Development of innovative sensing approaches based on natural compounds using cellulose substrates combined with optical detection

Abstract

The analytical methodologies used for the determination of contaminants commonly require advanced analytical instrumentation, which hinders their application in on-site analysis. The development of miniaturized instrumental systems allows decentralized analysis, although it is necessary to develop preconcentration and selective detection strategies that allow the unequivocal determination of compounds of interest at low concentration levels. In addition, the combination of widely deployed electronic devices, such as smartphones, tablets, scanners or webcams, with image processing software offers new opportunities for chemical analysis. However, these systems generally show low sensitivity and selectivity. Therefore, it would be highly desirable to develop sensitive and selective methods involving portable detection systems and, especially, high-implementation electronic devices for on-site quantitative analysis with minimal consumption of chemical reagents. In this regard, a number of optically active molecular compounds derived from natural compounds, are highly promising for non-instrumental optical detection. The present PhD research project is focused on the development of new optical sensors for the monitoring of various environmental pollutants. The general objectives are the design of new miniaturized analytical systems for the ultrasensitive detection of analytes of environmental interest. Implementation of optically active materials in micro-separation systems. Preliminary evaluation of the potential of these systems. Use of miniaturized instrumental optical techniques (UV-vis spectrophotometry and fluorospectrometry). Combination of miniaturized analytical systems with digitization and image processing systems for non-conventional optical detection. Study of the recognition mechanism of analytes of interest by means of instrumental characterization techniques and computational studies. Development of novel, rapid, sensitive and selective analytical methodologies with potential for on-site analysis.

Las metodologías analíticas empleadas para la determinación de contaminantes requieren, comúnmente, instrumentación analítica avanzada, lo cual dificulta enormemente su aplicación en análisis on site. El desarrollo de sistemas instrumentales miniaturizados permite realizar análisis descentralizados, si bien es necesario desarrollar estrategias de preconcentración y detección selectiva que permitan efectuar la determinación inequívoca de compuestos de interés a bajos niveles de concentración. Además, la combinación de dispositivos electrónicos de amplia implantación, tales como teléfonos inteligentes, tabletas, escáneres o webcams, con programas informáticos de procesamiento de imágenes ofrece nuevas oportunidades para efectuar análisis químicos. Sin embargo, estos sistemas muestran generalmente una baja sensibilidad y selectividad. Sería altamente deseable, por tanto, el desarrollo de métodos sensibles y selectivos que involucren sistemas de detección portátiles y, especialmente, dispositivos electrónicos de alta implantación para el análisis cuantitativo on site de contaminantes con un consumo mínimo de reactivos químicos. En este sentido, una serie de materiales ópticamente activos, tales como compuestos moleculares derivados de compuestos naturales, son altamente prometedores para la detección óptica no instrumental. El presente proyecto de tesis está enfocado al desarrollo de nuevos sensores ópticos para el control de diversos contaminantes medioambientales. Los objetivos generales son el diseño de nuevos sistemas analíticos miniaturizados para la detección ultrasensible de analitos de interés medioambiental. Implementación de materiales ópticamente activos en sistemas de microseparación. Evaluación preliminar del potencial de dichos sistemas. Empleo de técnicas ópticas instrumentales (espectrofotometría y fluorospectrometría) de microvolúmenes. Combinación de sistemas analíticos miniaturizados con sistemas de digitalización y procesamiento de imágenes para detección óptica no convencional. Estudio del mecanismo de reconocimiento de analitos de interés mediante técnicas de caracterización instrumentales y estudios computacionales. Desarrollo de metodologías analíticas novedosas, rápidas, sensibles y selectivas con potencial de análisis on site.

As metodoloxías analíticas empregadas para a determinación de contaminantes requiren, comunmente, instrumentación analítica avanzada, o cal dificulta enormemente a súa aplicación en análises on site. O desenvolvemento de sistemas instrumentais miniaturizados permite realizar análises descentralizados, se ben é necesario desenvolver estratexias de preconcentración e detección selectiva que permitan efectuar a determinación inequívoca de compostos de interese a baixos niveis de concentración. Ademais, a combinación de dispositivos electrónicos de ampla implantación, tales como teléfonos intelixentes, tabletas, escáneres ou webcams, con programas informáticos de procesamento de imaxes ofrece novas oportunidades para efectuar análises químicos. Sen embargo, estes sistemas mostran xeralmente unha baixa sensibilidade e selectividade. Sería altamente desexable, polo tanto, o desenvolvemento de métodos sensibles e selectivos que involucren sistemas de detección portátiles e, especialmente, dispositivos electrónicos de alta implementación para o análise cuantitativo on site de contaminantes cun consumo mínimo de reactivos químicos. Neste sentido, unha serie de materiais ópticamente activos, tales como compostos moleculares derivados de compostos naturais, son altamente prometedores para a detección óptica non instrumental. O presente proxecto de tese está enfocado ó desenvolvemento de novos sensores ópticos para o control de diversos contaminantes medioambientais. Os obxectivos xerais son o deseño de novos sistemas analíticos miniaturizados para a detección ultrasensible de analitos de interese medioambiental. Implementación de materiais ópticamente activos en sistemas de microseparación. Avaliación preliminar do potencial de ditos sistemas. Emprego de técnicas ópticas instrumentais (espectrofotometría e fluorospectrometría) de microvolumes. Combinación de sistemas analíticos miniaturizados con sistemas de dixitalización e procesamento de imaxes para detección óptica non convencional. Estudo do mecanismo de recoñecemento de analitos de interese mediante técnicas de caracterización instrumentais e estudos computacionales. Desenvolvemento de metodoloxías analíticas novedosas, rápidas, sensibles e selectivas con potencial de análisis on site.