Ultralydsyntese af molekylært prægede polymerer (MIP'er)

Molekylært prægede polymerer (MIP'er) er kunstigt designede receptorer med en forudbestemt selektivitet og specificitet for en given biologisk eller kemisk molekylestruktur. Ultralydbehandling kan forbedre forskellige synteseveje for molekylært prægede polymerer, hvilket gør polymerisationen 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 den molekylære imprintningsteknik. 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 den specifikke “skabelon” molekyle. Processen involverer normalt initiering af polymerisation af monomerer i nærvær af et skabelonmolekyle, der ekstraheres bagefter og efterlader komplementære hulrum. Disse polymerer har affinitet til 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 specifikt skræddersyede bindingssteder, der matcher skabelonmolekylerne i form, størrelse og funktionelle grupper. "Låsen – nøgle"-funktionen gør det muligt at bruge molekylære prægede polymerer til forskellige applikationer, hvor en bestemt type molekyle genkendes og fastgøres til molekylelåsen, dvs. den molekylærprægede polymer.

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

Molekylært prægede polymerer (MIP'er) har et bredt anvendelsesområde og bruges til at adskille og oprense specificerede 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, drug delivery, biologiske antistoffer og receptorsystemer. (jf. Vasapollo et al. 2011)
For eksempel bruges MIP-teknologi som fastfase-mikroekstraktionsteknik til at betjene og oprense cannabis-afledte molekyler såsom CBD eller THC fra fuldspektret ekstrakt for at opnå cannabinoidisolater og destillater.

Ultralydsyntese af molekylært prægede molekyler

Afhængigt af måltypen (skabelonen) og den endelige anvendelse af MIP'en kan MIP'er syntetiseres i forskellige formater såsom sfæriske partikler i nano- og mikronstørrelse, nanotråde, nano-stave, nanofilamenter eller tynde film. For at producere en specifik MIP-form kan forskellige polymerisationsteknikker såsom bulkprægning, udfældning, emulsionspolymerisation, suspension, dispersion, gelering og flertrins hævelsespolymerisation anvendes.
Anvendelsen af lavfrekvent, højintensiv ultralyd tilbyder en yderst effektiv, alsidig og enkel teknik til at syntetisere polymere nanostrukturer.
Sonikering giver flere fordele ved MIP-syntese sammenlignet med traditionelle polymerisationsprocesser, fordi det fremmer højere reaktionshastigheder, mere homogen polymerkædevækst, højere udbytter og mildere forhold (f.eks. Lav reaktionstemperatur). Desuden kan det ændre bindingsstedets populationsfordeling og dermed morfologien af den endelige polymer. (Svenson 2011)
Ved at anvende sonokemisk energi til polymerisationen af MIP'er initieres polymerisationsreaktioner og påvirkes positivt. Samtidig fremmer sonikering effektiv afgasning af polymerblandingen uden at ofre bindingskapacitet eller stivhed.
Ultralydshomogenisering, dispergering og emulgering giver overlegen blanding og omrøring for at danne homogene suspensioner og for at tilvejebringe initieringsenergi til polymerisationsprocesser. Viveiros et al. (2019) undersøgte potentialet ved ultralyd MIP-syntese og siger, at "MIP'er fremstillet ultralydspræsenterede bindingsegenskaber, der ligner eller er bedre end de konventionelle metoder".
MIP'er i nanoformat åbner lovende muligheder for at forbedre bindingsstedernes homogenitet. Ultralydbehandling er kendt for sine ekstraordinære resultater ved fremstilling af nanodispersioner og nanoemulsioner.

Ultralyd Nano-emulsion Polymerisation

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

Ultralyd kan forbedre følgende synteseruter til nanoMIP-produktion: udfældningspolymerisation, emulsionspolymerisation og kerneskalpolymerisation.
Studie 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. De intense blandingskræfter ved sonikering fremmer opløselighed, diffusivitet, penetration og transport af opløsningsmiddel og skabelonmolekyler. Derved fjernes skabelonerne hurtigt fra bindingssiderne.
Ultralydsekstraktion kan også kombineres med Soxhlet-ekstraktion for at fjerne skabelonen fra den påtrykte polymer.

Casestudier: Ultralydsapplikationer til molekylært prægede polymerer

Ultralydsyntese af molekylært prægede polymerer

Indkapslingen af magnetiske nanopartikler med 17β-østradiol-prægede polymerer ved hjælp af en ultralydssyntesevej opnår hurtig fjernelse af 17β-østradiol fra vandige miljøer. Til ultralydsyntese af nanoMIP'erne blev methacrylsyre (MAA) anvendt som monomer, ethylenglycoldimethylacrylat (EGDMA) som tværbinder og azobisisobutyronitril (AIBN) som initiator. Ultralydssynteseproceduren blev udført i 2 timer ved 65 ° C. De gennemsnitlige partikelstørrelsesdiametre for magnetiske NIP'er og magnetiske MIP'er var henholdsvis 200 og 300 nm. Brugen af ultralyd forbedrede ikke kun polymerisationshastigheden og morfologien af nanopartiklerne, men førte også til en stigning i antallet af frie radikaler og lettede dermed MIP-vækst omkring de magnetiske nanopartikler. Adsorptionskapaciteten mod 17β-østradiol var sammenlignelig med traditionelle tilgange. [Xia et al. 2012 / Viveiro et al. 2019]

Ultralyd til molekylært prægede sensorer

Yu et al. designede en molekylært præget elektrokemisk sensor baseret på nikkel-nanopartikelmodificerede elektroder til phenobarbitalbestemmelse. Rapporteret elektrokemisk sensor blev udviklet ved termisk polymerisation med anvendelse af methacrylsyre (MAA) som den funktionelle monomer, 2,2-azobisisobutyronitril (AIBN) og ethylenglycol maleinrosinat (EGMRA) acrylat som tværbindingsmiddel, phenobarbitals (PB'er) som skabelonmolekyle og dimethylsulfoxid (DMSO) som et organisk opløsningsmiddel. I sensorfremstillingsprocessen blev 0,0464 g PB og 0,0688 g MAA blandet i 3 ml DMSO og sonikeret i 10 minutter. Efter 5 timer blev 1,0244 g EGMRA og 0,0074 g AIBN tilsat i blandingen og sonikeret i 30 minutter for at opnå PB-prægede polymeropløsninger. Derefter 10 μL på 2,0 mg ml^-1Ni nanopartikelopløsning faldt ned 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-nanopartikelmodificerede GCE og vakuumtørret ved 75◦C i 6 timer. Efter den termiske polymerisation blev den påtrykte sensor vasket med (eddikesyre) HAc/methanol (volumenforhold, 3:7) i 7 minutter for at fjerne skabelonmolekylerne. (jf. Uygun et al. 2015)

Ultralydsmikroekstraktion ved hjælp af MIP'er

For at genvinde nikotinamidanalyser fra prøver anvendes en ultralydassisteret dispersiv fastfasemikroekstraktion efterfulgt af UV-vis spektrofotometer (UA-DSPME-UV-vis). Til ekstraktion og forkoncentrering af nikotinamid (vitamin B3) er der anvendt HKUST-1 metal organic framework (MOF) baserede molekylært prægede polymerer. (Asfaram et al. 2017)

Højtydende ultralydapparater til polymerapplikationer

Fra laboratorium til produktion med lineær skalerbarhed: Specifikt konstruerede molekylært prægede polymerer udvikles og testes først i små laboratorie- og bordskalaer for at undersøge gennemførligheden af polymersyntesen. Hvis der er gennemført gennemførlighed og optimering af MIP'er, skaleres MIP-produktionen til større mængder. Ultralydssynteseruterne kan alle skaleres lineært fra bordplade til fuldt kommerciel produktion. Hielscher Ultrasonics tilbyder sonokemisk udstyr til polymersyntese i små laboratorie- og bordindstillinger op til fuldt industrielle inline ultralydssystemer til 24/7 produktion under fuld belastning. Ultralyd kan skaleres lineært fra reagensglasstørrelse til stor produktionskapacitet på lastbiler i timen. Hielscher Ultrasonics omfattende produktportefølje fra laboratorium til industrielle sonokemiske systemer har den bedst egnede ultralydsapparat til din påtænkte proceskapacitet. Vores mangeårige erfarne medarbejdere hjælper dig fra gennemførlighedstest og procesoptimering til installation af dit ultralydssystem på det endelige produktionsniveau.

Hielscher Ultrasonics – Sofistikeret sonokemisk udstyr

Hielscher Ultrasonics produktportefølje dækker hele spektret af højtydende ultralydsekstraktorer fra lille til stor skala. Ekstra tilbehør giver mulighed for nem montering af den bedst egnede ultralydsenhedskonfiguration til din proces. Den optimale ultralydsopsætning afhænger af den påtænkte kapacitet, volumen, materiale, batch eller inline-proces og tidslinje. Hielscher hjælper dig med at opsætte den ideelle sonokemiske proces.

batch og inline

Hielscher ultralydapparater kan bruges til batch og kontinuerlig gennemstrømningsbehandling. Små og mellemstore volumener kan nemt sonikeres i en batchproces (f.eks. hætteglas, test, rør, bægerglas, tanke eller tønder). Til behandling af store mængder kan inline sonikering være mere effektiv. Mens batching er mere tids- og arbejdskrævende, er en kontinuerlig inline-blandingsproces mere effektiv, hurtigere og kræver betydeligt mindre arbejdskraft. Hielscher Ultrasonics har den bedst egnede ekstraktionsopsætning til din polymerisationsreaktion og procesvolumen.

Ultralydssonder til enhver produktkapacitet

Hielscher Ultrasonics produktsortiment dækker hele spektret af ultralydsprocessorer fra kompakte laboratorieultralydapparater over bord- og pilotsystemer til fuldt industrielle ultralydsprocessorer med kapacitet til at behandle lastbiler i timen. Det fulde produktsortiment giver os mulighed for at tilbyde dig det bedst egnede ultralydsudstyr til dine polymerer, proceskapacitet og produktionsmål.
Ultralydsbordsystemer 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 udføres ved enten at installere en mere kraftfuld ultralydsudsugningsenhed eller klynge flere ultralydapparater parallelt. Med UIP16000 tilbyder Hielscher den mest kraftfulde ultralydsenhed på verdensplan.

Præcist kontrollerbare amplituder for optimale resultater

Alle Hielscher ultralydapparater er præcist kontrollerbare og dermed pålidelige arbejdsheste i produktionen. Amplituden er en af de afgørende procesparametre, der påvirker effektiviteten og effektiviteten af sonokemiske reaktioner, herunder polymerisationsreaktioner og synteseveje.
Alle Hielscher ultralydsapparater’ Processorer giver mulighed for den præcise indstilling af amplituden. Sonotroder og boosterhorn er tilbehør, der gør det muligt at ændre amplituden i et endnu bredere område. Hielschers industrielle ultralydsprocessorer kan levere meget høje amplituder og levere den krævede ultralydsintensitet til krævende applikationer. Amplituder på op til 200 μm kan nemt køres kontinuerligt i 24/7 drift.
Præcise amplitudeindstillinger og permanent overvågning af ultralydsprocesparametrene via smart software giver dig mulighed for at syntetisere dine molekylært prægede polymerer med de mest effektive ultralydsbetingelser. Optimal sonikering for de bedste polymerisationsresultater!
Robustheden af Hielschers ultralydsudstyr giver mulighed for 24/7 drift ved tunge og krævende miljøer. Dette gør Hielschers ultralydsudstyr til et pålideligt arbejdsredskab, der opfylder dine sonokemiske proceskrav.

Nem, risikofri test

Ultralydsprocesser kan skaleres fuldstændigt lineært. Dette betyder, at hvert resultat, du har opnået ved hjælp af en ultralydsapparat i laboratoriet eller en ultralydsmaskine, kan skaleres til nøjagtigt det samme output ved hjælp af nøjagtig de samme procesparametre. Dette gør ultralydbehandling ideel til risikofri gennemførlighedstest, procesoptimering og efterfølgende implementering i kommerciel fremstilling. Kontakt os for at lære, hvordan sonikering kan øge dit 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. 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 armaturer.

Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater:

Du kan købe Hielscher ultralydsprocessor i enhver anden størrelse og nøjagtigt konfigureret til dine proceskrav. Fra behandling af reaktanter i et lille laboratorierør til kontinuerlig gennemstrømningsblanding af polymeropslæmninger på industrielt niveau tilbyder Hielscher Ultrasonics en passende ultralydsapparat til dig! Kontakt os venligst – Vi er glade for at kunne anbefale dig den ideelle ultralydsopsætning!