Ultralyd syntese af molekylært prægede polymerer (MIPs)

Molekylært prægede polymerer (MIPs) er kunstigt designede receptorer med en forudbestemt selektivitet og specificitet for en given biologisk eller kemisk molekylestruktur. Ultralydbehandling kan forbedre forskellige synteseveje af molekylært prægede polymerer, hvilket gør polymeriseringen mere effektiv og pålidelig.

Hvad er molekylært prægede polymerer?

En molekylært præget polymer (MIP) er polymere materialer med antistoflignende genkendelsesegenskaber, der er fremstillet ved hjælp af molekylær prægningsteknik. Den molekylære prægningsteknik producerer molekylært præget polymer i forhold til et specifikt målmolekyle. Den molekylært prægede polymer har hulrum i sin polymermatrix med en affinitet for de specifikke “Skabelon” Molekyle. Processen indebærer normalt at indlede polymerisering af monomerer i overværelse af en skabelon molekyle, der udvindes bagefter, efterlader komplementære hulrum. Disse polymerer har affinitet for det oprindelige molekyle og er blevet brugt i applikationer såsom kemiske separationer, katalyse eller molekylære sensorer. Molekylære prægede molekyler kan sammenlignes med en molekylær lås, der matcher en molekylær nøgle (det såkaldte skabelonmolekyle). Molekylært prægede polymerer (MIP'er) er kendetegnet ved specielt skræddersyede bindingssteder, der matcher skabelonmolekylerne i form, størrelse og funktionelle grupper. Den "lås – nøgle" funktion gør det muligt at bruge molekylære præget polymerer til forskellige anvendelser, hvor en bestemt type molekyle er anerkendt og knyttet til den molekylære lås, dvs molekylær præget polymer.

Den skematiske illustration viser den molekylære prægningsvej af cyclodextrins til fremstilling af skræddersyede receptorer.
Undersøgelse og billede: Hishiya et al. 2003

Molekylært prægede polymerer (MIP'er) har et bredt asområde og bruges til at adskille og rense specificerede biologiske eller kemiske molekyler, herunder aminosyrer og proteiner, nukleotidderivater, forurenende stoffer samt narkotika og fødevarer. Anvendelsesområderne spænder fra separation og rensning til kemiske sensorer, katalytiske reaktioner, lægemiddellevering, biologiske antistoffer og receptorsystemer. (jf. Vasapollo et al. 2011)
For eksempel anvendes MIP-teknologi som fast fase mikroekstraktteknik til at betjene og rense cannabis-afledte molekyler som CBD eller THC fra det fulde spektrum ekstrakt for at opnå cannabinoid isolater og destillater.

Ultralydsyntese af molekylært prægede molekyler

Afhængigt af måltypen (skabelonen) og den endelige anvendelse af mindsteimportprisen kan mindsteimporterne ved at syntetisere i forskellige formater såsom nano- og mikronstore sfæriske partikler, nanowirer, nanostænger, nanofilamenter eller tynde film. For at producere en bestemt MIP form, forskellige polymerisering teknikker såsom bulk prægning, nedbør, emulsion polymerisering, suspension, dispersion, gelering, og multi-trins hævelse polymerisering kan anvendes.
Anvendelsen af lavfrekvente ultralyds ultralydsteknik tilbyder en yderst effektiv, alsidig og enkel teknik til at syntetisere polymere nanostrukturer.
Sonikering giver flere fordele i MIP syntese sammenlignet med traditionelle polymeriseringsprocesser, fordi det fremmer højere reaktionshastigheder, mere homogen polymer kædevækst, højere udbytter, og mildere forhold (f.eks lav reaktionstemperatur). Desuden kan det ændre den bindende fordeling af lokaliteten og dermed morfologien af den endelige polymer. (Svenson 2011)
Ved at anvende sonokemisk energi på polymeriseringen af mindsteimportkræfter igangsættes polymeriseringsreaktioner og påvirkes positivt. Samtidig fremmer sonikering effektiv afgasning af polymerblandingen uden at gå på kompromis med bindende kapacitet eller stivhed.
Ultralydhomogenisering, dispergering og emulgering giver overlegen blanding og omrøring til at danne homogene suspensioner og til at give initiering energi til polymeriseringsprocesser. Viveiros et al. (2019) undersøgte potentialet i ultralydSIP syntese og hedder det, at "MIPs forberedt ultralydpræsenteret bindende egenskaber svarende til eller overlegen i forhold til de konventionelle metoder".
Mindsteimporterne i nanoformat åbner lovende muligheder for at forbedre homogeniteten af bindingsstederne. Ultralydbehandling er kendt for sine exceptionelle resultater i fremstillingen af nanodispersioner og nanoemulsioner.

Ultralyd nano-emulsion polymerisering

MIPs kan syntetiseres ved emulsion polymerisering. Emulsion polymerisering er almindeligt opnås ved at danne en olie-i-vand emulsion under tilsætning af et overfladeaktivt stof. For at danne en stabil, nano-størrelse, en højtydende emulgering teknik er påkrævet. Ultralydemulgering er en veletableret teknik til fremstilling af nano- og mini-emulsioner.
Læs mere om Ultrasonic Nano-Emulsification!

Ultralyd kan forbedre følgende syntese ruter for nanoMIP produktion: nedbør polymerisering, emulsion polymerisering, og core-shell polymerisering.
Undersøgelse og billede af: Refaat et al. 2019

Ultralydudtrækning af skabelonen

Efter syntesen af molekylært prægede polymerer skal skabelonen fjernes fra bindingsstedet for at opnå en aktiv molekylært præget polymer. Den intense blanding kræfter sonikering fremme opløselighed, diffusivitet, penetration og transport af opløsningsmiddel og skabelon molekyler. Derved fjernes skabelonerne hurtigt fra bindingsstederne.
Ultralydsekstraktion kan også kombineres med Soxhlet-ekstraktion for at fjerne skabelonen fra den prægede polymer.

Case Studies: Ultralyd applikationer til molekylært præget Polymerer

Ultralydsyntese af molekylært prægede polymerer

Indkapslingen af magnetiske nanopartikler af 17β-estradiol-prægede polymerer ved hjælp af en ultralydssynteserute opnår hurtig fjernelse af 17β-estradiol fra vandige miljøer. Til ultralydsyntesen af nanoMIPs blev methakrylsyre (MAA) anvendt som monomer, ethylenglycol dimethylacrylat (EGDMA) som crosslinker og azobisisobutyronitrile (AIBN) som initiativtager. Ultralydsynteseproceduren blev udført i 2 timer ved 65ºC. De gennemsnitlige partikelstørrelsesdiametre af magnetiske NIP'er og magnetiske MIP'er var henholdsvis 200 og 300 nm. Brugen af ultralyd ikke kun forbedret polymerisering sats og morfologi af nanopartikler, men også ført til en stigning i antallet af frie radikaler, og dermed lettet MIP vækst omkring de magnetiske nanopartikler. Adsorptionskapaciteten mod 17β-estradiol var sammenlignelig med traditionelle tilgange. [Xia et al. 2012 / Viveiro et al. 2019]

Ultralyd til molekylært prægede sensorer

Yu et al. designet en molekylært præget elektrokemisk sensor baseret på nikkel nanopartikel-modificerede elektroder til fænobarbital bestemmelse. Den rapporterede elektrokemiske sensor blev udviklet ved termisk polymerisering med brug af methakrylsyre (MAA) som funktionel monomer, 2,2-azobisisobutyronitrile (AIBN) og ethylenglycol maleic kolofonat (EGMRA) acrylat som krydslinking agent, phenobarbitals (PBs) som skabelon molekyle, og dimethylsulfoxid (DMSO) som et organisk opløsningsmiddel. I sensorfabrikationsprocessen blev 0,0464 g PB og 0,0688g MAA blandet i 3 ml DMSO og sonikeret i 10 min. Efter 5 timer blev 1,0244g EGMRA og 0,0074g AIBN tilsat i blandingen og sonikeret i 30 min for at opnå PB-prægede polymeropløsninger. Derefter vil 10 μL af 2,0 mg ml^-1Ni nanopartikelopløsning faldt på GCE-overfladen, og derefter blev sensoren tørret ved stuetemperatur. Ca. 5 μL af den forberedte PB-prægede polymeropløsning blev derefter belagt på den Ni nanopartikel-modificerede GCE og vakuumtørret ved 75◦C i 6 timer. Efter den termiske polymerisering blev den prægede sensor vasket med (eddikesyre) HAc/methanol (volumenforhold, 3:7) i 7 min. for at fjerne skabelonmolekylerne. (jf. Uygun et al. 2015)

Ultralyd mikroekstraktion ved hjælp af MIP'er

For at få nikotinamidanalyser fra prøverne anvendt et ultralydassisteret dispersivt mikroekspræt i fast fase efterfulgt af UV-vis spektrofotometer (UA-DSPME-UV-vis). Til ekstraktion og prækoncentration af nicotinamid (vitamin B3) er der anvendt HKUST-1 metal organisk ramme (MOF) baseret molekylært prægede polymerer. (Asfaram et al. 2017)

Højtydende ultralydsenheder til polymerapplikationer

Fra lab til produktion med lineær skalerbarhed: Specielt konstrueret molekylært præget polymerer er først udviklet og testet på små lab og bænk-top skala, at undersøge gennemførligheden af polymer syntese. Hvis gennemførligheden og optimeringen af mindsteimportprisen er gennemført, skaleres MIP-produktionen til større mængder. Ultralydsyntesen ruter kan alle lineært skaleret fra bænk-top til fuldt kommerciel produktion. Hielscher Ultrasonics tilbyder sonokemisk udstyr til polymersyntesen i små lab og bænk-top indstillinger op til fuldt industrielle inline ultralydsystemer til 24/7 produktion under fuld belastning. Ultralyd kan lineært skaleres fra reagensglas størrelse til store produktionskapacitet truckloads i timen. Hielscher Ultrasonics omfattende produktportefølje fra laboratorium til industrielle sonokemiske systemer har den mest egnede ultralydsmaskine til din planlagte proceskapacitet. Vores mangeårige erfarne personale vil hjælpe dig fra gennemførlighedstest og procesoptimering til installation af dit ultralydssystem på det endelige produktionsniveau.

Hielscher Ultralyd – Sofistikeret sonokemisk udstyr

Hielscher Ultrasonics produktportefølje dækker hele spektret af højtydende ultralydsudsugninger fra små til store skalaer. Ekstra tilbehør giver mulighed for nem montering af den mest egnede ultralydsenhedskonfiguration til din proces. Den optimale ultralydsopsætning afhænger af den forventede kapacitet, volumen, materiale, batch eller inline proces og tidslinje. Hielscher hjælper dig med at opsætte den ideelle sonokemiske proces.

Batch og indbygget

Hielscher ultralydsenheder kan bruges til batch- og kontinuerlig flow-through behandling. Små og mellemstore mængder kan nemt sonikeres i en batchproces (f.eks. hætteglas, reagens, rør, bægerglas, tanke eller tønder). For behandling af store mængder kan inline sonikering være mere effektiv. Mens batching er mere tids- og arbejdsintensiv, er en kontinuerlig inline blandingsproces mere effektiv, hurtigere og kræver betydeligt mindre arbejdskraft. Hielscher Ultrasonics har den bedst egnede ekstraktionsopsætning til din polymeriseringsreaktion og procesvolumen.

Ultralydssonder til enhver produktkapacitet

Hielscher Ultrasonics produktsortiment dækker hele spektret af ultralydsprocessorer fra kompakte lab ultrasonicators over bench-top og pilot systemer til fuldt industrielle ultralydsprocessorer med kapacitet til at behandle truckloads i timen. Hele produktsortimentet giver os mulighed for at tilbyde dig det mest egnede ultralydsudstyr til dine polymerer, proceskapacitet og produktionsmål.
Ultralyds benchtop systemer er ideelle til gennemførlighedstest og procesoptimering. Lineær opskalering baseret på etablerede procesparametre gør det meget nemt at øge forarbejdningskapaciteten fra mindre partier til fuldt kommerciel produktion. Opskalering kan gøres ved enten at installere en mere kraftfuld ultralydsudsugningsenhed eller klyngedannelse af flere ultralydsenheder parallelt. Med UIP16000 tilbyder Hielscher den mest kraftfulde ultralydsenhed på verdensplan.

Præcist kontrollerbare amplituder for optimale resultater

Alle Hielscher ultralydsenheder er præcist kontrollerbare og dermed pålidelige arbejdsheste i produktionen. Amplituden er en af de afgørende procesparametre, der påvirker effektiviteten af sonokemiske reaktioner, herunder polymeriseringsreaktioner og synteseveje.
Alle Hielscher Ultralyd’ processorer giver mulighed for den præcise indstilling af amplituden. Sonotroder og booster horn er tilbehør, der gør det muligt at ændre amplituden i en endnu bredere vifte. Hielschers industrielle ultralydsprocessorer kan levere meget høje amplituder og levere den nødvendige ultralydsintensitet til krævende applikationer. Amplituder på op til 200 μm kan nemt køres kontinuerligt i 24/7 drift.
Præcise amplitude indstillinger og permanent overvågning af ultralydsprocesparametrene via smart software giver dig mulighed for at syntetisere dine molekylært prægede polymerer med de mest effektive ultralydsforhold. Optimal sonikering for bedste polymerisering resultater!
Robustheden af Hielschers ultralydsudstyr giver mulighed for 24/7 drift på tunge og i krævende miljøer. Dette gør Hielschers ultralydsudstyr til et pålideligt arbejdsværktøj, der opfylder dine sonokemiske proceskrav.

Nem, risikofri test

Ultralydsprocesser kan være fuldstændig lineære skaleret. Det betyder, at hvert resultat, som du har opnået ved hjælp af et laboratorium eller bænk-top ultralydsætter, kan skaleres til nøjagtig samme output ved hjælp af nøjagtig de samme procesparametre. Dette gør ultralydbehandling ideel til risikofri feasibility test, procesoptimering og efterfølgende implementering i kommerciel produktion. Kontakt os for at lære, hvordan sonikering kan øge din MIP udbytte og kvalitet.

Højeste kvalitet – Designet og fremstillet i Tyskland

Som en familieejet og familiedrevet virksomhed prioriterer Hielscher de højeste kvalitetsstandarder for sine ultralydsprocessorer. Alle ultralydapparater er designet, fremstillet og grundigt testet i vores hovedkvarter i Teltow nær Berlin, Tyskland. Robusthed og pålidelighed i Hielschers ultralydsudstyr gør det til en arbejdshest i din produktion. 24/7 drift under fuld belastning og i krævende miljøer er et naturligt kendetegn ved Hielschers højtydende mixere.

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af den omtrentlige forarbejdningskapacitet hos vores ultralydapparater:

Du kan købe Hielscher ultralyd processor i en anden størrelse og præcis konfigureret til din proces krav. Fra behandling af reaktanter i et lille laboratorierør til kontinuerlig flow-through blanding af polymerlækning på industrielt niveau tilbyder Hielscher Ultrasonics en egnet ultralydsanbetoning til dig! Kontakt os venligst – vi er glade for at anbefale dig den ideelle ultralyd setup!