Umeå University's logo

The demands in clinical, food, and environmental sciences are growing rapidly. Molecular imprinting technology must therefore be developed to handle increasingly complex sensing, purification, and separation tasks. The key to success in this area lies in (i) producing the materials with appropriate morphology and surface chemistry, as well as (ii) using the right tools to elucidate their binding mechanisms.

The thesis focuses on designing, manufacturing, characterizing, and evaluating monolithic scaffolds to use as molecularly imprinted polymers (MIPs) targeting hydrophilic analytes in aqueous media. 

Paper I presents the manufacturing procedure of monolithic MIP using step-growth polymerization of melamine and formaldehyde. A terminally functionalized block copolymer is synthesized and used as an imprinting template and porogen simultaneously. The use of the prepared MIP monolith in liquid chromatography-tandem mass spectroscopy, combined with multivariate data analysis and modeling, demonstrated the ability to selectively target desired analytes, in this case, phosphopeptides from a digest of twelve proteins. 

The synthesis procedure of melamine-based monolithic MIPs was further tuned to manufacture affinity materials targeted at compounds with glycan (sialyllactose) and herbicides (glyphosate) motifs. The temperature of polymerization not only influenced the binding capacity but also impacted the morphology of the monolith backbone. The cauliflower-like topology, formed by thermal polymerization, was changed to spaghetti-like features when a freeze-thaw polymerization process was used. In addition to the bound-free isotherm method for capacity evaluation, the interaction pattern and orientation of the targeted analytes with the monolithic MIPs were probed at the molecular scale by spectroscopic approaches, such as liquid phase NMR combined with solid-state STD NMR in Paper II and Paper IV, and liquid phase NMR as well as FTIR in Paper III. 

Molekylär imprinting är en teknik som fortsätter att utvecklas för att tillgodose allt mer komplexa krav inom många områden, såsom molekylärvetenskap, livsmedelsindustrin, miljöövervakning och medicin för olika syften, exempelvis provförberedelse, sensorer, samt separation och rening. Nyckeln till framgång ligger i (i) att producera material med lämplig morfologi och ytkemi samt (ii) att använda rätt verktyg för att kartlägga deras bindningsmekanismer. 

Avhandlingen beskriver strukturerade studier som utförts för att designa och testa monolitiska molekylärt imprinterade polymerer (MIPs) för bindning av hydrofila föreningar i vattenlösning. 

I Artikel I tillverkades en monolitisk MIP genom stegpolymerisation med melamin och formaldehyd som monomersystem och en in-house modifierad block sampolymer som funktionaliserats terminalt med fosfatgrupper för att fungera både som mall för imprinting av fosforylerade föreningen och som porbildningsagent vid polymerisationen. Användningen av molekylärt imprintade monoliter i vätskekromatografi med masspektrometrisk detektion, kopplat till multivariat dataanalys och modellering visade sig ha förmåga att selektivt a nrika önskade analyter, i detta fall fosforylerade peptider från ett digest av tolv olika proteiner. 

Syntesproceduren för melaminbaserade monolitiska MIPs förfinades ytterligare för att tillverka affinitetsmaterial riktade mot sialylterminerade glykaner som kan fungera som biomarkörer för cancer, samt mot herbiciden glyfosat. Polymeriseringstemperaturen påverkade inte bara de imprintade monoliternas bindningskapacitet, utan även deras morfologi. Den blomkål-liknande topologin som bildades vid termisk polymerisering, ändrades till en spagetti-liknande form när polymeriseringen ägde rum under fryspunkten för vatten, som utgjorde ett av lösningsmedlen i reaktionen. Utöver utvärdering av materialens kapacitet genom sorptionsisotermer för bundna och fria analyter, undersöktes även interaktioner mellan analyter och de imprintade monoliterna liksom orientering avde intermolekylära växelverkningarna på molekylnivå med spektroskopiska metoder, såsom NMR i vätskefas kombinerat med fast-fas STD NMR i Artikel II och Artikel IV, samt vätskefas NMR och FTIR i Artikel III. 

Nhu cầu phân tích mẫu trong các lĩnh vực khoa học lâm sàng, thực phẩm và môi trường đang gia tăng nhanh chóng. Do đó, công nghệ in dấu phân tử (molecular imprint) cần phải được nghiên cứu và phát triển để đáp ứng được yêu cầu ngày càng nghiêm ngặt và phức tạp trong quá trình tinh chế và phân tách cũng như việc ứng dụng trong cảm biến các chất phân tích. Chìa khóa của sự thành công trong lĩnh vực này dựa vào việc (i) tổng hợp các vật liệu có hình thái và tính chất hóa học bề mặt phù hợp, cũng như (ii) sử dụng các phương pháp phân tích để làm rõ cơ chế liên kết ở cấp độ phân tử.

Luận án này tập trung vào việc nghiên cứu, thiết kế, tổng hợp và đánh giá tính chất của những vật liệu nguyên khối để sử dụng làm polyme in dấu phân tử (Molecularly Imprinted Polymer, MIP) dành cho các chất phân tích ưa nước trong môi trường nước.

Bài báo I trình bày quy trình tổng hợp MIP nguyên khối sử dụng phương pháp trùng hợp từng bậc giữa melamine và formaldehyde, dùng làm vật liệu pha tĩnh trong trong cột sắc ký mao quản. Pluronics, polyme đồng trùng hợp, chứa nhóm chức phosphat ở đầu mạch đã được tổng hợp và sử dụng đồng thời làm khuôn in dấu (template) và chất tạo lỗ xốp (porogen). Cột sắc ký mao quản được kết nối với đầu dò khối phổ nhiều lần (LC-MS/MS), kết hợp với phương pháp mô hình hóa và phân tích dữ liệu đa biến, đã chứng minh được khả năng bắt giữ chọn lọc của vật liệu MIP đối các chất phân tích mong muốn, trong trường hợp này là các phosphopeptide từ hỗn hợp thủy phân của mười hai loại protein.

Quy trình tổng hợp các MIP nguyên khối chứa melamine tiếp tục được tinh chỉnh để tạo ra các pha tĩnh chọn lọc nhắm đến các hợp chất có cấu trúc đặc trưng của glycan, ví dụ sialyllactose, và thuốc diệt cỏ, ví dụ glyphosate. Nhiệt độ của phản ứng trùng hợp không chỉ ảnh hưởng đến dung lượng hấp phụ của vật liệu mà còn thay đổi hoàn toàn hình thái của polyme. Cấu trúc liên kết dạng súp lơ (cauliflower-like topology), được hình thành trong quá trình trùng hợp tại nhiệt độ cao, đã biến đổi thành cấu trúc dạng sợi (spaghetti-like topology) khi áp dụng quy trình trùng hợp tại nhiệt độ âm. Bên cạnh phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt để đánh giá dung lượng, bản chất tương tác và liên kết định hướng của các chất phân tích đối với vật chọn lọc đã được khảo sát ở cấp độ phân tử bằng các phương pháp quang phổ. Cụ thể, phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) pha lỏng kết hợp với phổ chênh lệch chuyển bão hòa (Saturation Transfer Diference) ở trạng thái rắn được sử dụng trong Bài báo II và Bài báo IV, cùng với phổ cộng hưởng từ hạt nhân pha lỏng và phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) được sử dụng trong Bài báo III.