Polimer poluje na nikotynę

Nowo skonstruowany polimer, wyposażony w molekularne kleszcze o starannie dobranej strukturze, efektywnie wychwytuje cząsteczki nikotyny i jej pochodnych. Osiągnięcie można wykorzystać do budowy czułych i selektywnych detektorów wykrywających nikotynę w roztworach, a w niedalekiej przyszłości również w gazach. Polimer nadaje się ponadto do powolnego, kontrolowanego uwalniania nikotyny, np. w celach terapeutycznych.

Współpraca Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) i Wydziału Chemii Wichita State University doprowadziła do skonstruowania polimerowej pułapki na nikotynę. Wyposażony w molekularne kleszcze polimer wydajnie wychwytuje cząsteczki nikotyny i jej pochodnych, może je także w kontrolowany sposób uwalniać. Związek znajdzie zastosowanie w wielokrotnego użytku detektorach nikotyny przeznaczonych dla celów przemysłowych i biomedycznych, a także w plastrach dla palaczy, które będą stabilniej i dłużej wydzielały nikotynę do organizmu.

„Pierwszą pułapkę na nikotynę zsyntetyzował kilka lat temu nasz amerykański partner. Były nią molekularne kleszcze, cząsteczki swobodnie pływające w roztworze i w nim tworzące kompleksy z nikotyną. Obecnie udało się nam zamocować kleszcze we wnętrzu jednego z polimerów. Substancja ma formę stałą, dzięki czemu mogliśmy ją wykorzystać do budowy detektorów”, mówi prof. dr hab. Włodzimierz Kutner z IChF PAN.

Zgłoszoną do opatentowania polimerową pułapkę na nikotynę zbudowano z pochodnej metaloporfiryny, substancji występującej m.in. w ludzkiej krwi. Jej cząsteczka zawiera pierścień (makrocykl) z umieszczonym centralnie atomem cynku. Do tego pierścienia dołączono amidowe kleszcze. Nikotyna wiąże się z tak skonstruowanym polimerem za pomocą swoich dwóch atomów azotu: jeden tworzy wiązanie z atomem cynku, drugi z kleszczami. „Dzięki specyficznemu, dwupunktowemu wiązaniu mamy większą pewność, że złapana cząsteczka to właśnie nikotyna”, podkreśla dr inż. Krzysztof Noworyta z IChF PAN i dodaje, że w jednym z opracowanych polimerów kleszcze znajdują się po obu stronach płaszczyzny pierścienia z cynkiem. „Taka konstrukcja wyraźnie zwiększa efektywność pułapkowania nikotyny”, mówi Noworyta.

Opracowany polimer oprócz nikotyny wychwytuje także cząsteczki alkaloidów będących jej metabolitami oraz inne związki często występujące w produktach nikotynowych, np. kotyninę i miozminę. Wiązanie polimeru z nikotyną jest trwałe, lecz odwracalne. Dzięki tej właściwości nowe detektory do oznaczania nikotyny i jej pochodnych będą mogły być używane wielokrotnie.

Detekcja nikotyny następuje za pomocą rezonatora piezoelektrycznego pokrytego elektrolitycznie warstwą polimeru. Wychwycone cząsteczki nikotyny zwiększają masę warstwy, co wpływa na łatwą do zmierzenia zmianę częstotliwości drgań rezonatora. „Można powiedzieć, że po prostu ciągle ważymy warstewkę naszego polimeru. Ponieważ wiemy, ile ważyła na początku i wiemy, że wyłapuje ona tylko nikotynę i jej związki, wzrost wagi oznacza obecność tych substancji w roztworze”, wyjaśnia Noworyta.

Kwarcowe rezonatory objętościowej fali akustycznej, stosowane w doświadczeniach z nowym polimerem, umożliwiają detekcję nikotyny w roztworach. W najbliższym czasie naukowcy z IChF PAN planują nawiązać współpracę z producentami rezonatorów fali powierzchniowej. Rezonatory tego typu drgają ze znacznie większymi częstotliwościami, są więc czulsze i po pokryciu polimerem wychwytującym nikotynę mogłyby wykrywać ją także w gazach.

W opisanej metodzie wykrywanie i oznaczanie nikotyny nie musi ograniczać się do ważenia. Ponieważ nikotyna jest elektroaktywna, równocześnie z pomiarem częstotliwości naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN zamierzają mierzyć prąd utleniania nikotyny „pułapkowanej” w polimerze. Jednoczesny pomiar dwiema metodami zwiększy niezawodność detekcji.

Polimer z kleszczami na nikotynę można wykorzystać m.in. w czujnikach przeznaczonych do analizy stężenia nikotyny w liściach tytoniwych oraz w badaniach biomedycznych na zawartość metabolitów nikotyny w płynach ustrojowych pacjentów. Innym potencjalnym zastosowaniem są plastry nikotynowe wspomagające zwalczanie nałogu palenia tytoniu. Dzięki nowemu polimerowi mogłyby one uwalniać nikotynę dłużej i równomierniej.

Nowy polimer opracowano w ramach grantu „Kwantowe nanostruktury półprzewodnikowe do zastosowań w biologii i medycynie”. Grant, w 85% finansowany z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego, przyznano siedmiu polskim instytucjom naukowym w celu skonstruowania prototypowych urządzeń diagnostycznych na podłożach półprzewodnikowych, przeznaczonych do zastosowań w medycynie, biologii i ochronie środowiska, oraz w celu opracowania podstaw technologii materiałowych dla zastosowań sensorowych i urządzeń diagnostyki molekularnej. W realizacji grantu bierze udział prawie 50 pracowników Instytutu Chemii Fizycznej PAN.

Full bibliographic information


Gollapalli R. Deviprasad and Francis D’Souza, "Molecular recognition directed porphyrin chemosensor for selective detection of nicotine and cotinine," Chem. Commun. 2000, 1915-1916; DOI: 10.1039/B006055K

D'Souza, F.; Deviprasad, G. R.; Zandler, M. E.; El-Khouly, M. E.; Fukutsuka, M.; Ito, O. J., "Photoinduced Electron Transfer in “Two-Point” Bound Supramolecular Triads Composed of N,N-Dimethylaminophenyl-Fullerene-Pyridine Coordinated to Zinc Porphyrin," Phys. Chem. A 2003, 107, 4801-4807; DOI: 10.1021/jp030363w
Attached files
  • Polimerowa pułapka na nikotynę składa się z pochodnej porfiryny (kolor czarny), w której do makrocyklu (niebieski) zawierającego cynk (fiolet) dołączono amidowe kleszcze (zielony). Cząsteczkę nikotyny przedstawiono w kolorze czerwonym. (Źródło: IChF PAN/Tentaris/ACh)
  • PDF file
  • Polimerowa pułapka na nikotynę składa się z pochodnej porfiryny (kolor czarny), w której do makrocyklu (niebieski) zawierającego cynk (fiolet) dołączono amidowe kleszcze (zielony). Cząsteczkę nikotyny przedstawiono w kolorze czerwonym. Dolna grafika to trójwymiarowa wizualizacja polimeru. (Źródło: IChF PAN/Tentaris/ACh)
  • Wyposażony w molekularne kleszcze polimer, opracowany w wyniku współpracy Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk z Wydziałem Chemii Wichita State University, umożliwił zbudowanie czujnika wykrywającego nikotynę w roztworach. Na zdjęciu dr inż. Krzysztof Noworyta z IChF PAN; fotografia dzięki uprzejmości warszawskiego Fajka Bar. (Źródło: IChF PAN/Grzegorz Krzyżewski)
  • Polimerowa pułapka na nikotynę składa się z pochodnej porfiryny (kolor czarny), w której do makrocyklu (niebieski) zawierającego cynk (fiolet) dołączono amidowe kleszcze (zielony). Cząsteczkę nikotyny przedstawiono w kolorze czerwonym. (Źródło: IChF PAN/Tentaris/ACh)