DOI: https://doi.org/10.3390/chemosensors13010011
تاريخ النشر: 2025-01-08
المؤلف: Meltem Agar وآخرون
الموضوع الرئيسي: تطوير طرق الكيمياء التحليلية
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة عامة على البوليمرات المطبعة جزيئيًا ذات القوالب المزدوجة والمتعددة (MIPs)، التي حظيت باهتمام كبير بسبب قدرتها على الكشف عن أهداف متعددة في وقت واحد مع دقة وحساسية عالية. تحقق هذه البوليمرات ذلك من خلال إنشاء مواقع تعرف محددة لمختلف الأهداف على نفس المونومر الوظيفي. تم تطبيق التقنيات المستخدمة في الطباعة الجزيئية ذات القوالب المزدوجة/المتعددة بنجاح للكشف عن مجموعة متنوعة من الأهداف، بما في ذلك أيونات المعادن الثقيلة والفيروسات، باستخدام طرق مثل الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء (HPLC)، والكروماتوغرافيا السائلة-مطياف الكتلة (LC-MS)، ومجموعة متنوعة من الأساليب الكهروكيميائية والبصرية والبيزوالكتريك.
تؤكد المقالة بشكل خاص على تطوير أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية المستندة إلى MIPs ذات القوالب المزدوجة/المتعددة، القادرة على الكشف عن مجموعة واسعة من الأهداف من خلال الطرق الكهروكيميائية. بالإضافة إلى ذلك، تناقش الإمكانيات لهذه المستشعرات في تطبيقات الرعاية الصحية، وآفاقها التجارية، ودمجها مع الأنظمة الميكروفلويدية، مما يبرز أهميتها في الإعدادات العملية والسريرية.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الحاجة العالمية الملحة لطرق الكشف الفعالة عن مختلف المواد التي تؤثر على صحة الإنسان وسلامة البيئة، مثل العلامات الحيوية، والأدوية، والمعادن الثقيلة. تُقترح أجهزة الاستشعار الحيوية، التي تدمج محولًا مع مستقبل حيوي، كحلول مثالية بسبب طبيعتها السريعة والموثوقة والفعالة من حيث التكلفة. ومع ذلك، تواجه المستقبلات الطبيعية التقليدية مثل الأجسام المضادة قيودًا في الاستقرار والتوافق، مما يدفع لاستكشاف البوليمرات المطبعة جزيئيًا (MIPs) كبدائل قوية. يتم تصنيع MIPs من خلال عملية بسيطة تشمل تشكيل معقد المونومر الوظيفي القالب، والبلمرة، وإزالة القالب، مما ينتج مواد ذات خصوصية عالية وقابلية لإعادة الاستخدام.
تناقش الورقة مزايا وتحديات المرتبطة بـ MIPs، بما في ذلك قدرتها على تسهيل الكشف المتعدد من خلال MIPs متعددة الأهداف (MT-MIPs). يمكن لـ MT-MIPs الكشف عن أهداف متعددة في وقت واحد، مما يعزز الكفاءة ويقلل التكاليف. يتم تقييم تقنيات البلمرة المختلفة لملاءمتها بناءً على خصائص القالب، مع تفضيل التفاعلات غير التساهمية لسهولة إزالة القالب. كما تؤكد المقدمة على أهمية اختيار المكونات والأساليب المناسبة لتصنيع MIP لضمان الطباعة والكشف الفعال. يتم تسليط الضوء على التقدمات الأخيرة في طرق الكشف الكهروكيميائية لـ MT-MIPs، مما يظهر حساسيتها الفائقة مقارنة بالتقنيات التقليدية، ويضع الأساس لاستكشاف تطبيقاتها في إعدادات الرعاية الصحية وأنظمة الميكروفلويدية.
نقاش
يسلط النقاش الضوء على التقدمات في أجهزة استشعار البوليمرات المطبعة جزيئيًا (MIP) للكشف عن أهداف متنوعة، بما في ذلك الأيونات، والعلامات الحيوية، والأحماض الأمينية، والمركبات الصيدلانية. أظهرت البوليمرات المطبعة بالأيونات (IIPs) وعدًا في الكشف عن الأيونات الأساسية والسامة، مثل الكادميوم (Cd(II)) والنحاس (Cu(II))، مع حدود الكشف (LOD) أقل بكثير من الحدود الآمنة المعتمدة. على سبيل المثال، أظهر مستشعر البوليمر المطبوع بالأيونات المزدوجة حدود كشف قدرها 0.053 نانوغرام/مل للـ Cd(II) و0.035 نانوغرام/مل للـ Cu(II)، مما يبرز إمكانيته كبديل للطرق التقليدية مثل مطياف الكتلة البلازمي المقترن بالحث (ICP-MS)، الذي، على الرغم من حساسيته العالية، إلا أنه مكلف ويتطلب معدات متخصصة.
في مجال الكشف عن العلامات الحيوية، أدى تطوير أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية لمختلف علامات السرطان، مثل المستضدات الكربوهيدراتية وعلامات الأورام مثل ألفا فيتوبروتين (AFP) والمستضد السرطاني الجنيني (CEA)، إلى تحقيق حدود كشف أقل بكثير من تلك المبلغ عنها في الدراسات السابقة. على سبيل المثال، حقق مستشعر لـ AFP وCEA حدود كشف قدرها 0.3 بيكوغرام/مل و0.35 بيكوغرام/مل، على التوالي. بالإضافة إلى ذلك، تم تحقيق الكشف المتزامن عن الأحماض الأمينية، مثل حمض الأسبارتيك D وL، بحساسية مثيرة للإعجاب، حيث حقق حدود كشف قدرها 1.11 نانوغرام/مل و1.14 نانوغرام/مل، على التوالي. تؤكد هذه النتائج على تعددية وفعالية أجهزة الاستشعار المعتمدة على MIP في تطبيقات متنوعة، من مراقبة البيئة إلى التشخيصات السريرية.
DOI: https://doi.org/10.3390/chemosensors13010011
Publication Date: 2025-01-08
Author(s): Meltem Agar et al.
Primary Topic: Analytical chemistry methods development
Overview
The section provides an overview of dual- and multi-template molecularly imprinted polymers (MIPs), which have garnered significant interest due to their ability to simultaneously detect multiple targets with high selectivity and sensitivity. These polymers achieve this by creating specific recognition sites for various targets on the same functional monomer. The techniques employed in dual/multi-template molecular imprinting have been successfully applied to detect a diverse array of targets, including heavy metal ions and viruses, utilizing methods such as high-performance liquid chromatography (HPLC), liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS), and various electrochemical, optical, and piezoelectric approaches.
The article specifically emphasizes the development of electrochemical sensors based on dual/multi-template MIPs, which are capable of detecting a wide range of targets through electrochemical methods. Additionally, it discusses the potential for these sensors in point-of-care applications, their commercialization prospects, and their integration with microfluidic systems, highlighting their relevance in practical and clinical settings.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the urgent global need for effective detection methods for various substances impacting human health and environmental safety, such as biomarkers, drugs, and heavy metals. Biosensors, which integrate a transducer with a bioreceptor, are proposed as ideal solutions due to their rapid, reliable, and cost-effective nature. However, traditional natural receptors like antibodies face limitations in stability and compatibility, prompting the exploration of molecularly imprinted polymers (MIPs) as robust alternatives. MIPs are synthesized through a straightforward process involving the formation of a template-functional monomer complex, polymerization, and template removal, yielding materials with high specificity and reusability.
The paper discusses the advantages and challenges associated with MIPs, including their ability to facilitate multiplexed detection through multi-target MIPs (MT-MIPs). MT-MIPs can simultaneously detect multiple targets, enhancing efficiency and reducing costs. Various polymerization techniques are evaluated for their suitability based on template properties, with non-covalent interactions being preferred for their ease of template removal. The introduction also emphasizes the importance of selecting appropriate components and methods for MIP synthesis to ensure effective imprinting and detection. Recent advancements in electrochemical detection methods for MT-MIPs are highlighted, showcasing their superior sensitivity compared to traditional techniques, and setting the stage for further exploration of their applications in point-of-care settings and microfluidic systems.
Discussion
The discussion highlights the advancements in molecularly imprinted polymer (MIP) sensors for the detection of various targets, including ions, biomarkers, amino acids, and pharmaceutical compounds. Ion-imprinted polymers (IIPs) have shown promise in detecting essential and toxic ions, such as cadmium (Cd(II)) and copper (Cu(II)), with limits of detection (LOD) significantly lower than established safety thresholds. For instance, a dual-ion-imprinted polymer sensor demonstrated LODs of 0.053 ng/mL for Cd(II) and 0.035 ng/mL for Cu(II), showcasing its potential as an alternative to traditional methods like inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS), which, while highly sensitive, is costly and requires specialized equipment.
In the realm of biomarker detection, the development of electrochemical sensors for various cancer markers, such as carbohydrate antigens and tumor markers like alpha-fetoprotein (AFP) and carcinoembryonic antigen (CEA), has resulted in LODs that are substantially lower than those reported in previous studies. For example, a sensor for AFP and CEA achieved LODs of 0.3 pg/mL and 0.35 pg/mL, respectively. Additionally, the simultaneous detection of amino acids, such as D- and L-aspartic acid, has been accomplished with impressive sensitivity, achieving LODs of 1.11 ng/mL and 1.14 ng/mL, respectively. These findings underscore the versatility and effectiveness of MIP-based sensors in various applications, from environmental monitoring to clinical diagnostics.