Ultrazvučna sinteza molekulski utisnutih polimera (MIP)

Molekulski utisnuti polimeri (MIP) su umjetno dizajnirani receptori s unaprijed određenom selektivnošću i specifičnošću za datu strukturu biološke ili hemijske molekule. Ultrazvučna obrada može poboljšati različite puteve sinteze molekulski utisnutih polimera, čineći polimerizaciju efikasnijom i pouzdanijom.

Šta su molekulski utisnuti polimeri?

Molekulski utisnuti polimer (MIP) je polimerni materijal sa svojstvima prepoznavanja nalik antitijelima, koji je proizveden tehnikom molekulskog utiskivanja. Tehnika molekulskog utiskivanja proizvodi molekulski utisnuti polimer u odnosu na određenu ciljnu molekulu. Molekulski utisnuti polimer ima šupljine u svojoj polimernoj matrici s afinitetom prema specifičnoj „template“ molekuli (šablonu). Postupak obično uključuje pokretanje polimerizacije monomera u prisustvu template molekule, koja se nakon toga ekstrahira, ostavljajući iza sebe komplementarne šupljine. Ovi polimeri imaju afinitet prema izvornoj molekuli i koriste se u primjenama kao što su hemijska separacija, kataliza ili molekulski senzori. Molekulski utisnute molekule mogu se uporediti s molekulskom bravom koja odgovara molekulskom ključu (tzv. template molekuli). Molekulski utisnuti polimeri (MIP) odlikuju se posebno prilagođenim veznim mjestima koja odgovaraju template molekulama po obliku, veličini i funkcionalnim grupama. Svojstvo „brava – ključ“ omogućava upotrebu molekulski utisnutih polimera u raznim primjenama u kojima se određena vrsta molekule prepoznaje i veže za molekulsku bravu, tj. za molekulski utisnuti polimer.

Shematski prikaz puta molekulskog utiskivanja ciklodekstrina za pripremu prilagođenih receptora.
Studija i slika: Hishiya et al. 2003

Molekulski utisnuti polimeri (MIP) imaju široko polje primjene i koriste se za odvajanje i prečišćavanje određenih bioloških ili hemijskih molekula, uključujući aminokiseline i proteine, derivate nukleotida, zagađivače, kao i lijekove i hranu. Područja primjene kreću se od odvajanja i prečišćavanja do hemijskih senzora, katalitičkih reakcija, isporuke lijekova, bioloških antitijela i sistema receptora. (usp. Vasapollo et al. 2011)
Na primjer, MIP tehnologija se koristi kao tehnika mikroekstrakcije na čvrstoj fazi za obradu i prečišćavanje molekula dobijenih iz kanabisa, kao što su CBD ili THC, iz ekstrakta punog spektra kako bi se dobili kanabinoidni izolati i destilati.

Ultrazvučna sinteza molekulski utisnutih molekula

Ovisno o vrsti cilja (template molekule) i krajnjoj primjeni MIP-a, MIP-ovi se mogu sintetizirati u različitim oblicima, kao što su sferične čestice nano- i mikrometarske veličine, nanožice, nanoštapići, nanofilamenti ili tanki filmovi. Za proizvodnju određenog oblika MIP-a mogu se primijeniti različite tehnike polimerizacije, kao što su masovno utiskivanje, precipitacija, emulzijska polimerizacija, suspenzija, disperzija, geliranje i višestepena polimerizacija bubrenjem.
Primjena ultrazvuka niske frekvencije i visokog intenziteta nudi vrlo efikasnu, svestranu i jednostavnu tehniku sinteze polimernih nanostruktura.
Ultrazvučna obrada donosi nekoliko prednosti u sintezi MIP-a u poređenju s tradicionalnim procesima polimerizacije, jer podstiče veće brzine reakcije, ujednačeniji rast polimernih lanaca, veće prinose i blaže uslove (npr. nisku temperaturu reakcije). Osim toga, može promijeniti raspodjelu populacije veznih mjesta, a time i morfologiju konačnog polimera. (Svenson 2011)
Primjenom sonohemijske energije na polimerizaciju MIP-ova pokreću se polimerizacijske reakcije i na njih se pozitivno utiče. Istovremeno, ultrazvučna obrada podstiče efikasno otplinjavanje polimerne smjese bez žrtvovanja vezivnog kapaciteta ili krutosti.
Ultrazvučna homogenizacija, dispergiranje i emulgiranje nude vrhunsko miješanje i agitaciju za stvaranje homogenih suspenzija i za osiguravanje inicijacijske energije za procese polimerizacije. Viveiros et al. (2019) istražili su potencijal ultrazvučne sinteze MIP-a i navode da „MIP-ovi pripremljeni ultrazvučno pokazali su vezivna svojstva slična konvencionalnim metodama ili bolja od njih“.
MIP-ovi u nanoformatu otvaraju obećavajuće mogućnosti za poboljšanje homogenosti veznih mjesta. Ultrazvučna obrada je poznata po izvanrednim rezultatima u pripremi nanodisperzija i nanoemulzija.

Ultrazvučna nanoemulzijska polimerizacija

MIP-ovi se mogu sintetizirati emulzijskom polimerizacijom. Emulzijska polimerizacija se obično postiže stvaranjem emulzije tipa ulje u vodi uz dodatak surfaktanta. Za stvaranje stabilne emulzije nanometarske veličine potrebna je visokoučinkovita tehnika emulgiranja. Ultrazvučno emulgiranje je dobro uspostavljena tehnika za pripremu nano- i mini-emulzija.
Saznajte više o ultrazvučnom nanoemulgiranju!

Ultrazvuk može poboljšati sljedeće puteve sinteze za proizvodnju nanoMIP-ova: precipitacijsku polimerizaciju, emulzijsku polimerizaciju i polimerizaciju jezgra–ljuska.
Studija i slika: Refaat et al. 2019

Ultrazvučna ekstrakcija template molekule

Nakon sinteze molekulski utisnutih polimera, template molekula mora se ukloniti s veznog mjesta kako bi se dobio aktivni molekulski utisnuti polimer. Intenzivne sile miješanja pri ultrazvučnoj obradi podstiču rastvorljivost, difuznost, penetraciju i transport molekula otapala i template molekula. Na taj način template molekule se brzo uklanjaju s veznih mjesta.
Ultrazvučna ekstrakcija se također može kombinirati sa Soxhletovom ekstrakcijom radi uklanjanja template molekule iz utisnutog polimera.

Studije slučaja: ultrazvučne primjene za molekulski utisnute polimere

Ultrazvučna sinteza molekulski utisnutih polimera

Inkapsulacija magnetnih nanočestica polimerima utisnutim 17β-estradiolom pomoću ultrazvučnog puta sinteze postiže brzo uklanjanje 17β-estradiola iz vodenih sredina. Za ultrazvučnu sintezu nanoMIP-ova korištena je metakrilna kiselina (MAA) kao monomer, etilen-glikol dimetilakrilat (EGDMA) kao umreživač i azobisizobutironitril (AIBN) kao inicijator. Postupak ultrazvučne sinteze proveden je 2h na 65ºC. Prosječni prečnici čestica magnetnih NIP-ova i magnetnih MIP-ova iznosili su 200, odnosno 300 nm. Upotreba ultrazvuka ne samo da je poboljšala brzinu polimerizacije i morfologiju nanočestica, nego je dovela i do povećanja broja slobodnih radikala, te je tako olakšala rast MIP-a oko magnetnih nanočestica. Adsorpcijski kapacitet prema 17β-estradiolu bio je uporediv s tradicionalnim pristupima. [Xia et al. 2012 / Viveiro et al. 2019]

Ultrazvuk za molekulski utisnute senzore

Yu et al. dizajnirali su molekulski utisnuti elektrohemijski senzor zasnovan na elektrodama modificiranim nanočesticama nikla za određivanje fenobarbitala. Navedeni elektrohemijski senzor razvijen je termičkom polimerizacijom uz upotrebu metakrilne kiseline (MAA) kao funkcionalnog monomera, 2,2-azobisizobutironitrila (AIBN) i etilen-glikol maleinat-rozinata (EGMRA) akrilata kao umreživača, fenobarbitala (PB) kao template molekule i dimetil-sulfoksida (DMSO) kao organskog otapala. U postupku izrade senzora, 0,0464g PB i 0,0688g MAA pomiješani su u 3 mL DMSO i ultrazvučno obrađivani 10 min. Nakon 5 h, 1,0244g EGMRA i 0,0074g AIBN dodani su u smjesu i ultrazvučno obrađivani 30 min kako bi se dobile otopine polimera utisnutog PB-om. Nakon toga, 10 μL otopine od 2,0 mg mL^-1 nanočestica Ni nakapano je na površinu GCE, a zatim je senzor osušen na sobnoj temperaturi. Približno 5 μL pripremljene otopine polimera utisnutog PB-om zatim je naneseno na GCE modificiran nanočesticama Ni i vakuumski sušeno na 75◦C tokom 6 h. Nakon termičke polimerizacije, utisnuti senzor je ispran smjesom (octena kiselina) HAc/metanol (volumni odnos 3:7) tokom 7 min radi uklanjanja template molekula. (usp. Uygun et al. 2015)

Ultrazvučna mikroekstrakcija pomoću MIP-ova

Za izdvajanje analita nikotinamida iz uzoraka primjenjuje se ultrazvučno potpomognuta disperzivna mikroekstrakcija na čvrstoj fazi praćena mjerenjem UV-vis spektrofotometrom (UA-DSPME-UV-vis). Za ekstrakciju i predkoncentriranje nikotinamida (vitamin B3) korišteni su molekulski utisnuti polimeri na bazi metalno-organske mreže (MOF) HKUST-1. (Asfaram et al. 2017)

Visokoučinkoviti ultrazvučni uređaji za primjene u polimerima

Od laboratorija do proizvodnje uz linearnu skalabilnost: Posebno konstruirani molekulski utisnuti polimeri najprije se razvijaju i testiraju u malom laboratorijskom i stolnom mjerilu kako bi se ispitala izvodljivost sinteze polimera. Kada se postignu izvodljivost i optimizacija MIP-ova, proizvodnja MIP-a se povećava na veće volumene. Svi putevi ultrazvučne sinteze mogu se linearno skalirati od stolnog mjerila do potpuno komercijalne proizvodnje. Hielscher Ultrasonics nudi sonohemijsku opremu za sintezu polimera u malim laboratorijskim i stolnim postavkama, sve do potpuno industrijskih inline ultrazvučnih sistema za proizvodnju 24/7 pod punim opterećenjem. Ultrazvuk se može linearno skalirati od veličine epruvete do velikih proizvodnih kapaciteta od više kamiona po satu. Opsežan proizvodni portfelj kompanije Hielscher Ultrasonics, od laboratorijskih do industrijskih sonohemijskih sistema, ima najprikladniji ultrazvučni uređaj za vaš predviđeni procesni kapacitet. Naše dugogodišnje iskusno osoblje pomoći će vam od testova izvodljivosti i optimizacije procesa do instalacije vašeg ultrazvučnog sistema na nivou konačne proizvodnje.

Hielscher Ultrasonics – sofisticirana sonohemijska oprema

Proizvodni portfelj kompanije Hielscher Ultrasonics obuhvata cijeli raspon visokoučinkovitih ultrazvučnih ekstraktora, od malih do velikih. Dodatni pribor omogućava jednostavno sastavljanje najprikladnije konfiguracije ultrazvučnog uređaja za vaš proces. Optimalna ultrazvučna postavka ovisi o predviđenom kapacitetu, volumenu, materijalu, šaržnom ili inline procesu i vremenskom okviru. Hielscher vam pomaže da postavite idealan sonohemijski proces.

Šaržna i inline obrada

Hielscher ultrazvučni uređaji mogu se koristiti za šaržnu i kontinuiranu protočnu obradu. Mali i srednji volumeni mogu se prikladno ultrazvučno obrađivati u šaržnom procesu (npr. u bočicama, epruvetama, čašama, tankovima ili bačvama). Za obradu velikih volumena inline ultrazvučna obrada može biti efikasnija. Dok je šaržna obrada zahtjevnija u pogledu vremena i rada, kontinuirani inline proces miješanja je efikasniji, brži i zahtijeva znatno manje rada. Hielscher Ultrasonics ima najprikladniju postavku za ekstrakciju za vašu reakciju polimerizacije i procesni volumen.

Ultrazvučne sonde za svaki proizvodni kapacitet

Asortiman proizvoda kompanije Hielscher Ultrasonics obuhvata cijeli spektar ultrazvučnih procesora, od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja preko stolnih i pilot sistema do potpuno industrijskih ultrazvučnih procesora s kapacitetom obrade više kamiona po satu. Cjelokupni asortiman omogućava nam da vam ponudimo najprikladniju ultrazvučnu opremu za vaše polimere, procesni kapacitet i proizvodne ciljeve.
Ultrazvučni stolni sistemi idealni su za testove izvodljivosti i optimizaciju procesa. Linearno povećanje mjerila na osnovu utvrđenih procesnih parametara vrlo olakšava povećanje procesnih kapaciteta od manjih serija do potpuno komercijalne proizvodnje. Povećanje mjerila može se postići ugradnjom snažnije jedinice ultrazvučnog ekstraktora ili paralelnim povezivanjem više ultrazvučnih uređaja u klaster. S UIP16000, Hielscher nudi najsnažniju ultrazvučnu jedinicu na svijetu.

Precizno podesive amplitude za optimalne rezultate

Svi Hielscher ultrazvučni uređaji su precizno podesivi i stoga pouzdani radni konji u proizvodnji. Amplituda je jedan od ključnih procesnih parametara koji utiču na efikasnost i efektivnost sonohemijskih reakcija, uključujući reakcije polimerizacije i puteve sinteze.
Svi procesori kompanije Hielscher Ultrasonics omogućavaju preciznu postavku amplitude. Sonotrode i booster rogovi su pribor koji omogućava izmjenu amplitude u još širem rasponu. Industrijski ultrazvučni procesori kompanije Hielscher mogu isporučiti vrlo visoke amplitude i potreban ultrazvučni intenzitet za zahtjevne primjene. Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano koristiti u radu 24/7.
Precizne postavke amplitude i stalno praćenje procesnih parametara ultrazvuka putem pametnog softvera daju vam mogućnost da sintetizirate svoje molekulski utisnute polimere uz najefikasnije ultrazvučne uslove. Optimalna ultrazvučna obrada za najbolje rezultate polimerizacije!
Robusnost ultrazvučne opreme kompanije Hielscher omogućava rad 24/7 pri velikom opterećenju i u zahtjevnim okruženjima. Zahvaljujući tome, ultrazvučna oprema kompanije Hielscher je pouzdan radni alat koji ispunjava zahtjeve vašeg sonohemijskog procesa.

Jednostavno testiranje bez rizika

Ultrazvučni procesi mogu se potpuno linearno skalirati. To znači da se svaki rezultat koji ste postigli pomoću laboratorijskog ili stolnog ultrazvučnog uređaja može skalirati na potpuno isti izlaz uz potpuno iste procesne parametre. Zahvaljujući tome, ultrazvučna obrada je idealna za testiranje izvodljivosti bez rizika, optimizaciju procesa i naknadnu implementaciju u komercijalnu proizvodnju. Kontaktirajte nas kako biste saznali kako ultrazvučna obrada može povećati prinos i kvalitet vašeg MIP-a.

Najviši kvalitet – dizajnirano i proizvedeno u Njemačkoj

Kao porodično vlasništvo i porodično vođena kompanija, Hielscher daje prioritet najvišim standardima kvaliteta za svoje ultrazvučne procesore. Svi ultrazvučni uređaji dizajniraju se, proizvode i temeljito testiraju u našem sjedištu u mjestu Teltow kod Berlina, u Njemačkoj. Robusnost i pouzdanost ultrazvučne opreme kompanije Hielscher čine je radnim konjem u vašoj proizvodnji. Rad 24/7 pod punim opterećenjem i u zahtjevnim okruženjima prirodna je karakteristika visokoučinkovitih miješalica kompanije Hielscher.

Tabela u nastavku daje vam okvirnu naznaku približnog procesnog kapaciteta naših ultrazvučnih uređaja:

Hielscher ultrazvučni procesor možete kupiti u bilo kojoj veličini i tačno konfigurisan prema zahtjevima vašeg procesa. Od obrade reaktanata u maloj laboratorijskoj epruveti do kontinuiranog protočnog miješanja polimernih suspenzija na industrijskom nivou, Hielscher Ultrasonics nudi odgovarajući ultrazvučni uređaj za vas! Kontaktirajte nas – rado ćemo vam preporučiti idealnu ultrazvučnu postavku!