Development of Molecular and Nanostructured Sensors for Illicit Drug Detection

Abstract

[ES] La presente tesis se centra en la síntesis, caracterización, evaluación y aplicación en ensayos de lateral-flow de sensores moleculares, así como, de distintos sistemas híbridos orgánicos-inorgánicos basados en nanopartículas de sílice mesoporosa (MSNs) capaces de producir una respuesta fluorogénica ante la presencia de estímulos exógenos específicos como serían las drogas de abuso para su detección en diferentes medios competitivos. En el primer capítulo, se establece una visión general de los tipos de drogas de abuso existentes, así como, sus principales características y la importancia del desarrollo de nuevos métodos para detectarlas. Además, se presenta una visión general del campo de la nanotecnología, y su potencial aplicación como herramientas multifuncionales en el campo de los sensores, así como, una descripción general de sistemas de detección basados en complejos de metales de transición. A continuación, en el segundo capítulo se enumeran los principales objetivos generales a conseguir durante el desarrollo de la presente tesis doctoral. En el tercer capítulo se presenta un nanodispositivo para la detección fluorimétrica del estupefaciente 25I-NBOMe en golosinas. El sistema consta de MSNs cargadas con un fluoróforo y funcionalizadas en su superficie externa con un derivado de serotonina. Finalmente, los poros son bloqueados completamente por la interacción del derivado de serotonina anclado en la superficie con el anticuerpo del receptor 5-HT2A. La respuesta obtenida con el nanosensor es muy selectiva y con límites de detección bajos. En el cuarto capítulo se llevó a cabo la preparación y caracterización de un nanosensor para la detección fluorogénica selectiva y sensible de 3,4-metilendioxipirovalerona (MDPV), comúnmente conocida como droga caníbal. El nanodispositivo está basado en MSNs cargadas con un colorante fluorescente (rodamina B), y funcionalizadas en su superficie externa con un derivado de dopamina, que interactúa específicamente con el transportador de dopamina (DAT), bloqueando los poros. En presencia de MDPV, se produce la inhibición del reconocimiento entre el derivado de dopamina y el DAT que se desprende consecuentemente de las MSNs, provocando la liberación de rodamina B y permitiendo la detección de la droga. El nanodispositivo se ha empleado para la detección de MDPV en muestras de saliva y plasma sanguíneo. El quinto capítulo muestra el diseño de una sencilla tira portátil de doble canal usando nanomateriales híbridos para la detección in situ en muestras de saliva de escopolamina y MDPV, empleando un dispositivo smartphone. El nanosensor se basa en MSNs cargadas con un colorante fluorescente (rodamina B) y con la superficie externa funcionalizada con betanecol (agonista del receptor muscarínico de acetilcolina M2/CM2 (M2-AChR)). Al añadir el receptor M2-AChR se produce el tapado de los poros debido a la interacción específica con el derivado de betanecol. En el sexto capítulo se presenta un sensor molecular para la detección de GHB en bebidas alcohólicas, basado en un complejo de Cu2+ coordinado con un ligando tetradentado y un colorante fluorescente, cumarina 343. El mecanismo de detección se basa en un ensayo de desplazamiento del indicador (IDA). Este sistema se incorporó a una tira reactiva en un ensayo de lateral-flow. Por último, en el capítulo 7 se presentan las conclusiones generales. Los estudios realizados mostraron que estas sondas proporcionan excelentes ventajas sobre las técnicas analíticas tradicionales, tales como su simplicidad química, facilidad de uso, respuestas rápidas adecuadas para la detección in situ en tiempo real haciendo que la aplicación de estos sistemas suponga un prometedor avance para la detección precoz de casos de sumisión química o de adulteración de muestras con drogas de abuso difícilmente detectables.

[CA] La present tesi se centra en la síntesi, caracterització, avaluació i aplicació en assajos tipus lateral-flow de sensors moleculars, així com, de diferents sistemes híbrids orgànics-inorgànics basats en nanopartícules de sílice mesoporosa (MSNs) capaços de produir una resposta fluorogénica davant la presència d'estímuls exògens específics com serien les drogues d'abús per a la seua detecció en diferents medis competitius. En el primer capítol, s'estableix una visió general dels tipus de drogues d'abús existents, així com, les seues principals característiques i la importància del desenvolupament de nous mètodes per a detectar-les. A més, es presenta una visió general del camp de la nanotecnologia, i la seua potencial aplicació com a eines multifuncionals en el camp dels sensors, així com, una descripció general de sistemes de detecció basats en complexos de metalls de transició. A continuació, en el segon capítol s'enumeren els principals objectius generals a aconseguir durant el desenvolupament de la present tesi doctoral. En el tercer capítol es presenta un nanodispositiu per a la detecció fluorimètrica de l'estupefaent 25I-NBOMe en llepolies. El sistema consta de MSNs carregades amb un fluorofore (rodamina B) i funcionalitzades en la seua superfície externa amb un derivat de serotonina. Finalment, els porus són bloquejats completament per la interacció del derivat de serotonina ancorat a la superfície amb l'anticòs del receptor 5-HT2A que actua com a porta molecular. La resposta obtinguda es molt selectiva i amb limits de detecció baixos. En el quart capítol es va dur a terme la preparació i caracterització d'un nanosensor híbrid orgànic-inorgànic per a la detecció fluorogénica selectiva i sensible de 3,4-metilendioxipirovalerona (MDPV), comunament coneguda com a droga caníbal. El nanodispositiu està basat en MSNs carregades amb un colorant fluorescent (rodamina B), i funcionalitzades en la seua superfície externa amb un derivat de dopamina, que interactua específicament amb el transportador de dopamina (DAT), bloquejant els porus. El nanodispositiu ha estat utilitzat amb exit per a detectar MDPV en mostres de saliva i plasma sanguini. En el cinqué capítol s'ha dissenyat una senzilla tira portàtil de doble canal usant nanomaterials híbrids per a la detecció in situ en mostres de saliva de escopolamina i MDPV. La detecció de aquestes drogues en saliva es du a terme mitjançant la utilització d'un dispositiu smartphone. El nanosensor es basa en MSNs carregades amb un colorant fluorescent (rodamina B) i amb la superfície externa functionalitzada amb un derivat de betanecol (agonista del receptor muscarínic d'acetilcolina M2/CM2 (M2-AChR)). En presencia de M2-AChR es tapen els porus a causa de la interacció específica amb el derivat de betanecol. En el sisé capítol es presenta un sensor molecular per a la detecció de GHB en begudes alcohòliques, basat en un complex de Cu2+ coordinat amb un lligand tetradentat i un colorant fluorescent, cumarina 343. El mecanisme de detecció es basa en un assaig de desplaçament de l'indicador (IDA). Aquest sistema es va incorporar a una tira reactiva en un assaig lateral-flow. Finalment, en el capítol setè es presenten les conclusions generals. Els estudis realitzats van mostrar que aquestes sondes (que poden ser simples molècules o sistemes més sofisticats que involucren biomolècules en materials híbrids orgànic-inorgànics) proporcionen excel·lents avantatges sobre les tècniques analítiques tradicionals, com son la seua simplicitat química, facilitat d'ús, respostes ràpides i adequades per a la detecció in situ en temps real fent que l'aplicació d'aquests sistemes supose un prometedor avanç per a la detecció precoç de casos de submissió química o d'adulteració de mostres amb drogues d'abús difícilment detectables.

[EN] This PhD thesis focus on the synthesis, characterisation, evaluation and application in lateral-flow assays of molecular sensors, as well as different hybrid organic-inorganic systems based on mesoporous silica nanoparticles (MSNs) able to generate a fluorogenic response in the presence of specific exogenous stimuli such as abuse drugs for their detection in different competitive environments. In the first chapter, an overview about the different types of abuse drugs is given, as well as their main characteristics and the importance of new detection methods. In addition, a general view relate to metal complexes as sensor and nanotechnology is presented, and their potential application as multifunctional tools in the field of sensors. Then, the second chapter describes the main general objectives to be achieved during the development of this PhD thesis. The third chapter presents a nanodevice for the fluorimetric detection of 25I-NBOMe in candies. The system consists of MSNs loaded with a fluorophore (rhodamine B) and functionalised on their external surface with a serotonin derivative. Finally, the pores are completely capped by the interaction of the surface-anchored serotonin derivative with the 5-HT2A receptor antibody acting as a molecular gate. The response obtained with the nanosensor is quite selective and with low detection limits. In the fourth chapter, the preparation, and characterisation of a hybrid organic-inorganic nanosensor for the highly selective and sensitive fluorogenic detection of 3,4-methylenedioxypyrovalerone (MDPV), commonly known as cannibal drug, was carried out. The nanodevice is based on MSNs loaded with a fluorescent reporter (rhodamine B) and functionalised on their outer surface with a dopamine derivative, which specifically interacts with the dopamine transporter (DAT), capping the pores. The nanosensor was successfully used for MDPV detection in saliva and blood plasma samples. In the fifth chapter, a straightforward portable dual-track strip using nanomaterials has been designed for in situ in saliva samples and simultaneous detection of scopolamine and MDPV. Detection of both drugs in saliva samples was achieved by quantifying the released dye using a smartphone device. The nanosensor for MDPV detection is based on MSNs loaded with a fluorescent dye (rhodamine B) and a bethanechol derivative (an agonist of the muscarinic acetylcholine receptor M2/CM2 (M2-AChR)) grafted onto the external surface of the nanoparticles. Pores were capped after addition of M2-AChR due to its preferential coordination with the grafted bethanechol. The sixth chapter presents a molecular sensor for the GHB detection in alcoholic beverages, based on a Cu2+ complex coordinated with a tetradentate ligand and a fluorescent dye, coumarin 343. The detection mechanism is based on an indicator displacement assay (IDA). This system was incorporated into a test strip in a lateral-flow assay. Finally, general conclusions are presented in chapter seven. The studies performed showed that these probes (which can be from simple molecules to more sophisticated systems involving biomolecules in organic-inorganic hybrid materials) provide excellent advantages over traditional analytical techniques, such as their chemical simplicity, ease of use, rapid responses suitable for real-time in situ detection whereby the application of these systems is a promising advance for the early detection of chemical submission cases or adulteration of samples with hardly detectable abuse drugs.