‘Molecularly Imprinted Polymers’ (MIP’s) vinden toepassing bij het chromatografisch opzuiveren van onder andere mycotoxines uit complexe voedingsmatrices. Deze MIP’s kunnen nu ook als receptorlaag fungeren in lage-kost sensorsystemen. Daarbij zorgt een innovatieve warmtetransfer meting voor een snelle en gevoelige detectie van bindingen met de MIP laag.
BIOSENSOREN VOOR ‘KLEINERE’ ORGANISCHE MOLECULEN
Voor het snel screenen van de aan- of afwezigheid van specifieke biomoleculen bieden biosensoren heel wat opportuniteiten. Voor het detecteren van specifieke proteïnen (zoals bijvoorbeeld allergenen) wordt daarbij gebruik gemaakt van een biologische herkenningslaag van specifieke antilichamen. De binding van doel-proteïnen op deze antilichaamreceptorlaag zorgt voor een minieme toename in massa (gravimetrisch effect) die door de sensor uiterst gevoelig gedetecteerd kan worden via optische technieken zoals ‘surface plasmon resonance’ shift metingen. Dit principe blijkt prima te werken voor moleculen met een groot moleculair gewicht (zoals proteïnen). Voor moleculen met een lager moleculair gewicht (bv. aminozuren, mycotoxines, …) is de detectiegevoeligheid vaak onvoldoende en dienen onrechtstreekse meetbenaderingen (via competitieve antigen-antilichaam binding) toegepast te worden.
Om toch moleculen met een lager moleculair gewicht rechtstreeks te detecteren werkten onderzoekers van IMO-IMOMEC een alternatief biosensorsysteem uit waarin de sensorreceptor bestaat uit een laag van ‘Molecularly Imprinted Polymer’ (MIP) en bindingen van specifieke doelmoleculen met deze MIP laag uiterst gevoelig gedetecteerd kunnen worden via warmte transfer metingen.
INNOVATIEF SENSORPLATFORM
In het innovatieve sensorplatform worden de organische doelmoleculen die aanwezig zijn in de te analyseren oplossing specifiek gebonden met MIP partikels op de detectorlaag. MIP’s hebben een gelijkaardige selectiviteit als antilichamen en vinden typisch toepassing voor het opzuiveren van organische moleculen met affiniteitschromatografie. Mits de doelmolecule in voldoende mate en zuiver voorhanden is, kunnen MIP’s ook emakkelijk, goedkoop en onbeperkt geproduceerd worden. In vergelijking met antilichamen zijn MIP’s veel stabieler en langer houdbaar. Ze kunnen tenslotte ook meermalig gebruikt worden.
De mate waarin de MIP-laag zich met doelmoleculen ‘vult’, wordt in het sensorsysteem bepaald door meting van de thermische weerstand doorheen deze laag. Hoe meer doelmoleculen zich binden in de MIP poriën, hoe groter de warmteresistentie (Figuur 1).
Figuur 1:.Schematische voorstelling van het verschil in warmtetransfer tussen een MIP partikel zonder (links) en met (rechts) binding van doelmoleculen. Binding van doelmoleculen(blauwe bolletjes) in de MIP poriën zorgt voor een sterke reductie van de warmteflux (rode pijlen) doorheen de partikels [Bron: Peeters et al, 2013]
Het opmeten van de warmteresistentie gebeurt met een lage-kost sensorplatform dat bestaat uit twee thermokoppels en een warmte-element dat gestuurd wordt door een PID regelaar (Figuur 2).
Figuur 2: Het sensorplatform heeft een meetoppervlak van 1x1 cm2 en bestaat uit een MIP laag die aangebracht is op een koperblok dat op een constante temperatuur (T1=37,00 °C) wordt gehouden via de PID regelaar. Binding van doelmoleculen met de MIP laag doet de temperatuur in de meetoplossing (T2) dalen en de nodige warmte (Watt) om T1 constant te houden toenemen. [Bron: R. Thoelen en W. De Ceunick, persoonlijke communicatie].
DE PROEF OP DE SOM: HISTAMINE DETECTIE
De mogelijkheden van de MIP-warmtetransfer sensors voor toxine detectie en kwantificatie werd uitgetest op histamine (Figuur 3) dat scromboid, een typische vis- en zeevruchten voedselvergiftiging, veroorzaakt.
Figuur 3: Chemische structuur van histamine (links) en zijn precursor, het aminozuur histidine [Bron: Peeters et al, 2013]
De dosis-respons curve (Figuur 4) toont de specificiteit van de sensor aan: histamine wordt op een kwantificeerbare wijze gedetecteerd, terwijl het chemisch verwante histidine geen sensorsignaal geeft.
Figuur 4: Dosis-respons curve van histamine getest op een sensor met een MIP-histamine detectorlaag (zwarte vierkantjes), histidine getest op een sensor met een MIP-histamine detectorlaag (zwarte bolletjes) en histamine getest op een sensor met een NIP detectorlaag (‘non-imprinted polymeer’, open vierkantjes), [Bron: Peeters et al, 2013]
BRONNEN:
- Peeters M., Csipai P., Geerets B., Weustenraed A., Van Grinsven B., Thoelen R., Gruber J., De Ceuninck W., Cleij T.J., Troost F.J., Wagner P. (2013). Heat-transfer-based detection of L-nicotine, histamine and serotonin using molecularly imprinted polymers as biomimetic receptors. Anal. Bioanal. Chem. 405: 6453-646.
MEER INFO:
- De basis principes van competitieve ELISA
- Heat-transfer resistance based analysis bioparticles, PCT patent WO 2012/076349 A1
- Food Outbreak news: high histamine levels in tuna (22/10/2015)
- Momenteel loopt er een IOF project bij IMO-IMOMEC om de technologie van lab-schaal naar de industriële schaal te brengen. Als toepassing wordt het detecteren van antibiotica in de voedselketen daarin uitgewerkt. Industriële partners die input kunnen leveren naar de randvoorwaarden alsook geïnteresseerd zijn in de technologie kunnen contact opnemen met: ronald.thoelen@uhasselt.be
