Ultradźwiękowa synteza polimerów z odciskiem molekularnym (MIP)

Polimery z odciskiem molekularnym (MIP) to sztucznie zaprojektowane receptory o z góry określonej selektywności i swoistości wobec danej struktury cząsteczki biologicznej lub chemicznej. Sonikacja może usprawnić różne ścieżki syntezy polimerów z odciskiem molekularnym, zwiększając wydajność i niezawodność polimeryzacji.

Czym są polimery z odciskiem molekularnym?

Polimer z odciskiem molekularnym (MIP) jest materiałem polimerowym o właściwościach rozpoznawania podobnych do właściwości przeciwciał, wytworzonym techniką odciskania molekularnego. Technika odciskania molekularnego pozwala wytworzyć polimer z odciskiem molekularnym dopasowanym do konkretnej cząsteczki docelowej. Polimer z odciskiem molekularnym ma w swojej matrycy polimerowej wnęki wykazujące powinowactwo do określonej cząsteczki „szablonu”. Proces zazwyczaj obejmuje inicjowanie polimeryzacji monomerów w obecności cząsteczki szablonu, którą następnie usuwa się przez ekstrakcję, pozostawiając komplementarne wnęki. Polimery te wykazują powinowactwo do pierwotnej cząsteczki i znalazły zastosowanie między innymi w rozdzielaniu substancji chemicznych, katalizie i czujnikach molekularnych. Cząsteczki z odciskiem molekularnym można porównać do molekularnego zamka, do którego pasuje molekularny klucz (tak zwana cząsteczka szablonu). Polimery z odciskiem molekularnym (MIP) charakteryzują się specjalnie dopasowanymi miejscami wiązania, które odpowiadają cząsteczkom szablonu pod względem kształtu, wielkości i grup funkcyjnych. Właściwość „zamek – klucz” umożliwia wykorzystanie polimerów z odciskiem molekularnym w różnych zastosowaniach, w których określony typ cząsteczki jest rozpoznawany i wiązany z molekularnym zamkiem, czyli polimerem z odciskiem molekularnym.

Schemat przedstawia ścieżkę odciskania molekularnego cyklodekstryn w celu przygotowania dopasowanych receptorów.
Badanie i ilustracja: Hishiya et al. 2003

Polimery z odciskiem molekularnym (MIP) mają szeroki zakres zastosowań i służą do rozdzielania i oczyszczania określonych cząsteczek biologicznych lub chemicznych, w tym aminokwasów i białek, pochodnych nukleotydów, zanieczyszczeń, a także leków i żywności. Obszary zastosowań obejmują rozdzielanie i oczyszczanie, czujniki chemiczne, reakcje katalityczne, dostarczanie leków oraz układy biologicznych przeciwciał i receptorów. (por. Vasapollo et al. 2011)
Na przykład technologię MIP stosuje się jako technikę mikroekstrakcji do fazy stałej w celu przetwarzania i oczyszczania cząsteczek pochodzących z konopi, takich jak CBD lub THC, z ekstraktu o pełnym spektrum, aby uzyskać izolaty i destylaty kannabinoidów.

Ultradźwiękowa synteza cząsteczek z odciskiem molekularnym

W zależności od typu cząsteczki docelowej (szablonu) i końcowego zastosowania MIP polimery te można syntetyzować w różnych postaciach, takich jak kuliste cząstki o rozmiarach nanometrowych i mikrometrowych, nanodruty, nanopręty, nanowłókna lub cienkie warstwy. Aby uzyskać określoną postać MIP, można zastosować różne techniki polimeryzacji, takie jak odciskanie w masie, strącanie, polimeryzacja emulsyjna, suspensyjna, dyspersyjna, żelowanie i wieloetapowa polimeryzacja z pęcznieniem.
Zastosowanie ultradźwięków o niskiej częstotliwości i wysokim natężeniu zapewnia wysoce wydajną, wszechstronną i prostą technikę syntezy nanostruktur polimerowych.
Sonikacja przynosi szereg korzyści w syntezie MIP w porównaniu z tradycyjnymi procesami polimeryzacji, ponieważ sprzyja większej szybkości reakcji, bardziej jednorodnemu wzrostowi łańcuchów polimerowych, wyższej wydajności i łagodniejszym warunkom (np. niskiej temperaturze reakcji). Ponadto może zmieniać rozkład populacji miejsc wiązania, a tym samym morfologię końcowego polimeru. (Svenson 2011)
Zastosowanie energii sonochemicznej do polimeryzacji MIP inicjuje reakcje polimeryzacji i korzystnie na nie wpływa. Jednocześnie sonikacja sprzyja skutecznemu odgazowaniu mieszaniny polimerowej bez zmniejszania zdolności wiązania ani sztywności.
Homogenizacja ultradźwiękowa, dyspergowanie i emulgowanie zapewniają doskonałe mieszanie i intensywne wzburzanie, umożliwiając tworzenie jednorodnych zawiesin i dostarczanie energii inicjującej procesy polimeryzacji. Viveiros et al. (2019) zbadali potencjał ultradźwiękowej syntezy MIP i stwierdzają, że „MIP przygotowane ultradźwiękowo wykazywały właściwości wiązania podobne do uzyskiwanych metodami konwencjonalnymi lub lepsze”.
MIP w postaci nanostruktur otwierają obiecujące możliwości poprawy jednorodności miejsc wiązania. Sonikacja jest dobrze znana z wyjątkowych rezultatów w przygotowywaniu nanodyspersji i nanoemulsji.

Ultradźwiękowa polimeryzacja nanoemulsyjna

MIP można syntetyzować metodą polimeryzacji emulsyjnej. Polimeryzację emulsyjną zwykle przeprowadza się przez utworzenie emulsji typu olej w wodzie z dodatkiem środka powierzchniowo czynnego. Do utworzenia stabilnej emulsji o rozmiarach nanometrowych potrzebna jest wysoce wydajna technika emulgowania. Emulgowanie ultradźwiękowe jest ugruntowaną techniką przygotowywania nanoemulsji i miniemulsji.
Dowiedz się więcej o ultradźwiękowym nanoemulgowaniu!

Ultradźwięki mogą usprawnić następujące ścieżki syntezy stosowane w produkcji nanoMIP: polimeryzację strąceniową, polimeryzację emulsyjną i polimeryzację struktur rdzeń–powłoka.
Badanie i ilustracja autorstwa: Refaat et al. 2019

Ultradźwiękowa ekstrakcja szablonu

Po syntezie polimerów z odciskiem molekularnym należy usunąć szablon z miejsca wiązania, aby uzyskać aktywny polimer z odciskiem molekularnym. Intensywne siły mieszające wywoływane przez sonikację sprzyjają rozpuszczalności, dyfuzji, penetracji i transportowi cząsteczek rozpuszczalnika i szablonu. Dzięki temu szablony są szybko usuwane z miejsc wiązania.
Ekstrakcję ultradźwiękową można również połączyć z ekstrakcją Soxhleta w celu usunięcia szablonu z polimeru z odciskiem molekularnym.

Studia przypadków: zastosowania ultradźwięków w polimerach z odciskiem molekularnym

Ultradźwiękowa synteza polimerów z odciskiem molekularnym

Enkapsulacja nanocząstek magnetycznych w polimerach z odciskiem 17β-estradiolu z wykorzystaniem ultradźwiękowej ścieżki syntezy umożliwia szybkie usuwanie 17β-estradiolu ze środowisk wodnych. Do ultradźwiękowej syntezy nanoMIP zastosowano kwas metakrylowy (MAA) jako monomer, dimetyloakrylan glikolu etylenowego (EGDMA) jako środek sieciujący oraz azobisizobutyronitryl (AIBN) jako inicjator. Procedurę syntezy ultradźwiękowej prowadzono przez 2h w temperaturze 65ºC. Średnie średnice cząstek magnetycznych NIP i magnetycznych MIP wynosiły odpowiednio 200 i 300 nm. Zastosowanie ultradźwięków nie tylko zwiększyło szybkość polimeryzacji i poprawiło morfologię nanocząstek, lecz także doprowadziło do wzrostu liczby wolnych rodników, ułatwiając tym samym wzrost MIP wokół nanocząstek magnetycznych. Zdolność adsorpcji 17β-estradiolu była porównywalna z uzyskiwaną przy zastosowaniu tradycyjnych metod. [Xia et al. 2012 / Viveiro et al. 2019]

Ultradźwięki w czujnikach z odciskiem molekularnym

Yu et al. zaprojektowali elektrochemiczny czujnik z odciskiem molekularnym oparty na elektrodach modyfikowanych nanocząstkami niklu do oznaczania fenobarbitalu. Opisany czujnik elektrochemiczny opracowano metodą polimeryzacji termicznej z wykorzystaniem kwasu metakrylowego (MAA) jako monomeru funkcyjnego, 2,2-azobisizobutyronitrylu (AIBN) i akrylanu maleinowego kalafonianu glikolu etylenowego (EGMRA) jako środka sieciującego, fenobarbitali (PBs) jako cząsteczki szablonu oraz dimetylosulfotlenku (DMSO) jako rozpuszczalnika organicznego. Podczas wytwarzania czujnika zmieszano 0,0464g PB i 0,0688g MAA w 3 mL DMSO i poddano sonikacji przez 10 min. Po 5 h do mieszaniny dodano 1,0244g EGMRA i 0,0074g AIBN, a następnie poddano ją sonikacji przez 30 min w celu uzyskania roztworów polimeru z odciskiem PB. Następnie na powierzchnię GCE naniesiono 10 μL roztworu o stężeniu 2,0 mg mL^-1 nanocząstek Ni, po czym czujnik wysuszono w temperaturze pokojowej. Następnie na GCE modyfikowaną nanocząstkami Ni naniesiono około 5 μL przygotowanego roztworu polimeru z odciskiem PB i suszono próżniowo w temperaturze 75◦C przez 6 h. Po polimeryzacji termicznej czujnik z odciskiem molekularnym przemywano mieszaniną HAc (kwasu octowego) i metanolu (stosunek objętościowy 3:7) przez 7 min w celu usunięcia cząsteczek szablonu. (por. Uygun et al. 2015)

Ultradźwiękowa mikroekstrakcja z wykorzystaniem MIP

W celu odzyskania analitów nikotynamidu z próbek stosuje się wspomaganą ultradźwiękami dyspersyjną mikroekstrakcję do fazy stałej, po której przeprowadza się pomiar za pomocą spektrofotometru UV-vis (UA-DSPME-UV-vis). Do ekstrakcji i wstępnego zatężania nikotynamidu (witaminy B3) wykorzystano polimery z odciskiem molekularnym oparte na strukturze metaloorganicznej (MOF) HKUST-1. (Asfaram et al. 2017)

Wysokowydajne sonikatory do zastosowań związanych z polimerami

Od laboratorium do produkcji dzięki liniowej skalowalności: Specjalnie zaprojektowane polimery z odciskiem molekularnym są najpierw opracowywane i testowane w małej skali laboratoryjnej i na urządzeniach stołowych w celu zbadania wykonalności syntezy polimerów. Po potwierdzeniu wykonalności i przeprowadzeniu optymalizacji MIP produkcję skaluje się do większych objętości. Wszystkie ultradźwiękowe ścieżki syntezy można skalować liniowo od urządzeń stołowych do produkcji w pełnej skali komercyjnej. Hielscher Ultrasonics oferuje urządzenia sonochemiczne do syntezy polimerów, od małych konfiguracji laboratoryjnych i stołowych aż po w pełni przemysłowe ultradźwiękowe systemy liniowe do produkcji 24/7 przy pełnym obciążeniu. Procesy ultradźwiękowe można skalować liniowo od objętości probówki do dużych wydajności produkcyjnych odpowiadających ładunkom samochodów ciężarowych na godzinę. Szeroka oferta produktów Hielscher Ultrasonics, od laboratoryjnych po przemysłowe systemy sonochemiczne, obejmuje sonikator najlepiej dopasowany do planowanej wydajności procesu. Nasz personel z wieloletnim doświadczeniem będzie wspierać Państwa od testów wykonalności i optymalizacji procesu po instalację systemu ultradźwiękowego w docelowej skali produkcyjnej.

Hielscher Ultrasonics – zaawansowane urządzenia sonochemiczne

Oferta produktów Hielscher Ultrasonics obejmuje pełny zakres wysokowydajnych ekstraktorów ultradźwiękowych, od małej do dużej skali. Dodatkowe akcesoria umożliwiają łatwy montaż konfiguracji urządzenia ultradźwiękowego najlepiej dopasowanej do Państwa procesu. Optymalna konfiguracja ultradźwiękowa zależy od planowanej wydajności, objętości, materiału, trybu okresowego lub liniowego oraz harmonogramu. Hielscher pomaga skonfigurować idealny proces sonochemiczny.

Przetwarzanie okresowe i w linii

Sonikatory Hielscher można stosować do przetwarzania okresowego i ciągłego przetwarzania przepływowego. Małe i średnie objętości można wygodnie poddawać sonikacji w procesie okresowym (np. w fiolkach, probówkach, zlewkach, zbiornikach lub beczkach). Przy przetwarzaniu dużych objętości sonikacja w linii może być skuteczniejsza. Chociaż przetwarzanie okresowe wymaga więcej czasu i pracy, ciągły proces mieszania w linii jest wydajniejszy, szybszy i wymaga znacznie mniej pracy. Hielscher Ultrasonics oferuje konfigurację do ekstrakcji najlepiej dopasowaną do Państwa reakcji polimeryzacji i objętości przetwarzanej w procesie.

Sondy ultradźwiękowe do każdej wydajności produkcyjnej

Oferta produktów Hielscher Ultrasonics obejmuje pełne spektrum procesorów ultradźwiękowych, od kompaktowych sonikatorów laboratoryjnych, przez systemy stołowe i pilotażowe, po w pełni przemysłowe procesory ultradźwiękowe o wydajności pozwalającej przetwarzać ładunki samochodów ciężarowych na godzinę. Pełna gama produktów pozwala nam zaoferować Państwu urządzenia ultradźwiękowe najlepiej dopasowane do Państwa polimerów, wydajności procesu i celów produkcyjnych.
Stołowe systemy ultradźwiękowe są idealne do testów wykonalności i optymalizacji procesu. Liniowe zwiększanie skali na podstawie ustalonych parametrów procesu znacznie ułatwia zwiększanie wydajności przetwarzania od mniejszych partii do produkcji w pełnej skali komercyjnej. Zwiększenie skali można osiągnąć przez instalację ekstraktora ultradźwiękowego o większej mocy lub połączenie kilku sonikatorów pracujących równolegle. Dzięki UIP16000 Hielscher oferuje urządzenie ultradźwiękowe o największej mocy na świecie.

Precyzyjnie regulowane amplitudy zapewniające optymalne rezultaty

Wszystkie sonikatory Hielscher umożliwiają precyzyjną regulację, dzięki czemu są niezawodnymi urządzeniami do intensywnej pracy w produkcji. Amplituda jest jednym z kluczowych parametrów procesu wpływających na wydajność i skuteczność reakcji sonochemicznych, w tym reakcji polimeryzacji i ścieżek syntezy.
Wszystkie procesory Hielscher Ultrasonics umożliwiają precyzyjne ustawienie amplitudy. Sonotrody i wzmacniacze amplitudy to akcesoria pozwalające modyfikować amplitudę w jeszcze szerszym zakresie. Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher mogą zapewniać bardzo wysokie amplitudy i dostarczać wymagane natężenie ultradźwięków w wymagających zastosowaniach. Amplitudy do 200µm można bez trudu utrzymywać w ciągłej pracy 24/7.
Precyzyjne ustawienia amplitudy i stałe monitorowanie parametrów procesu ultradźwiękowego za pomocą inteligentnego oprogramowania umożliwiają syntezę polimerów z odciskiem molekularnym w najskuteczniejszych warunkach ultradźwiękowych. Optymalna sonikacja zapewniająca najlepsze rezultaty polimeryzacji!
Wytrzymałość urządzeń ultradźwiękowych Hielscher umożliwia pracę 24/7 przy dużym obciążeniu i w wymagających warunkach. Dzięki temu urządzenia ultradźwiękowe Hielscher są niezawodnym narzędziem pracy spełniającym wymagania Państwa procesu sonochemicznego.

Łatwe testowanie bez ryzyka

Procesy ultradźwiękowe można skalować w sposób całkowicie liniowy. Oznacza to, że każdy rezultat uzyskany za pomocą sonikatora laboratoryjnego lub stołowego można przenieść na większą skalę z dokładnie takim samym wynikiem przy zastosowaniu dokładnie tych samych parametrów procesu. Dzięki temu sonikacja jest idealna do testowania wykonalności bez ryzyka, optymalizacji procesu i późniejszego wdrożenia do produkcji komercyjnej. Prosimy o kontakt, aby dowiedzieć się, jak sonikacja może zwiększyć wydajność uzyskiwania MIP i ich jakość.

Najwyższa jakość – projektowanie i produkcja w Niemczech

Jako firma należąca do rodziny i przez nią zarządzana Hielscher przywiązuje najwyższą wagę do najwyższych standardów jakości swoich procesorów ultradźwiękowych. Wszystkie sonikatory są projektowane, produkowane i dokładnie testowane w naszej siedzibie w Teltow niedaleko Berlina w Niemczech. Wytrzymałość i niezawodność urządzeń ultradźwiękowych Hielscher sprawiają, że są one urządzeniami do intensywnej pracy w Państwa produkcji. Praca 24/7 przy pełnym obciążeniu i w wymagających warunkach jest naturalną cechą wysokowydajnych mieszalników Hielscher.

Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:

Procesor ultradźwiękowy Hielscher można kupić w dowolnej wielkości i w konfiguracji dokładnie dopasowanej do wymagań Państwa procesu. Od obróbki reagentów w małej probówce laboratoryjnej po ciągłe mieszanie przepływowe zawiesin polimerowych na skalę przemysłową, Hielscher Ultrasonics oferuje odpowiedni sonikator dla Państwa! Prosimy o kontakt – chętnie polecimy Państwu idealną konfigurację ultradźwiękową!