Molecular Imprinting (MI) -Molekulares Prägen- Katharina Bub Seminar Bioanalytik

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1 Molecular Imprinting (MI) -Molekulares Prägen- Katharina Bub Seminar Bioanalytik

2 Inhalte 1 Einleitung 1.1 Molekular geprägte Polymere 1.2 Rolle von Rezeptoren im Organismus 1.3 Künstliche Rezeptoren 1.4 Potentielle Anwendungen 2 Grundlagen des Molekularen Prägens 2.1 Generelles Prinzip 2.2 Kovalentes Prägen 2.3 Nicht kovalentes Prägen 2.4 Vor und Nachteile der Methoden 3 Experimentelles Verfahren 3.1 Funktionelle Monomere 3.2 Crosslinking Moleküle 3.3 Lösungsmittel 3.4 Polymerisationsverfahren 3.5 Evaluation der MIPs 4 Anwendungen für MIPs 5 Zusammenfassend 5 Anwendungsbeispiel- Atrazin

3 1.1 Molekular geprägte (imprinted) Polymere Hierbei handelt es sich um hochvernetzte poröse Polymere, deren Synthese in Anwesenheit eines Templates, dem späteren Analyten, erfolgt. Nach dem Entfernung des Templates besitzen MIPse hochselektive Adsorptions- und Bindungsstellen

4 1.2 Rolle von Rezeptoren im Organismus Molekulare Erkennung ist der essentielle Schritt Bindungsstelle für Liganden Effektorfunktion Enorm hohe Selektivität und Spezifität Komplementäre Konformation Definierte räumliche Anordnung von Haftgruppen Imitation

5 Voraussetzung für molekularen Erkennung Funktionelle Eigenschaften von Ligand und Rezeptor müssen übereinstimmen Konformationsmöglichkeiten beider Partner sollten minimiert sein Chemische Bedingungen sollten konstant gehalten werden Nobelpreis 1987: Cram, Lehn; Pedersen

6 1.3 künstliche Rezeptoren Vorteile Freiheit des Designs Eine große Anzahl an Rückenskeletten wählbar C- Ketten Aromatische Ringe Nicht natürlich vorkommende Gruppen sind möglich Stabilität, Flexibilität sind frei wählbar Kopplung mit anderen Reaktionen Anregung durch Licht ph-wert Elektrisches Feld

7 Kovalente Verbindungen zu zyklischen Molekülen Obwohl die einzelnen Bindungsarten vergleichsweise schwach sind, sind die Selektivitiäten und die Erreichte Bindungsstärke sehr hoch. Wasserstoffbrückenbindungen, elektrostatische und apolare Wechselwirkungen

8 1.4 Potentielle Anwendungen Abtrennung von Molekülen Herstellung von künstlichen Antikörpern Sensoren Stereospezifische Reaktionen Voraussetzungen: Einfache Herstellung großer Mengen mit geringen Kosten Stabilität und Aktivität Selektive und starke Bindung zu dem jeweiligen Zielmolekül Bindung im wässrigen möglich?

9 2 Grundlagen des Molekularen Prägens 2.1 Generelles Prinzip Ausbildung einer kovalenten Bindung oder eines Adduktes zwischen einem funktionellem Monomer und dem Vorlagen Molekül. Polymerisation des Monomer-Vorlagen- Adduktes/ Moleküls (Mit Crosslinker Molekülen) Entfernung der Vorlage aus dem Polymer Funktionelle Taschen werden Ausgebildet

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11 2.2 Kovalentes Prägen Vor der Polymerisation wird das funktionelle Monomer mit der Vorlage zu einem einfach spaltbaren Komplex Kovalenter Komplex wird polymerisiert Nun wir die Vorlage unter Auflösung der kovalenten Bindung aus dem Molekül entfernt Die Probe wird durch das MIP (=molecularly imprinted polymer) ebenfalls kovalent gebunden

12 2.2 Kovalentes Prägen

13 2.3 Nicht kovalentes Prägen Wasserstoffbrückenbindungen, elektrostatische Wechselwirkungen und koordinative Bindungen werden hierfür genutzt Nur durch vermischen Reaktionsansatz Nach der Polymerisation wird die Vorlage durch ein geeignetes Lösungsmittel entfernt Die Probe wird durch das MIP ebenfalls über Wechselwirkungen gebunden

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15 2.4 Vor- und Nachteile der Vorteile Nachteile Kovalent Methoden Konjugate stabil und Stöchiometrisch gleich Große Vielzahl an Polymerisationsbedingungen (T; ph-wert; Lösungsmittel) Konjugatsynthese oft schwierig Bindungen müssen reversibel sein Ausbildung der Bindungen ist langsam Nicht kovalent Synthese eines Konjugats ist nicht notwendig Vorlage kein einfach entfernt werden Ausbildung der Bindungen ist schnell Weniger klarer Prägeprozess Polymerisationsbedingungen dürfen nicht drastisch sein geringere Selektivität

16 3 Experimentelles Verfahren 3.1 Funktionelle Monomere mit Vorlagen (kovalent/ nicht kovalent) 3.2 Verbindungsmoleküle (Crosslinking agents) 3.3 Lösungsmittel für Polymerisation 3.4 Polymerisationsverfahren 3.5 Evaluierung des MIP

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19 3.1. Funktionelle Monomere beim kovalenten Prägen werden oft Amide und Ester der Acrylsäure eingesetzt. Bei nicht kovalenten Prägen werden Vinylverbindungen mit den entsprechenden funktionellen Gruppen eingesetzt Kommerzielle Kits enthalten Inhibitoren und Stabilisatoren

20 3.2 Polymerisationsreagenzien Fixierung der Probenbindungsstellen in der Struktur Machen MIPS unlöslich Erleichtern praktische Anwendungen Reaktivität muss ähnlich dem funktionellen Monomers sein

21 3.3 Lösungsmittel Beeinflussen die Wechselwirkungen Erzeugt Poren Nimmt die Auftretende Reaktionswärme auf Kovalentes Prägen: Viele Arten von LM möglich Nicht kovalentes Prägen: Meistens Chloroform

22 3. 4 Polymerisationsverfahren Radikalische Polymerisation Thermische Zersetzung des Initiators Licht initiierte Polymerisation Nicht kovalente Polymere oft nicht stabil

23 3.5 Evaluation der MIPs Zur Erkennung der Selektivität und Sensitivität Mit Hilfe von Chromatographischen Methoden Diskontinuierlichen Bindungsexperimenten Bestimmung der Bildungskonstanten

24 4 Anwendungen für MIPs Trennung von Molekülen Sensoren Stereoselektive Reaktionen Molecular imprinted sorbent Assay Molecular imprinted Membranen SPE Am häufigsten eingesetzt Katalysatoren

25 5 Zusammenfassend Man braucht eine Vielzahl funktioneller Gruppen die mit funktionellen Monomeren wechselwirken können Monomere Moleküle polymerisieren zu einer stabilen Polymerform mit einer funktionellen Tasche Nach der Polymerisation: Das Polymer kann die Probe wieder aufnehmen Es behält seine Stereochemie

26 6 Anwendungsbeispiel- Atrazin

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28 Funktionelles Monomer: Methacrylsäure oder Acrylsäure

29 MIP als Säulenmaterial Polymere werden gesiebt Die mit geeignetem Durchmesser werden in Säule gepackt Lösungsmittel wird mit hohen Druck durch die Säule gepresst Dichte Packung Evaluierung mit Hilfe des Retentionsfaktors

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31 Literaturquellen Makoto Komiyama; Toshifumi Takeuchi; Takashie Mukawa, Hiroyuki Asanuma: Molecuar imprinting From Fundametals to Applications; 2003 Wiley-VCH Weinheim Christine Widstrand, Ecevit Yilmaz, Brian Boyd, Johan Billing, and Anthony Rees: Molecularly Imprinted Polymers: A New Generation of Affinity Matrices; Reprinted from American Laboratory News October 2006 G. Bunte, J. Hürttlen, H. Pontius, K. Hartlieb, H. Krause, Konzepte für Billigsensoren zur Detektion von Explosivstoffen oder Toxinen basierend auf selektiven Molecular Imprinted Polymers (MIP), 1st Security Research Conference Future Security, Karlsruhe, 2006 G. Bunte, J. Hürttlen, H. Pontius, K. Hartlieb, H. Krause, Gas phase detection of explosive such as 2,4,6-trinitrotoluene by molecularly imprinted polymers, Analytica Chimica Acta 591 (2007) Marco Emgenbroich: Neue molekular geprägte Polymere für die enantioselektive Katalyse und zur Verwendung in Chemosensoren Bull. Korean Chem. Soc. 2008, Vol. 29, No

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