Sinteza cu ultrasunete a polimerilor cu amprentă moleculară (MIP)

Polimerii cu amprentă moleculară (MIP) sunt receptori proiectați artificial, cu o selectivitate și o specificitate predeterminate pentru o anumită structură moleculară biologică sau chimică. Ultrasonicarea poate îmbunătăți diverse căi de sinteză ale polimerilor cu amprentă moleculară, făcând polimerizarea mai eficientă și mai fiabilă.

Ce sunt polimerii cu amprentă moleculară?

Un polimer cu amprentă moleculară (MIP) este un material polimeric cu caracteristici de recunoaștere asemănătoare anticorpilor, care a fost produs prin tehnica amprentării moleculare. Tehnica amprentării moleculare produce polimer cu amprentă moleculară în raport cu o anumită moleculă-țintă. Polimerul cu amprentă moleculară are în matricea sa polimerică cavități cu afinitate pentru molecula „șablon” specifică. Procesul implică de obicei inițierea polimerizării monomerilor în prezența unei molecule-șablon care este extrasă ulterior, lăsând în urmă cavități complementare. Acești polimeri au afinitate pentru molecula originală și au fost utilizați în aplicații precum separări chimice, cataliză sau senzori moleculari. Moleculele cu amprentă moleculară pot fi comparate cu o încuietoare moleculară care se potrivește unei chei moleculare (așa-numita moleculă-șablon). Polimerii cu amprentă moleculară (MIP) se caracterizează prin situsuri de legare croite în mod specific, care corespund moleculelor-șablon ca formă, dimensiune și grupări funcționale. Caracteristica „încuietoare – cheie” permite utilizarea polimerilor cu amprentă moleculară în diverse aplicații, în care un anumit tip de moleculă este recunoscut și atașat la încuietoarea moleculară, adică la polimerul cu amprentă moleculară.

Ilustrația schematică prezintă calea de amprentare moleculară a ciclodextrinelor pentru prepararea unor receptori personalizați.
Studiu și imagine: Hishiya et al. 2003

Polimerii cu amprentă moleculară (MIP) au un domeniu larg de aplicații și sunt utilizați pentru separarea și purificarea anumitor molecule biologice sau chimice, inclusiv aminoacizi și proteine, derivați nucleotidici, poluanți, precum și medicamente și alimente. Domeniile de aplicare variază de la separare și purificare până la senzori chimici, reacții catalitice, administrarea medicamentelor, anticorpi biologici și sisteme de receptori. (cf. Vasapollo et al. 2011)
De exemplu, tehnologia MIP este utilizată ca tehnică de microextracție în fază solidă pentru a procesa și purifica molecule derivate din canabis, precum CBD sau THC, din extractul cu spectru complet, în vederea obținerii de izolate și distilate de canabinoizi.

Sinteza cu ultrasunete a moleculelor cu amprentă moleculară

În funcție de tipul țintei (șablonului) și de aplicația finală a MIP, MIP-urile pot fi sintetizate în diferite formate, precum particule sferice de dimensiuni nano- și micrometrice, nanofire, nanobaghete, nanofilamente sau pelicule subțiri. Pentru a produce o anumită formă de MIP, se pot aplica diferite tehnici de polimerizare, precum amprentarea în masă, precipitarea, polimerizarea în emulsie, suspensia, dispersia, gelifierea și polimerizarea prin umflare în mai multe etape.
Aplicarea ultrasunetelor de joasă frecvență și intensitate ridicată oferă o tehnică extrem de eficientă, versatilă și simplă pentru sintetizarea nanostructurilor polimerice.
Sonicarea aduce mai multe avantaje în sinteza MIP în comparație cu procesele tradiționale de polimerizare, deoarece favorizează viteze de reacție mai mari, o creștere mai omogenă a lanțurilor polimerice, randamente mai mari și condiții mai blânde (de exemplu, temperatură de reacție scăzută). În plus, poate modifica distribuția populației de situsuri de legare și, astfel, morfologia polimerului final. (Svenson 2011)
Prin aplicarea energiei sonochimice la polimerizarea MIP, reacțiile de polimerizare sunt inițiate și influențate pozitiv. Simultan, sonicarea favorizează degazarea eficientă a amestecului polimeric fără a sacrifica capacitatea de legare sau rigiditatea.
Omogenizarea, dispersarea și emulsionarea cu ultrasunete oferă o amestecare și o agitare superioare pentru a forma suspensii omogene și pentru a furniza energia de inițiere pentru procesele de polimerizare. Viveiros et al. (2019) au investigat potențialul sintezei MIP cu ultrasunete și afirmă că „MIP-urile preparate cu ultrasunete au prezentat proprietăți de legare similare sau superioare metodelor convenționale”.
MIP-urile în format nano deschid posibilități promițătoare pentru îmbunătățirea omogenității situsurilor de legare. Ultrasonicarea este bine cunoscută pentru rezultatele sale excepționale în prepararea nanodispersiilor și a nanoemulsiilor.

Polimerizarea în nanoemulsie cu ultrasunete

MIP-urile pot fi sintetizate prin polimerizare în emulsie. Polimerizarea în emulsie se realizează de obicei prin formarea unei emulsii ulei-în-apă cu adăugarea unui surfactant. Pentru a forma o emulsie stabilă, de dimensiuni nano, este necesară o tehnică de emulsionare de înaltă performanță. Emulsionarea cu ultrasunete este o tehnică bine stabilită pentru prepararea nano- și miniemulsiilor.
Citiți mai multe despre nanoemulsionarea cu ultrasunete!

Ultrasunetele pot îmbunătăți următoarele căi de sinteză pentru producția de nanoMIP: polimerizarea prin precipitare, polimerizarea în emulsie și polimerizarea de tip miez-înveliș (core-shell).
Studiu și imagine de: Refaat et al. 2019

Extracția cu ultrasunete a șablonului

După sinteza polimerilor cu amprentă moleculară, șablonul trebuie îndepărtat din situsul de legare pentru a obține un polimer cu amprentă moleculară activ. Forțele intense de amestecare ale sonicării favorizează solubilitatea, difuzivitatea, penetrarea și transportul solventului și al moleculelor-șablon. Astfel, șabloanele sunt îndepărtate rapid din situsurile de legare.
Extracția cu ultrasunete poate fi combinată și cu extracția Soxhlet pentru a îndepărta șablonul din polimerul cu amprentă.

Studii de caz: aplicații ale ultrasunetelor pentru polimerii cu amprentă moleculară

Sinteza cu ultrasunete a polimerilor cu amprentă moleculară

Încapsularea nanoparticulelor magnetice în polimeri cu amprentă de 17β-estradiol, folosind o cale de sinteză cu ultrasunete, permite îndepărtarea rapidă a 17β-estradiolului din medii apoase. Pentru sinteza cu ultrasunete a nanoMIP-urilor, s-au utilizat acid metacrilic (MAA) ca monomer, etilenglicol dimetilacrilat (EGDMA) ca agent de reticulare și azobisizobutironitril (AIBN) ca inițiator. Procedura de sinteză cu ultrasunete a fost efectuată timp de 2h la 65ºC. Diametrele medii ale particulelor de NIP magnetice și de MIP magnetice au fost de 200 și, respectiv, 300 nm. Utilizarea ultrasunetelor nu numai că a îmbunătățit viteza de polimerizare și morfologia nanoparticulelor, dar a condus și la o creștere a numărului de radicali liberi și, astfel, a facilitat creșterea MIP în jurul nanoparticulelor magnetice. Capacitatea de adsorbție față de 17β-estradiol a fost comparabilă cu cea a abordărilor tradiționale. [Xia et al. 2012 / Viveiro et al. 2019]

Ultrasunete pentru senzori cu amprentă moleculară

Yu et al. au proiectat un senzor electrochimic cu amprentă moleculară bazat pe electrozi modificați cu nanoparticule de nichel pentru determinarea fenobarbitalului. Senzorul electrochimic raportat a fost dezvoltat prin polimerizare termică, folosind acid metacrilic (MAA) ca monomer funcțional, 2,2-azobisisobutyronitrile (AIBN) și etilenglicol maleic rosinat (EGMRA) acrilat ca agent de reticulare, fenobarbitali (PBs) ca moleculă-șablon și dimetilsulfoxid (DMSO) ca solvent organic. În procesul de fabricare a senzorului, 0,0464g PB și 0,0688g MAA au fost amestecate în 3 mL DMSO și sonicate timp de 10 min. După 5 h, 1,0244g EGMRA și 0,0074g AIBN au fost adăugate în amestec și sonicate timp de 30 min pentru a obține soluții de polimer cu amprentă de PB. Ulterior, 10 μL de soluție de 2,0 mg mL^-1 de nanoparticule de Ni au fost picurați pe suprafața GCE, iar apoi senzorul a fost uscat la temperatura camerei. Aproximativ 5 μL din soluția de polimer cu amprentă de PB preparată au fost apoi aplicați ca strat pe GCE modificat cu nanoparticule de Ni și uscați în vid la 75◦C timp de 6 h. După polimerizarea termică, senzorul cu amprentă a fost spălat cu (acid acetic) HAc/metanol (raport volumetric, 3:7) timp de 7 min pentru a îndepărta moleculele-șablon. (cf. Uygun et al. 2015)

Microextracție cu ultrasunete folosind MIP-uri

Pentru a recupera analiții de nicotinamidă din probe, se aplică o microextracție dispersivă în fază solidă asistată de ultrasunete, urmată de măsurarea cu spectrofotometru UV-vis (UA-DSPME-UV-vis). Pentru extracția și preconcentrarea nicotinamidei (vitamina B3), au fost utilizați polimeri cu amprentă moleculară pe bază de rețea metalo-organică (MOF) HKUST-1. (Asfaram et al. 2017)

Ultrasonicatoare de înaltă performanță pentru aplicații cu polimeri

De la laborator la producție, cu scalabilitate liniară: Polimerii cu amprentă moleculară proiectați în mod specific sunt mai întâi dezvoltați și testați la scară mică de laborator și de banc, pentru a investiga fezabilitatea sintezei polimerului. Dacă fezabilitatea și optimizarea MIP-urilor au fost realizate, producția de MIP este scalată la volume mai mari. Toate căile de sinteză cu ultrasunete pot fi scalate liniar de la scara de banc până la producția complet comercială. Hielscher Ultrasonics oferă echipamente sonochimice pentru sinteza polimerilor, de la configurații mici de laborator și de banc până la sisteme cu ultrasunete inline complet industriale pentru producția 24/7 la sarcină maximă. Ultrasunetele pot fi scalate liniar de la dimensiunea unei eprubete până la capacități mari de producție de încărcături de camion pe oră. Portofoliul extins de produse Hielscher Ultrasonics, de la sisteme sonochimice de laborator la sisteme industriale, include cel mai potrivit ultrasonicator pentru capacitatea de proces pe care o aveți în vedere. Personalul nostru cu experiență îndelungată vă va asista de la testele de fezabilitate și optimizarea procesului până la instalarea sistemului dumneavoastră cu ultrasunete la nivelul final de producție.

Hielscher Ultrasonics – echipamente sonochimice sofisticate

Portofoliul de produse Hielscher Ultrasonics acoperă întreaga gamă de extractoare cu ultrasunete de înaltă performanță, de la scară mică la scară mare. Accesoriile suplimentare permit asamblarea ușoară a celei mai potrivite configurații de dispozitiv cu ultrasunete pentru procesul dumneavoastră. Configurația optimă cu ultrasunete depinde de capacitatea, volumul, materialul, procesul în șarjă sau inline și calendarul avute în vedere. Hielscher vă ajută să configurați procesul sonochimic ideal.

Procesare în șarjă și inline

Ultrasonicatoarele Hielscher pot fi utilizate pentru procesarea în șarjă și în flux continuu. Volumele mici și medii pot fi sonicate convenabil într-un proces în șarjă (de exemplu, flacoane, eprubete, pahare Berzelius, rezervoare sau butoaie). Pentru procesarea volumelor mari, sonicarea inline ar putea fi mai eficientă. În timp ce procesarea în șarjă necesită mai mult timp și mai multă muncă, un proces continuu de amestecare inline este mai eficient, mai rapid și necesită semnificativ mai puțină muncă. Hielscher Ultrasonics are cea mai potrivită configurație de extracție pentru reacția dumneavoastră de polimerizare și pentru volumul procesului.

Sonotrode ultrasonice pentru orice capacitate de producție

Gama de produse Hielscher Ultrasonics acoperă întregul spectru de procesoare cu ultrasunete, de la ultrasonicatoare compacte de laborator, trecând prin sisteme de banc și pilot, până la procesoare cu ultrasunete complet industriale, cu capacitatea de a procesa încărcături de camion pe oră. Gama completă de produse ne permite să vă oferim cel mai potrivit echipament cu ultrasunete pentru polimerii, capacitatea de proces și obiectivele de producție ale dumneavoastră.
Sistemele cu ultrasunete de banc sunt ideale pentru teste de fezabilitate și optimizarea procesului. Scalarea liniară bazată pe parametri de proces stabiliți face foarte ușoară creșterea capacităților de procesare de la loturi mai mici la producția complet comercială. Scalarea se poate face fie prin instalarea unei unități de extracție cu ultrasunete mai puternice, fie prin gruparea mai multor ultrasonicatoare în paralel. Cu UIP16000, Hielscher oferă cea mai puternică unitate cu ultrasunete din lume.

Amplitudini controlabile cu precizie pentru rezultate optime

Toate ultrasonicatoarele Hielscher sunt controlabile cu precizie și, prin urmare, adevărați cai de povară fiabili în producție. Amplitudinea este unul dintre parametrii de proces esențiali care influențează eficiența și eficacitatea reacțiilor sonochimice, inclusiv a reacțiilor de polimerizare și a căilor de sinteză.
Toate procesoarele Hielscher Ultrasonics permit setarea precisă a amplitudinii. Sonotrodele și boosterele sunt accesorii care permit modificarea amplitudinii într-un interval și mai larg. Procesoarele industriale cu ultrasunete Hielscher pot furniza amplitudini foarte mari și pot oferi intensitatea ultrasonică necesară pentru aplicații solicitante. Amplitudini de până la 200µm pot fi menținute ușor în funcționare continuă, în regim 24/7.
Setările precise ale amplitudinii și monitorizarea permanentă a parametrilor procesului cu ultrasunete prin intermediul unui software inteligent vă oferă posibilitatea de a sintetiza polimerii cu amprentă moleculară în cele mai eficiente condiții de ultrasonicare. Sonicare optimă pentru cele mai bune rezultate de polimerizare!
Robustețea echipamentelor cu ultrasunete Hielscher permite funcționarea 24/7 în regim intens și în medii solicitante. Acest lucru face din echipamentele cu ultrasunete Hielscher un instrument de lucru fiabil, care îndeplinește cerințele procesului dumneavoastră sonochimic.

Testare ușoară, fără riscuri

Procesele cu ultrasunete pot fi scalate complet liniar. Aceasta înseamnă că orice rezultat pe care l-ați obținut folosind un ultrasonicator de laborator sau de banc poate fi scalat la exact același rezultat, folosind exact aceiași parametri de proces. Acest lucru face ca ultrasonicarea să fie ideală pentru teste de fezabilitate fără riscuri, optimizarea procesului și implementarea ulterioară în producția comercială. Contactați-ne pentru a afla cum poate sonicarea să crească randamentul și calitatea MIP-urilor dumneavoastră.

Cea mai înaltă calitate – proiectat și fabricat în Germania

Ca afacere deținută și condusă de o familie, Hielscher acordă prioritate celor mai înalte standarde de calitate pentru procesoarele sale cu ultrasunete. Toate ultrasonicatoarele sunt proiectate, fabricate și testate temeinic la sediul nostru din Teltow, lângă Berlin, Germania. Robustețea și fiabilitatea echipamentelor cu ultrasunete Hielscher le transformă într-un cal de povară în producția dumneavoastră. Funcționarea 24/7 la sarcină maximă și în medii solicitante este o caracteristică naturală a mixerelor de înaltă performanță Hielscher.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre:

Puteți achiziționa procesoare cu ultrasunete Hielscher în orice dimensiune și configurate exact conform cerințelor procesului dumneavoastră. De la tratarea reactanților într-o eprubetă mică de laborator până la amestecarea în flux continuu a suspensiilor polimerice la nivel industrial, Hielscher Ultrasonics oferă un ultrasonicator potrivit pentru dumneavoastră! Vă rugăm să ne contactați – vă recomandăm cu plăcere configurația ideală cu ultrasunete!