Ny teknik udvælger molekyler i henhold til deres kemiske egenskaber og dimensioner

Adskillelse af molekyler er en vigtig del af mange fremstillings- og testprocesser, herunder farmaceutisk produktion og nogle biomedicinske tests. En måde at udføre en sådan adskillelse på er ved at bruge nanofiltre - materialer med huller med en præcist kontrolleret lille diameter, at tillade molekyler op til den størrelse at passere igennem, mens de blokerer alle, der er større. Men et nyt system udviklet af forskere ved MIT kunne tilføje en vigtig ny kapacitet:en måde at selektivt filtrere molekyler fra samme størrelse, som har forskellige kemiske egenskaber.

Karen Gleason, en MIT-professor i kemiteknik og associeret dekan for ingeniørvidenskab for forskning, og postdoc Ayse Asatekin beskrev processen i et papir offentliggjort i denne måned i tidsskriftet Nano bogstaver .

Dette er "en fundamentalt anderledes måde" at adskille molekyler på, siger Gleason. "Folk tænker normalt på størrelse som værende den afgørende faktor, ” men ved at gøre porerne i filteret små nok til, at der er en betydelig kemisk interaktion mellem porevæggene og molekylerne, der passerer gennem dem, det bliver muligt at skelne efter andre karakteristika, forklarer hun. I dette tilfælde, selektionen var baseret på molekylernes affinitet til vand. Fordi porernes vægge var hydrofobe (vandafvisende), andre hydrofobe molekyler blev lettere trukket til porerne og drevet gennem dem end andre, færre hydrofobe molekyler.

I levende organismer, cellevægge udfører rutinemæssigt denne form for kemisk adskillelse, at lade visse specifikke slags molekyler - f.eks. næringsstoffer, enzymer eller signalmolekyler - passerer frit gennem porer i en cellemembran, mens du blokerer alle andre. Men det er første gang, Asatekin siger, at en sådan kemisk adskillelse er blevet påvist i en syntetisk membran.

Mange biologiske molekyler, der er ens i størrelse, men har meget forskellige funktioner eller egenskaber, så evnen til at adskille dem effektivt kunne være vigtig. I denne første proof-of-concept demonstration, de valgte molekyler var to farvestoffer, valgt på grund af deres ens størrelse og lette detektion. Ved hjælp af en polycarbonatmembran (en type plast) behandlet med et dampaflejret lag af en anden polymer, forskerne var i stand til at adskille de to farvestoffer meget effektivt, med mere end 200 gange mere af den ene type, der passerer igennem end den anden. Belægningsprocessen, de brugte, tilføjer ikke kun evnen til at skelne mellem molekyler baseret på deres forskellige affiniteter for vand, men ved at belægge indersiden af ​​rørlignende porer i materialet giver det også en måde at skabe ekstremt små porer af ensartet størrelse - meget mindre, end der kan fremstilles ved konventionelle metoder.

Jørgen Lahann, en lektor i kemiteknik ved University of Michigan, som ikke var involveret i dette arbejde, siger, at holdets evne til at producere små, ensartede porer mindre end 10 nanometer (milliarddele af en meter) på tværs er i sig selv en betydelig bedrift, der løser et stort problem i eksisterende nanoseparationsteknologi.

For at teste, hvordan systemet fungerer, holdet forsøgte at lave to forskellige slags porer - nogle med ensartede rør, andre, der havde en smal flaskehals på et tidspunkt og derefter udvidede sig. De ensartede cylindre var meget mere effektive, demonstrerer, at nøglefaktoren er interaktionen mellem molekylerne og porens væg over hele dens længde, som i dette tilfælde var omkring 4, 000 gange bredden.

Inden for farmaceutisk fremstilling, mange processer involverer kemiske reaktioner, hvor både reaktanterne og det kemikalie, der produceres, er meget ens i molekylstørrelse, så at være i stand til at adskille de to effektivt kunne være et væsentligt fremskridt i forhold til at tillade forarbejdning med stor gennemstrømning i stedet for produktion af små partier, som det gøres i øjeblikket, Asatekin siger.

Ud over mulige anvendelser inden for lægemiddelfremstilling, sådanne membraner kunne være vigtige for påvisningen af ​​biologisk signifikante molekyler. For eksempel, det amerikanske militær, som finansierede denne forskning gennem Institute for Soldier Nanotechnology, er interesseret i deres mulige brug i detektorer, der kunne identificere en kemisk markør, kroppen producerer, når en inflammatorisk reaktion udløses, hvilket kunne være en måde til hurtigt at afsløre, at kroppen var blevet udsat for et giftstof selv uden at vide, hvad giften var.

Som et næste skridt, Asatekin og Gleason planlægger at prøve teknikken til at adskille biomolekyler, der er af reel relevans for biologiske processer, at demonstrere, at det fungerer for materialer, der ville være af interesse for faktiske anvendelser.

Professor Mathias Ulbricht, formand for teknisk kemi ved universitetet i Duisburg-Essen i Tyskland, kalder dette en "kraftig eksperimentel demonstration" af en ny teknik, som han siger lover meget for praktiske anvendelser.

"Denne undersøgelse åbner en ny vej for virkelig 'skræddersyede' nanoporøse membraner med andre selektiviteter end traditionelle membraner, ” siger han. ”Der skal udføres mere eksperimentelt arbejde med fremstilling af membraner med varieret struktur og andre adskillelsesforsøg. Imidlertid, I am optimistic that the promising prospects can be demonstrated practically in such follow-up studies.”