Magnetic molecularly imprinted polymers (MMIPs): synthesis and characterization for the spectrophotometric determination of caffeine

Abstract

Daily food items contain considerable amount of caffeine that is constantly released to the environment, causing major problems to living organisms that can shift the entire ecosystem resulting adverse public health and the environment. Secondly, many market samples of caffeinated products have found with extremely high amounts of caffeine to toxic level (300 mg – 400 mg) that must be regulated by rapid techniques to assure human health and safety. An alternative method for the detection and quantification is the development of biomimetic sensors, using magnetic molecularly imprinted polymers (MMIPs) like sensing phase. The advantages of molecular imprinted materials are high selectivity, sensitivity and stability, and low cost. This work aimed to develop an efficient method of preparation of core-shell magnetic nanoparticles (MNPs) modified with molecularly imprinted polymers (MIPs) used as selective material, in order to determine caffeine in the food samples in a very smart magnetic fashion. Metacrylic acid (MAA) was used as functional monomers; ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA) was used as cross-linking reagents, 2,2'-azo-bis isobutironitrila (AIBN) as a radical initiator and ethanol as pororgenic solvent. Magnetic molecularly non-imprinted polymers (MNIPs) which served as a control for comparative studies, synthesized along with MMIPs. Characterizations of MMIPs and MNIPs were performed by Vibrating sample magnetometry (VSM), Fourier Transform Infra-Red (FTIR) and Transmission Electron Microscopy (TEM). The adsorption capacity and selectivity of the materials were studied in detail, from the respective adsorption isotherms and its kinetics. The adsorption data was well described by Langmuir-Freundlich isotherm model with adsorption equilibrium constant (K) of 9.6 x 102 mol L-1 which is higher in comparison with the reported. The selectivity experiments revealed that prepared MMIP had higher selectivity toward caffeine compared to other molecules with comparable chemical structures of theophylline and xanthine

Muitos alimentos de uso diário contêm uma quantidade considerável de cafeína que é constantemente lançada ao meio ambiente, podendo causar grandes problemas aos organismos vivos que podem prejudicar todo o ecossistema, resultando em um problema de saúde pública e do meio ambiente. Adicionalmente, em muitas amostras de produtos cafeinados, comercializadas no mercado, tem apresentado quantidades extremamente altas de cafeína, chegando a níveis tóxicos (300 mg - 400 mg) e que devem ser monitoradas e reguladas por técnicas confiáveis e rápidas para garantir a saúde e a segurança dos consumidores. Um método alternativo para a detecção e quantificação é o desenvolvimento de sensores biomiméticos, usando como fase seletiva de sensoriamento polímeros magnéticos molecularmente impressos (MMIPs). As vantagens dos materiais impressos moleculares são alta seletividade, estabilidade e baixo custo. Assim, este trabalho teve como objetivo desenvolver um método eficiente de preparação de nanopartículas magnéticas core-shell (MNPs) modificadas com polímeros molecularmente impressos (MIPs) utilizados como material seletivo, a fim de determinar a cafeína nas amostras de alimentos. O ácido metacrílico (MAA) foi usado como monômero funcional; metacrilato de etilenoglicol (EGDMA) como reagente de reticulao, 2,2'-azo-bis-isobutironitrila (AIBN) como iniciador radicalar e etanol como solvente porogênico. Polímeros magnéticos não impressos (MNIPs) que serviram como controle para estudos comparativos, foram também sintetizados junto com MMIPs. As caracterizações dos MMIPs e MNIPs foram realizadas por magnetometria da amostra vibrante (VSM), infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM). A capacidade de adsorção e seletividade dos materiais foram estudadas em detalhe, a partir das respectivas isotermas de adsorção e de sua cinética. Os dados de adsorção foram bem descritos pelo modelo isotérmico de Langmuir-Freundlich com constante de equilíbrio de adsorção (K) de 9,6 x 102 mol L-1, que é maior em comparação com o relatado. Os experimentos de seletividade revelaram que o MMIP preparado apresentou maior seletividade em relação à cafeína em comparação com outras moléculas com estruturas químicas análogas de teofilina e xantina.