분자 각인 고분자(MIPs)의 초음파 합성

분자 각인 고분자(MIPs)는 특정 생물학적 또는 화학적 분자 구조에 대해 미리 정해진 선택성과 특이성을 갖도록 인공적으로 설계된 수용체입니다. 초음파 처리는 분자 각인 고분자의 다양한 합성 경로를 개선하여 중합의 효율성과 신뢰성을 높일 수 있습니다.

분자 각인 고분자란 무엇인가요?

분자 각인 고분자(MIP)는 분자 각인 기법을 사용하여 제조한, 항체와 유사한 인식 특성을 갖는 고분자 재료입니다. 분자 각인 기법은 특정 표적 분자에 맞춰 분자 각인 고분자를 생성합니다. 분자 각인 고분자의 고분자 매트릭스에는 특정 “주형” 분자에 대한 친화성을 갖는 공동이 있습니다. 이 공정은 일반적으로 주형 분자가 존재하는 상태에서 단량체의 중합을 개시한 후 주형 분자를 추출하여 상보적인 공동을 남기는 방식으로 진행됩니다. 이러한 고분자는 원래 분자에 대한 친화성을 가지며 화학적 분리, 촉매 작용 또는 분자 센서와 같은 응용 분야에 사용되어 왔습니다. 분자 각인 분자는 분자 열쇠(이른바 주형 분자)에 맞는 분자 자물쇠에 비유할 수 있습니다. 분자 각인 고분자(MIPs)는 모양, 크기 및 작용기가 주형 분자와 일치하도록 특별히 맞춤 설계된 결합 부위를 갖는 것이 특징입니다. 이러한 “자물쇠 – 열쇠” 특성 덕분에 분자 각인 고분자를 다양한 용도에 사용할 수 있으며, 이때 특정 유형의 분자가 인식되어 분자 자물쇠, 즉 분자 각인 고분자에 결합합니다.

이 모식도는 맞춤형 수용체를 제조하기 위한 사이클로덱스트린의 분자 각인 경로를 보여줍니다.
연구 및 그림: Hishiya et al. 2003

분자 각인 고분자(MIPs)는 응용 범위가 넓으며 아미노산과 단백질, 뉴클레오타이드 유도체, 오염물질뿐만 아니라 의약품과 식품을 포함한 특정 생물학적 또는 화학적 분자를 분리하고 정제하는 데 사용됩니다. 응용 분야는 분리 및 정제에서 화학 센서, 촉매 반응, 약물 전달, 생물학적 항체 및 수용체 시스템에 이르기까지 다양합니다. (참조: Vasapollo et al. 2011)
예를 들어, MIP 기술은 칸나비노이드 분리물과 증류물을 얻기 위해 전체 스펙트럼 추출물에서 CBD 또는 THC와 같은 대마 유래 분자를 처리하고 정제하는 고체상 미세추출 기법으로 사용됩니다.

분자 각인 분자의 초음파 합성

표적(주형)의 유형과 MIP의 최종 용도에 따라 MIP는 나노 및 마이크론 크기의 구형 입자, 나노와이어, 나노로드, 나노필라멘트 또는 박막 등 다양한 형태로 합성할 수 있습니다. 특정 형태의 MIP를 생산하기 위해 벌크 각인, 침전, 유화 중합, 현탁, 분산, 겔화 및 다단계 팽윤 중합 등 다양한 중합 기법을 적용할 수 있습니다.
저주파 고강도 초음파를 적용하면 고분자 나노구조를 합성할 수 있는 매우 효율적이고 다용도로 활용 가능한 간단한 기법을 이용할 수 있습니다.
초음파 처리는 반응 속도 향상, 더욱 균일한 고분자 사슬 성장, 수율 향상 및 더 온화한 조건(예: 낮은 반응 온도)을 촉진하므로 기존 중합 공정과 비교하여 MIP 합성에 여러 이점을 제공합니다. 또한 결합 부위 집단의 분포를 변화시켜 최종 고분자의 형태도 바꿀 수 있습니다. (Svenson 2011)
MIP 중합에 초음파 화학 에너지를 가하면 중합 반응이 개시되고 긍정적인 영향을 받습니다. 동시에 초음파 처리는 결합 용량이나 강성을 저하시키지 않으면서 고분자 혼합물의 효과적인 탈기를 촉진합니다.
초음파 균질화, 분산 및 유화는 우수한 혼합과 교반을 통해 균일한 현탁액을 형성하고 중합 공정에 개시 에너지를 제공합니다. Viveiros et al. (2019)은 초음파 MIP 합성의 잠재력을 조사하고 “초음파로 제조한 MIP는 기존 방법으로 제조한 MIP와 유사하거나 더 우수한 결합 특성을 나타냈다”고 밝혔습니다.
나노 형태의 MIP는 결합 부위의 균일성을 개선할 수 있는 유망한 가능성을 열어 줍니다. 초음파 처리는 나노분산액과 나노에멀젼 제조에서 탁월한 결과를 내는 것으로 잘 알려져 있습니다.

초음파 나노에멀젼 중합

MIP는 유화 중합으로 합성할 수 있습니다. 유화 중합은 일반적으로 계면활성제를 첨가하여 수중유형 에멀젼을 형성함으로써 이루어집니다. 안정적인 나노 크기의 에멀젼을 형성하려면 고성능 유화 기법이 필요합니다. 초음파 유화는 나노에멀젼과 미니에멀젼을 제조하는 데 널리 확립된 기법입니다.
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초음파는 nanoMIP 생산을 위한 침전 중합, 유화 중합 및 코어–셸 중합의 합성 경로를 개선할 수 있습니다.
연구 및 이미지 제공: Refaat et al. 2019

주형의 초음파 추출

분자 각인 고분자를 합성한 후에는 활성 분자 각인 고분자를 얻기 위해 결합 부위에서 주형을 제거해야 합니다. 초음파 처리의 강력한 혼합력은 용매와 주형 분자의 용해도, 확산성, 침투 및 이동을 촉진합니다. 이에 따라 주형이 결합 부위에서 빠르게 제거됩니다.
초음파 추출은 속슬렛 추출과 결합하여 각인 고분자에서 주형을 제거하는 데에도 사용할 수 있습니다.

사례 연구: 분자 각인 고분자를 위한 초음파 응용

분자 각인 고분자의 초음파 합성

초음파 합성 경로를 이용하여 자성 나노입자를 17β-에스트라디올 각인 고분자로 캡슐화하면 수성 환경에서 17β-에스트라디올을 빠르게 제거할 수 있습니다. nanoMIP의 초음파 합성에는 메타크릴산(MAA)을 단량체로, 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트(EGDMA)를 가교제로, 아조비스이소부티로니트릴(AIBN)을 개시제로 사용했습니다. 초음파 합성은 65ºC에서 2h 동안 수행했습니다. 자성 NIP와 자성 MIP의 평균 입자 직경은 각각 200 및 300 nm였습니다. 초음파를 사용하면 중합 속도와 나노입자의 형태가 개선될 뿐 아니라 자유 라디칼의 수도 증가하여 자성 나노입자 주위에서 MIP의 성장이 촉진되었습니다. 17β-에스트라디올에 대한 흡착 용량은 기존 방법과 비슷했습니다. [Xia et al. 2012 / Viveiro et al. 2019]

분자 각인 센서용 초음파 기술

Yu 등은 페노바르비탈 정량을 위해 니켈 나노입자로 개질한 전극을 기반으로 분자 각인 전기화학 센서를 설계했습니다. 보고된 전기화학 센서는 메타크릴산(MAA)을 기능성 단량체로, 2,2-아조비스이소부티로니트릴(AIBN)과 에틸렌글리콜 말레산 로지네이트(EGMRA) 아크릴레이트를 가교제로, 페노바르비탈류(PBs)를 주형 분자로, 디메틸설폭사이드(DMSO)를 유기 용매로 사용하여 열중합으로 개발했습니다. 센서 제작 과정에서 PB 0.0464g과 MAA 0.0688g을 DMSO 3 mL에 혼합하고 10 min 동안 초음파 처리했습니다. 5 h 후, 혼합물에 EGMRA 1.0244g과 AIBN 0.0074g을 첨가하고 30 min 동안 초음파 처리하여 PB 각인 고분자 용액을 얻었습니다. 그 후 10 μL의 2.0 mg mL^-1 Ni 나노입자 용액을 GCE 표면에 떨어뜨린 다음 센서를 실온에서 건조했습니다. 이어서 준비한 PB 각인 고분자 용액 약 5 μL를 Ni 나노입자로 개질한 GCE에 코팅하고 75◦C에서 6 h 동안 진공 건조했습니다. 열중합 후에는 주형 분자를 제거하기 위해 각인 센서를 (아세트산) HAc/메탄올(부피비, 3:7)로 7 min 동안 세척했습니다. (참조: Uygun et al. 2015)

MIP를 이용한 초음파 미량 추출

시료에서 니코틴아미드 분석 대상 물질을 회수하기 위해 초음파 보조 분산 고체상 미량 추출 후 UV-vis 분광광도계를 이용하는 방법(UA-DSPME-UV-vis)을 적용합니다. 니코틴아미드(비타민 B3)의 추출 및 사전 농축에는 HKUST-1 금속 유기 골격체(MOF) 기반 분자 각인 고분자가 사용되었습니다. (Asfaram et al. 2017)

고분자 응용 분야를 위한 고성능 초음파 처리기

선형 확장성을 통해 실험실에서 생산까지: 특정 목적에 맞게 설계한 분자 각인 고분자는 고분자 합성의 실현 가능성을 조사하기 위해 먼저 소규모 실험실 및 벤치탑 규모에서 개발하고 시험합니다. MIP의 실현 가능성을 확인하고 최적화를 완료하면 MIP 생산을 더 큰 부피로 확대합니다. 모든 초음파 합성 경로는 벤치탑 규모에서 완전한 상업 생산 규모까지 선형적으로 확장할 수 있습니다. Hielscher Ultrasonics는 소규모 실험실 및 벤치탑 환경에서 고분자 합성에 사용하는 초음파 화학 장비부터 전부하 상태에서 24/7 생산하기 위한 완전한 산업용 인라인 초음파 시스템까지 제공합니다. 초음파 처리는 시험관 규모에서 시간당 트럭 여러 대 분량에 이르는 대규모 생산 용량까지 선형적으로 확장할 수 있습니다. 실험실용부터 산업용 초음파 화학 시스템까지 아우르는 Hielscher Ultrasonics의 폭넓은 제품군에는 계획하신 공정 처리 용량에 가장 적합한 초음파 처리기가 있습니다. 오랜 경험을 갖춘 직원들이 실현 가능성 시험과 공정 최적화부터 최종 생산 규모의 초음파 시스템 설치까지 지원합니다.

Hielscher Ultrasonics – 정교한 초음파 화학 장비

Hielscher Ultrasonics의 제품 포트폴리오는 소규모부터 대규모까지 고성능 초음파 추출기의 전체 범위를 포괄합니다. 추가 액세서리를 사용하면 공정에 가장 적합한 초음파 장치 구성을 쉽게 조립할 수 있습니다. 최적의 초음파 시스템 구성은 계획된 처리 용량, 부피, 재료, 배치 또는 인라인 공정과 일정에 따라 달라집니다. Hielscher는 이상적인 초음파 화학 공정을 구축할 수 있도록 도와드립니다.

배치 및 인라인

Hielscher 초음파 장치는 배치 처리와 연속 통과식 처리에 사용할 수 있습니다. 소량 및 중간 용량은 배치 공정에서 편리하게 초음파 처리할 수 있습니다(예: 바이알, 시험관, 비커, 탱크 또는 배럴). 대용량 처리에는 인라인 초음파 처리가 더 효과적일 수 있습니다. 배치 처리는 시간과 노동력이 더 많이 드는 반면, 연속 인라인 혼합 공정은 더 효율적이고 빠르며 훨씬 적은 노동력이 필요합니다. Hielscher Ultrasonics는 고객의 중합 반응과 공정 처리 부피에 가장 적합한 추출 시스템 구성을 제공합니다.

모든 생산 용량에 맞는 초음파 프로브

Hielscher Ultrasonics의 제품군은 소형 실험실용 초음파 장치부터 벤치탑 및 파일럿 시스템, 시간당 트럭 적재량 규모를 처리할 수 있는 완전한 산업용 초음파 처리기까지 초음파 처리기의 전체 범위를 포괄합니다. 이러한 전체 제품군을 통해 고객의 고분자, 공정 처리 용량 및 생산 목표에 가장 적합한 초음파 장비를 제공할 수 있습니다.
초음파 벤치탑 시스템은 타당성 시험과 공정 최적화에 이상적입니다. 확립된 공정 매개변수에 기반한 선형 스케일업을 통해 소규모 로트에서 완전한 상업 생산까지 처리 용량을 매우 쉽게 늘릴 수 있습니다. 더 강력한 초음파 추출 장치를 설치하거나 여러 초음파 장치를 병렬로 구성하여 규모를 확대할 수 있습니다. Hielscher는 UIP16000을 통해 세계에서 가장 강력한 초음파 장치를 제공합니다.

최적의 결과를 위해 정밀하게 제어할 수 있는 진폭

모든 Hielscher 초음파 장치는 정밀하게 제어할 수 있어 생산 현장에서 믿고 사용할 수 있는 주력 장비입니다. 진폭은 중합 반응과 합성 경로를 포함한 초음파 화학 반응의 효율과 효과에 영향을 미치는 핵심 공정 매개변수 중 하나입니다.
Hielscher Ultrasonics의 모든 처리기는 진폭을 정밀하게 설정할 수 있습니다. 소노트로드와 부스터 혼은 진폭을 더욱 넓은 범위에서 조절할 수 있게 해 주는 액세서리입니다. Hielscher의 산업용 초음파 처리기는 매우 높은 진폭을 구현하고 까다로운 응용 분야에 필요한 초음파 강도를 제공할 수 있습니다. 최대 200µm의 진폭으로도 24/7 연속 운전을 쉽게 수행할 수 있습니다.
정밀한 진폭 설정과 스마트 소프트웨어를 통한 초음파 공정 매개변수의 지속적인 모니터링으로 가장 효과적인 초음파 조건에서 분자 각인 고분자를 합성할 수 있습니다. 최상의 중합 결과를 위한 최적의 초음파 처리!
Hielscher 초음파 장비는 견고하여 고부하 조건과 까다로운 환경에서도 24/7 운전이 가능합니다. 따라서 Hielscher의 초음파 장비는 고객의 초음파 화학 공정 요구 사항을 충족하는 신뢰할 수 있는 작업 도구입니다.

간편하고 위험 부담 없는 시험

초음파 공정은 완전히 선형적으로 규모를 확대할 수 있습니다. 이는 실험실용 또는 벤치탑 초음파 장치로 얻은 모든 결과를 정확히 동일한 공정 매개변수를 사용하여 정확히 동일한 산출 결과로 규모를 확대할 수 있음을 의미합니다. 따라서 초음파 처리는 위험 부담 없는 타당성 시험, 공정 최적화 및 이후 상업적 제조 공정 도입에 이상적입니다. 초음파 처리가 MIP 수율과 품질을 어떻게 높일 수 있는지 알아보려면 문의해 주십시오.

최고 품질 – 독일에서 설계 및 제조

가족 소유이자 가족이 경영하는 기업인 Hielscher는 초음파 프로세서에 최고 수준의 품질 기준을 최우선으로 적용합니다. 모든 초음파 장치는 독일 베를린 인근 텔토에 있는 본사에서 설계, 제조되며 철저한 시험을 거칩니다. Hielscher 초음파 장비는 견고성과 신뢰성을 바탕으로 생산 현장에서 든든한 일꾼 역할을 합니다. 전부하 상태와 가혹한 환경에서의 24/7 운전은 Hielscher 고성능 믹서의 기본적인 특성입니다.

아래 표는 당사 초음파 장치의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다:

Hielscher 초음파 프로세서는 다양한 크기로 구매할 수 있으며, 공정 요구 사항에 정확히 맞추어 구성할 수 있습니다. 소형 실험실 튜브에서의 반응물 처리부터 산업 규모의 고분자 슬러리 연속 유동 혼합까지, Hielscher Ultrasonics는 고객에게 적합한 초음파 장치를 제공합니다! 문의해 주시면 이상적인 초음파 장비 구성을 기꺼이 추천해 드리겠습니다!