Tổng hợp polyme in dấu phân tử (MIP) bằng siêu âm

Polyme in dấu phân tử (MIP) là các thụ thể được thiết kế nhân tạo với tính chọn lọc và tính đặc hiệu được xác định trước đối với một cấu trúc phân tử sinh học hoặc hóa học nhất định. Xử lý bằng siêu âm có thể cải thiện nhiều quy trình tổng hợp polyme in dấu phân tử, giúp quá trình trùng hợp hiệu quả và đáng tin cậy hơn.

Polyme in dấu phân tử là gì?

Polyme in dấu phân tử (MIP) là vật liệu polyme có đặc tính nhận diện tương tự kháng thể, được tạo ra bằng kỹ thuật in dấu phân tử. Kỹ thuật in dấu phân tử tạo ra polyme in dấu phân tử tương ứng với một phân tử đích cụ thể. Polyme in dấu phân tử có các hốc trong nền polyme với ái lực đối với phân tử “khuôn” cụ thể. Quy trình này thường bao gồm việc khơi mào quá trình trùng hợp các monome khi có mặt một phân tử khuôn, sau đó phân tử khuôn được chiết ra, để lại các hốc có cấu trúc bổ sung với phân tử khuôn. Các polyme này có ái lực với phân tử ban đầu và đã được sử dụng trong các ứng dụng như phân tách hóa học, xúc tác hoặc cảm biến phân tử. Các phân tử được in dấu phân tử có thể được ví như một ổ khóa phân tử khớp với một chìa khóa phân tử (được gọi là phân tử khuôn). Polyme in dấu phân tử (MIP) có đặc trưng là các vị trí liên kết được thiết kế riêng, khớp với các phân tử khuôn về hình dạng, kích thước và nhóm chức. Đặc tính “ổ khóa – chìa khóa” cho phép sử dụng polyme in dấu phân tử trong nhiều ứng dụng, trong đó một loại phân tử cụ thể được nhận diện và gắn vào ổ khóa phân tử, tức là polyme in dấu phân tử.

Hình minh họa dạng sơ đồ cho thấy quy trình in dấu phân tử của cyclodextrin để tạo ra các thụ thể được thiết kế riêng.
Nghiên cứu và hình ảnh: Hishiya và cộng sự 2003

Polyme in dấu phân tử (MIP) có phạm vi ứng dụng rộng và được sử dụng để phân tách và tinh sạch các phân tử sinh học hoặc hóa học cụ thể, bao gồm axit amin và protein, các dẫn xuất nucleotide, chất ô nhiễm, cũng như dược phẩm và thực phẩm. Các lĩnh vực ứng dụng trải rộng từ phân tách và tinh sạch đến cảm biến hóa học, phản ứng xúc tác, dẫn truyền thuốc, kháng thể sinh học và các hệ thụ thể. (xem Vasapollo và cộng sự 2011)
Ví dụ, công nghệ MIP được sử dụng như một kỹ thuật vi chiết pha rắn để xử lý và tinh sạch các phân tử có nguồn gốc từ cần sa như CBD hoặc THC từ dịch chiết toàn phổ nhằm thu được các cannabinoid ở dạng phân lập và dịch cất.

Tổng hợp các phân tử in dấu phân tử bằng siêu âm

Tùy thuộc vào loại phân tử đích (phân tử khuôn) và ứng dụng cuối cùng của MIP, MIP có thể được tổng hợp ở các dạng khác nhau như hạt hình cầu có kích thước nano và micromet, dây nano, thanh nano, sợi nano hoặc màng mỏng. Để tạo ra một dạng MIP cụ thể, có thể áp dụng các kỹ thuật trùng hợp khác nhau như in dấu khối, kết tủa, trùng hợp nhũ tương, huyền phù, phân tán, tạo gel và trùng hợp trương nở nhiều bước.
Việc sử dụng siêu âm tần số thấp, cường độ cao mang lại một kỹ thuật hiệu quả cao, linh hoạt và đơn giản để tổng hợp các cấu trúc nano polyme.
Xử lý siêu âm mang lại nhiều lợi ích trong tổng hợp MIP so với các quy trình trùng hợp truyền thống vì thúc đẩy tốc độ phản ứng cao hơn, sự phát triển chuỗi polyme đồng đều hơn, hiệu suất thu sản phẩm cao hơn và điều kiện phản ứng ôn hòa hơn (ví dụ: nhiệt độ phản ứng thấp). Hơn nữa, phương pháp này có thể làm thay đổi sự phân bố quần thể vị trí liên kết và do đó làm thay đổi hình thái của polyme cuối cùng. (Svenson 2011)
Khi năng lượng hóa siêu âm được đưa vào quá trình trùng hợp MIP, các phản ứng trùng hợp được khơi mào và chịu tác động tích cực. Đồng thời, xử lý siêu âm thúc đẩy quá trình khử khí hiệu quả cho hỗn hợp polyme mà không làm giảm khả năng liên kết hoặc độ cứng.
Đồng nhất hóa, phân tán và nhũ hóa bằng siêu âm mang lại khả năng trộn và khuấy vượt trội để tạo huyền phù đồng nhất và cung cấp năng lượng khơi mào cho các quá trình trùng hợp. Viveiros và cộng sự (2019) đã nghiên cứu tiềm năng tổng hợp MIP bằng siêu âm và nhận định rằng “MIP được điều chế bằng siêu âm có các đặc tính liên kết tương đương hoặc vượt trội so với các phương pháp thông thường”.
MIP ở dạng nano mở ra những khả năng đầy hứa hẹn để cải thiện tính đồng đều của các vị trí liên kết. Xử lý siêu âm được biết đến rộng rãi nhờ những kết quả vượt trội trong việc điều chế hệ phân tán nano và nhũ tương nano.

Trùng hợp nhũ tương nano bằng siêu âm

MIP có thể được tổng hợp bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương. Trùng hợp nhũ tương thường được thực hiện bằng cách tạo nhũ tương dầu trong nước có bổ sung chất hoạt động bề mặt. Để tạo nhũ tương ổn định có kích thước nano, cần có kỹ thuật nhũ hóa hiệu năng cao. Nhũ hóa bằng siêu âm là một kỹ thuật đã được xác lập vững chắc để điều chế nhũ tương nano và nhũ tương mini.
Đọc thêm về nhũ hóa nano bằng siêu âm!

Siêu âm có thể cải thiện các phương pháp tổng hợp sau đây để sản xuất nanoMIP: trùng hợp kết tủa, trùng hợp nhũ tương và trùng hợp lõi–vỏ.
Nghiên cứu và hình ảnh: Refaat và cộng sự 2019

Chiết tách phân tử khuôn bằng siêu âm

Sau khi tổng hợp polyme in dấu phân tử, phải loại bỏ phân tử khuôn khỏi vị trí liên kết để thu được polyme in dấu phân tử có hoạt tính. Lực trộn mạnh do xử lý siêu âm thúc đẩy độ hòa tan, khả năng khuếch tán, sự thâm nhập và vận chuyển của các phân tử dung môi và phân tử khuôn. Nhờ đó, các phân tử khuôn được loại bỏ nhanh chóng khỏi các vị trí liên kết.
Chiết tách bằng siêu âm cũng có thể được kết hợp với chiết Soxhlet để loại bỏ phân tử khuôn khỏi polyme in dấu.

Các nghiên cứu điển hình: Ứng dụng siêu âm cho polyme in dấu phân tử

Tổng hợp polyme in dấu phân tử bằng siêu âm

Việc bao bọc các hạt nano từ tính bằng polyme in dấu phân tử 17β-estradiol theo quy trình tổng hợp bằng siêu âm giúp loại bỏ nhanh 17β-estradiol khỏi môi trường nước. Để tổng hợp nanoMIP bằng siêu âm, axit methacrylic (MAA) được sử dụng làm monome, ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA) làm chất tạo liên kết ngang và azobisisobutyronitrile (AIBN) làm chất khơi mào. Quy trình tổng hợp bằng siêu âm được thực hiện trong 2h ở 65ºC. Đường kính hạt trung bình của NIP từ tính và MIP từ tính lần lượt là 200 và 300 nm. Việc sử dụng siêu âm không chỉ làm tăng tốc độ trùng hợp và cải thiện hình thái của các hạt nano mà còn làm tăng số lượng gốc tự do, qua đó tạo thuận lợi cho sự phát triển của MIP xung quanh các hạt nano từ tính. Khả năng hấp phụ 17β-estradiol tương đương với các phương pháp truyền thống. [Xia et al. 2012 / Viveiro et al. 2019]

Siêu âm cho cảm biến in dấu phân tử

Yu và cộng sự đã thiết kế một cảm biến điện hóa in dấu phân tử dựa trên các điện cực được biến tính bằng hạt nano niken để xác định phenobarbital. Cảm biến điện hóa được báo cáo này được phát triển bằng phương pháp trùng hợp nhiệt, sử dụng axit methacrylic (MAA) làm monome chức năng, 2,2-azobisisobutyronitrile (AIBN) và ethylene glycol maleic rosinate (EGMRA) acrylate làm chất tạo liên kết ngang, phenobarbital (PBs) làm phân tử khuôn và dimethyl sulfoxide (DMSO) làm dung môi hữu cơ. Trong quá trình chế tạo cảm biến, 0,0464g PB và 0,0688g MAA được trộn trong 3 mL DMSO và xử lý bằng siêu âm trong 10 min. Sau 5 h, 1,0244g EGMRA và 0,0074g AIBN được thêm vào hỗn hợp rồi xử lý bằng siêu âm trong 30 min để thu được các dung dịch polyme in dấu PB. Sau đó, 10 μL dung dịch hạt nano Ni có nồng độ 2,0 mg mL^-1 được nhỏ lên bề mặt GCE, sau đó cảm biến được làm khô ở nhiệt độ phòng. Tiếp theo, khoảng 5 μL dung dịch polyme in dấu PB đã chuẩn bị được phủ lên GCE đã biến tính bằng hạt nano Ni và sấy chân không ở 75◦C trong 6 h. Sau quá trình trùng hợp nhiệt, cảm biến in dấu được rửa bằng HAc (axit axetic)/methanol (tỷ lệ thể tích, 3:7) trong 7 min để loại bỏ các phân tử khuôn. (xem Uygun et al. 2015)

Vi chiết bằng siêu âm sử dụng MIP

Để thu hồi chất phân tích nicotinamide từ mẫu, phương pháp vi chiết pha rắn phân tán có hỗ trợ siêu âm, tiếp theo là đo bằng máy quang phổ UV-vis (UA-DSPME-UV-vis), được áp dụng. Để chiết và làm giàu nicotinamide (vitamin B3), các polyme in dấu phân tử dựa trên khung cơ kim (MOF) HKUST-1 đã được sử dụng. (Asfaram et al. 2017)

Thiết bị siêu âm hiệu suất cao cho các ứng dụng polyme

Từ phòng thí nghiệm đến sản xuất với khả năng mở rộng quy mô tuyến tính: Các polyme in dấu phân tử được thiết kế chuyên biệt trước tiên được phát triển và thử nghiệm ở quy mô nhỏ trong phòng thí nghiệm và trên thiết bị để bàn nhằm khảo sát tính khả thi của quá trình tổng hợp polyme. Khi tính khả thi đã được xác nhận và việc tối ưu hóa MIP đã hoàn tất, quá trình sản xuất MIP được mở rộng sang thể tích lớn hơn. Tất cả các quy trình tổng hợp bằng siêu âm đều có thể được mở rộng quy mô tuyến tính từ thiết bị để bàn đến sản xuất thương mại hoàn chỉnh. Hielscher Ultrasonics cung cấp thiết bị hóa siêu âm để tổng hợp polyme ở quy mô nhỏ trong phòng thí nghiệm và trên thiết bị để bàn, cho đến các hệ thống siêu âm trên dòng chảy hoàn toàn ở quy mô công nghiệp để sản xuất 24/7 dưới toàn tải. Quá trình siêu âm có thể được mở rộng quy mô tuyến tính từ cỡ ống nghiệm đến công suất sản xuất lớn, xử lý nhiều tải xe tải mỗi giờ. Danh mục sản phẩm phong phú của Hielscher Ultrasonics, từ các hệ thống hóa siêu âm trong phòng thí nghiệm đến công nghiệp, có thiết bị siêu âm phù hợp nhất với công suất xử lý dự kiến của bạn. Đội ngũ nhân viên giàu kinh nghiệm lâu năm của chúng tôi sẽ hỗ trợ bạn từ thử nghiệm tính khả thi và tối ưu hóa quy trình đến lắp đặt hệ thống siêu âm ở quy mô sản xuất cuối cùng.

Hielscher Ultrasonics – Thiết bị hóa siêu âm tiên tiến

Danh mục sản phẩm của Hielscher Ultrasonics bao quát toàn bộ các thiết bị chiết xuất siêu âm hiệu suất cao từ quy mô nhỏ đến lớn. Các phụ kiện bổ sung giúp dễ dàng lắp ráp cấu hình thiết bị siêu âm phù hợp nhất với quy trình của bạn. Cấu hình siêu âm tối ưu phụ thuộc vào năng suất dự kiến, thể tích, vật liệu, quy trình theo mẻ hoặc trực tuyến và tiến độ thực hiện. Hielscher giúp bạn thiết lập quy trình hóa siêu âm lý tưởng.

Theo mẻ và trực tuyến

Các thiết bị siêu âm Hielscher có thể được sử dụng để xử lý theo mẻ và xử lý dòng chảy liên tục. Các thể tích nhỏ và vừa có thể được xử lý siêu âm thuận tiện theo mẻ (ví dụ: trong lọ, ống nghiệm, cốc có mỏ, bồn hoặc thùng). Đối với xử lý thể tích lớn, xử lý siêu âm trực tuyến có thể hiệu quả hơn. Trong khi xử lý theo mẻ tốn nhiều thời gian và công lao động hơn, quy trình trộn trực tuyến liên tục hiệu quả hơn, nhanh hơn và cần ít công lao động hơn đáng kể. Hielscher Ultrasonics có cấu hình chiết xuất phù hợp nhất với phản ứng trùng hợp và thể tích xử lý của bạn.

Đầu dò siêu âm cho mọi năng suất sản xuất

Dải sản phẩm của Hielscher Ultrasonics bao quát toàn bộ các thiết bị xử lý siêu âm, từ thiết bị siêu âm phòng thí nghiệm nhỏ gọn, các hệ thống để bàn và thí điểm đến các thiết bị xử lý siêu âm hoàn toàn ở quy mô công nghiệp với khả năng xử lý khối lượng tương đương nhiều xe tải mỗi giờ. Dải sản phẩm đầy đủ cho phép chúng tôi cung cấp thiết bị siêu âm phù hợp nhất với polyme, năng suất xử lý và mục tiêu sản xuất của bạn.
Các hệ thống siêu âm để bàn lý tưởng cho thử nghiệm tính khả thi và tối ưu hóa quy trình. Việc mở rộng quy mô tuyến tính dựa trên các thông số quy trình đã được xác lập giúp tăng năng suất xử lý từ các lô nhỏ lên sản xuất thương mại toàn diện một cách rất dễ dàng. Có thể mở rộng quy mô bằng cách lắp đặt một thiết bị chiết xuất siêu âm mạnh hơn hoặc bố trí nhiều thiết bị siêu âm thành cụm hoạt động song song. Với UIP16000, Hielscher cung cấp thiết bị siêu âm mạnh nhất trên toàn thế giới.

Biên độ có thể kiểm soát chính xác để đạt kết quả tối ưu

Tất cả các thiết bị siêu âm Hielscher đều có thể được kiểm soát chính xác và nhờ đó là những thiết bị làm việc bền bỉ, đáng tin cậy trong sản xuất. Biên độ là một trong những thông số quy trình then chốt ảnh hưởng đến hiệu suất và hiệu quả của các phản ứng hóa siêu âm, bao gồm các phản ứng trùng hợp và các phương pháp tổng hợp.
Tất cả các thiết bị xử lý của Hielscher Ultrasonics đều cho phép cài đặt biên độ chính xác. Đầu phát siêu âm và bộ khuếch đại biên độ là các phụ kiện cho phép điều chỉnh biên độ trong phạm vi còn rộng hơn. Các thiết bị xử lý siêu âm công nghiệp của Hielscher có thể tạo ra biên độ rất cao và cung cấp cường độ siêu âm cần thiết cho các ứng dụng có yêu cầu khắt khe. Có thể dễ dàng duy trì liên tục biên độ lên đến 200µm khi vận hành 24/7.
Việc cài đặt biên độ chính xác và giám sát liên tục các thông số quy trình siêu âm thông qua phần mềm thông minh cho phép bạn tổng hợp các polyme in dấu phân tử trong điều kiện siêu âm hiệu quả nhất. Xử lý siêu âm tối ưu để đạt kết quả trùng hợp tốt nhất!
Độ bền của thiết bị siêu âm Hielscher cho phép vận hành 24/7 với chế độ làm việc cường độ cao và trong các môi trường khắc nghiệt. Điều này khiến thiết bị siêu âm của Hielscher trở thành công cụ làm việc đáng tin cậy, đáp ứng các yêu cầu của quy trình hóa siêu âm của bạn.

Thử nghiệm dễ dàng, không rủi ro

Các quy trình siêu âm có thể được mở rộng quy mô hoàn toàn tuyến tính. Điều này có nghĩa là mọi kết quả bạn đạt được khi sử dụng thiết bị siêu âm phòng thí nghiệm hoặc để bàn đều có thể được mở rộng quy mô để đạt chính xác cùng kết quả đầu ra khi sử dụng chính xác cùng các thông số quy trình. Điều này khiến xử lý siêu âm trở nên lý tưởng cho việc thử nghiệm tính khả thi không rủi ro, tối ưu hóa quy trình và sau đó triển khai vào sản xuất thương mại. Hãy liên hệ với chúng tôi để tìm hiểu cách xử lý siêu âm có thể tăng hiệu suất thu nhận và chất lượng MIP của bạn.

Chất lượng cao nhất – Được thiết kế và sản xuất tại Đức

Là doanh nghiệp do gia đình sở hữu và điều hành, Hielscher ưu tiên các tiêu chuẩn chất lượng cao nhất cho các bộ xử lý siêu âm của mình. Tất cả các thiết bị siêu âm đều được thiết kế, sản xuất và kiểm tra kỹ lưỡng tại trụ sở chính của chúng tôi ở Teltow gần Berlin, Đức. Độ bền và độ tin cậy của thiết bị siêu âm Hielscher khiến chúng trở thành công cụ làm việc bền bỉ trong hoạt động sản xuất của bạn. Vận hành 24/7 ở toàn tải và trong môi trường khắc nghiệt là đặc tính vốn có của các máy trộn hiệu suất cao của Hielscher.

Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi:

Bạn có thể mua bộ xử lý siêu âm Hielscher với nhiều kích cỡ khác nhau và được cấu hình chính xác theo yêu cầu quy trình của bạn. Từ xử lý các chất phản ứng trong một ống nhỏ ở phòng thí nghiệm đến trộn liên tục huyền phù polyme theo dòng chảy ở quy mô công nghiệp, Hielscher Ultrasonics đều có thiết bị siêu âm phù hợp cho bạn! Hãy liên hệ với chúng tôi – chúng tôi rất sẵn lòng đề xuất cấu hình siêu âm lý tưởng cho bạn!