Ultralydssyntese af molekylært prægede polymerer (MIP’er)

Molekylært prægede polymerer (MIP’er) er kunstigt udformede receptorer med en forudbestemt selektivitet og specificitet for en given biologisk eller kemisk molekylestruktur. Ultralydsbehandling kan forbedre forskellige synteseveje for molekylært prægede polymerer og gøre polymerisationen mere effektiv og pålidelig.

Hvad er molekylært prægede polymerer?

En molekylært præget polymer (MIP) er et polymermateriale med antistoflignende genkendelsesegenskaber, som er fremstillet ved hjælp af molekylær prægning. Teknikken til molekylær prægning fremstiller en molekylært præget polymer til et specifikt målmolekyle. Den molekylært prægede polymer har hulrum i sin polymermatrix med affinitet for det specifikke ”skabelonmolekyle”. Processen indebærer normalt, at polymerisationen af monomerer igangsættes i nærvær af et skabelonmolekyle, som efterfølgende ekstraheres og efterlader komplementære hulrum. Disse polymerer har affinitet for det oprindelige molekyle og er blevet anvendt til blandt andet kemisk separation, katalyse og molekylære sensorer. Molekylært prægede molekyler kan sammenlignes med en molekylær lås, der passer til en molekylær nøgle (det såkaldte skabelonmolekyle). Molekylært prægede polymerer (MIP’er) er kendetegnet ved specifikt skræddersyede bindingssteder, der matcher skabelonmolekylernes form, størrelse og funktionelle grupper. ”Lås–nøgle”-egenskaben gør det muligt at bruge molekylært prægede polymerer til forskellige anvendelser, hvor en bestemt molekyletype genkendes og bindes til den molekylære lås, dvs. den molekylært prægede polymer.

Den skematiske illustration viser syntesevejen for molekylær prægning af cyclodextriner til fremstilling af skræddersyede receptorer.
Undersøgelse og billede: Hishiya et al. 2003

Molekylært prægede polymerer (MIP’er) har et bredt anvendelsesområde og bruges til at separere og oprense bestemte biologiske eller kemiske molekyler, herunder aminosyrer og proteiner, nukleotidderivater, forurenende stoffer samt lægemidler og fødevarer. Anvendelsesområderne spænder fra separation og oprensning til kemiske sensorer, katalytiske reaktioner, lægemiddellevering, biologiske antistoffer og receptorsystemer. (jf. Vasapollo et al. 2011)
For eksempel bruges MIP-teknologi som en teknik til fastfasemikroekstraktion til at behandle og oprense cannabisafledte molekyler såsom CBD eller THC fra fuldspektrumekstraktet for at opnå cannabinoidisolater og -destillater.

Ultralydssyntese af molekylært prægede molekyler

Afhængigt af måltypen (skabelontypen) og MIP’ens endelige anvendelse kan MIP’er syntetiseres i forskellige former såsom sfæriske partikler i nano- og mikrometerstørrelse, nanotråde, nanostave, nanofilamenter eller tynde film. For at fremstille en bestemt MIP-form kan forskellige polymerisationsteknikker anvendes, såsom prægning i bulk, udfældning, emulsionspolymerisation, suspension, dispersion, geldannelse og flertrins-svulmningspolymerisation.
Anvendelsen af lavfrekvent ultralyd med høj intensitet giver en yderst effektiv, alsidig og enkel teknik til at syntetisere polymere nanostrukturer.
Sonikering giver flere fordele ved MIP-syntese sammenlignet med traditionelle polymerisationsprocesser, fordi den fremmer højere reaktionshastigheder, mere homogen vækst af polymerkæder, højere udbytter og mildere betingelser (f.eks. lav reaktionstemperatur). Desuden kan den ændre fordelingen af bindingssteder og dermed den endelige polymers morfologi. (Svenson 2011)
Ved at tilføre sonokemisk energi til polymerisationen af MIP’er igangsættes og påvirkes polymerisationsreaktionerne positivt. Samtidig fremmer sonikering effektiv afgasning af polymerblandingen uden at gå på kompromis med bindingskapacitet eller stivhed.
Ultralydshomogenisering, dispergering og emulgering giver overlegen blanding og omrøring til dannelse af homogene suspensioner og tilførsel af initieringsenergi til polymerisationsprocesser. Viveiros et al. (2019) undersøgte potentialet i ultralydsbaseret MIP-syntese og anfører, at ”MIP’er fremstillet med ultralyd udviste bindingsegenskaber, der var tilsvarende eller bedre end dem, der blev opnået med de konventionelle metoder”.
MIP’er i nanoformat åbner lovende muligheder for at forbedre bindingsstedernes homogenitet. Ultralydsbehandling er velkendt for sine enestående resultater ved fremstilling af nanodispersioner og nanoemulsioner.

Ultralydsbaseret nanoemulsionspolymerisation

MIP’er kan syntetiseres ved emulsionspolymerisation. Emulsionspolymerisation opnås sædvanligvis ved at danne en olie-i-vand-emulsion under tilsætning af et overfladeaktivt stof. For at danne en stabil emulsion i nanostørrelse kræves en højtydende emulgeringsteknik. Ultralydsemulgering er en veletableret teknik til fremstilling af nano- og miniemulsioner.
Læs mere om nanoemulgering med ultralyd!

Ultralyd kan forbedre følgende synteseveje til produktion af nanoMIP’er: udfældningspolymerisation, emulsionspolymerisation og kerne-skal-polymerisation.
Undersøgelse og billede af: Refaat et al. 2019

Ultralydsekstraktion af skabelonen

Efter syntesen af molekylært prægede polymerer skal skabelonen fjernes fra bindingsstedet for at opnå en aktiv molekylært præget polymer. Sonikeringens intense blandingskræfter fremmer opløselighed, diffusivitet, indtrængning og transport af opløsningsmiddel- og skabelonmolekyler. Dermed fjernes skabelonerne hurtigt fra bindingsstederne.
Ultralydsekstraktion kan også kombineres med Soxhlet-ekstraktion for at fjerne skabelonen fra den prægede polymer.

Casestudier: Anvendelser af ultralyd til molekylært prægede polymerer

Ultralydssyntese af molekylært prægede polymerer

Indkapsling af magnetiske nanopartikler i 17β-estradiol-prægede polymerer ved hjælp af en ultralydsbaseret syntesevej giver hurtig fjernelse af 17β-estradiol fra vandige miljøer. Til ultralydssyntesen af nanoMIP’erne blev methacrylsyre (MAA) anvendt som monomer, ethylenglycoldimethylacrylat (EGDMA) som tværbindingsmiddel og azobisisobutyronitril (AIBN) som initiator. Ultralydssyntesen blev udført i 2h ved 65ºC. De gennemsnitlige partikeldiametre for magnetiske NIP’er og magnetiske MIP’er var henholdsvis 200 og 300 nm. Anvendelsen af ultralyd forbedrede ikke kun polymerisationshastigheden og nanopartiklernes morfologi, men førte også til en stigning i antallet af frie radikaler og lettede dermed MIP-væksten omkring de magnetiske nanopartikler. Adsorptionskapaciteten for 17β-estradiol var sammenlignelig med den ved traditionelle fremgangsmåder. [Xia et al. 2012 / Viveiro et al. 2019]

Ultralyd til molekylært prægede sensorer

Yu et al. udformede en molekylært præget elektrokemisk sensor baseret på elektroder modificeret med nikkelnanopartikler til bestemmelse af phenobarbital. Den beskrevne elektrokemiske sensor blev udviklet ved termisk polymerisation med methacrylsyre (MAA) som funktionel monomer, 2,2-azobisisobutyronitril (AIBN) og ethylenglycolmaleinrosinat (EGMRA)-acrylat som tværbindingsmiddel, phenobarbitaler (PB’er) som skabelonmolekyle og dimethylsulfoxid (DMSO) som organisk opløsningsmiddel. Under fremstillingen af sensoren blev 0,0464g PB og 0,0688g MAA blandet i 3 mL DMSO og sonikeret i 10 min. Efter 5 h blev 1,0244g EGMRA og 0,0074g AIBN tilsat blandingen, som blev sonikeret i 30 min for at opnå PB-prægede polymeropløsninger. Derefter blev 10 μL af en 2,0 mg mL^-1 Ni-nanopartikelopløsning dryppet på GCE-overfladen, hvorefter sensoren blev tørret ved stuetemperatur. Derefter blev ca. 5 μL af den fremstillede PB-prægede polymeropløsning påført den Ni-nanopartikelmodificerede GCE og vakuumtørret ved 75◦C i 6 h. Efter den termiske polymerisation blev den prægede sensor vasket med (eddikesyre) HAc/methanol (volumenforhold, 3:7) i 7 min for at fjerne skabelonmolekylerne. (jf. Uygun et al. 2015)

Ultralydsbaseret mikroekstraktion med MIP’er

Til genvinding af nikotinamid som analyt fra prøver anvendes ultralydsassisteret dispersiv fastfasemikroekstraktion efterfulgt af måling med et UV-vis-spektrofotometer (UA-DSPME-UV-vis). Til ekstraktion og prækoncentrering af nikotinamid (vitamin B3) er der anvendt molekylært prægede polymerer baseret på det metalorganiske netværk (MOF) HKUST-1. (Asfaram et al. 2017)

Højtydende ultralydsapparater til polymeranvendelser

Fra laboratorium til produktion med lineær skalerbarhed: Specifikt udviklede molekylært prægede polymerer udvikles og testes først i lille laboratorie- og bordskala for at undersøge polymersyntesens gennemførlighed. Når gennemførligheden er fastslået, og MIP’erne er optimeret, opskaleres MIP-produktionen til større volumener. Alle de ultralydsbaserede synteseveje kan skaleres lineært fra bordskala til fuld kommerciel produktion. Hielscher Ultrasonics tilbyder sonokemisk udstyr til polymersyntese i små laboratorie- og bordopstillinger op til fuldt industrielle inlinesystemer med ultralyd til produktion døgnet rundt, 24/7, under fuld belastning. Ultralyd kan skaleres lineært fra reagensglasstørrelse til store produktionskapaciteter på lastbillæs i timen. Hielscher Ultrasonics’ omfattende produktportefølje, fra laboratorie- til industrielle sonokemiske systemer, omfatter det bedst egnede ultralydsapparat til din planlagte proceskapacitet. Vores medarbejdere med mange års erfaring hjælper dig fra gennemførlighedstest og procesoptimering til installation af dit ultralydssystem på det endelige produktionsniveau.

Hielscher Ultrasonics – avanceret sonokemisk udstyr

Hielscher Ultrasonics’ produktportefølje dækker hele udvalget af højtydende ultralydsekstraktorer fra lille til stor skala. Ekstra tilbehør gør det nemt at sammensætte den bedst egnede konfiguration af ultralydsudstyret til din proces. Den optimale ultralydsopstilling afhænger af den planlagte kapacitet, volumen, materiale, batch- eller inlineproces og tidsplan. Hielscher hjælper dig med at etablere den ideelle sonokemiske proces.

Batch og inline

Ultralydsapparater fra Hielscher kan anvendes til batchbehandling og kontinuerlig gennemstrømningsbehandling. Små og mellemstore volumener kan nemt sonikeres i en batchproces (f.eks. i hætteglas, reagensglas, bægerglas, tanke eller tønder). Ved behandling af store volumener kan inlinesonikering være mere effektiv. Mens batchbehandling er mere tids- og arbejdskrævende, er en kontinuerlig inlineblandingsproces mere effektiv og hurtigere og kræver betydeligt mindre arbejdskraft. Hielscher Ultrasonics har den bedst egnede ekstraktionsopstilling til din polymerisationsreaktion og dit procesvolumen.

Ultralydssonder til enhver produktionskapacitet

Hielscher Ultrasonics’ produktsortiment dækker hele spektret af ultralydsprocessorer fra kompakte laboratorieapparater over bord- og pilotsystemer til fuldt industrielle ultralydsprocessorer med kapacitet til at behandle lastbillæs i timen. Det komplette produktsortiment gør det muligt for os at tilbyde dig det bedst egnede ultralydsudstyr til dine polymerer, din proceskapacitet og dine produktionsmål.
Ultralydssystemer i bordskala er ideelle til gennemførlighedstest og procesoptimering. Lineær opskalering baseret på etablerede procesparametre gør det meget nemt at øge behandlingskapaciteten fra mindre partier til fuld kommerciel produktion. Opskalering kan ske ved enten at installere en kraftigere ultralydsekstraktorenhed eller samle flere ultralydsapparater i en parallel klynge. Med UIP16000 tilbyder Hielscher verdens kraftigste ultralydsenhed.

Præcist styrbare amplituder til optimale resultater

Alle ultralydsapparater fra Hielscher kan styres præcist og er dermed pålidelige arbejdsheste i produktionen. Amplituden er en af de afgørende procesparametre, der påvirker effektiviteten og virkningen af sonokemiske reaktioner, herunder polymerisationsreaktioner og synteseveje.
Alle Hielscher Ultrasonics’ processorer gør det muligt at indstille amplituden præcist. Sonotroder og boosterhorn er tilbehør, der gør det muligt at ændre amplituden inden for et endnu større interval. Hielschers industrielle ultralydsprocessorer kan levere meget høje amplituder og den nødvendige ultralydsintensitet til krævende anvendelser. Amplituder på op til 200µm kan nemt opretholdes kontinuerligt i 24/7-drift.
Præcise amplitudeindstillinger og løbende overvågning af ultralydsprocesparametrene via intelligent software giver dig mulighed for at syntetisere dine molekylært prægede polymerer under de mest effektive ultralydsbetingelser. Optimal sonikering til de bedste polymerisationsresultater!
Robustheden af Hielschers ultralydsudstyr muliggør 24/7-drift ved høj belastning og i krævende miljøer. Det gør Hielschers ultralydsudstyr til et pålideligt arbejdsredskab, der opfylder dine sonokemiske proceskrav.

Nem, risikofri afprøvning

Ultralydsprocesser kan skaleres fuldstændigt lineært. Det betyder, at ethvert resultat, du har opnået med et ultralydsapparat i laboratorie- eller bordskala, kan skaleres til præcis det samme resultat ved brug af præcis de samme procesparametre. Det gør ultralydsbehandling ideel til risikofri gennemførlighedstest, procesoptimering og efterfølgende implementering i kommerciel produktion. Kontakt os for at høre, hvordan sonikering kan øge dit MIP-udbytte og din MIP-kvalitet.

Højeste kvalitet – designet og fremstillet i Tyskland

Som en familieejet og familiedrevet virksomhed prioriterer Hielscher de højeste kvalitetsstandarder for sine ultralydsprocessorer. Alle ultralydsapparater designes, fremstilles og testes grundigt på vores hovedsæde i Teltow nær Berlin i Tyskland. Robustheden og pålideligheden af Hielschers ultralydsudstyr gør det til en arbejdshest i din produktion. 24/7-drift under fuld belastning og i krævende miljøer er en naturlig egenskab ved Hielschers højtydende blandere.

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet:

Du kan købe en ultralydsprocessor fra Hielscher i enhver størrelse og konfigureret præcist til dine proceskrav. Fra behandling af reaktanter i et lille laboratorierør til kontinuerlig gennemstrømningsblanding af polymersuspensioner i industriel skala tilbyder Hielscher Ultrasonics et egnet ultralydsapparat til dig! Kontakt os – vi anbefaler dig gerne den ideelle ultralydsopstilling!