Ultrasone synthese van moleculair geïmprinte polymeren (MIP’s)

Moleculair geïmprinte polymeren (MIP’s) zijn kunstmatig ontworpen receptoren met een vooraf bepaalde selectiviteit en specificiteit voor een bepaalde biologische of chemische molecuulstructuur. Ultrasone behandeling kan verschillende syntheseroutes van moleculair geïmprinte polymeren verbeteren, waardoor de polymerisatie efficiënter en betrouwbaarder wordt.

Wat zijn moleculair geïmprinte polymeren?

Een moleculair geïmprint polymeer (MIP) is een polymeermateriaal met antilichaamachtige herkenningseigenschappen dat met behulp van de moleculaire imprintingtechniek is geproduceerd. De moleculaire imprintingtechniek produceert een moleculair geïmprint polymeer voor een specifiek doelmolecuul. Het moleculair geïmprinte polymeer heeft holtes in zijn polymeermatrix met een affiniteit voor het specifieke “sjabloonmolecuul”. Het proces omvat doorgaans het initiëren van de polymerisatie van monomeren in aanwezigheid van een sjabloonmolecuul dat naderhand wordt geëxtraheerd, waardoor complementaire holtes achterblijven. Deze polymeren hebben affiniteit voor het oorspronkelijke molecuul en zijn gebruikt in toepassingen zoals chemische scheidingen, katalyse of moleculaire sensoren. Moleculair geïmprinte moleculen kunnen worden vergeleken met een moleculair slot dat past bij een moleculaire sleutel (het zogeheten sjabloonmolecuul). Moleculair geïmprinte polymeren (MIP’s) worden gekenmerkt door specifiek op maat gemaakte bindingsplaatsen die qua vorm, grootte en functionele groepen overeenkomen met de sjabloonmoleculen. Het “slot–sleutel”-kenmerk maakt het mogelijk om moleculair geïmprinte polymeren te gebruiken voor verschillende toepassingen waarbij een specifiek type molecuul wordt herkend en aan het moleculaire slot, oftewel het moleculair geïmprinte polymeer, wordt gebonden.

De schematische illustratie toont de moleculaire imprintingroute van cyclodextrinen voor de bereiding van op maat gemaakte receptoren.
Onderzoek en afbeelding: Hishiya et al. 2003

Moleculair geïmprinte polymeren (MIP’s) hebben een breed toepassingsgebied en worden gebruikt om specifieke biologische of chemische moleculen te scheiden en te zuiveren, waaronder aminozuren en eiwitten, nucleotidederivaten, verontreinigende stoffen, evenals geneesmiddelen en voedingsmiddelen. De toepassingsgebieden variëren van scheiding en zuivering tot chemische sensoren, katalytische reacties, geneesmiddelafgifte, biologische antilichamen en receptorsystemen. (vgl. Vasapollo et al. 2011)
MIP-technologie wordt bijvoorbeeld gebruikt als micro-extractietechniek met een vaste fase om uit cannabis afkomstige moleculen zoals CBD of THC uit het volledige-spectrumextract te verwerken en te zuiveren, zodat cannabinoïde-isolaten en -destillaten worden verkregen.

Ultrasone synthese van moleculair geïmprinte moleculen

Afhankelijk van het type doelmolecuul (sjabloon) en de uiteindelijke toepassing van het MIP kunnen MIP’s in verschillende vormen worden gesynthetiseerd, zoals bolvormige deeltjes op nano- en micrometerschaal, nanodraden, nanostaafjes, nanofilamenten of dunne films. Om een specifieke MIP-vorm te produceren, kunnen verschillende polymerisatietechnieken worden toegepast, zoals bulkimprinting, precipitatie, emulsiepolymerisatie, suspensie, dispersie, gelvorming en meerstapszwellingspolymerisatie.
De toepassing van laagfrequent ultrageluid met een hoge intensiteit biedt een zeer efficiënte, veelzijdige en eenvoudige techniek om polymere nanostructuren te synthetiseren.
Sonicatie biedt verschillende voordelen bij de synthese van MIP’s ten opzichte van traditionele polymerisatieprocessen, omdat het hogere reactiesnelheden, een homogenere groei van polymeerketens, hogere opbrengsten en mildere omstandigheden (bijv. een lage reactietemperatuur) bevordert. Bovendien kan het de verdeling van de populatie bindingsplaatsen veranderen en daarmee de morfologie van het uiteindelijke polymeer. (Svenson 2011)
Door sonochemische energie toe te passen bij de polymerisatie van MIP’s worden polymerisatiereacties geïnitieerd en positief beïnvloed. Tegelijkertijd bevordert sonicatie een effectieve ontgassing van het polymeermengsel zonder verlies van bindingscapaciteit of stijfheid.
Ultrasone homogenisatie, dispersie en emulgering bieden superieure menging en beweging om homogene suspensies te vormen en initiatie-energie voor polymerisatieprocessen te leveren. Viveiros et al. (2019) onderzochten het potentieel van ultrasone MIP-synthese en stellen dat “ultrasoon bereide MIP’s bindingseigenschappen vertoonden die vergelijkbaar waren met of beter waren dan die bij conventionele methoden”.
MIP’s op nanoschaal bieden veelbelovende mogelijkheden om de homogeniteit van de bindingsplaatsen te verbeteren. Ultrasone behandeling staat bekend om de uitzonderlijke resultaten bij de bereiding van nanodispersies en nano-emulsies.

Ultrasone nano-emulsiepolymerisatie

MIP’s kunnen worden gesynthetiseerd door emulsiepolymerisatie. Emulsiepolymerisatie wordt doorgaans uitgevoerd door een olie-in-wateremulsie te vormen onder toevoeging van een oppervlakteactieve stof. Om een stabiele emulsie op nanoschaal te vormen, is een emulgeertechniek met hoge prestaties vereist. Ultrasone emulgering is een gevestigde techniek voor de bereiding van nano- en mini-emulsies.
Lees meer over ultrasone nano-emulgering!

Ultrageluid kan de volgende syntheseroutes voor de productie van nanoMIP’s verbeteren: precipitatiepolymerisatie, emulsiepolymerisatie en kern-schilpolymerisatie.
Onderzoek en afbeelding door: Refaat et al. 2019

Ultrasone extractie van het sjabloon

Na de synthese van moleculair geïmprinte polymeren moet het sjabloon van de bindingsplaats worden verwijderd om een actief moleculair geïmprint polymeer te verkrijgen. De intense mengkrachten van sonicatie bevorderen de oplosbaarheid, diffusiviteit, penetratie en het transport van oplosmiddel- en sjabloonmoleculen. Daardoor worden de sjablonen snel van de bindingsplaatsen verwijderd.
Ultrasone extractie kan ook worden gecombineerd met Soxhlet-extractie om het sjabloon uit het geïmprinte polymeer te verwijderen.

Casestudy’s: ultrasone toepassingen voor moleculair geïmprinte polymeren

Ultrasone synthese van moleculair geïmprinte polymeren

De inkapseling van magnetische nanodeeltjes door met 17β-estradiol geïmprinte polymeren via een ultrasone syntheseroute zorgt voor een snelle verwijdering van 17β-estradiol uit waterige omgevingen. Voor de ultrasone synthese van de nanoMIP’s werd methacrylzuur (MAA) gebruikt als monomeer, ethyleenglycoldimethylacrylaat (EGDMA) als vernetter en azobisisobutyronitril (AIBN) als initiator. De ultrasone syntheseprocedure werd gedurende 2h bij 65ºC uitgevoerd. De gemiddelde deeltjesdiameters van magnetische NIP’s en magnetische MIP’s waren respectievelijk 200 en 300 nm. Het gebruik van ultrageluid verbeterde niet alleen de polymerisatiesnelheid en de morfologie van de nanodeeltjes, maar leidde ook tot een toename van het aantal vrije radicalen en vergemakkelijkte daardoor de groei van MIP’s rond de magnetische nanodeeltjes. De adsorptiecapaciteit voor 17β-estradiol was vergelijkbaar met die van traditionele benaderingen. [Xia et al. 2012 / Viveiro et al. 2019]

Ultrageluid voor moleculair geïmprinte sensoren

Yu et al. ontwierpen een moleculair geïmprinte elektrochemische sensor op basis van met nikkelnanodeeltjes gemodificeerde elektroden voor de bepaling van fenobarbital. De beschreven elektrochemische sensor werd ontwikkeld door thermische polymerisatie met methacrylzuur (MAA) als functioneel monomeer, 2,2-azobisisobutyronitril (AIBN) en ethyleenglycolmaleïnerosinaat (EGMRA)-acrylaat als vernettingsmiddel, fenobarbitalen (PB’s) als sjabloonmolecuul en dimethylsulfoxide (DMSO) als organisch oplosmiddel. Tijdens de vervaardiging van de sensor werden 0,0464g PB en 0,0688g MAA gemengd in 3 mL DMSO en gedurende 10 min aan sonicatie onderworpen. Na 5 h werden 1,0244g EGMRA en 0,0074g AIBN aan het mengsel toegevoegd en werd het gedurende 30 min aan sonicatie onderworpen om oplossingen van met PB geïmprinte polymeren te verkrijgen. Daarna werd 10 μL van een oplossing van Ni-nanodeeltjes met een concentratie van 2,0 mg mL^-1 op het GCE-oppervlak gedruppeld en werd de sensor vervolgens bij kamertemperatuur gedroogd. Vervolgens werd ongeveer 5 μL van de bereide oplossing van met PB geïmprinte polymeren als coating aangebracht op de met Ni-nanodeeltjes gemodificeerde GCE en gedurende 6 h onder vacuüm gedroogd bij 75◦C. Na de thermische polymerisatie werd de geïmprinte sensor gedurende 7 min gewassen met (azijnzuur) HAc/methanol (volumeverhouding, 3:7) om de sjabloonmoleculen te verwijderen. (vgl. Uygun et al. 2015)

Ultrasone micro-extractie met MIP’s

Om nicotinamide als analyt uit monsters terug te winnen, wordt ultrasoon ondersteunde dispersieve micro-extractie met een vaste fase toegepast, gevolgd door meting met een UV-vis-spectrofotometer (UA-DSPME-UV-vis). Voor de extractie en voorconcentratie van nicotinamide (vitamine B3) zijn moleculair geïmprinte polymeren op basis van het metaal-organische raamwerk (MOF) HKUST-1 gebruikt. (Asfaram et al. 2017)

Sonicatoren met hoge prestaties voor polymeertoepassingen

Van laboratorium naar productie met lineaire schaalbaarheid: Specifiek ontworpen moleculair geïmprinte polymeren worden eerst op kleine laboratorium- en tafelopstellingsschaal ontwikkeld en getest om de haalbaarheid van de polymeersynthese te onderzoeken. Als de haalbaarheid is aangetoond en de MIP’s zijn geoptimaliseerd, wordt de MIP-productie opgeschaald naar grotere volumes. Alle ultrasone syntheseroutes kunnen lineair worden opgeschaald van een tafelopstelling naar volledig commerciële productie. Hielscher Ultrasonics biedt sonochemische apparatuur voor polymeersynthese in kleine laboratorium- en tafelopstellingen tot volledig industriële ultrasone inlinesystemen voor 24/7-productie onder volle belasting. Ultrasone behandeling kan lineair worden opgeschaald van reageerbuisformaat naar grote productiecapaciteiten van vrachtwagenladingen per uur. Het uitgebreide productportfolio van Hielscher Ultrasonics, van sonochemische laboratoriumsystemen tot industriële systemen, bevat de meest geschikte sonicator voor uw beoogde procescapaciteit. Onze medewerkers met jarenlange ervaring begeleiden u van haalbaarheidstests en procesoptimalisatie tot de installatie van uw ultrasone systeem op het uiteindelijke productieniveau.

Hielscher Ultrasonics – geavanceerde sonochemische apparatuur

Het productportfolio van Hielscher Ultrasonics omvat het volledige assortiment ultrasone extractoren met hoge prestaties, van kleine tot grote schaal. Extra accessoires maken het eenvoudig om de meest geschikte configuratie van ultrasone apparatuur voor uw proces samen te stellen. De optimale ultrasone opstelling hangt af van de beoogde capaciteit, het volume, het materiaal, het batch- of inlineproces en de planning. Hielscher helpt u het ideale sonochemische proces op te zetten.

Batch en inline

Sonicatoren van Hielscher kunnen worden gebruikt voor batchverwerking en continue doorstroomverwerking. Kleine en middelgrote volumes kunnen eenvoudig in een batchproces aan sonicatie worden onderworpen (bijv. in monsterflesjes, reageerbuizen, bekerglazen, tanks of vaten). Voor de verwerking van grote volumes kan inlinesonicatie effectiever zijn. Terwijl batchverwerking meer tijd en arbeid vergt, is een continu inlinemengproces efficiënter en sneller en vereist het aanzienlijk minder arbeid. Hielscher Ultrasonics heeft de meest geschikte extractieopstelling voor uw polymerisatiereactie en procesvolume.

Ultrasone sondes voor elke productiecapaciteit

Het productassortiment van Hielscher Ultrasonics omvat het volledige spectrum van ultrasone processors, van compacte laboratoriumsonicatoren via tafelopstellingen en pilotsystemen tot volledig industriële ultrasone processors met de capaciteit om vrachtwagenladingen per uur te verwerken. Dankzij het volledige productassortiment kunnen wij u de meest geschikte ultrasone apparatuur voor uw polymeren, procescapaciteit en productiedoelen aanbieden.
Ultrasone tafelopstellingen zijn ideaal voor haalbaarheidstests en procesoptimalisatie. Lineaire opschaling op basis van vastgestelde procesparameters maakt het zeer eenvoudig om de verwerkingscapaciteit te verhogen van kleinere partijen naar volledig commerciële productie. Opschaling kan worden uitgevoerd door een krachtigere ultrasone extractie-eenheid te installeren of door meerdere sonicatoren parallel te groeperen. Met de UIP16000 biedt Hielscher de krachtigste ultrasone eenheid ter wereld.

Nauwkeurig regelbare amplitudes voor optimale resultaten

Alle sonicatoren van Hielscher zijn nauwkeurig regelbaar en daardoor betrouwbare werkpaarden in de productie. De amplitude is een van de cruciale procesparameters die de efficiëntie en effectiviteit van sonochemische reacties beïnvloeden, waaronder polymerisatiereacties en syntheseroutes.
Alle processors van Hielscher Ultrasonics maken een nauwkeurige instelling van de amplitude mogelijk. Sonotrodes en boosterhoorns zijn accessoires waarmee de amplitude over een nog groter bereik kan worden aangepast. De industriële ultrasone processors van Hielscher kunnen zeer hoge amplitudes leveren en bieden de vereiste ultrasone intensiteit voor veeleisende toepassingen. Amplitudes tot 200µm kunnen eenvoudig continu worden toegepast bij 24/7-gebruik.
Nauwkeurige amplitude-instellingen en de permanente bewaking van de ultrasone procesparameters via slimme software bieden u de mogelijkheid om uw moleculair geïmprinte polymeren onder de meest effectieve ultrasone omstandigheden te synthetiseren. Optimale sonicatie voor de beste polymerisatieresultaten!
De robuustheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher maakt 24/7-gebruik onder zware belasting en in veeleisende omgevingen mogelijk. Daardoor is de ultrasone apparatuur van Hielscher een betrouwbaar hulpmiddel dat aan uw sonochemische proceseisen voldoet.

Eenvoudig en risicovrij testen

Ultrasone processen kunnen volledig lineair worden opgeschaald. Dit betekent dat elk resultaat dat u met een laboratoriumsonicator of een sonicator in een tafelopstelling hebt bereikt, kan worden opgeschaald naar exact dezelfde output met exact dezelfde procesparameters. Dit maakt ultrasone behandeling ideaal voor risicovrije haalbaarheidstests, procesoptimalisatie en daaropvolgende implementatie in commerciële productie. Neem contact met ons op om te ontdekken hoe sonicatie uw MIP-opbrengst en -kwaliteit kan verhogen.

Hoogste kwaliteit – ontworpen en vervaardigd in Duitsland

Als bedrijf dat eigendom is van en wordt geleid door een familie, geeft Hielscher de hoogste kwaliteitsnormen voor zijn ultrasone processors prioriteit. Alle sonicatoren worden ontworpen, vervaardigd en grondig getest op ons hoofdkantoor in Teltow nabij Berlijn, Duitsland. De robuustheid en betrouwbaarheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher maken deze tot een werkpaard in uw productie. 24/7-gebruik onder volle belasting en in veeleisende omgevingen is een vanzelfsprekend kenmerk van de mengers met hoge prestaties van Hielscher.

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren:

U kunt een ultrasone processor van Hielscher in uiteenlopende formaten aanschaffen, exact geconfigureerd volgens uw proceseisen. Van de behandeling van reactanten in een kleine laboratoriumbuis tot het continu mengen van polymeerslurries in een doorstroomproces op industriële schaal: Hielscher Ultrasonics biedt u een geschikte sonicator! Neem contact met ons op – wij adviseren u graag over de ideale ultrasone opstelling!