Ultrazvočna sinteza molekularno vtisnjenih polimerov (MIP)

Molekularno vtisnjeni polimeri (MIP) so umetno zasnovani receptorji z vnaprej določeno selektivnostjo in specifičnostjo za dano strukturo biološke ali kemijske molekule. Obdelava z ultrazvokom lahko izboljša različne poti sinteze molekularno vtisnjenih polimerov ter tako poveča učinkovitost in zanesljivost polimerizacije.

Kaj so molekularno vtisnjeni polimeri?

Molekularno vtisnjeni polimer (MIP) je polimerni material z lastnostmi prepoznavanja, podobnimi protitelesom, ki je izdelan s tehniko molekularnega vtiskovanja. Tehnika molekularnega vtiskovanja omogoča izdelavo molekularno vtisnjenega polimera za določeno ciljno molekulo. Molekularno vtisnjeni polimer ima v svoji polimerni matrici votline z afiniteto do določene »matrične« molekule. Postopek običajno vključuje sprožitev polimerizacije monomerov v prisotnosti matrične molekule, ki se nato ekstrahira, pri čemer ostanejo komplementarne votline. Ti polimeri imajo afiniteto do izvorne molekule in se uporabljajo na področjih, kot so kemijsko ločevanje, kataliza ali molekularni senzorji. Molekularno vtisnjene molekule lahko primerjamo z molekularno ključavnico, ki se ujema z molekularnim ključem (tako imenovano matrično molekulo). Za molekularno vtisnjene polimere (MIP) so značilna posebej prilagojena vezavna mesta, ki se z matričnimi molekulami ujemajo po obliki, velikosti in funkcionalnih skupinah. Lastnost »ključavnica – ključ« omogoča uporabo molekularno vtisnjenih polimerov za različne namene, pri katerih se določena vrsta molekule prepozna in veže na molekularno ključavnico, tj. molekularno vtisnjeni polimer.

Shematski prikaz ponazarja pot molekularnega vtiskovanja ciklodekstrinov za pripravo prilagojenih receptorjev.
Študija in slika: Hishiya et al. 2003

Molekularno vtisnjeni polimeri (MIP) imajo široko področje uporabe in se uporabljajo za ločevanje in čiščenje določenih bioloških ali kemijskih molekul, vključno z aminokislinami in beljakovinami, nukleotidnimi derivati, onesnaževali ter zdravili in živili. Področja uporabe segajo od ločevanja in čiščenja do kemijskih senzorjev, katalitskih reakcij, dostave zdravil, bioloških protiteles in receptorskih sistemov. (prim. Vasapollo et al. 2011)
Tehnologija MIP se na primer uporablja kot tehnika mikroekstrakcije na trdni fazi za obdelavo in čiščenje molekul, pridobljenih iz konoplje, kot sta CBD ali THC, iz ekstrakta polnega spektra, da se pridobijo kanabinoidni izolati in destilati.

Ultrazvočna sinteza molekularno vtisnjenih molekul

Glede na vrsto ciljne (matrične) molekule in končno uporabo MIP je mogoče MIP sintetizirati v različnih oblikah, kot so sferični delci nanometrskih in mikrometrskih velikosti, nanožice, nanopaličice, nanofilamenti ali tanki filmi. Za izdelavo določene oblike MIP se lahko uporabijo različne polimerizacijske tehnike, kot so vtiskovanje v masi, obarjanje, emulzijska polimerizacija, suspenzija, disperzija, geliranje in večstopenjska polimerizacija z nabrekanjem.
Uporaba nizkofrekvenčnega ultrazvoka visoke intenzivnosti ponuja zelo učinkovito, vsestransko in preprosto tehniko za sintezo polimernih nanostruktur.
Sonikacija pri sintezi MIP prinaša več prednosti v primerjavi s tradicionalnimi polimerizacijskimi postopki, saj spodbuja večje hitrosti reakcij, enakomernejšo rast polimernih verig, večje izkoristke in blažje pogoje (npr. nizko reakcijsko temperaturo). Poleg tega lahko spremeni porazdelitev populacije vezavnih mest in s tem morfologijo končnega polimera. (Svenson 2011)
Z dovajanjem sonokemijske energije pri polimerizaciji MIP se polimerizacijske reakcije sprožijo, hkrati pa se nanje ugodno vpliva. Sonikacija obenem spodbuja učinkovito razplinjevanje polimerne zmesi brez zmanjšanja vezavne kapacitete ali togosti.
Ultrazvočna homogenizacija, dispergiranje in emulgiranje zagotavljajo vrhunsko mešanje in premešavanje za tvorbo homogenih suspenzij ter dovajanje energije za sprožitev polimerizacijskih procesov. Viveiros et al. (2019) so raziskali potencial ultrazvočne sinteze MIP in navajajo, da so »ultrazvočno pripravljeni MIP izkazovali podobne ali boljše vezavne lastnosti kot pri konvencionalnih metodah«.
MIP v nanoobliki odpirajo obetavne možnosti za izboljšanje homogenosti vezavnih mest. Obdelava z ultrazvokom je dobro znana po izjemnih rezultatih pri pripravi nanodisperzij in nanoemulzij.

Ultrazvočna nanoemulzijska polimerizacija

MIP je mogoče sintetizirati z emulzijsko polimerizacijo. Emulzijska polimerizacija se običajno izvaja s tvorbo emulzije olja v vodi ob dodajanju površinsko aktivne snovi. Za tvorbo stabilne emulzije nanometrske velikosti je potrebna visoko zmogljiva tehnika emulgiranja. Ultrazvočno emulgiranje je dobro uveljavljena tehnika za pripravo nanoemulzij in miniemulzij.
Preberite več o ultrazvočnem nanoemulgiranju!

Ultrazvok lahko izboljša naslednje poti sinteze za izdelavo nanoMIP: obarjalno polimerizacijo, emulzijsko polimerizacijo in polimerizacijo struktur jedro–lupina.
Študija in slika: Refaat et al. 2019

Ultrazvočna ekstrakcija matrične molekule

Po sintezi molekularno vtisnjenih polimerov je treba matrično molekulo odstraniti z vezavnega mesta, da se pridobi aktiven molekularno vtisnjeni polimer. Intenzivne mešalne sile pri sonikaciji spodbujajo topnost, difuzivnost, prodiranje in transport molekul topila ter matričnih molekul. Tako se matrične molekule hitro odstranijo z vezavnih mest.
Ultrazvočno ekstrakcijo je mogoče kombinirati tudi s Soxhletovo ekstrakcijo za odstranitev matrične molekule iz vtisnjenega polimera.

Študije primerov: ultrazvočne aplikacije za molekularno vtisnjene polimere

Ultrazvočna sinteza molekularno vtisnjenih polimerov

Inkapsulacija magnetnih nanodelcev s polimeri z vtisnjenim 17β-estradiolom po ultrazvočni poti sinteze omogoča hitro odstranjevanje 17β-estradiola iz vodnih okolij. Za ultrazvočno sintezo nanoMIP so uporabili metakrilno kislino (MAA) kot monomer, etilenglikol dimetilakrilat (EGDMA) kot zamreževalo in azobisizobutironitril (AIBN) kot iniciator. Postopek ultrazvočne sinteze je potekal 2h pri 65ºC. Povprečna premera delcev magnetnih NIP in magnetnih MIP sta bila 200 oziroma 300 nm. Uporaba ultrazvoka ni izboljšala le hitrosti polimerizacije in morfologije nanodelcev, temveč je povečala tudi število prostih radikalov in tako olajšala rast MIP okoli magnetnih nanodelcev. Adsorpcijska kapaciteta za 17β-estradiol je bila primerljiva s tradicionalnimi pristopi. [Xia et al. 2012 / Viveiro et al. 2019]

Ultrazvok za molekularno vtisnjene senzorje

Yu et al. so zasnovali molekularno vtisnjeni elektrokemijski senzor na osnovi elektrod, modificiranih z nanodelci niklja, za določanje fenobarbitala. Opisani elektrokemijski senzor so razvili s termično polimerizacijo z uporabo metakrilne kisline (MAA) kot funkcionalnega monomera, 2,2-azobisizobutironitrila (AIBN) in akrilata etilenglikol maleinskega rozinata (EGMRA) kot zamreževala, fenobarbitalov (PBs) kot matrične molekule in dimetil sulfoksida (DMSO) kot organskega topila. Pri izdelavi senzorja so 0,0464g PB in 0,0688g MAA zmešali v 3 mL DMSO ter sonikirali 10 min. Po 5 h so zmesi dodali 1,0244g EGMRA in 0,0074g AIBN ter sonikirali 30 min, da so dobili raztopine polimerov z vtisnjenim PB. Nato so 10 μL raztopine nanodelcev Ni s koncentracijo 2,0 mg mL^-1 nakapali na površino GCE in senzor posušili pri sobni temperaturi. Približno 5 μL pripravljene raztopine polimera z vtisnjenim PB so nato nanesli na GCE, modificirano z nanodelci Ni, in vakuumsko sušili pri 75◦C 6 h. Po termični polimerizaciji so vtisnjeni senzor spirali z mešanico HAc (ocetne kisline)/metanola (prostorninsko razmerje 3:7) 7 min, da so odstranili matrične molekule. (prim. Uygun et al. 2015)

Ultrazvočna mikroekstrakcija z uporabo MIP

Za pridobivanje analita nikotinamida iz vzorcev se uporablja disperzivna mikroekstrakcija na trdni fazi s pomočjo ultrazvoka, ki ji sledi merjenje z UV-vis spektrofotometrom (UA-DSPME-UV-vis). Za ekstrakcijo in predkoncentriranje nikotinamida (vitamina B3) so bili uporabljeni molekularno vtisnjeni polimeri na osnovi kovinsko-organskega ogrodja (MOF) HKUST-1. (Asfaram et al. 2017)

Visoko zmogljivi ultrazvočni procesorji za uporabo s polimeri

Od laboratorija do proizvodnje z linearnim povečevanjem merila: Posebej zasnovane molekularno vtisnjene polimere najprej razvijajo in preizkušajo v majhnem laboratorijskem merilu ter z namiznimi sistemi, da preverijo izvedljivost sinteze polimerov. Ko sta izvedljivost in optimizacija MIP doseženi, se proizvodnja MIP poveča na večje prostornine. Vse ultrazvočne poti sinteze je mogoče linearno povečati od namiznega merila do polne komercialne proizvodnje. Hielscher Ultrasonics ponuja sonokemijsko opremo za sintezo polimerov v majhnih laboratorijskih in namiznih sistemih pa vse do povsem industrijskih ultrazvočnih pretočnih sistemov za proizvodnjo 24/7 pri polni obremenitvi. Ultrazvočne postopke je mogoče linearno povečati od merila epruvete do velikih proizvodnih zmogljivosti, ki obsegajo tovornjaške količine na uro. Obsežna ponudba izdelkov Hielscher Ultrasonics, od laboratorijskih do industrijskih sonokemijskih sistemov, vključuje najprimernejši ultrazvočni procesor za vašo predvideno procesno zmogljivost. Naše osebje z dolgoletnimi izkušnjami vam bo pomagalo od preizkusov izvedljivosti in optimizacije procesa do namestitve vašega ultrazvočnega sistema v končnem proizvodnem merilu.

Hielscher Ultrasonics – dovršena sonokemijska oprema

Ponudba izdelkov Hielscher Ultrasonics zajema celoten razpon visoko zmogljivih ultrazvočnih ekstraktorjev od majhnega do velikega merila. Dodatna oprema omogoča preprosto sestavo najprimernejše konfiguracije ultrazvočne naprave za vaš proces. Optimalna ultrazvočna konfiguracija je odvisna od predvidene zmogljivosti, prostornine, materiala, šaržnega ali pretočnega procesa in časovnega načrta. Hielscher vam pomaga vzpostaviti idealen sonokemijski proces.

Šaržna in pretočna obdelava

Ultrazvočni procesorji Hielscher se lahko uporabljajo za šaržno in neprekinjeno pretočno obdelavo. Majhne in srednje velike prostornine je mogoče priročno sonikirati v šaržnem procesu (npr. v vialah, epruvetah, čašah, rezervoarjih ali sodih). Pri obdelavi velikih prostornin je lahko sonikacija v pretočnem sistemu učinkovitejša. Medtem ko je šaržna obdelava časovno in delovno zahtevnejša, je neprekinjen proces mešanja v pretočnem sistemu učinkovitejši, hitrejši in zahteva bistveno manj dela. Hielscher Ultrasonics ima najprimernejšo konfiguracijo za ekstrakcijo za vašo polimerizacijsko reakcijo in procesno prostornino.

Ultrazvočne sonde za vsako proizvodno zmogljivost

Ponudba izdelkov Hielscher Ultrasonics zajema celoten spekter ultrazvočnih procesorjev, od kompaktnih laboratorijskih ultrazvočnih procesorjev prek namiznih in pilotnih sistemov do povsem industrijskih ultrazvočnih procesorjev z zmogljivostjo obdelave tovornjaških količin na uro. Celotna ponudba izdelkov nam omogoča, da vam ponudimo najprimernejšo ultrazvočno opremo za vaše polimere, procesno zmogljivost in proizvodne cilje.
Namizni ultrazvočni sistemi so idealni za preizkuse izvedljivosti in optimizacijo procesa. Linearno povečevanje merila na podlagi uveljavljenih procesnih parametrov omogoča zelo preprosto povečanje zmogljivosti obdelave od manjših serij do polne komercialne proizvodnje. Merilo je mogoče povečati z namestitvijo zmogljivejše ultrazvočne ekstrakcijske enote ali z združitvijo več ultrazvočnih procesorjev v vzporedno delujočo skupino. Z napravo UIP16000 Hielscher ponuja najzmogljivejšo ultrazvočno enoto na svetu.

Natančno nastavljive amplitude za optimalne rezultate

Vse ultrazvočne procesorje Hielscher je mogoče natančno upravljati, zato so zanesljive delovne naprave v proizvodnji. Amplituda je eden od ključnih procesnih parametrov, ki vplivajo na učinkovitost in uspešnost sonokemijskih reakcij, vključno s polimerizacijskimi reakcijami in potmi sinteze.
Vsi procesorji Hielscher Ultrasonics omogočajo natančno nastavitev amplitude. Sonotrode in ojačevalniki amplitude so dodatna oprema, ki omogoča spreminjanje amplitude v še širšem razponu. Industrijski ultrazvočni procesorji Hielscher lahko zagotavljajo zelo visoke amplitude in potrebno ultrazvočno intenzivnost za zahtevne aplikacije. Amplitude do 200µm je mogoče brez težav neprekinjeno vzdrževati pri delovanju 24/7.
Natančne nastavitve amplitude in stalno spremljanje ultrazvočnih procesnih parametrov s pametno programsko opremo vam omogočajo sintezo molekularno vtisnjenih polimerov pri najučinkovitejših ultrazvočnih pogojih. Optimalna sonikacija za najboljše rezultate polimerizacije!
Robustnost ultrazvočne opreme Hielscher omogoča delovanje 24/7 pri velikih obremenitvah in v zahtevnih okoljih. Zato je ultrazvočna oprema Hielscher zanesljivo delovno orodje, ki izpolnjuje zahteve vašega sonokemijskega procesa.

Preprosto preizkušanje brez tveganja

Ultrazvočne procese je mogoče povečevati povsem linearno. To pomeni, da je mogoče vsak rezultat, ki ste ga dosegli z laboratorijskim ali namiznim ultrazvočnim procesorjem, prenesti v večje merilo z natanko enakim rezultatom ob uporabi natanko enakih procesnih parametrov. Zaradi tega je obdelava z ultrazvokom idealna za preizkušanje izvedljivosti brez tveganja, optimizacijo procesa in poznejšo uvedbo v komercialno proizvodnjo. Obrnite se na nas, če želite izvedeti, kako lahko sonikacija poveča izkoristek in kakovost vaših MIP.

Najvišja kakovost – zasnovano in izdelano v Nemčiji

Hielscher kot podjetje v družinski lasti in z družinskim vodenjem daje prednost najvišjim standardom kakovosti svojih ultrazvočnih procesorjev. Vsi ultrazvočni procesorji so zasnovani, izdelani in temeljito preizkušeni na našem sedežu v Teltowu blizu Berlina v Nemčiji. Robustnost in zanesljivost ultrazvočne opreme Hielscher zagotavljata, da je zanesljiva delovna naprava v vaši proizvodnji. Delovanje 24/7 pri polni obremenitvi in v zahtevnih okoljih je samoumevna lastnost visoko zmogljivih mešalnikov Hielscher.

Spodnja tabela prikazuje okvirno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih procesorjev:

Ultrazvočni procesor Hielscher lahko kupite v različnih velikostih in s konfiguracijo, ki je natančno prilagojena zahtevam vašega procesa. Od obdelave reaktantov v majhni laboratorijski epruveti do neprekinjenega pretočnega mešanja polimernih suspenzij v industrijskem merilu vam Hielscher Ultrasonics ponuja primeren ultrazvočni procesor! Obrnite se na nas – z veseljem vam bomo priporočili idealno ultrazvočno konfiguracijo!