Molekyylisesti painettujen polymeerien (MIP) ultraäänisynteesi

Molekyylipainetut polymeerit (MIP) ovat keinotekoisesti suunniteltuja reseptoreita, joilla on ennalta määrätty selektiivisyys ja spesifisyys tietylle biologiselle tai kemialliselle molekyylirakenteelle. Ultrasonication voi parantaa molekyylisesti painettujen polymeerien erilaisia synteesireittejä, mikä tekee polymeroinnista tehokkaamman ja luotettavamman.

Mitä ovat molekyylipainetut polymeerit?

Molekyylipainettu polymeeri (MIP) on polymeerimateriaaleja, joilla on vasta-ainemaisia tunnistusominaisuuksia ja jotka on tuotettu molekyylipainatustekniikalla. Molekyylipainatustekniikka tuottaa molekyylipainettua polymeeriä tietyn kohdemolekyylin suhteen. Molekyylisesti painetun polymeerin polymeerimatriisissa on onteloita, joilla on affiniteetti spesifiseen “malline” molecule. The process usually involves initiating the polymerization of monomers in the presence of a template molecule that is extracted afterwards, leaving behind complementary cavities. These polymers have affinity for the original molecule and have been used in applications such as chemical separations, catalysis, or molecular sensors. Molecular imprinted molecules can be compared to a molecular lock, that matches a molecular key (the so-called template molecule). Molecularly imprinted polymers (MIPs) are characterised by specifically tailored binding sites that match the template molecules in shape, size and functional groups. The “lock – key” feature allows to use molecular imprinted polymers for various applications, where a specific type of molecule is recognised and attached to the molecular lock, i.e. the molecular imprinted polymer.

Kaaviokuva esittää syklodekstriinien molekyylipainatusreittiä räätälöityjen reseptorien valmistamiseksi.Tutkimus ja kuva: Hishiya et al. 2003

Molekyylipainetuilla polymeereillä (MIP) on laaja käyttöalue, ja niitä käytetään erottamaan ja puhdistamaan tiettyjä biologisia tai kemiallisia molekyylejä, mukaan lukien aminohapot ja proteiinit, nukleotidijohdannaiset, epäpuhtaudet sekä lääkkeet ja elintarvikkeet. Käyttökohteet vaihtelevat erottelusta ja puhdistuksesta kemiallisiin antureihin, katalyyttisiin reaktioihin, lääkkeiden annosteluun, biologisiin vasta-aineisiin ja reseptorijärjestelmiin. (vrt. Vasapollo ym. 2011)
Esimerkiksi MIP-tekniikkaa käytetään kiinteän faasin mikrouuttotekniikkana kannabiksesta peräisin olevien molekyylien, kuten CBD:n tai THC:n, käyttämiseksi ja puhdistamiseksi täyden spektrin uutteesta kannabinoidi-isolaattien ja tisleiden saamiseksi.

Molekyylisesti painettujen molekyylien ultraäänisynteesi

Kohdetyypistä (mallista) ja MIP: n lopullisesta sovelluksesta riippuen MIP: t voidaan syntetisoida eri muodoissa, kuten nano- ja mikronikokoisina pallomaisina hiukkasina, nanolankoina, nanotankoina, nanofilamentteina tai ohuina kalvoina. Tietyn MIP-muodon tuottamiseksi voidaan käyttää erilaisia polymerointitekniikoita, kuten irtopainatus, saostus, emulsiopolymerointi, suspensio, dispersio, geeliytyminen ja monivaiheinen turvotuspolymerointi.
Matalataajuisen, korkean intensiteetin ultraäänitekniikan käyttö tarjoaa erittäin tehokkaan, monipuolisen ja yksinkertaisen tekniikan polymeeristen nanorakenteiden syntetisoimiseksi.
Sonikaatio tuo useita etuja MIP-synteesissä verrattuna perinteisiin polymerointiprosesseihin, koska se edistää korkeampia reaktionopeuksia, homogeenisempaa polymeeriketjun kasvua, suurempia saantoja ja lievempiä olosuhteita (esim. alhainen reaktiolämpötila). Lisäksi se voi muuttaa sitoutumiskohdan populaatiojakaumaa ja siten lopullisen polymeerin morfologiaa. (Svenson 2011)
Soveltamalla sonokemiallista energiaa MIP: n polymerointiin polymerointireaktiot käynnistyvät ja vaikuttavat positiivisesti. Samanaikaisesti sonikaatio edistää polymeeriseoksen tehokasta kaasunpoistoa uhraamatta sitoutumiskykyä tai jäykkyyttä.
Ultrasonic homogenization, dispersing and emulsification offers superior mixing and agitation to form homogeneous suspensions and to provide initiation energy for polymerization processes. Viveiros et al. (2019) investigated the potential of ultrasonic MIP synthesis and state that “MIPs prepared ultrasonically presented binding properties similar or superior to the conventional methods”.
Nanomuotoiset vähimmäistuontihinnat avaavat lupaavia mahdollisuuksia parantaa sitoutumiskohtien homogeenisuutta. Ultrasonication on tunnettu poikkeuksellisista tuloksistaan nanodispersioiden ja nanoemulsioiden valmistuksessa.

Ultraääni nanoemulsiopolymerointi

MIP: t voidaan syntetisoida emulsiopolymeroinnilla. Emulsiopolymerointi saavutetaan yleisesti muodostamalla öljy-vedessä-emulsio lisäämällä pinta-aktiivista ainetta. Vakaan, nanokokoisen muodostamiseksi tarvitaan korkean suorituskyvyn emulgointitekniikka. Ultraääniemulgointi on vakiintunut tekniikka nano- ja miniemulsioiden valmistamiseksi.
Lue lisää ultraääninanoemulgoinnista!

Ultraääni voi parantaa seuraavia synteesireittejä nanoMIP-tuotantoon: saostumispolymerointi, emulsiopolymerointi ja ydinkuoren polymerointi.Tutkimus ja kuva: Refaat et al. 2019

Mallin ultraääniuutto

Molekyylisesti painettujen polymeerien synteesin jälkeen templaatti on poistettava sitoutumiskohdasta aktiivisen molekyylipainetun polymeerin saamiseksi. Sonikoinnin voimakkaat sekoitusvoimat edistävät liuotin- ja templaattimolekyylien liukoisuutta, diffuusiota, tunkeutumista ja kuljetusta. Näin mallit poistetaan nopeasti sidontasivustoilta.
Ultraääniuutto voidaan yhdistää myös Soxhlet-uuttoon mallin poistamiseksi painetusta polymeeristä.

Tapaustutkimukset: ultraäänisovellukset molekyylisesti painetuille polymeereille

Molekyylisesti painettujen polymeerien ultraäänisynteesi

Magneettisten nanohiukkasten kapselointi 17β-estradiolipainetuilla polymeereillä ultraäänisynteesireitin avulla saavuttaa 17β-estradiolin nopean poistamisen vesipitoisista ympäristöistä. NanoMIP: n ultraäänisynteesissä metakryylihappoa (MAA) käytettiin monomeerinä, etyleeniglykolidimetyyliakrylaattia (EGDMA) silloittajana ja atsobisisobutyronitriiliä (AIBN) initiaattorina. Ultraäänisynteesimenettely suoritettiin 2 tunnin ajan 65 ºC: ssa. Magneettisten NIP:ien keskimääräiset hiukkaskoon halkaisijat olivat 200 nm ja magneettisten MIP:ien 300 nm. Ultraäänen käyttö ei ainoastaan parantanut nanohiukkasten polymerointinopeutta ja morfologiaa, vaan johti myös vapaiden radikaalien määrän kasvuun ja helpotti siten MIP-kasvua magneettisten nanohiukkasten ympärillä. Adsorptiokyky kohti 17β-estradiolia oli verrattavissa perinteisiin lähestymistapoihin. [Xia et ai., 2012? Viveiro et ai., 2019]

Ultraääni molekyylisesti painetuille antureille

suunnitteli molekyylipainetun sähkökemiallisen anturin, joka perustuu nikkelin nanohiukkasmodifioituihin elektrodeihin fenobarbitaalin määrittämiseksi. Raportoitu sähkökemiallinen anturi kehitettiin lämpöpolymeroimalla käyttäen metakryylihappoa (MAA) funktionaalisena monomeerinä, 2,2-atsobisisobutyronitriiliä (AIBN) ja etyleeniglykolimaleiinirosinaattia (EGMRA) silloittavana aineena, fenobarbitaaleja (PB) templaattimolekyylinä ja dimetyylisulfoksidia (DMSO) orgaanisena liuottimena. Anturin valmistusprosessissa 0,0464 g PB ja 0,0688 g MAA sekoitettiin 3 ml: aan DMSO: ta ja sonikoitiin 10 minuutin ajan. 5 tunnin kuluttua seokseen lisättiin 1,0244 g EGMRA:ta ja 0,0074 g AIBN:ää ja sonikoitiin 30 minuutin ajan PB-painettujen polymeeriliuosten saamiseksi. Sen jälkeen 10 μl 2,0 mg ml^-1Ni-nanopartikkeliliuos pudotettiin GCE-pinnalle ja sitten anturi kuivattiin huoneenlämmössä. Noin 5 μl valmistettua PB-leimattua polymeeriliuosta päällystettiin sitten Ni-nanohiukkasmodifioidulla GCE:llä ja tyhjiökuivattiin 75◦C:ssa 6 tunnin ajan. Lämpöpolymeroinnin jälkeen painettua anturia pestiin (etikkahapolla) HAc/metanolilla (tilavuussuhde, 3:7) 7 minuutin ajan templaattimolekyylien poistamiseksi. (vrt. Uygun et al. 2015)

Ultraäänimikrouutto MIP: n avulla

Nikotiiniamidianalyysien talteenottamiseksi näytteistä käytetään ultraäänellä avustettua dispergoituvaa kiinteän faasin mikrouuttoa, jota seuraa UV-vis-spektrofotometri (UA-DSPME-UV-vis). Nikotiiniamidin (B3-vitamiini) uuttamiseen ja esikonsentrointiin on käytetty HKUST-1-metallisia orgaanisia puitteita (MOF), jotka perustuvat molekyylipainettuihin polymeereihin. (Asfaram ym. 2017)

Korkean suorituskyvyn ultraääniastiat polymeerisovelluksiin

Laboratoriosta tuotantoon lineaarisella skaalautuvuudella: Erityisesti suunnitellut molekyylipainetut polymeerit kehitetään ja testataan ensin pienessä laboratorio- ja penkkimittakaavassa polymeerisynteesin toteutettavuuden tutkimiseksi. Jos vähimmäistuontihintojen toteutettavuus ja optimointi on toteutettu, vähimmäistuontihinnan tuotanto skaalataan suurempiin määriin. Ultraäänisynteesireitit voidaan kaikki skaalata lineaarisesti penkki-topista täysin kaupalliseen tuotantoon. Hielscher Ultrasonics tarjoaa sonokemiallisia laitteita polymeerisynteesiin pienissä laboratorio- ja penkkiasetuksissa täysin teollisiin inline-ultraäänijärjestelmiin 24/7 tuotantoon täydellä kuormituksella. Ultraääni voidaan skaalata lineaarisesti koeputken koosta suuriin kuorma-autokuormien tuotantokapasiteettiin tunnissa. Hielscher Ultrasonics laaja tuotevalikoima laboratoriosta teollisiin sonokemiallisiin järjestelmiin on sopivin ultraäänilaite suunnitellulle prosessikapasiteetillesi. Pitkäaikainen kokenut henkilökuntamme auttaa sinua toteutettavuustesteistä ja prosessin optimoinnista ultraäänijärjestelmän asentamiseen lopulliselle tuotantotasolle.

Hielscher Ultrasonics – Hienostuneet sonokemialliset laitteet

Hielscher Ultrasonics -tuotevalikoima kattaa täyden valikoiman korkean suorituskyvyn ultraääniuuttimia pienistä suuriin mittasuhteisiin. Lisätarvikkeet mahdollistavat prosessillesi sopivimman ultraäänilaitekokoonpanon helpon kokoamisen. Optimaalinen ultraääniasetus riippuu suunnitellusta kapasiteetista, tilavuudesta, materiaalista, erä- tai inline-prosessista ja aikajanasta. Hielscher auttaa sinua määrittämään ihanteellisen sonokemiallisen prosessin.

Erä ja inline

Hielscher-ultraäänilaitteita voidaan käyttää erä- ja jatkuvaan läpivirtauskäsittelyyn. Pienet ja keskikokoiset tilavuudet voidaan kätevästi sonikoida eräprosessissa (esim. injektiopullot, testi, putket, dekantterilasit, säiliöt tai tynnyrit). Suuren volyymin käsittelyssä inline-sonikaatio voi olla tehokkaampaa. Vaikka erävalmistus vaatii enemmän aikaa ja työvoimaa, jatkuva inline-sekoitusprosessi on tehokkaampi, nopeampi ja vaatii huomattavasti vähemmän työvoimaa. Hielscher Ultrasonicsilla on sopivin uuttoasetus polymerointireaktiollesi ja prosessitilavuudellesi.

Ultraäänianturit jokaiselle tuotekapasiteetille

Hielscher Ultrasonics -tuotevalikoima kattaa täyden valikoiman ultraääniprosessoreita kompakteista laboratorioultraäänilaitteista penkki- ja pilottijärjestelmiin täysin teollisiin ultraääniprosessoreihin, joilla on kyky käsitellä kuorma-autokuormia tunnissa. Koko tuotevalikoiman avulla voimme tarjota sinulle sopivimmat ultraäänilaitteet polymeereillesi, prosessikapasiteetillesi ja tuotantotavoitteillesi.
Ultraäänipenkkijärjestelmät ovat ihanteellisia toteutettavuustesteihin ja prosessien optimointiin. Vakiintuneisiin prosessiparametreihin perustuvan lineaarisen skaalauksen ansiosta käsittelykapasiteettia on erittäin helppo lisätä pienemmistä eristä täysin kaupalliseen tuotantoon. Skaalaus voidaan tehdä joko asentamalla tehokkaampi ultraääniuuttoyksikkö tai ryhmittelemällä useita ultraäänilaitteita rinnakkain. UIP16000 kanssa Hielscher tarjoaa maailman tehokkaimman ultraääniyksikön.

Tarkasti säädettävät amplitudit optimaalisiin tuloksiin

Kaikki Hielscher-ultraäänilaitteet ovat tarkasti hallittavissa ja siten luotettavia työhevosia tuotannossa. Amplitudi on yksi ratkaisevista prosessiparametreista, jotka vaikuttavat sonokemiallisten reaktioiden tehokkuuteen ja vaikuttavuuteen, mukaan lukien polymerointireaktiot ja synteesireitit.
Kaikki Hielscherin ultraääni’ processors allow for the precise setting of the amplitude. Sonotrodes and booster horns are accessories that allow to modify the amplitude in an even wider range. Hielscher’s industrial ultrasonic processors can deliver very high amplitudes and deliver the required ultrasonic intensity for demanding applications. Amplitudes of up to 200µm can be easily continuously run in 24/7 operation.
Tarkat amplitudiasetukset ja ultraääniprosessiparametrien pysyvä seuranta älykkään ohjelmiston avulla antavat sinulle mahdollisuuden syntetisoida molekyylisesti painetut polymeerit tehokkaimmilla ultraääniolosuhteilla. Optimaalinen sonikaatio parhaiden polymerointitulosten saavuttamiseksi!
The robustness of Hielscher’s ultrasonic equipment allows for 24/7 operation at heavy duty and in demanding environments. This makes Hielscher’s ultrasonic equipment a reliable work tool that fulfils your sonochemical process requirements.

Helppo ja riskitön testaus

Ultraääniprosessit voivat olla täysin lineaarisia. Tämä tarkoittaa, että jokainen tulos, jonka olet saavuttanut laboratoriolla tai penkki-top-ultraäänilaitteella, voidaan skaalata täsmälleen samaan lähtöön käyttämällä täsmälleen samoja prosessiparametreja. Tämä tekee ultrasonicationista ihanteellisen riskittömään toteutettavuustestaukseen, prosessin optimointiin ja myöhempään toteutukseen kaupalliseen valmistukseen. Ota meihin yhteyttä oppiaksesi, kuinka sonikaatio voi lisätä MIP-tuottoa ja laatua.

Korkealaatuisia – Suunniteltu ja valmistettu Saksassa

As a family-owned and family-run business, Hielscher prioritizes highest quality standards for its ultrasonic processors. All ultrasonicators are designed, manufactured and thoroughly tested in our headquarter in Teltow near Berlin, Germany. Robustness and reliability of Hielscher’s ultrasonic equipment make it a work horse in your production. 24/7 operation under full load and in demanding environments is a natural characteristic of Hielscher’s high-performance mixers.

Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Voit ostaa Hielscherin ultraääniprosessorin missä tahansa eri koossa ja tarkasti konfiguroituna prosessivaatimuksiisi. Reagenssien käsittelystä pienessä laboratorioputkessa polymeerilietteiden jatkuvaan läpivirtaussekoitukseen teollisella tasolla, Hielscher Ultrasonics tarjoaa sinulle sopivan ultraäänilaitteen! Ota yhteyttä – Olemme iloisia voidessamme suositella sinulle ihanteellista ultraääniasetusta!