Ultraljudssyntes av molekylärt präglade polymerer (MIP)

Molekylärt präglade polymerer (MIP) är artificiellt utformade receptorer med en förutbestämd selektivitet och specificitet för en viss biologisk eller kemisk molekylstruktur. Ultraljudsbehandling kan förbättra olika syntesvägar för molekylärt präglade polymerer och göra polymerisationen effektivare och mer tillförlitlig.

Vad är molekylärt präglade polymerer?

En molekylärt präglad polymer (MIP) är ett polymermaterial med antikroppsliknande igenkänningsegenskaper som har framställts med molekylär präglingsteknik. Den molekylära präglingstekniken framställer en molekylärt präglad polymer för en specifik målmolekyl. Den molekylärt präglade polymeren har hålrum i sin polymermatris med affinitet för den specifika ”mallmolekylen”. Processen innebär vanligtvis att polymerisationen av monomerer initieras i närvaro av en mallmolekyl som sedan extraheras, vilket lämnar kvar komplementära hålrum. Dessa polymerer har affinitet för den ursprungliga molekylen och har använts i tillämpningar såsom kemiska separationer, katalys eller molekylära sensorer. Molekylärt präglade molekyler kan jämföras med ett molekylärt lås som passar en molekylär nyckel (den så kallade mallmolekylen). Molekylärt präglade polymerer (MIP) kännetecknas av särskilt skräddarsydda bindningsställen som matchar mallmolekylernas form, storlek och funktionella grupper. ”Lås–nyckel”-egenskapen gör det möjligt att använda molekylärt präglade polymerer för olika tillämpningar där en specifik typ av molekyl känns igen och binds till det molekylära låset, det vill säga den molekylärt präglade polymeren.

Den schematiska illustrationen visar syntesvägen för molekylär prägling av cyklodextriner för framställning av skräddarsydda receptorer.
Studie och bild: Hishiya et al. 2003

Molekylärt präglade polymerer (MIP) har ett brett användningsområde och används för att separera och rena specifika biologiska eller kemiska molekyler, däribland aminosyror och proteiner, nukleotidderivat, föroreningar samt läkemedel och livsmedel. Tillämpningsområdena sträcker sig från separation och rening till kemiska sensorer, katalytiska reaktioner, läkemedelstillförsel, biologiska antikroppar och receptorsystem. (jfr Vasapollo et al. 2011)
MIP-teknik används till exempel som en teknik för mikroextraktion i fast fas för att bearbeta och rena cannabisbaserade molekyler såsom CBD eller THC från fullspektrumextraktet i syfte att erhålla cannabinoidisolat och destillat.

Ultraljudssyntes av molekylärt präglade molekyler

Beroende på typen av målmolekyl (mallmolekyl) och MIP:s slutliga tillämpning kan MIP:er syntetiseras i olika former, såsom sfäriska partiklar i nano- och mikrometerstorlek, nanotrådar, nanostavar, nanofilament eller tunna filmer. För att framställa en specifik MIP-form kan olika polymerisationstekniker tillämpas, såsom bulkprägling, utfällning, emulsionspolymerisation, suspension, dispersion, gelbildning och svällningspolymerisation i flera steg.
Användningen av lågfrekvent ultraljud med hög intensitet erbjuder en mycket effektiv, mångsidig och enkel teknik för att syntetisera polymera nanostrukturer.
Ultraljudsbehandling medför flera fördelar vid MIP-syntes jämfört med traditionella polymerisationsprocesser, eftersom den främjar högre reaktionshastigheter, mer homogen tillväxt av polymerkedjor, högre utbyten och mildare betingelser (t.ex. låg reaktionstemperatur). Dessutom kan den förändra fördelningen av populationen av bindningsställen och därmed den slutliga polymerens morfologi. (Svenson 2011)
Genom att tillföra sonokemisk energi vid polymerisationen av MIP:er initieras och påverkas polymerisationsreaktionerna positivt. Samtidigt främjar ultraljudsbehandling effektiv avgasning av polymerblandningen utan att försämra bindningskapaciteten eller styvheten.
Homogenisering, dispergering och emulgering med ultraljud ger överlägsen blandning och omrörning för att bilda homogena suspensioner och tillföra initieringsenergi för polymerisationsprocesser. Viveiros et al. (2019) undersökte potentialen hos MIP-syntes med ultraljud och konstaterar att ”MIP:er framställda med ultraljud uppvisade bindningsegenskaper som var likvärdiga med eller överlägsna dem som erhölls med konventionella metoder”.
MIP:er i nanoformat öppnar lovande möjligheter att förbättra bindningsställenas homogenitet. Ultraljudsbehandling är välkänd för sina exceptionella resultat vid framställning av nanodispersioner och nanoemulsioner.

Nanoemulsionspolymerisation med ultraljud

MIP:er kan syntetiseras genom emulsionspolymerisation. Emulsionspolymerisation genomförs vanligen genom att bilda en olja-i-vatten-emulsion med tillsats av ett ytaktivt ämne. För att bilda en stabil emulsion i nanostorlek krävs en högpresterande emulgeringsteknik. Ultraljudsemulgering är en väletablerad teknik för att framställa nano- och miniemulsioner.
Läs mer om nanoemulgering med ultraljud!

Ultraljud kan förbättra följande syntesvägar för framställning av nanoMIP:er: utfällningspolymerisation, emulsionspolymerisation och kärna–skal-polymerisation.
Studie och bild av: Refaat et al. 2019

Ultraljudsextraktion av mallmolekylen

Efter syntesen av molekylärt präglade polymerer måste mallmolekylen avlägsnas från bindningsstället för att erhålla en aktiv molekylärt präglad polymer. Ultraljudsbehandlingens intensiva blandningskrafter främjar löslighet, diffusivitet, inträngning och transport av lösningsmedels- och mallmolekyler. Därigenom avlägsnas mallmolekylerna snabbt från bindningsställena.
Ultraljudsextraktion kan även kombineras med Soxhlet-extraktion för att avlägsna mallmolekylen från den präglade polymeren.

Fallstudier: Ultraljudstillämpningar för molekylärt präglade polymerer

Ultraljudssyntes av molekylärt präglade polymerer

Inkapsling av magnetiska nanopartiklar med polymerer präglade med 17β-östradiol genom en ultraljudsbaserad syntesväg ger snabb avskiljning av 17β-östradiol från vattenmiljöer. Vid ultraljudssyntesen av nanoMIP:erna användes metakrylsyra (MAA) som monomer, etylenglykoldimetakrylat (EGDMA) som tvärbindare och azobisisobutyronitril (AIBN) som initiator. Ultraljudssyntesen genomfördes under 2h vid 65ºC. De genomsnittliga partikeldiametrarna för magnetiska NIP:er och magnetiska MIP:er var 200 respektive 300 nm. Användningen av ultraljud ökade inte bara polymerisationshastigheten och förbättrade nanopartiklarnas morfologi, utan ökade också antalet fria radikaler och underlättade därmed tillväxten av MIP:er runt de magnetiska nanopartiklarna. Adsorptionskapaciteten för 17β-östradiol var jämförbar med den vid traditionella metoder. [Xia et al. 2012 / Viveiro et al. 2019]

Ultraljud för molekylärt präglade sensorer

Yu et al. utformade en molekylärt präglad elektrokemisk sensor baserad på elektroder modifierade med nickelnanopartiklar för bestämning av fenobarbital. Den rapporterade elektrokemiska sensorn utvecklades genom termisk polymerisation med metakrylsyra (MAA) som funktionell monomer, 2,2-azobisisobutyronitril (AIBN) och etylenglykolmaleinrosinat (EGMRA)-akrylat som tvärbindare, fenobarbitaler (PBs) som mallmolekyl och dimetylsulfoxid (DMSO) som organiskt lösningsmedel. Vid tillverkningen av sensorn blandades 0,0464g PB och 0,0688g MAA i 3 mL DMSO och ultraljudsbehandlades under 10 min. Efter 5 h tillsattes 1,0244g EGMRA och 0,0074g AIBN till blandningen, som ultraljudsbehandlades under 30 min för att erhålla PB-präglade polymerlösningar. Därefter droppades 10 μL av en Ni-nanopartikellösning med koncentrationen 2,0 mg mL^-1 på GCE-ytan och sedan torkades sensorn vid rumstemperatur. Därefter belades den Ni-nanopartikelmodifierade GCE:n med cirka 5 μL av den framställda PB-präglade polymerlösningen och vakuumtorkades vid 75◦C under 6 h. Efter den termiska polymerisationen tvättades den präglade sensorn med (ättiksyra) HAc/metanol (volymförhållande, 3:7) under 7 min för att avlägsna mallmolekylerna. (jfr Uygun et al. 2015)

Ultraljudsmikroextraktion med MIP:er

För att återvinna nikotinamidanalyter ur prover används ultraljudsassisterad dispersiv mikroextraktion i fast fas följd av analys med en UV-vis-spektrofotometer (UA-DSPME-UV-vis). För extraktion och förkoncentrering av nikotinamid (vitamin B3) har molekylärt präglade polymerer baserade på det metallorganiska ramverket (MOF) HKUST-1 använts. (Asfaram et al. 2017)

Högpresterande ultraljudsapparater för polymertillämpningar

Från laboratorium till produktion med linjär skalbarhet: Specialutformade molekylärt präglade polymerer utvecklas och testas först i liten laboratorie- och bänkskala för att undersöka polymersyntesens genomförbarhet. När MIP:ernas genomförbarhet har fastställts och optimeringen har slutförts skalas MIP-produktionen upp till större volymer. Samtliga ultraljudsbaserade syntesvägar kan skalas linjärt från bänkskala till full kommersiell produktion. Hielscher Ultrasonics erbjuder sonokemisk utrustning för polymersyntes i små laboratorie- och bänkuppställningar upp till helt industriella ultraljudssystem för inlineproduktion dygnet runt, alla dagar i veckan, under full belastning. Ultraljud kan skalas linjärt från provrörsstorlek till stora produktionskapaciteter på lastbilslaster per timme. Hielscher Ultrasonics omfattande produktutbud, från sonokemiska laboratoriesystem till industriella sonokemiska system, innehåller den lämpligaste ultraljudsapparaten för din avsedda processkapacitet. Vår personal med mångårig erfarenhet hjälper dig från genomförbarhetstester och processoptimering till installationen av ditt ultraljudssystem på den slutliga produktionsnivån.

Hielscher Ultrasonics – Avancerad sonokemisk utrustning

Hielscher Ultrasonics produktportfölj omfattar hela sortimentet av högpresterande ultraljudsextraktorer från liten till stor skala. Ytterligare tillbehör gör det enkelt att sätta samman den konfiguration av ultraljudsutrustningen som är bäst lämpad för din process. Den optimala ultraljudskonfigurationen beror på den avsedda kapaciteten, volymen, materialet, om processen är satsvis eller sker inline samt tidsplanen. Hielscher hjälper dig att utforma den ideala sonokemiska processen.

Satsvis och inline

Hielschers ultraljudsapparater kan användas för satsvis bearbetning och kontinuerlig genomflödesbearbetning. Små och medelstora volymer kan enkelt ultraljudsbehandlas i en satsvis process (t.ex. i provflaskor, provrör, bägare, tankar eller fat). För bearbetning av stora volymer kan ultraljudsbehandling inline vara effektivare. Medan satsvis bearbetning är mer tids- och arbetskrävande är en kontinuerlig blandningsprocess inline effektivare, snabbare och kräver betydligt mindre arbetsinsats. Hielscher Ultrasonics har den extraktionskonfiguration som är bäst lämpad för din polymerisationsreaktion och processvolym.

Ultraljudssonder för varje produktionskapacitet

Hielscher Ultrasonics produktsortiment omfattar hela spektrumet av ultraljudsprocessorer, från kompakta ultraljudsapparater för laboratorier via bänk- och pilotsystem till helt industriella ultraljudsprocessorer med kapacitet att bearbeta lastbilslaster per timme. Det kompletta produktsortimentet gör att vi kan erbjuda dig den ultraljudsutrustning som är bäst lämpad för dina polymerer, din processkapacitet och dina produktionsmål.
Ultraljudssystem i bänkformat är idealiska för genomförbarhetstester och processoptimering. Linjär uppskalning baserad på etablerade processparametrar gör det mycket enkelt att öka bearbetningskapaciteten från mindre satser till fullskalig kommersiell produktion. Uppskalning kan göras antingen genom att installera en kraftfullare ultraljudsextraktor eller genom att koppla samman flera ultraljudsapparater parallellt. Med UIP16000 erbjuder Hielscher världens kraftfullaste ultraljudsenhet.

Exakt reglerbara amplituder för optimala resultat

Alla Hielschers ultraljudsapparater kan regleras exakt och är därmed pålitliga arbetshästar i produktionen. Amplituden är en av de avgörande processparametrar som påverkar effektiviteten och verkningsgraden hos sonokemiska reaktioner, inklusive polymerisationsreaktioner och syntesvägar.
Alla processorer från Hielscher Ultrasonics möjliggör exakt inställning av amplituden. Sonotroder och förstärkarhorn är tillbehör som gör det möjligt att ändra amplituden inom ett ännu större intervall. Hielschers industriella ultraljudsprocessorer kan leverera mycket höga amplituder och den ultraljudsintensitet som krävs för krävande tillämpningar. Amplituder på upp till 200µm kan enkelt upprätthållas kontinuerligt vid drift 24/7.
Exakta amplitudinställningar och ständig övervakning av ultraljudsprocessens parametrar via smart programvara ger dig möjlighet att syntetisera dina molekylärt präglade polymerer under de effektivaste ultraljudsbetingelserna. Optimal ultraljudsbehandling för bästa polymerisationsresultat!
Robustheten hos Hielschers ultraljudsutrustning möjliggör drift 24/7 vid hög belastning och i krävande miljöer. Detta gör Hielschers ultraljudsutrustning till ett tillförlitligt arbetsverktyg som uppfyller kraven för din sonokemiska process.

Enkel, riskfri testning

Ultraljudsprocesser kan skalas upp helt linjärt. Det innebär att varje resultat som du har uppnått med en ultraljudsapparat för laboratoriebruk eller i bänkformat kan skalas upp till exakt samma resultat med exakt samma processparametrar. Detta gör ultraljudsbehandling idealisk för riskfria genomförbarhetstester, processoptimering och efterföljande implementering i kommersiell tillverkning. Kontakta oss för att få veta hur ultraljudsbehandling kan öka utbytet och kvaliteten hos dina MIP:er.

Högsta kvalitet – konstruerade och tillverkade i Tyskland

Som ett familjeägt och familjedrivet företag prioriterar Hielscher de högsta kvalitetsstandarderna för sina ultraljudsprocessorer. Alla ultraljudsapparater konstrueras, tillverkas och testas grundligt vid vårt huvudkontor i Teltow nära Berlin, Tyskland. Hielschers ultraljudsutrustning är robust och tillförlitlig, vilket gör den till en arbetshäst i din produktion. Drift dygnet runt under full belastning och i krävande miljöer är en naturlig egenskap hos Hielschers högpresterande blandare.

Tabellen nedan ger en uppfattning om den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater:

Du kan köpa en ultraljudsprocessor från Hielscher i olika storlekar och exakt konfigurerad för dina processkrav. Från behandling av reaktanter i ett litet laboratorierör till kontinuerlig genomströmningsblandning av polymersuspensioner i industriell skala erbjuder Hielscher Ultrasonics en lämplig ultraljudsapparat för dig! Kontakta oss – vi rekommenderar gärna den idealiska ultraljudskonfigurationen för dig!