Ultrasone synthese van moleculair geïmponeerde polymeren (MIP's)

Molecularly Imprinted Polymers (MIP's) zijn kunstmatig ontworpen receptoren met een vooraf bepaalde selectiviteit en specificiteit voor een bepaalde biologische of chemische molecuulstructuur. Ultrasoon kan verschillende synthesetrajecten van moleculair ingeprente polymeren verbeteren, waardoor de polymerisatie efficiënter en betrouwbaarder wordt.

Wat zijn moleculair gedrukte polymeren?

Een moleculair bedrukt polymeer (MIP) is een polymeer met antilichaam-achtige herkenningskenmerken dat geproduceerd is met behulp van moleculaire imprinting. De moleculaire imprinting techniek produceert moleculair bedrukt polymeer met betrekking tot een specifiek doelmolecuul. Het moleculair ingeprente polymeer heeft holtes in zijn polymeermatrix met een affiniteit voor het specifieke “sjabloon” molecuul. Het proces omvat meestal het initiëren van de polymerisatie van monomeren in de aanwezigheid van een sjabloonmolecuul dat daarna wordt geëxtraheerd, waardoor complementaire holtes achterblijven. Deze polymeren hebben affiniteit voor de oorspronkelijke molecule en worden gebruikt in toepassingen zoals chemische scheidingen, katalyse of moleculaire sensoren. Moleculair ingeprente moleculen kunnen worden vergeleken met een moleculair slot dat past bij een moleculaire sleutel (het zogenaamde sjabloonmolecuul). Moleculair bedrukte polymeren (MIP's) worden gekenmerkt door specifiek op maat gemaakte bindingsplaatsen die qua vorm, grootte en functionele groepen overeenkomen met de sjabloonmoleculen. Het "slot – key" eigenschap maakt het mogelijk om moleculair ingeprente polymeren te gebruiken voor verschillende toepassingen, waarbij een specifiek type molecuul wordt herkend en bevestigd aan het moleculaire slot, d.w.z. het moleculair ingeprente polymeer.

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

Moleculair bedrukte polymeren (MIP's) hebben een breed toepassingsgebied en worden gebruikt voor het scheiden en zuiveren van specifieke biologische of chemische moleculen, waaronder aminozuren en eiwitten, nucleotidederivaten, vervuilende stoffen, maar ook geneesmiddelen en voedingsmiddelen. De toepassingsgebieden variëren van scheiding en zuivering tot chemische sensoren, katalytische reacties, toediening van medicijnen, biologische antilichamen en receptorsystemen. (cf. Vasapollo et al. 2011)
MIP-technologie wordt bijvoorbeeld gebruikt als vaste-fase micro-extractietechniek om van cannabis afgeleide moleculen zoals CBD of THC te bewerken en te zuiveren van het volledige spectrum extract om cannabinoïde isolaten en distillaten te verkrijgen.

Ultrasone synthese van moleculair gedrukte moleculen

Afhankelijk van het type doel (sjabloon) en de uiteindelijke toepassing van de MIP, kunnen MIP's worden gesynthetiseerd in verschillende vormen, zoals bolvormige deeltjes van nano- en micronformaat, nanodraden, nanostaafjes, nanofilamenten of dunne films. Om een specifieke MIP-vorm te produceren, kunnen verschillende polymerisatietechnieken worden toegepast, zoals bulkimprinting, precipitatie, emulsiepolymerisatie, suspensie, dispersie, gelatie en meerstaps zwellingspolymerisatie.
De toepassing van laagfrequente ultrasoontechniek met hoge intensiteit biedt een zeer efficiënte, veelzijdige en eenvoudige techniek om polymere nanostructuren te synthetiseren.
Sonificatie biedt verschillende voordelen bij MIP-synthese in vergelijking met traditionele polymerisatieprocessen, omdat het hogere reactiesnelheden, homogenere groei van polymeerketens, hogere opbrengsten en mildere omstandigheden (bijvoorbeeld lage reactietemperatuur) bevordert. Bovendien kan het de verdeling van de bindingsplaats en dus de morfologie van het uiteindelijke polymeer veranderen. (Svenson 2011)
Door sonochemische energie toe te passen op de polymerisatie van MIP's worden polymerisatiereacties in gang gezet en positief beïnvloed. Tegelijkertijd bevordert sonicatie een effectieve ontgassing van het polymeermengsel zonder dat dit ten koste gaat van de bindingscapaciteit of stijfheid.
Ultrasoon homogeniseren, dispergeren en emulgeren biedt superieure menging en agitatie om homogene suspensies te vormen en initiatie-energie te leveren voor polymerisatieprocessen. Viveiros et al. (2019) onderzochten het potentieel van ultrasone MIP-synthese en stelden dat "MIP's die ultrasoon werden bereid bindingskenmerken vertoonden die vergelijkbaar of superieur waren aan de conventionele methoden".
MIP's in nanovorm bieden veelbelovende mogelijkheden om de homogeniteit van de bindingsplaatsen te verbeteren. Ultrasoonbehandeling staat bekend om zijn uitzonderlijke resultaten bij het bereiden van nanodispersies en nano-emulsies.

Ultrasone Nano-Emulsie Polymerisatie

MIP's kunnen worden gesynthetiseerd door emulsiepolymerisatie. Emulsiepolymerisatie wordt meestal bereikt door het vormen van een olie-in-water emulsie onder toevoeging van een oppervlakteactieve stof. Om een stabiele emulsie van nanogrootte te vormen, is een hoogwaardige emulsietechniek nodig. Ultrasone emulsificatie is een beproefde techniek om nano- en mini-emulsies te bereiden.
Lees meer over Ultrasone Nano-Emulgatie!

Ultrasoon kan de volgende syntheseroutes voor de productie van nanoMIP verbeteren: precipitatiepolymerisatie, emulsiepolymerisatie en kernschilpolymerisatie.
Studie en foto door: Refaat et al. 2019

Ultrasone extractie van de sjabloon

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

Casestudies: Ultrasone toepassingen voor moleculair gedrukte polymeren

Ultrasone synthese van moleculair geïmponeerde polymeren

De inkapseling van magnetische nanodeeltjes door 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 crosslinker en azobisisobutyronitril (AIBN) als initiator. De ultrasone syntheseprocedure werd uitgevoerd gedurende 2 uur bij 65ºC. De gemiddelde diameters van de deeltjesgrootte van magnetische NIP's en magnetische MIP's waren respectievelijk 200 en 300 nm. Het gebruik van ultrageluid verhoogde niet alleen de polymerisatiesnelheid en morfologie van de nanodeeltjes, maar leidde ook tot een toename van het aantal vrije radicalen en vergemakkelijkte zo de MIP-groei rond de magnetische nanodeeltjes. De adsorptiecapaciteit ten opzichte van 17β-estradiol was vergelijkbaar met traditionele benaderingen. [Xia et al. 2012 / Viveiro et al. 2019]

Ultrasoon voor moleculair gedrukte sensoren

Yu et al. ontwierpen een elektrochemische sensor met moleculaire imprint op basis van nikkel-nanodeeltjes-gemodificeerde elektroden voor de bepaling van fenobarbital. De gerapporteerde elektrochemische sensor werd ontwikkeld door thermische polymerisatie met behulp van methacrylzuur (MAA) als functioneel monomeer, 2,2-azobisobutyronitril (AIBN) en ethyleenglycol maleïnezuurrosinaat (EGMRA) acrylaat als verknopingsmiddel, fenobarbitalen (PB's) als sjabloonmolecuul en dimethylsulfoxide (DMSO) als organisch oplosmiddel. In het fabricageproces van de sensor werden 0,0464 g PB en 0,0688 g MAA gemengd in 3 ml DMSO en 10 minuten gesoneerd. Na 5 uur werden 1,0244g EGMRA en 0,0074g AIBN toegevoegd aan het mengsel en 30 minuten gesoneerd om PB-geïmprinte polymeeroplossingen te verkrijgen. Daarna werden 10 μL van 2,0 mg mL^-1Ni nanodeeltjesoplossing gedruppeld op het GCE-oppervlak en vervolgens werd de sensor gedroogd bij kamertemperatuur. Ongeveer 5 pi van de bereide PB-geïmprinte polymeeroplossing werd vervolgens gecoat op de Ni nanodeeltjes-gemodificeerde GCE en vacuüm gedroogd bij 75◦C gedurende 6 uur. Na de thermische polymerisatie werd de ingeprente sensor gewassen met (azijnzuur) HAc/methanol (volumeverhouding, 3:7) gedurende 7 minuten om de sjabloonmoleculen te verwijderen. (cf. Uygun et al. 2015)

Ultrasone micro-extractie met MIP's

Om nicotinamideanalyses terug te winnen uit monsters is een ultrasoon geassisteerde dispersieve vaste fase microextractie gevolgd door UV-vis spectrofotometer (UA-DSPME-UV-vis) toegepast. Voor de extractie en preconcentratie van nicotinamide (vitamine B3) zijn HKUST-1 metaal organisch raamwerk (MOF) gebaseerde moleculair bedrukte polymeren gebruikt. (Asfaram et al. 2017)

Ultrasone apparaten met hoge prestaties voor polymeertoepassingen

Van laboratorium naar productie met lineaire schaalbaarheid: Specifiek ontworpen moleculair ingeprente polymeren worden eerst ontwikkeld en getest op kleine laboratoriumschaal om de haalbaarheid van de polymeersynthese te onderzoeken. Als de MIP's haalbaar zijn en geoptimaliseerd, wordt de MIP-productie opgeschaald naar grotere volumes. De ultrasone syntheseroutes kunnen allemaal lineair worden opgeschaald van bench-top tot volledig commerciële productie. Hielscher Ultrasonics biedt sonochemische apparatuur voor de synthese van polymeren in kleine laboratoria en bench-top settings tot volledig industriële inline ultrasone systemen voor de 24/7 productie onder volle belasting. Ultrasoon kan lineair worden geschaald van reageerbuisgrootte tot grote productiecapaciteiten van vrachtwagenladingen per uur. Hielscher Ultrasonics uitgebreide productportfolio van laboratorium tot industriële sonochemische systemen heeft de meest geschikte ultrasoonmachine voor de door u beoogde procescapaciteit. Onze ervaren medewerkers begeleiden u van haalbaarheidstests en procesoptimalisatie tot de installatie van uw ultrasoon systeem op eindproductieniveau.

Hielscher Ultrasonics – Geavanceerde Sonochemische Apparatuur

Het productassortiment van Hielscher Ultrasonics omvat het volledige scala aan hoogwaardige ultrasone extractors, van klein- tot grootschalig. Met extra accessoires kunt u eenvoudig de meest geschikte ultrasoon apparaatconfiguratie voor uw proces samenstellen. De optimale ultrasoonopstelling is afhankelijk van de beoogde capaciteit, het volume, het materiaal, het batch- of inline-proces en de tijdlijn. Hielscher helpt u bij het opzetten van het ideale sonochemische proces.

Batch en inline

Hielscher ultrasone machines kunnen worden gebruikt voor batchverwerking en continue doorstroomverwerking. Kleine en middelgrote volumes kunnen gemakkelijk worden gesoneerd in een batchproces (bijv. flacons, reageerbuizen, bekers, tanks of vaten). Voor het verwerken van grote volumes kan inline sonificatie effectiever zijn. Terwijl batchen tijd- en arbeidsintensiever is, is een continu inline mengproces efficiënter, sneller en vereist aanzienlijk minder arbeid. Hielscher Ultrasonics heeft de meest geschikte afzuiginstallatie voor uw polymerisatiereactie en procesvolume.

Ultrasone sondes voor elke productcapaciteit

Het productassortiment van Hielscher Ultrasonics omvat het volledige spectrum van ultrasone processoren, van compacte laboratorium-ultrasoneersystemen via bench-top en pilot-systemen tot volledig industriële ultrasone processoren met de capaciteit om vrachtwagenladingen per uur te verwerken. Dankzij het volledige productassortiment kunnen wij u de meest geschikte ultrasoonapparatuur bieden voor uw polymeren, procescapaciteit en productiedoelen.
Ultrasone benchtopsystemen zijn ideaal voor haalbaarheidstests en procesoptimalisatie. Lineaire schaalvergroting op basis van vastgestelde procesparameters maakt het heel eenvoudig om de verwerkingscapaciteit te verhogen van kleinere partijen tot volledig commerciële productie. Opschalen kan door een krachtigere ultrasone extractoreenheid te installeren of door meerdere ultrasone apparaten parallel te schakelen. Met de UIP16000 biedt Hielscher de krachtigste ultrasone eenheid ter wereld.

Nauwkeurig regelbare amplitudes voor optimale resultaten

Alle Hielscher ultrasone machines 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 Hielscher Ultrageluid’ Met processors kan de amplitude nauwkeurig worden ingesteld. Sonotrodes en boosterhoorns zijn accessoires waarmee de amplitude in een nog breder bereik kan worden aangepast. De industriële ultrasoonprocessoren van Hielscher kunnen zeer hoge amplitudes leveren en de vereiste ultrasone intensiteit leveren voor veeleisende toepassingen. Amplituden tot 200 µm kunnen gemakkelijk continu worden gebruikt in een 24/7 bedrijf.
Dankzij de nauwkeurige amplitude-instellingen en de permanente bewaking van de ultrasone procesparameters via slimme software kunt u uw moleculair ingeprente polymeren synthetiseren met de meest effectieve ultrasone omstandigheden. Optimale sonicatie voor de beste polymerisatieresultaten!
Dankzij de robuustheid van Hielscher's ultrasoonapparatuur kan deze 24/7 worden gebruikt bij zware belasting en in veeleisende omgevingen. Dit maakt Hielscher's ultrasoonapparatuur tot een betrouwbaar werkinstrument dat voldoet aan uw eisen voor sonochemische processen.

Gemakkelijk en zonder risico testen

Ultrasone processen kunnen volledig lineair worden geschaald. Dit betekent dat elk resultaat dat u hebt bereikt met een laboratorium- of tafelmodel ultrasoonapparaat, kan worden geschaald naar exact dezelfde uitvoer met exact dezelfde procesparameters. Dit maakt ultrasoontechniek ideaal voor risicovrije haalbaarheidstests, procesoptimalisatie en daaropvolgende implementatie in commerciële productie. Neem contact met ons op om te leren hoe ultrasoontechniek uw MIP-opbrengst en -kwaliteit kan verhogen.

Hoogste kwaliteit – Ontworpen en geproduceerd in Duitsland

Als familiebedrijf geeft Hielscher de hoogste kwaliteitsnormen voor zijn ultrasoonprocessoren. Alle ultrasoonapparaten worden ontworpen, geproduceerd en grondig getest in ons hoofdkantoor in Teltow bij Berlijn, Duitsland. De robuustheid en betrouwbaarheid van Hielscher's ultrasoonapparatuur maken het tot een werkpaard in uw productie. 24/7 werking onder volle belasting en in veeleisende omgevingen is een natuurlijke eigenschap van Hielscher's hoogwaardige mengers.

De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:

U kunt de Hielscher ultrasoonprocessor kopen in elke maat en precies geconfigureerd volgens uw procesvereisten. Van het behandelen van reactanten in een kleine laboratoriumbuis tot het continu doorstroomd mengen van polymeer slurries op industrieel niveau, Hielscher Ultrasonics biedt een geschikte ultrasoon processor voor u! Neem contact met ons op – We bevelen je graag de ideale ultrasone opstelling aan!