Supramolecular chemosensors for the detection of phenethylamines

In this work I described and discussed the results of a research project which focused on both development and application of the NMR-chemosensing technique. This technique is based on the combination of gold nanoparticles 2 nm in diameter coated with specific thiols and particular NMR experiments, and it allows to “extract” from the NMR spectrum of a mixture of substances the single NMR spectrum of the analyte bound by the nanoparticle. Specifically, the main goal of my work was to demonstrate how this technique can be successfully used for designer-drug detection. The majority of the new drugs that appear on the market every year belong to this category, i.e. they are structural analogs of already well-known drugs. Designer drugs represent a big health issue, because no studies on them are available, therefore the risks and potential long-term adverse effects are not known. Moreover, as reference standards are not available, their sensing with routine techniques is difficult. The technique that I will describe also works on real street samples, with no pretreatment, thus giving the possibility to get from the seizure of the powder to the characterization of the substance in a few hours. I’ll also show that to improve the potentialities of NMR chemosensing in terms of detection limit and sensitivity one can work from two sides. First, it is possible to improve the design of the coating thiol, obtaining a monolayer with different affinities and different capability of magnetization transfer, both crucial aspects for the technique. On the other hand, it is possible to im-prove sensitivity by acting directly on the type of NMR experiment used as well, also in combination with tricks that exploit magnetization enhancement, such as using the water trapped in the monolayer as an additional magnetization source or using the capability of gold nanoparticles to self-assemble on silica nanospheres, in order to enhance the nanoreceptor’s size. Combining all the various things, I will demonstrate how it is possible to sense inorganic species too, such as K+, which do not have an NMR signal per se. Finally, as NMR is not, as of now, a technique that is easy to apply for on-field analysis, in the last part of this paper I propose a point-of-care sensor developed in the form of an indicator strip in which a self-assembled supramolecular receptor composed of a cucurbituril and a dye can selectively sense the presence, or not, of a drug in a quick, safe and cheap way.

In questa tesi ho descritto e discusso i risultati ottenuti nell’ambito di un progetto di ricerca focalizzato sull’applicazione e lo sviluppo della tecnica dell’NMR-chemosensing. Questa tecnica è basata sulla combinazione di nanoparticelle d’oro da 2 nm di diametro passivate con opportuni tioli e di particolari esperimenti NMR e consente di “estrarre” dallo spettro NMR di una miscela di composti lo spettro NMR dell’analita riconosciuto dalla nanoparticella. In particolare, lo scopo primario del mio lavoro è stato dimostrare come questa tecnica possa essere usata con successo per il rilevamento delle cosiddette “designer drugs”. La maggior parte delle nuove droghe immesse sul mercato ogni anno altro non sono che analoghi strutturali di droghe già diffuse. Ciò rappresenta un grave problema di salute pubblica, perché non essendo queste nuove sostanze mai state studiate, non se ne conoscono i potenziali rischi e gli effetti a lungo termine. In più, non esistendo standard di riferimento, la loro rilevazione con tecniche tradizionali risulta difficoltosa. La tecnica che verrà descritta è stata testata e funziona anche su campioni reali, senza bisogno di pretrattamento del campione, e dà la possibilità di arrivare dal sequestro alla caratterizzazione strutturale della sostanza stupefacente nel giro di poche ore. Dimostrerò anche che per migliorare le potenzialità dell’NMR-chemosensing in termini sia di sensibilità che versatilità si può agire su un doppio fronte. Da un lato, è possibile migliorare la struttura del tiolo che ricopre le nanoparticelle, ottenendo un monostrato con maggior affinità e maggior capacità di trasferimento della magnetizzazione, entrambi aspetti fondamentali della tecnica. Dall’altro, è possibile migliorare la sensibilità agendo direttamente sul tipo di esperimento utilizzato, anche in abbinamento ad astuzie che possano aumentare l’efficienza del trasferimento di magnetizzazione, quali ad esempio usare l’acqua intrappolata nel monostrato come fonte supplementare di magnetizzazione oppure sfruttare la capacità delle nanoparticelle d’oro di autoassemblarsi su nanosfere di silice per aumentare le dimensioni del nanorecettore. Combinando tutte queste accortezze, dimostrerò come sia possibile analizzare con questa tecnica anche specie inorganiche, come K+, che di per sé non possiedono alcun segnale NMR. Infine, visto che l’NMR non è, per ora, una tecnica di facile applicazione per analisi sul campo, nell’ultima parte di questo lavoro di tesi mi sono occupato anche un sensore point-of-care sviluppato sotto forma di cartina indicatrice, in cui un recettore supramolecolare autoassemblato composto da un cucurbiturile e un colorante può indicare selettivamente la presenza o meno di sostanza stupefacenti in modo rapido, sicuro ed economico.