 BACTERIOSENS. Începând din acest punct, TOXINSENS vizează mai întâi actualizarea acestui concept prin adăugarea de nanoparticule electro-active in soluția precursoare de producere a filmelor. In acest fel, va fi generată o pastă hibridă electro-activă si utilizata pentru a printa filme hibride senzitive pentru LPS direct pe electrozi ceramici (TRL 3). In continuare, Electrozi Hibrizi Printați obtinuti vor fi testați în medii relevante de laborator pentru recunoasterea LPS, iar tehnologiile inovatoare vor fi astfel validate (TRL 4). Rezultatele specifice al proiectului vor conduce la atingerea mai multor indicatori pe parcursul mplementării proiectului (cel puțin 3 publicații, 3 comunicări la simpozioane sau congrese prestigioase și 1 cerere de brevet), precum și după încheierea proiectului (planuri de parcurs pentru cercetare și dezvoltare, date de performanță, cunoștințe transferabile .
Obiective
Obiectivul general al proiectului vizează utilizarea notiunilor de cercetarea fundamentală dobandite in cadrul proiectului TE123 / 2018 (care este unicul furnizor de cunoștințe disponibile în acest moment la nivel național și internațional) pentru a trece la un nivel mai ridicat de maturitatea tehnologică (demonstrator și tehnologie validată in laborator). În acest fel, capacitatea de a genera soluții validate în laborator pentru produse îmbunătățite semnificativ (adică electrozii hibrizi serigrafiati dedicati detectiei LPS), know-how (pentru pasta hibridă electro-activă dedicata detectiei LPS și pentru metodologiile de imprimare 3D ajustate) și tehnologiile de preparare (electrozii hibrizi serigrafiati pentru detectia LPS) a organizațiilor RT&D (ICECHIM și UPB) implicate va fi îmbunătățită, iar partenerul IMM (EPI SISTEM) va fi primul care va beneficia de aceste soluții.
Rezultate Estimative:
(1)Solutii percursoare ale filmelor hibride pentru LPS si metodologii de pregatire;
(2)Fisa intermediara de produs;
(3)Filme hibride pentru LPS si metodologii de pregatire;
(4)Metodologii de imprimare 3D adaptate;
(5)Raport de testare al performantei filmelor hibride pentru LPS;
(6)Fisa de produs;
(7)Prototipuri și metodologii de preparare a biosenzorului hibrid pentru LPS;
(8)Raport de testare al performanței prototipurilor de Biosensor Hibrid;
(9)Biosensor Hibrid pentru LPS;
(10)Tehnologia de laborator de preparare pentru Biosensorul Hibrid pentru LPS;
(11)Raport DEMONSTRATOR privind funcționalitatea Biosensorul Hibrid pentru LPS;
(12) 3 comunicări stiintifice in cadrul unor conferințe;
(13) Lucrări științifice, 3 lucrări ISI trimise spre publicare;
(14)Website specific al proiectului “TOXINSENS”;
(15)Cerere de brevet privind proiectarea si prepararea electrozilor hibrizi pentru LPS.
Recunoașteri:
Partenerii proiectului doresc sa multumeasca Unitatii Executive pentru Finantarea Invatamantului Superior, a Cercetarii, Dezvoltarii si Inovarii (UEFISCDI) pentru sustinerea si finantarea activitatii de cercetare din cadrul proiectului TOXISENS.
Lista de personal
Lista de personal INCDCP-ICECHIM (CO)
Lista de personal Universitatea Politehnica Bucuresti (P1)
Lista de personal EPI-SISTEM S.R.L. (P2)
ETAPA I: OBTINEREA SOLUTIILOR PRECURSOARE PENTRU PRINTAREA FILMELOR HIBRIDE
PERIOADA: 03.08-31.12.2020
OBIECTIVE
Activitatea 1.1 Prepararea solutiilor precursoare pentru filmele hibride (Responsabili: EPI SISTEM, ICECHIM)
Activitatea 1.1.1 Studii privind specificatiile necesare pentru prepararea pastei electroactive precursoare (vascozitatea si stabilitatea termica) si stabilirea unei referinte comerciale
Activitatea 1.1.2 Prepararea solutiilor precursoare pentru filmele hibride cu nanoparticule electroactive (carbon sau oxizi metalici) pentru a obtine o pasta imprimabila
Activitatea 1.2 Caracterizari fizico-chimice ale precursorilor (Responsabili:UPB, ICECHIM)
Activitatea 1.2.1 Caracterizarea morfologica si structurala a materiilor prime prin SEM/microCT, XPS/DLS si determinarea stabilitatii termice (TGA/DTG, DSC) a solutiilor precursoare
Activitatea1.2.2 Caraterizarea structurala FTIR si determinarea viscozitatii (Reometrie) solutiilor precursoareActivitatea 1.3 Comunicarea si diseminarea rezultatelor prin intermediul conferintelor nationale sau internationale si prin intermediul unor reviste nationale sau internationale indexate web of science
Activitatea 1.3.1 Activitati de comunicare si diseminare a rezultatelor
Activitatea 1.3.2 Activitati de comunicare si diseminare a rezultatelor
REZUMAT
In Etapa I/2020 Partenerul EPI-SISTEM S.R.L. prezinta sudiile privind specificatiile necesare pentru prepararea pastei electroactive precursoare (vascozitatea si stabilitatea termica) si stabilirea unei referinte comerciale. In acest sens, pentru a realiza electrozi serigrafiati in serie mica au fost
abordate 3 procedee: serigrafie clasica, printare inkjet si printare 3D. A fost realizat un model de electrod serigrafiat (masti serigrafice pe formate A5) si au fost pregatite variante de substrat cu rezistenta la temperaturi ridicate gen polyimida, Kapton, silicon armat cu fibra de sticla. A fost stabilita o referinta comerciala ce presupune specificatiile tehnice pe care trebuie sa le indeplineasca materialul electroactiv in vederea imprimarii in conditii optime a electrozilor serigrafiati pentru detectia lipolipozaharidelor.
Coordonatorul ICECHIM a preparat cu succes mai multe serii de particule polimerice imprentate molecular cu LPS și cele de control prin tehnica sol-gel, utilizandu-se mai multi stabilizatori. Solutiile recursoare pentru filmele hibride cu nanoparticule electroactive sub forma de pasta imprimabila au fost preparate utilizand in aceasta prima etapa atat particulele cat si cele imprentate cu LPS. Reteta de preparare a solutiilor precursoare este in buna concordanta cu proprietatile pe care trebuie sa le indeplineasca materialul electroactiv in vederea imprimarii acestuia pe electrozii serigrafiati de catre Partenerul EPI-SISTEM.
Coordonatorul ICECHIM impreuna cu Partenerul UPB au efectuat caracterizari fizico-chimice ale precursorilor prin analize spectroscopice FTIR, porozimetrice BET, morfologic-dimensionale DLS, termice TGA/DTG, spectrometrice UV-Vis si
determinarea viscozitatii solutiilor precursoare. Spectrele FTIR ale tuturor particulelor sintetizatecat si a solutiilor precursoare electroactive au confirmat prezenta templatului LPS in matrice, prin vibrațiile de întindere caracteristice legăturilor O-H (ν-OH) apartinand gruparilor fosfat si moleculelor de glucozamina inregistrate in regiunea 3450-3200 cm-1 (banda intensa si larga). Tehnica de difuzie dinamică a luminii (DLS) a particulelor polimerice imprentate cu LPS a relevat o polidispersitate ingusta si o distributie monomodala in intervalul 500-600 nm.
Pentru probele referinta (fara templatul LPS) s-au putut observa dispersii instabile, cu formare de agregate si cu distribuții bimodale. Izotermele de adsorbție-desorbție de N2 s-au dovedit a fi de tipul IV conform IUPAC, cu o curbă de histerezis caracteristică structurilor mezoporoase. Analiza BET a demonstrat ca atat suprafetele specifice, cat ariile suprafetei si volumele porilor ale particulelor imprentate MIP sunt semnificativ mai mari comparativ cu cele ale particulelor de control NIP. Mecanismele de descompunere termica ale polimerilor imprentaţi diferă de cele ale polimerilor neimprentaţi datorită prezenţei LPS, cu pierderi de masa mai mari in cazul MIP. Prin urmare, particulele MIP sunt putin mai stabile (datorită interacţiunilor LPS-matrice) si mai omogene decat omologii NIP. Solutiile precursoare electroactive de control si omoloage imprentate cu LPS, au prezentat o curgere pseudoplastica în domeniul de gradienti mici de forfecare (0-100 s-1) și cvasi-Newtoniană la gradienți de forfecare mai mari (100-1300 s-1). Comportamentul reologic cel mai adecvat pentru o soluție de referință in vederea imprimarii pastelor hibride pe electrozi a fost stabilit ca fiind cel cel mai aproape de Newtonian
DISEMINARE
Comunicari:
1. Elena-Bianca Stoica, Ana-Mihaela Gavrila, Andrei Sarbu, Andreea Miron, Marius Ghiurea, Bogdan Trica, Valentin Raditoiu, Razvan Botez, Iulia Elena Neblea, Tanta-Verona Iordache, Electrochemical sensor based on molecularly imprinted polymers for lipopolisaccharides detection, PRIOCHEM XVI, 28-30 Octomber 2020, Bucharest, Romania (comunicare orala).
Articole:
1. Bianca Elena Stoica, Ana-Mihaela Gavrila, Andrei Sarbu, Horia Iovu, Hugues Brisset, Andreea Miron, Tanta-Verona Iordache, Uncovering the behaviour of carbon screen printed electrodes modified with lipopolysaccharide-molecularly imprinted polymers, trimis spre publicare Electrochemistry Communication, revizie majora (IF = 4.333)
2. Ana-Mihaela Gavrila, Simona Nedelcu-Flor, Andrei Sarbu, Teodor Sandu, Andreea Olaru, Gheorghe Hubca, Dan Donescu, Tanta-Verona Iordache, Synthesis and properties of organosilica particles with quaternary ammonium bearings as bacteriostatic interfaces, trimis spre publicare U.P.B. Scientific Bulletin 2020, ISSN 1223-7027.
Pentru a sustine activitatea de diseminare a rezultatelor, Partenerul EPI SISTEM a realizat o pagina web http://www.tehnoadvice.ro/toxinsens.html unde va fi prezentat si rezumatul etapei 2020.
ETAPA II: IMPRIMAREA 3D A FILMELOR HIBRIDE SI TRANSPUNEREA LOR PE ELECTROZI SERIGRAFIATI
PERIOADA: 01.01-31.12.2021
OBIECTIVE
Activitatea 2.1 Printarea filmelor hibride prin tehnica 3D pe suport simplu de plastic sau ceramica (Responsabili: P2, CO)
Activitatea 2.1.1 Printarea filmelor pe baza de nanoparticule electroactive prin tehnica 3D pe suporturi de plastic sau ceramica (P2)
Activitatea 2.1.2 Studierea aderentei, timpului si temperaturii de maturare al filmelor hibride depuse pe suport plastic/ceramic (CO)
Activitatea 2.2 Caracterizari fizico-chimice ale filmelor hibride (Responsabili: P1, CO)
Activitatea 2.2.1 Caracterizarea morfologica (SEM/microCT), structurala (XPS, FTIR), masuratori de unghi de contact si analiza termica (TGA/DTG, DSC) a filmelor hibride (P1)
Activitatea 2.2.2 Determinarea specificitatii pentru LPS a filmelor hibride (adsorbtie statica via UV-vis) (CO)
Activitatea 2.3 Printarea filmelor hibride prin tehnica 3D pe electrozi pentru obtinerea Biosenzorilor Hibrizi (Responsabili: P2, CO)
Activitatea 2.3.1 Printarea filmelor pe baza de nanoparticule electroactive prin tehnica 3D pe electrozi (P2)
Activitatea 2.3.2 Optimizarea filmului hibrid in functie de sensibilitatea electrozilor pentru LPS (voltametrie ciclica) (CO)
Activitatea 2.4 Caracterizari fizico-chimice ale biosenzorului hibrid (Responsabili: P1, CO)
Activitatea 2.4.1 Studierea reproductibilitatii filmelor prin caracterizarea morfologica (SEM/microCT), structurala (XPS/ FTIR) si masuratori de unghi de contact a filmelor hibride depuse pe electrozi (P1)
Activitatea 2.4.2 Studierea reproductibilitatii filmelor prin masuratori de specificitate pentru LPS (voltametrie ciclica) a filmelor hibride depuse pe electrozi (CO)
Activitatea 2.5 Comunicarea si diseminarea rezultatelor prin intermediul conferintelor nationale sau internationale (Responsabili: CO, P2)
Activitatea 2.5.1 Activitati de comunicare si diseminare a rezultatelor (CO)
Activitatea 2.5.2 Activitati de comunicare si diseminare a rezultatelor (P2)
REZUMAT
In Etapa II/2021 se descrie imprimarea 3D a filmelor hibride si transpunerea lor pe electrozi serigrafiati; acest obiectiv principal cuprinde (i) Reproductibilitatea prepararii filmelor hibride continand nanoparticule electroactive cu obtinerea pastei imprimabile si caracterizari fizico-chimice (ii) Printarea filmelor hibride prin tehnica 3D pe suport simplu de plastic sau ceramica si caracterizari morfo- structurale si termice (iii) Determinarea specificitatii pentru LPS a filmelor hibride (adsorbtie statica via UV-vis) (iv) Printarea filmelor hibride prin tehnica 3D pe electrozi pentru obtinerea
Biosenzorilor Hibrizi si caracterizari fizico-chimice (v) caracterizari electrochimice ale filmelor hibride in vederea reproductibilitatii prin masuratori de specificitate pentru LPS (voltametrie ciclica) a filmelor hibride depuse pe electrozi.
Coordonatorul ICECHIM a preparat cu succes solutiile precursoare pentru filmele hibride cu nanoparticule electroactive (MIP-NPs) sub forma de
pasta imprimabila utilizand ca particule neimprentate NIP VBTAC, NIP SDS, NIP CTAB si NIP BTAC si respectiv imprentate cu LPS, MIP VBTAC, MIP SDS, MIP CTAB si MIP BTAC. Micro si nanoparticulele au fost sintetizate prin tehnica sol-gel, utilizandu-se mai multi stabilizatori: clorura de benziltrietilamoniu (BTAC), clorura de vinilbenzil-trimetilamoniu (VBTAC), bromura de cetiltrimetilamoniu (CTAB) si dodecilsulfat de sodiu (SDS). Pastele hibride electroactive au fost printate ulterior de catre Partenerul EPI-SISTEM pe suprafata electrodului de lucru a unui senzor serigrafiat (SPCE) obtinandu-se astfel senzorii hibrizi imprentati molecular cu LPS, notati MIP-NPs-SPCE.
Partenerul EPI-SISTEM S.R.L. prezinta testele privind printarea filmelor hibride prin tehnica 3D pe suport simplu de plastic. Filmele realizate de catre
ICECHIM se pot imprima in bune conditii pe diverse tipuri de substrat si isi pastreaza proprietatile electroactive dupa uscare. Imprimarea se face cu capete cu diametru interior de 0.4 mm in conditiile in care calitatea formei electrozilor se pastreaza buna. Functionalitatea de baza se pastreaza iar detectia LPS nu este influentata. Partenerul P2 a pregatit mai multe seturi de electrozi functionalizati pentru detectia LPS si anume a realizat imprimarea a 40-50 de electrozi, cate 10-15 bucati din fiecare varianta de functionalizare : MIP BTAC, MIP CTAB, NIP BTAC si NIP CTAB.
Coordonatorul ICECHIM impreuna cu Partenerul UPB au efectuat caracterizari fizico-chimice ale filmelor hibride prin analize spectroscopice FTIR, masuratori unghi de contact, porozimetrice BET, morfologic-dimensionale SEM si DLS, termice TGA/DTG, determinarea specificitatii pentru LPS a filmelor hibride prin spectroscopie UV-Vis. Microscopia electronică de baleiaj (SEM) particulelor sol-gel a dezvaluit particule sferice relativ poroase, mai putin regulate, grupate in agregate de micro/nanosfere, cu dimensiuni care variaza de la cateva sute de nanometri la cativa microni, atat pentru MIP cat si pentru NIP. Variatia unghiului de contact in functie de timp pentru pastele hibride imprentate MIP BTAC si MIP CTAB si respectiv neimprentate NIP BTAC si NIP CTAB depuse pe suportul de plastic a demonstrat caracterul hidrofil. Caracterizarea dimensionala prin analiza tehnicii de difuzie dinamică a luminii (DLS) a particulelor imprentate cu LPS MIP si respectiv neimprentate NIP a condus la dispersii relativ stabile, cu formare de agregate si cu distribuții majoritatea monomodale. Izotermele de adsorbție-desorbție de N2 ale sistemelor de particule imprentate, neimprentate si imprentate extrase s-au dovedit a fi de tipul II cu o alura tip IV conform IUPAC, cu o curbă de histerezis caracteristică structurilor mezoporoase. Mecanismele de descompunere termica ale polimerilor imprentaţi diferă de cele ale polimerilor neimprentaţi datorită prezenţei LPS, cu pierderi de masa mai mari in cazul MIP. Testele de re-adsorbție au fost realizate pentru a investiga specificitatea particulelor MIP pentru LPS prin adsorbtie statica via UV-vis. În cazul polimerilor cu CTAB si BTAC, pot fi observate cele mai ridicate valori ale adsorbţiei.
In vederea reproductibilitatii filmelor hibride, Coordonatorul ICECHIM impreuna cu Partenerul UPB au efectuat caracterizari fizico-chimice ale filmelor hibride depuse pe electrozi (biosenzori) prin analize spectroscopice FTIR, masuratori unghi de contact filme hibride, morfologice SEM ale particulelor si biosenzorilor, caracterizare reologica a pastelor hibride. Analiza FTIR a filmelor hibride depuse pe electrozi (pastele imprentate MIP si cele de referinta neimprentate NIP) au confirmat incorporarea particulelor MIP si NIP si a oxidului de zinc in matricea polimerica precum si prezenta pastei de carbon. Testarea reologica a pastelor hibride MIP CTAB/NIP CTAB, MIP SDS/NIP SDS, MIP BTAC/NIP BTAC, MIP VBTAC/NIP VBTAC si a pastei referinta a condus la un comportamentul pseudo-plastic cu tendinta de newtonian la gradienti de forfecare mai mari al pastei de referinta similar cu cel al pastelor hibride cu nanoparticule electroactive, ceea ce confirma reproductibilitatea proprietatilor optime de imprimare a acestora. Cei mai eficienti biosenzori hibrizi MIP/NIP BTAC-NPs-SPCE si MIP/NIP CTAB-NPs-SPCE au fost testati si caracterizati din punct de vedere electrochimic prin voltametrie ciclica in vederea optimizarii filmului hibrid pentru LPS. Comportamentul electrochimic al biosenzorilor MIP BTAC-NPs-SPCE si NIP BTAC-NPs-SPCE înainte şi după adăugarea LPS, a relevat ca odată cu adăugarea LPS pe suprafata electrodului de lucru functionalizat, intensitatea curentului de oxidare creste considerabil datorită unui decalaj pozitiv al potenţialului de pic anodic.
Concluzionand, biosenzorii hibrizi atat pe substrat ceramic cat si printati pe suport de plastic MIP/NIP-NPs-SPCE testati electrochimic in prezenta si absenta templatului LPS, s-au dovedit a fi reproductibili, rezultate bune fiind obtinute pentru ambele sisteme de senzori pe baza de BTAC si CTAB.
DISEMINARE
Comunicari:
1. Ana-Lorena Ciurlică, Ana-Mihaela Gavrilă, Catalin Zaharia, Ionut Cristian Radu, Bianca-Elena Stoica, Iulia Neblea, Andrei Sarbu, Horia Iovu, Tanta-Verona Iordache, Molecularly imprinted polymers for lipopolysaccharides recognition, Bucharest Polymer Conference (BPC), 2nd Edition, 9-11 June 2021, Bucharest, Romania (short oral communication)
2. Ana-Lorena NEAGU, Ana-Mihaela GAVRILA, Petru EPURE, Bianca-Elena STOICA, Iulia Elena NEBLEA, Catalin ZAHARIA, Horia IOVU, Tanta-Verona IORDACHE, Hybrid Inkjet-Pritable Paste for Screen-Printed Electrodes, Simpozion international Prioritatile Chimiei pentru o Dezvoltare Durabila PRIOCHEM – editia XVII, 27- 29 Octombrie 2021, Bucuresti, Romania (Poster)
4. Raport 1 (iunie) si 2 (decembrie) Doctorat Ana-Lorena Ciurlica (Neagu) cu titlul tezei: OBTINEREA DE SENZORI BIOMIMETICI PE BAZA DE POLIMERI
IMPRENTATI MOLECULAR. Coordonator doctorat: Prof. Dr. Ing. Horia IOVU.
Articole:
1. B.E. Stoica, A.M. Gavrila, A. Sarbu, H. Iovu, H. Brisset, A. Miron, T.V. Iordachec, Uncovering the behavior of screen-printed carbon electrodes modified with polymers molecularly imprinted with lipopolysaccharide, Electrochemistry Communications 124, 106965, 2021; https://doi.org/10.1016/j.elecom.2021.106965 Trimis 2020, Publicat 2021
2. A.M. Gavrila, S. Nedelcu-Flor, A. Sarbu, T. Sandu, A. Olaru, G. Hubca, D. Donescu, T.V. Iordachec, Synthesis and properties of organosilica particles with quaternary ammonium bearings as bacteriostatic interfaces, Scientific Bulletin of UPB Series B, vol 3, 2021, Trimis 2020, Publicat 2021
3. A.M. Gavrila , I.C. Radu, H. Stroescu, A. Zaharia, B.E. Stoica, A.L. Ciurlica, T.V. Iordachec, A. Sarbu, Role of functional monomers upon the properties of
bisphenol A molecularly imprinted silica films, Applied Sciences 2021, 11(7), 2956; https://doi.org/10.3390/app11072956 Trimis 2021, Publicat 2021
Pentru a sustine activitatea de diseminare a rezultatelor, Partenerul EPI SISTEM a realizat o pagina web http://www.tehnoadvice.ro/toxinsens.html unde va fi prezentat si rezumatul etapei 2020.
ETAPA III: – Elaborarea tehnologiei de preparare a Biosenzorului Hibrid si Demonstrarea functionalitatii
PERIOADA: 01.01-02.08.2022
OBIECTIVE
Activitatea 3.1 Elaborarea tehnologiei de preparare a Biosenzorilo Hibrizi (Responsabili: P1, P2, CO)
Activitatea 3.1.1 Reproductibilitatea metodei de preparare a solutiilor precursoare pentru filmele hibride (viscozitate, structura) si reproductibilitatea specificitatii si sensibilitatii biosenzorilor (voltametrie ciclica) (CO)
Activitatea 3.1.2 Reproductibilitate metodei de printare a filmelor pe baza de nanoparticule electroactive prin tehnica 3D pe electrozi (P2)
Activitatea 3.1.3 Reproductibilitatea caracteristicilor morfologice (SEM/microCT) si structurale (XPS/FTIR) ale biosenzorilor (P1)
Activitatea 3.2 -Demonstrarea functionalitatii Biosenzorului Hibrid (Responsabili:CO)
Activitatea 3.2.1 Stabilirea unei metode de reconditionare a biosenzorilor si demonstrarea versatilitatii biosenzorilor hibrizi pentru fragmente LPS provenite din diverse surse de bacterii patogene
Activitatea 3.3 Comunicarea si diseminarea rezultatelor prin intermediul conferintelor nationale sau internationale si a revistelor nationale sau internationale indexate web of science (Responsabili: CO, P2)
Activitatea 3.3.1 Activitati de comunicare si diseminare a rezultatelor (CO)
Activitatea 3.3.2 Activitati de comunicare si diseminare a rezultatelor (P2)
REZUMAT
Cercetarile efectuate in a III-a etapa descriu (i) reproductibilitatea metodei de preparare a solutiilor precursoare pentru filmele hibride imbunatatite cu nano oxid de zinc, (ii) reproductibilitatea specificitatii si sensibilitatii biosenzorilor prin voltametrie ciclica (CV) si voltametrie puls-diferentiala (DPV), (iii) reproductibilitatea metodei de printare a filmelor pe baza de nanoparticule electroactive prin tehnica 3D pe electrozi, (iv) reproductibilitatea caracteristicilor morfologice (SEM) si structurale (FTIR) ale biosenzorilor obtinuti, (v) Demonstrarea functionalitatii biosenzorului hibrid. pentru LPS provenite din diverse surse de bacterii patogene (E.Coli si Salmonella enterica).
Coordonatorul ICECHIM a preparat o serie de particulepolimerice imprentate molecular cu LPS (MIP CTAB) și de control neimprentate NIP (NIP CTAB) prin tehnica sol-gel, in vederea reproductibilitatii metodei de preparare a solutiilor precursoare. Acest sistem a fost selectat datorita
potentialului mai ridicat de a detecta cu sensibilitate si specificitate LPS (conform rezultatelor din Etapa II). Solutiile precursoare pentru filmele hibride cu nanoparticule electroactive sub forma de pasta hibrida au fost preparate utilizand particulele MIP/ NIP CTAB si ZnO (nano) (20% pulbere solida si 80% pasta de carbon).
EPI SISTEM a efectuat activitati legate de optimizarea filmelor hibride subtiri pe baza de cerneluri de carbon si argint utile pentru imprimarea de electrozi serigrafiati sensibili la LPS si evaluarea primara a performantelor electrochimice a electrozilor. Metoda utilizata poate fi 100% inkjet pentru serii mici de electrozi iar pentru serii medii si mari se recomanda metoda hibrida: serigrafie si ulterior inkjet.
Coordonatorul ICECHIM impreuna cu Partenerul UPB au efectuat caracterizari fizico-chimice ale filmelor hibride depuse pe electrozi (biosenzori) prin analize spectroscopice FTIR, masuratori unghi de contact, morfologice SEM ale biosenzorilor, caracterizare reologica a pastelor hibride pe baza de ZnO (nano). In principiu, analiza efectuata releva atat o imbunatatire a proprietatilor pastelor/filmelor printate, odata cu adaugarea ZnO (nano), dar si o reproductibilitate a diferentelor importante inregistrate intre pastele/ filmele cu MIP CTAB vs. NIP CTAB (dupa cum au fost inregistrate si in Etapa II).
Experimentele CV si DPV au fost efectuate pentru a studia performanta analitica si anume specificitatea si selectivitatea biosenzorilor
hibrizi cu cele mai bune rezultate ex. MIP CTAB-Nano-SPCE si NIP CTAB-Nano-SPCE fata de LPS în prezența unor specii de LPS precum LPS din E.Coli si LPS din Salmonella enterica. Biosenzorul hibrid dezvoltat a prezentat un raspuns electrochimic puternic la LPS din Pseudomonas Aeruginosa, indicand o buna specificitate a MIP CTAB-Nano-SPCE dezvoltat. Performanta biosenzorilor hibrizi a condus la obtinerea unor proprietati electrochimice excelente, ce a permis o detectie scazuta a LPS cu o limita de detectie (LOD) de doar 0,28 μg/mL pentru MIP CTAB-Nano-SPCE.
În cadrul etapei III/2022 pentru îndeplinirea livrabilelor din planul de realizare si pentru prezentarea rezultatelor obținute au fost realizate următoarele acțiuni de diseminare: 1 articol ISI publicat (2 articole in pregatire) si 2 comunicari stiintifice in cadrul unei conferinte internationale, actualizare pagina web
proiect. In cadrul proiectului de fata, etapa III/2022, a fost intocmit si sustinut 1 Raport stiintific de doctorat in cadrul unei teze de doctorat in domeniu.
Pentru a sustine activitatea de diseminare a rezultatelor, Partenerul P2 a actualizat pagina web a proiectului http://www.tehnoadvice.ro/toxinsens.html unde va fi prezentat si rezumatul etapei 2022.
DISEMINARE
Comunicari:
1. Ana-Lorena Neagu, Bianca-Elena Stoica, Ana-Mihaela Gavrila, Andreea Miron, Sorin Dolana, Andrei Sarbu, Horia Iovu, Tanta-Verona Iordache, Molecularly imprinted surfaces doped with conductive polymers for Lipopolysaccharide recognition, Applications of Chemistry in Nanosciences and Biomaterials Engineering, NanoBioMat 2022 –Summer Edition, 22-24 Iunie 2022, poster.
2.Ana-Mihaela Gavrila, Ana-Lorena Neagu, Petru Epure, Anamaria Zaharia, Catalin Zaharia, Horia Iovu, Andrei Sarbu, Bianca-Elena Stoica, Sorin-Viorel Dolana, Tanta-Verona Iordache, Molecularly Imprinted Polymers for the Detection of Different Hazardous Analytes, 22nd Romanian International Conference on Chemistry and Chemical Engineering, Sinaia, ROMANIA – September 7 – 9, 2022 (Poster acceptat)
3.Raport 3 (25 iulie 2022) Doctorat Ana-Lorena Ciurlica (Neagu) cu titlul tezei: OBTINEREA DE SENZORI BIOMIMETICI PE BAZA DE POLIMERI IMPRENTATI MOLECULAR. Coordonator doctorat: Prof. Dr. Ing. Horia IOVU.
Articole publicate:
1. Ana-Mihaela Gavrila, Elena-Bianca Stoica, Tanta-Verona Iordache and Andrei Sârbu, Modern and Dedicated Methods for Producing Molecularly Imprinted Polymer Layers in Sensing Applications, Appl. Sci. 2022, 12, 3080. https://doi.org/10.3390/app12063080
Raport final
Poluarea bacteriana a devenit una dintre problemele cruciale cu privire la siguranța alimentară, a mediului acvatic precum si a surselor de apa potabila sau menajera. Bacteriile lizează în timpul și după moarte, eliberând endotoxine din peretele celular din mediul original (apa) unde pot stationa foarte mult timp. Cele mai frecvent raportate endotoxine bacteriene care apar în apele potabile sau in mediul intraspitalicesc sunt lipopolizaharidele (LPS) produse de cianobacterii și bacterii Gram-negative precum coliformele. Pericolul pe care il prezinta aceste tipuri de endotoxine consta in rezistenta ridicata la temperatura, la agenti dezinfectanti uzuali si lumina UV. De aceea, un prim pas in preventia contaminarii mediilor cu acest tip de endotoxine, si implicit cu bacterii patogene, il reprezinta detectia lor la fata locului.
Drept urmare, proiectul 255PED/2020 TOXINSENS a fost propus in vederea dezvoltarii unor biosenzori inovativi, versatili si reutilizabili pentru detectarea si monitorizarea rapida, calitativa si cantitativa a lipopolizaharidelor (LPS- endotoxina derivata din bacterii Gram-negative, GNB) în diferite probe biologice, mancare sau apa. Un biosenzor reprezinta un dispozitiv analitic, utilizat pentru detectarea unei substanțe chimice, care combină o componentă biologică cu un detector fizico-chimic.
Figura 1. Model de electrod serigrafiat (masti serigrafice)
Figura 2. Suprafata unui electrod serigrafiat vizualizata prin microscopie electronica de baleiaj
In acest sens, proiectul a vizat urmatoarele aspecte: (i) utilizarea notiunilor de cercetarea fundamentală dobandite in proiecte anterioare pentru dezvoltarea de receptori specifici pentru LPS, (ii) optimizarea procedeelor de preparare a elementelor de recunoastere ale senzorului, continand receptori specifici pentru LPS, si (iii) stabilirea unei proceduri adecvate pentru imprimarea elementelor de recunoastere pe electrozi de plastic. Aceste demersuri s-au concretizat intr-un nou biosenzor versatil pentru detectia LPS, insotit de o tehnologie de fabricatie adusa la un nivel mai ridicat de maturitate tehnologică (tehnologie de laborator). Studiul de demonstrare al functionalitati si versatilitatii senzorului a fost realizat utilizand LPS din diverse surse patogene, precum Preudomonas Aeruginosa, Escherichia Coli si Salmonella Enterica.
