Harnessing Small-Molecule Analyte Detection in Complex Media: Combining Molecularly Imprinted Polymers, Electrolytic Transistors, and Machine Learning

分子印迹聚合物 分析物 材料科学 毒品检测 检出限 纳米技术 分子印迹 色谱法 选择性 化学 生物化学 催化作用
作者
Gabrielle Coelho Lelis,Wilson T. Fonseca,Alessandro Henrique de Lima,Anderson K. Okazaki,Eduardo Costa Figueiredo,Antônio Riul,Gabriel R. Schleder,Paolo Samorı́,Rafael Furlan de Oliveira
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
被引量:3
标识
DOI:10.1021/acsami.3c16699
摘要

Small-molecule analyte detection is key for improving quality of life, particularly in health monitoring through the early detection of diseases. However, detecting specific markers in complex multicomponent media using devices compatible with point-of-care (PoC) technologies is still a major challenge. Here, we introduce a novel approach that combines molecularly imprinted polymers (MIPs), electrolyte-gated transistors (EGTs) based on 2D materials, and machine learning (ML) to detect hippuric acid (HA) in artificial urine, being a critical marker for toluene intoxication, parasitic infections, and kidney and bowel inflammation. Reduced graphene oxide (rGO) was used as the sensory material and molecularly imprinted polymer (MIP) as supramolecular receptors. Employing supervised ML techniques based on symbolic regression and compressive sensing enabled us to comprehensively analyze the EGT transfer curves, eliminating the need for arbitrary signal selection and allowing a multivariate analysis during HA detection. The resulting device displayed simultaneously low operating voltages (<0.5 V), rapid response times (≤10 s), operation across a wide range of HA concentrations (from 0.05 to 200 nmol L–1), and a low limit of detection (LoD) of 39 pmol L–1. Thanks to the ML multivariate analysis, we achieved a 2.5-fold increase in the device sensitivity (1.007 μA/nmol L–1) with respect to the human data analysis (0.388 μA/nmol L–1). Our method represents a major advance in PoC technologies, by enabling the accurate determination of small-molecule markers in complex media via the combination of ML analysis, supramolecular analyte recognition, and electrolytic transistors.
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