Ultrazvuková syntéza molekulovo imprintovaných polymérov (MIP)

Molekulovo imprintované polyméry (MIP) sú umelo navrhnuté receptory s vopred určenou selektivitou a špecificitou pre danú štruktúru biologickej alebo chemickej molekuly. Pôsobenie ultrazvuku môže zlepšiť rôzne postupy syntézy molekulovo imprintovaných polymérov, čím sa polymerizácia stáva účinnejšou a spoľahlivejšou.

Čo sú molekulovo imprintované polyméry?

Molekulovo imprintovaný polymér (MIP) je polymérny materiál s rozpoznávacími vlastnosťami podobnými protilátkam, ktorý bol vyrobený technikou molekulového imprintovania. Technikou molekulového imprintovania sa vytvára molekulovo imprintovaný polymér pre konkrétnu cieľovú molekulu. Molekulovo imprintovaný polymér má vo svojej polymérnej matrici dutiny s afinitou ku konkrétnej „templátovej“ molekule. Proces zvyčajne zahŕňa iniciáciu polymerizácie monomérov v prítomnosti templátovej molekuly, ktorá sa následne extrahuje, pričom po nej zostávajú komplementárne dutiny. Tieto polyméry majú afinitu k pôvodnej molekule a používajú sa v aplikáciách, ako sú chemické separácie, katalýza alebo molekulové senzory. Molekulovo imprintované molekuly možno prirovnať k molekulovému zámku, ku ktorému pasuje molekulový kľúč (takzvaná templátová molekula). Molekulovo imprintované polyméry (MIP) sa vyznačujú špecificky prispôsobenými väzbovými miestami, ktoré tvarom, veľkosťou a funkčnými skupinami zodpovedajú templátovým molekulám. Vlastnosť „zámok – kľúč“ umožňuje používať molekulovo imprintované polyméry v rôznych aplikáciách, pri ktorých sa konkrétny typ molekuly rozpozná a naviaže na molekulový zámok, teda na molekulovo imprintovaný polymér.

Schematický obrázok znázorňuje postup molekulového imprintovania cyklodextrínov na prípravu prispôsobených receptorov.
Štúdia a obrázok: Hishiya et al. 2003

Molekulovo imprintované polyméry (MIP) majú široké uplatnenie a používajú sa na separáciu a čistenie konkrétnych biologických alebo chemických molekúl vrátane aminokyselín a bielkovín, derivátov nukleotidov, znečisťujúcich látok, ako aj liečiv a potravín. Oblasti použitia siahajú od separácie a čistenia až po chemické senzory, katalytické reakcie, dodávanie liečiv, biologické protilátky a receptorové systémy. (porov. Vasapollo et al. 2011)
Napríklad technológia MIP sa používa ako technika mikroextrakcie na tuhej fáze na spracovanie a čistenie molekúl pochádzajúcich z konopy, ako sú CBD alebo THC, z plnospektrálneho extraktu s cieľom získať kanabinoidové izoláty a destiláty.

Ultrazvuková syntéza molekulovo imprintovaných molekúl

V závislosti od typu cieľovej molekuly (templátu) a konečného použitia MIP možno MIP syntetizovať v rôznych formách, ako sú sférické častice nanometrových a mikrometrových rozmerov, nanodrôty, nanotyčinky, nanovlákna alebo tenké filmy. Na výrobu konkrétnej formy MIP možno použiť rôzne polymerizačné techniky, ako sú imprintovanie v objeme, precipitácia, emulzná polymerizácia, suspenzia, disperzia, gélovatenie a viacstupňová napučiavacia polymerizácia.
Použitie nízkofrekvenčného ultrazvuku s vysokou intenzitou ponúka vysoko účinnú, všestrannú a jednoduchú techniku syntézy polymérnych nanoštruktúr.
Sonikácia prináša pri syntéze MIP v porovnaní s tradičnými polymerizačnými procesmi niekoľko výhod, pretože podporuje vyššiu rýchlosť reakcií, rovnomernejší rast polymérnych reťazcov, vyššie výťažky a miernejšie podmienky (napr. nízku reakčnú teplotu). Okrem toho môže meniť distribúciu populácie väzbových miest, a tým aj morfológiu výsledného polyméru. (Svenson 2011)
Pôsobením sonochemickej energie pri polymerizácii MIP sa polymerizačné reakcie iniciujú a priaznivo ovplyvňujú. Sonikácia zároveň podporuje účinné odplynenie polymérnej zmesi bez zníženia väzbovej kapacity alebo tuhosti.
Ultrazvuková homogenizácia, dispergovanie a emulgácia poskytujú vynikajúce premiešavanie a miešanie na tvorbu homogénnych suspenzií a dodávajú iniciačnú energiu pre polymerizačné procesy. Viveiros et al. (2019) skúmali potenciál ultrazvukovej syntézy MIP a uvádzajú, že „MIP pripravené ultrazvukom vykazovali väzbové vlastnosti podobné alebo lepšie než pri konvenčných metódach“.
MIP v nanoforme otvárajú sľubné možnosti zlepšenia homogenity väzbových miest. Pôsobenie ultrazvuku je dobre známe svojimi výnimočnými výsledkami pri príprave nanodisperzií a nanoemulzií.

Ultrazvuková nanoemulzná polymerizácia

MIP možno syntetizovať emulznou polymerizáciou. Emulzná polymerizácia sa bežne uskutočňuje vytvorením emulzie typu olej vo vode s pridaním povrchovo aktívnej látky. Na vytvorenie stabilnej emulzie s kvapôčkami nanometrových rozmerov je potrebná vysoko výkonná emulgačná technika. Ultrazvuková emulgácia je osvedčenou technikou prípravy nanoemulzií a miniemulzií.
Prečítajte si viac o ultrazvukovej nanoemulgácii!

Ultrazvuk môže zlepšiť nasledujúce postupy syntézy pri výrobe nanoMIP: precipitačnú polymerizáciu, emulznú polymerizáciu a polymerizáciu typu jadro–obal.
Štúdia a obrázok: Refaat et al. 2019

Ultrazvuková extrakcia templátu

Po syntéze molekulovo imprintovaných polymérov sa musí templát odstrániť z väzbového miesta, aby sa získal aktívny molekulovo imprintovaný polymér. Intenzívne miešacie sily pri sonikácii podporujú rozpustnosť, difuzivitu, prenikanie a transport molekúl rozpúšťadla a templátu. Templáty sa tak rýchlo odstraňujú z väzbových miest.
Ultrazvukovú extrakciu možno na odstránenie templátu z imprintovaného polyméru kombinovať aj so Soxhletovou extrakciou.

Prípadové štúdie: Použitie ultrazvuku pri molekulovo imprintovaných polyméroch

Ultrazvuková syntéza molekulovo imprintovaných polymérov

Zapuzdrenie magnetických nanočastíc polymérmi s molekulovým odtlačkom 17β-estradiolu pomocou ultrazvukovej syntézy umožňuje rýchle odstránenie 17β-estradiolu z vodného prostredia. Pri ultrazvukovej syntéze nanoMIP sa ako monomér použila kyselina metakrylová (MAA), ako sieťovacie činidlo dimetakrylát etylénglykolu (EGDMA) a ako iniciátor azobisizobutyronitril (AIBN). Ultrazvuková syntéza prebiehala 2h pri 65ºC. Priemerné priemery častíc magnetických NIP a magnetických MIP boli 200 a 300 nm v uvedenom poradí. Použitie ultrazvuku nielen zvýšilo rýchlosť polymerizácie a zlepšilo morfológiu nanočastíc, ale viedlo aj k zvýšeniu počtu voľných radikálov, a tým uľahčilo rast MIP okolo magnetických nanočastíc. Adsorpčná kapacita voči 17β-estradiolu bola porovnateľná s tradičnými postupmi. [Xia et al. 2012 / Viveiro et al. 2019]

Ultrazvuk pre senzory s molekulovým odtlačkom

Yu a kol. navrhli elektrochemický senzor s molekulovým odtlačkom založený na elektródach modifikovaných nanočasticami niklu na stanovenie fenobarbitalu. Opísaný elektrochemický senzor bol vyvinutý tepelnou polymerizáciou s použitím kyseliny metakrylovej (MAA) ako funkčného monoméru, 2,2-azobisizobutyronitrilu (AIBN) a akrylátu etylénglykolmaleínového rozinátu (EGMRA) ako sieťovacieho činidla, fenobarbitalov (PBs) ako templátovej molekuly a dimetylsulfoxidu (DMSO) ako organického rozpúšťadla. Pri výrobe senzora sa zmiešalo 0,0464g PB a 0,0688g MAA v 3 mL DMSO a zmes sa sonikovala 10 min. Po 5 h sa do zmesi pridalo 1,0244g EGMRA a 0,0074g AIBN a zmes sa sonikovala 30 min, aby sa získali roztoky polymérov s odtlačkom PB. Potom sa 10 μL roztoku nanočastíc Ni s koncentráciou 2,0 mg mL^-1 nanieslo na povrch GCE a senzor sa následne vysušil pri izbovej teplote. Na GCE modifikovanú nanočasticami Ni sa potom nanieslo približne 5 μL pripraveného roztoku polyméru s odtlačkom PB a sušilo sa vo vákuu pri 75◦C počas 6 h. Po tepelnej polymerizácii sa senzor s molekulovým odtlačkom premýval zmesou HAc (kyselina octová)/metanol (objemový pomer 3:7) počas 7 min, aby sa odstránili templátové molekuly. (porov. Uygun a kol. 2015)

Ultrazvuková mikroextrakcia pomocou MIP

Na získanie nikotínamidu ako analytu zo vzoriek sa používa ultrazvukom podporovaná disperzná mikroextrakcia na tuhej fáze s následným meraním na UV-vis spektrofotometri (UA-DSPME-UV-vis). Na extrakciu a predkoncentráciu nikotínamidu (vitamínu B3) sa použili polyméry s molekulovým odtlačkom na báze kovovo-organickej štruktúry (MOF) HKUST-1. (Asfaram a kol. 2017)

Vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia pre aplikácie s polymérmi

Od laboratória po výrobu s lineárnym zväčšovaním mierky: Špeciálne navrhnuté polyméry s molekulovým odtlačkom sa najprv vyvíjajú a testujú v malej laboratórnej a stolovej mierke, aby sa preskúmala uskutočniteľnosť syntézy polymérov. Po overení uskutočniteľnosti a dokončení optimalizácie MIP sa výroba MIP rozširuje na väčšie objemy. Všetky postupy ultrazvukovej syntézy možno lineárne škálovať od stolovej mierky až po plne komerčnú výrobu. Hielscher Ultrasonics ponúka sonochemické zariadenia na syntézu polymérov od malých laboratórnych a stolových zostáv až po plne priemyselné prietokové ultrazvukové systémy na výrobu v režime 24/7 pri plnom zaťažení. Ultrazvukové spracovanie možno lineárne škálovať od objemu skúmavky až po veľké výrobné kapacity zodpovedajúce nákladom nákladných vozidiel za hodinu. Rozsiahle portfólio produktov Hielscher Ultrasonics od laboratórnych až po priemyselné sonochemické systémy obsahuje najvhodnejšie ultrazvukové zariadenie pre vašu plánovanú kapacitu procesu. Naši pracovníci s dlhoročnými skúsenosťami vám pomôžu od skúšok uskutočniteľnosti a optimalizácie procesu až po inštaláciu vášho ultrazvukového systému v konečnej výrobnej mierke.

Hielscher Ultrasonics – Sofistikované sonochemické zariadenia

Produktové portfólio spoločnosti Hielscher Ultrasonics pokrýva celý rozsah vysokovýkonných ultrazvukových extraktorov od malých až po veľké zariadenia. Doplnkové príslušenstvo umožňuje jednoduché zostavenie najvhodnejšej konfigurácie ultrazvukového zariadenia pre váš proces. Optimálna ultrazvuková zostava závisí od plánovanej kapacity, objemu, materiálu, dávkového alebo prietokového procesu a časového harmonogramu. Hielscher vám pomôže zostaviť ideálny sonochemický proces.

Dávkové a prietokové spracovanie

Ultrazvukové zariadenia Hielscher možno použiť na dávkové aj kontinuálne prietokové spracovanie. Malé a stredné objemy možno pohodlne sonikovať v dávkovom procese (napr. vo vialkách, skúmavkách, kadičkách, nádržiach alebo sudoch). Pri spracovaní veľkých objemov môže byť prietoková sonikácia účinnejšia. Zatiaľ čo dávkové spracovanie je časovo aj pracovne náročnejšie, kontinuálny proces prietokového miešania je efektívnejší, rýchlejší a vyžaduje podstatne menej práce. Hielscher Ultrasonics má najvhodnejšiu extrakčnú zostavu pre vašu polymerizačnú reakciu a spracovávaný objem.

Ultrazvukové sondy pre každú výrobnú kapacitu

Sortiment spoločnosti Hielscher Ultrasonics pokrýva celé spektrum ultrazvukových procesorov od kompaktných laboratórnych ultrazvukových zariadení cez stolové a poloprevádzkové systémy až po plne priemyselné ultrazvukové procesory s kapacitou spracovať za hodinu objemy zodpovedajúce nákladu viacerých nákladných vozidiel. Kompletný sortiment nám umožňuje ponúknuť vám najvhodnejšie ultrazvukové zariadenie pre vaše polyméry, kapacitu procesu a výrobné ciele.
Stolové ultrazvukové systémy sú ideálne na skúšky uskutočniteľnosti a optimalizáciu procesu. Lineárne zväčšovanie mierky na základe stanovených procesných parametrov umožňuje veľmi jednoducho zvýšiť kapacitu spracovania od menších dávok až po plnú komerčnú výrobu. Zväčšenie mierky možno dosiahnuť buď inštaláciou výkonnejšej ultrazvukovej extrakčnej jednotky, alebo paralelným zapojením viacerých ultrazvukových zariadení do skupiny. Modelom UIP16000 ponúka Hielscher najvýkonnejšiu ultrazvukovú jednotku na svete.

Presne regulovateľné amplitúdy pre optimálne výsledky

Všetky ultrazvukové zariadenia Hielscher sú presne regulovateľné, a preto predstavujú spoľahlivé pracovné nástroje vo výrobe. Amplitúda je jedným z rozhodujúcich procesných parametrov, ktoré ovplyvňujú efektívnosť a účinnosť sonochemických reakcií vrátane polymerizačných reakcií a postupov syntézy.
Všetky procesory spoločnosti Hielscher Ultrasonics umožňujú presné nastavenie amplitúdy. Sonotródy a zosilňovače amplitúdy sú príslušenstvom, ktoré umožňuje upravovať amplitúdu v ešte širšom rozsahu. Priemyselné ultrazvukové procesory Hielscher dokážu dosahovať veľmi vysoké amplitúdy a poskytovať požadovanú intenzitu ultrazvuku pre náročné aplikácie. Amplitúdy až do 200µm možno ľahko udržiavať nepretržite v prevádzke 24/7.
Presné nastavenie amplitúdy a nepretržité monitorovanie parametrov ultrazvukového procesu pomocou inteligentného softvéru vám umožňujú syntetizovať vaše molekulárne imprintované polyméry pri najúčinnejších ultrazvukových podmienkach. Optimálna sonikácia pre najlepšie výsledky polymerizácie!
Robustnosť ultrazvukových zariadení Hielscher umožňuje prevádzku 24/7 pri vysokom zaťažení a v náročných prostrediach. Vďaka tomu sú ultrazvukové zariadenia Hielscher spoľahlivým pracovným nástrojom, ktorý spĺňa požiadavky vášho sonochemického procesu.

Jednoduché testovanie bez rizika

Mierku ultrazvukových procesov možno zväčšovať úplne lineárne. To znamená, že každý výsledok, ktorý ste dosiahli pomocou laboratórneho alebo stolového ultrazvukového zariadenia, možno preniesť do väčšej mierky s presne rovnakým výsledkom pri použití presne rovnakých procesných parametrov. Vďaka tomu je ultrazvukové spracovanie ideálne na testovanie uskutočniteľnosti bez rizika, optimalizáciu procesu a následné zavedenie do komerčnej výroby. Kontaktujte nás a zistite, ako môže sonikácia zvýšiť výťažok a kvalitu vašich MIP.

Najvyššia kvalita – navrhnuté a vyrobené v Nemecku

Ako rodinný podnik vo vlastníctve a pod vedením rodiny kladie Hielscher pri svojich ultrazvukových procesoroch dôraz na najvyššie štandardy kvality. Všetky ultrazvukové zariadenia sa navrhujú, vyrábajú a dôkladne testujú v našom sídle v Teltowe pri Berlíne v Nemecku. Robustnosť a spoľahlivosť ultrazvukových zariadení Hielscher z nich robia spoľahlivých pomocníkov vo vašej výrobe. Prevádzka 24/7 pri plnom zaťažení a v náročných prostrediach je prirodzenou vlastnosťou vysokovýkonných miešačov Hielscher.

Nasledujúca tabuľka poskytuje orientačný prehľad približnej spracovateľskej kapacity našich ultrazvukových zariadení:

Ultrazvukový procesor Hielscher si môžete kúpiť v rôznych veľkostiach a s konfiguráciou presne podľa požiadaviek vášho procesu. Od spracovania reaktantov v malej laboratórnej skúmavke až po kontinuálne prietokové miešanie polymérnych suspenzií v priemyselnom meradle vám Hielscher Ultrasonics ponúka vhodné ultrazvukové zariadenie! Kontaktujte nás – radi vám odporučíme ideálnu ultrazvukovú zostavu!