Niosome-Based Supramolecular Biosolvents: Aligning Analytical Efficiency with Green Chemistry Criteria

Chemici vertrouwen al lang op vloeistoffen om nuttige stoffen uit vaste materialen te halen, een proces dat essentieel is voor het testen van voedselveiligheid, het controleren van de milieugezondheid en het ontdekken van nieuwe medicijnen. De traditionele vloeistoffen die hiervoor worden gebruikt, zijn echter vaak afgeleid van aardolie, kunnen giftig zijn en zijn moeilijk op een veilige manier af te danken. In de afgelopen jaren hebben wetenschappers hun aandacht gericht op "groene" alternatieven: oplosmiddelen die veiliger zijn voor mensen en de planeet. Een van de meest veelbelovende hiervan zijn supramoleculaire oplosmiddelen. In tegen tegenstelling tot gewone vloeistoffen, die simpelweg een mengsel zijn van vrij zwevende moleculen, zijn dit gestructureerde vloeistoffen. Ze ontstaan wanneer minuscule bouwstenen, genaamd amfifielen, zich van nature rangschikken in georganiseerde clusters in water. Deze clusters creëren een unieke omgeving met verschillende zones die tegelijkertijd een breed scala aan stoffen kunnen grijpen, wat ze ongelooflijk efficiënt maakt bij het schoonmaken van monsters. De uitdaging is geweest om deze gestructureerde vloeistoffen te creëren met ingrediënten die niet alleen effectief zijn, maar ook volledig duurzaam, goedkoop en veilig in grote hoeveelheden te gebruiken.

Een team onderzoekers in Spanje heeft nu een nieuw type van deze gestructureerde oplosmiddelen ontwikkeld dat aan deze hoge standaarden voldoet. Ze creëerden een vloeistof gebaseerd op niosomen, wat minuscule, belachtige structuren zijn gemaakt van een algemeen, voedselveilig ingrediënt bekend als Span 40. Dit ingrediënt is een type vetachtig molecuul afgeleid van sorbitol en palmitinezuur, dat breed wordt gebruikt in alles van cosmetica tot voedsel om mengsels stabiel te houden. De onderzoekers mengden dit ingrediënt met water en een type alcohol genaamd 1-propanol, en voegden vervolgens een kleine hoeveelheid zout toe om een natuurlijk scheidingsproces te triggeren. In plaats van een rommelige smurrie te creëren, vormde het mengsel spontaan een duidelijke, heldere vloeibare fase bij kamertemperatuur. Deze nieuwe vloeistof is geen uniforme soep; het is gevuld met miljarden microscopische, flexibele bellen, elk ongeveer zo groot als een virus, die dicht op elkaar gepakt zitten. Deze bellen zijn de sleutel tot de kracht van het oplosmiddel, waarbij ze fungeren als kleine containers die water in hun kernen en alcohol in hun wanden kunnen vasthouden, wat een veelzijdige omgeving creëert voor het vangen van verschillende chemicaliën.

Het team testte dit nieuwe oplosmiddel door te proberen waardevolle voedingsstoffen te extraheren uit de bladeren van de witte moerbeiboom, een plant die bekend staat om zijn rijke gehalte aan gezondbevorderende verbindingen. Ze ontdekten dat hun nieuwe oplosmiddel veel superieur was aan standaardmethoden. Vergeleken met het gebruik van gewone ethanol of 1-propanol, haalde de nieuwe gestructureerde vloeistof aanzienlijk meer van de gunstige verbindingen van de plant naar buiten. Het verhoogde de hoeveelheid totale fenolen met tussen de 77 en 118 procent, flavonoïden met 24 tot 59 procent, en carotenoïden met 8 tot 35 procent. Wat dit resultaat bijzonder indrukwekkend maakt, is de diversiteit van de gevangen verbindingen. Het oplosmiddel slaagde erin moleculen te extraheren die varieerden van zeer waterminnend tot zeer olieminnend, inclus nodig complexe suiker-gelinkte structuren en eenvoudigere vormen, allemaal in één enkele stap. Dit suggereert dat de georganiseerde bellen in het oplosmiddel gelijktijdig met veel verschillende soorten moleculen kunnen interageren, waardoor een compleet chemisch vingerafdruk van de plant wordt geleverd zonder dat er meerdere verschillende oplosmiddelen nodig zijn.

Naast zijn prestaties werd het oplosmiddel ontworpen om werkelijk duurzaam te zijn. Het proces dat wordt gebruikt om het te maken vereist geen hitte en geen speciale machines; het gebeurt van nature bij kamertemperatuur. De ingrediënten zijn goedkoop, breed beschikbaar en hernieuwbaar. Het hoofdbestanddeel, Span 40, is een voedseladditief dat niet-toxisch is en gemakkelijk afbreekt in het milieu. De gebruikte alcohol wordt ook als veilig beschouwd en kan worden geproduceerd uit plantaardige bronnen. Hoewel het alcoholcomponent betekent dat de uiteindelijke vloeistof brandbaar is en standaard veiligheidsmaatregelen vereist, vermijdt het algemene proces de zware toxiciteit en milieuschade die geassocieerd worden met traditionele op aardolie gebaseerde oplosmiddelen. De onderzoekers toonden ook aan dat de kleine hoeveelheid zout die wordt gebruikt om het oplosmiddel te creëren, grotendeels achterblijft in het afvalwater, wat betekent dat de uiteindelijke vloeistof schoon genoeg is om direct in gevoelige wetenschappelijke instrumenten te worden geïnjecteerd voor analyse zonder schade te veroorzaken.

Dit werk demonstreert dat het mogelijk is om hoogefficiënte, nanogestructureerde oplosmiddelen te bouwen met behulp van zeer kleine hoeveelheden surfactant om een groot volume vloeistof te organiseren. De onderzoekers ontdekten dat de minuscule bellen die zij creëerden zo effectief waren dat ze een oplosmiddelvolume konden structureren met minder dan een half procent van het amfifiele ingrediënt, een veel lagere concentratie dan voorheen noodzakelijk werd geacht. Door te bewijzen dat deze groene, bio-gebaseerde oplosmiddelen een breed scala aan complexe chemicaliën kunnen extraheren uit moeilijke plantmaterialen, biedt de studie een praktisch pad voorwaarts voor de analytische chemie. Het suggereert een toekomst waarin de instrumenten die we gebruiken om ons voedsel en milieu te analyseren zelf veilig, betaalbaar en vriendelijk voor de planeet zijn, zonder dat wetenschappers de precisie hoeven op te offeren die zij nodig hebben om hun werk te doen.