إعداد التنسيق المسامية العالية البوليمر طلاء البوليمر على ماكروبوروس كتل لتعزيز إثراء Phosphopeptides
Summary
A procedure for the preparation of porous hybrid separation media composed of a macroporous polymer monolith internally coated by a high surface area microporous coordination polymer is presented.
Abstract
We describe a protocol for the preparation of hybrid materials based on highly porous coordination polymer coatings on the internal surface of macroporous polymer monoliths. The developed approach is based on the preparation of a macroporous polymer containing carboxylic acid functional groups and the subsequent step-by-step solution-based controlled growth of a layer of a porous coordination polymer on the surface of the pores of the polymer monolith. The prepared metal-organic polymer hybrid has a high specific micropore surface area. The amount of iron(III) sites is enhanced through metal-organic coordination on the surface of the pores of the functional polymer support. The increase of metal sites is related to the number of iterations of the coating process.
The developed preparation scheme is easily adapted to a capillary column format. The functional porous polymer is prepared as a self-contained single-block porous monolith within the capillary, yielding a flow-through separation device with excellent flow permeability and modest back-pressure. The metal-organic polymer hybrid column showed excellent performance for the enrichment of phosphopeptides from digested proteins and their subsequent detection using matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry. The presented experimental protocol is highly versatile, and can be easily implemented to different organic polymer supports and coatings with a plethora of porous coordination polymers and metal-organic frameworks for multiple purification and/or separation applications.
Introduction
البوليمرات التنسيق مسامية (PCPs) هي مركبات التنسيق على أساس مراكز المعدنية التي ربطها بروابط العضوية مع تكرار الكيانات تنسيق تمتد في 1 أو 2 أو 3 الأبعاد التي يمكن أن تكون غير متبلور أو بلوري 1-3. في السنوات الأخيرة، وقد اجتذب هذا النوع من مواد مسامية اهتماما واسع النطاق بسبب المسامية العالية، tunability الكيميائية واسعة، واستقرارها. تم استكشافها PCPs لمجموعة من التطبيقات بما في ذلك تخزين الغاز وفصل الغاز، والحفز 3-6، ومؤخرا جدا، وقد وصفت التطبيقات التحليلية الأولى من PCPs 7.
لأن من وظائف الكيميائية والمسامية العالية معززة PCPs بهم استهدفوا لإمكاناتها الضخمة لتحسين عمليات تنقية وفصل الكروماتوغرافي، وتم نشر عدد من التقارير المتعلقة بهذا الموضوع 7-13. ومع ذلك، فإن أداء PCPs ليست حاليا في لequivaleمستوى الإقليم الشمالي مع المواد الكروماتوغرافي القائمة على الأرجح بسبب انتشار سريع من خلال الفراغات بين الجسيمات الكبيرة في سرير معبأة من هذه المواد الصلبة نظرا لمن الأشكال التضاريسية عادة غير منتظمة الشكل من جسيمات أو البلورات. هذه التعبئة وزعت بشكل غير منتظم يؤدي إلى أداء أقل من المتوقع، وكذلك backpressures العمود عالية وغير مرغوب فيها الأشكال التضاريسية ذروة شكل 14،15.
من أجل إيجاد حل لمشكلة انتشار سريع من خلال الفراغات بين الجسيمات وبالتزامن تعزيز أداء PCPs للتطبيقات التحليلية، وتطوير المواد المختلطة على أساس البوليمر متراصة ماكروبوروس 16 الذي يحتوي على PCP على سطح تحفر شأنه يكون مرغوبا فيه. كتل البوليمر هي بذاتها، ومواد واحد من قطعة والتي يمكن أن تحافظ تدفق الحمل الحراري من خلال فوهاتها، مما يجعلها واحدة من البدائل الأكثر فعالية لحبة التعبئة وتم تسويقها بنجاح من قبل عدة ج ompanies 17،18. وعادة ما تستند كتل البوليمر المسامية على البلمرة من مونومر وcrosslinker في وجود porogens، التي عادة ما تكون خليط من ثنائية المذيبات العضوية. المواد التي تم الحصول عليها متجانسة يكون لها هيكل microglobular والمسامية والنفاذية العالية التدفق.
مقاربة بسيطة لتوحيد هذه المواد لإعداد يستند متراصة البوليمر تحتوي على PCP على إضافة مباشرة لPCPs كما تصنيعه في خليط بلمرة متراصة. هذا النهج أدى إلى PCPs دفن معظمهم من داخل سقالة البوليمر، وليس ينشطون لتطبيق مزيد من المواد النهائية 14،15. وهناك حاجة إلى نهج الاصطناعية مختلفة بشكل واضح من أجل، على سبيل المثال، تطوير الأفلام موحدة من PCPs، أو الأطر المعدنية العضوية البلورية (موفس) حيث الغالبية من المسام الموجودة داخل البلورة يمكن الوصول إليها من تحفر من متراصة البوليمر.
ر "> وهنا نحن الإبلاغ عن بروتوكول بسيط لإعداد مادة البوليمر الهجين المعادن العضوية (وزارة الصحة العامة) على أساس دعم البوليمر ماكروبوروس مع مجموعات وظيفية مناسبة لإلحاق PCPs، والتي يمكن تنفيذها بسهولة باعتبارها واحدة قائمة بذاتها متراصة البوليمر من قطعة في شكل عمود مع خصائص الأمثل لتطبيقات التدفق من خلال. ويتبع هذا الإجراء التوليف البوليمر من قبل على أساس حل درجة حرارة الغرفة بسيطة طريقة لزراعة طلاء PCP على السطح الداخلي للمسام متراصة 19-20. كما في المثال الأول، وصفنا إعداد الحديد (III) benzenetricarboxylate (FeBTC) فيلم التنسيق البوليمر داخل بولي ماكروبوروس (حمض الستايرين divinylbenzene-ميثاكريليك) متراصة. هذه الطريقة فعالة لإعداد المساحيق بكميات كبيرة وكذلك الأعمدة الشعرية وبروتوكول صفها هو للتنفيذ بسهولة لPCPs أخرى. كمثال على إمكانية MOPHs كمواد وظيفية لتدفق throuتطبيقات غ، طبقنا المتقدمة FeBTC وزارة الصحة العامة والتي تحتوي على طلاء كثيف من الحديد (III) مراكز لإثراء phosphopeptides من خليط من البروتين هضم استغلال تقارب ملزمة من phosphopeptides إلى الحديد (III). بروتوكول المتقدمة 21 ويضم ثلاثة أجزاء رئيسية: إعداد الدعم متراصة البوليمرات العضوية ماكروبوروس. نمو طلاء PCP على سطح مسام متراصة. تطبيق لإثراء phosphopeptides.Protocol
Representative Results
Discussion
متراصة البوليمر الأصلي يحتوي على المجموعات الوظيفية الكربوكسيلية قادرة على ربط المعادن. تنسيق المواقع المعادن الأولية على المواد الأصلية، ونحن قادرون على النمو طلاء PCP (الشكل 1A)، وتتضمن عددا من المواقع المعادن الإضافية تشكيل شبكة الصغيرة التي يسهل اختراقه…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work has been performed at the Molecular Foundry, Lawrence Berkeley National Laboratory and supported by the Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, Scientific User Facilities Division of the US Department of Energy, under Contract No. DE-AC02–05CH11231. The financial support of F.M. by a ME-Fulbright fellowship and A.S. by Higher Education Commission of Pakistan are gratefully acknowledged.
Materials
| Polyimide-coated capillaries | Polymicro Technologies | TSP100375 | 100 μm i.d. |
| 3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate, 98% | Sigma-Aldrich | 440159 | |
| Styrene, 99% | Sigma-Aldrich | W323306 | Technical grade |
| Divinylbenzene, 80% | Sigma-Aldrich | 414565 | |
| Methacrylic acid, 98% | Mallinckrodt | MK150659 | |
| Toluene, ≥99.5% | EMD chemicals | MTX0735-6 | |
| Isooctane, ≥99.5% | Sigma-Aldrich | 650439 | |
| 2,2'-azobisisobutyronitrile, 98% | Sigma-Aldrich | 441090 | |
| Aluminium oxide (basic alumina) | Sigma-Aldrich | 199443 | |
| Iron (III) chloride hexahydrate, 97% | Sigma-Aldrich | 236489 | |
| 1,3,5-benzenetrycarboxylic acid, 95% | Sigma-Aldrich | 482749 | |
| Acetonitrile, ≥99.5% | Sigma-Aldrich | 360457 | |
| Ammonium bicarbonate, ≥99.5% | Sigma-Aldrich | 9830 | |
| Trifluoroacetic acid, ≥99% | Sigma-Aldrich | 302031 | |
| Ethanol, ≥99.8% | Sigma-Aldrich | 2854 | |
| Iodoacetamide, ≥99% | Sigma-Aldrich | I1149 | |
| Dithiothreitol, ≥99% | Sigma-Aldrich | 43819 | |
| Monobasic sodium phosphate dihydrate, ≥99% | Sigma-Aldrich | 71505 | |
| Dibasic sodium phosphate dihydrate, ≥99% | Sigma-Aldrich | 71643 | |
| Phosphoric acid, ≥85% | Sigma-Aldrich | 438081 | |
| 2,5-dihydroxybenzoic acid, ≥99% | Sigma-Aldrich | 85707 | |
| Trypsin | Sigma-Aldrich | T8003 | Bovine pancreas |
| β-casein | Sigma-Aldrich | C6905 | Bovine milk |
| ZipTip pipette tips | Merck Millipore | ZTC18S096 | C18 resin |
Referenzen
- Li, H., Eddaoudi, M., O’Keeffe, M., Yaghi, O. M. Design and synthesis of an exceptionally stable and highly porous metal-organic framework. Nature. 402, 276-279 (1999).
- Kitagawa, S., Kitaura, R., Noro, S. i. Functional porous coordination polymers. Angew. Chem. Int. Ed. 43, 2334-2375 (2004).
- Furukawa, H., Cordova, K. E., O’Keeffe, M., Yaghi, O. M. The chemistry and applications of metal-organic frameworks. Science. 341, 974 (2013).
- Ma, S., Zhou, H. C. Gas storage in porous metal-organic frameworks for clean energy applications. Chem. Commun. 46, 44-53 (2010).
- Li, J. R., Sculley, J., Zhou, H. C. Metal-organic frameworks for separations. Chem. Rev. 112, 869-932 (2012).
- Lee, J., Farha, O. K., Roberts, J., Scheidt, K. A., Nguyen, S. T., Hupp, J. T. Metal-organic framework materials as catalysts. Chem. Soc. Rev. 38, 1450-1459 (2009).
- Gu, Z. Y., Yang, C. X., Chang, N., Yan, X. P. Metal-organic frameworks for analytical chemistry: From sample collection to chromatographic separation. Acc. Chem. Res. 45, 734-745 (2012).
- Ahmad, R., Wong-Foy, A. G., Matzger, A. J. Microporous coordination polymers as selective sorbents for liquid chromatography. Langmuir. 25, 11977-11979 (2009).
- Yang, C. X., Yan, X. P. Metal-organic framework MIL-101(Cr) for high-performance liquid chromatographic separation of substituted aromatics. Anal. Chem. 83, 7144-7150 (2011).
- Fu, Y. Y., Yang, C. X., Yan, X. P. Control of the coordination status of the open metal sites in metal-organic frameworks for high performance separation of polar compounds. Langmuir. 28, 6802-6810 (2012).
- Gu, Z. Y., Yan, X. P. Metal-organic framework MIL-101 for high-resolution gas-chromatographic separation of xylene isomers and ethylbenzene. Angew. Chem. Int. Ed. 49, 1477-1480 (2010).
- Chang, N., Gu, Z. Y., Yan, X. P. Zeolitic imidazolate framework-8 nanocrystal coated capillary for molecular sieving of branched alkanes from linear alkanes along with high-resolution chromatographic separation of linear alkanes. J. Am. Chem. Soc. 132, 13645-13647 (2010).
- Yu, L. Q., Xiong, C. X., Yan, X. P. Room temperature fabrication of post-modified zeolitic imidazolate-90 as stationary phase for open-tubular capillary electrochromatography. J. Chromatogr. A. 1343, 188-194 (2014).
- Fu, Y. Y., Yang, C. X., Yan, X. P. Incorporation of metal-organic framework UiO-66 into porous polymer monoliths to enhance the liquid chromatographic separation of small molecules. Chem. Commun. 49, 7162-7164 (2013).
- Lin, C. L., Lirio, S., Chen, Y. T., Lin, C. H., Huang, H. Y. A novel hybrid metal-organic framework-polymeric monolith for solid-phase extraction. Chem. Eur. J. 20, 3317-3321 (2014).
- Svec, F. Porous polymer monoliths: Amazingly wide variety of techniques enabling their preparation. J. Chromatogr. A. 1217, 902-924 (2010).
- Shekhah, O., et al. Step-by-step route for the synthesis of metal-organic frameworks. J. Am. Chem. Soc. 129, 15118-15119 (2007).
- Shekhah, O., Fu, L., Belmabkhout, Y., Cairns, A. J., Giannelis, E. P., Eddaoudi, M. Successful implementation of the stepwise layer-by-layer growth of MOF thin films on confined surfaces: mesoporous silica foam as a first case study. Chem. Commun. 48, 11434-11436 (2012).
- Saeed, A., Maya, F., Xiao, D. J., Naham-ul-Haq, M., Svec, F., Britt, D. K. Growth of a highly porous coordination polymer on a macroporous polymer monolith support for enhanced immobilized metal ion affinity chromatographic enrichment of phosphopeptides. Adv. Funct. Mater. 24, 5797-5710 (2014).
- Krenkova, J., Lacher, N. A., Svec, F. Control of selectivity via nanochemistry: Monolithic capillary column containing hydroxyapatite nanoparticles for separation of proteins and enrichment of phosphopeptides. Anal. Chem. 82, 8335-8341 (2010).
- Jabeen, F., et al. Silica-lanthanum oxide: Pioneer composite of rare-earth metal oxide in selective phosphopeptides enrichment. Anal. Chem. 84, 10180-10185 (2012).
- Hussain, D., et al. Functionalized diamond nanopowder for phosphopeptides enrichment from complex biological fluids. Anal. Chim. Acta. 775, 75-84 (2013).
- Aprilita, N. H., et al. Poly(glycidyl methacrylate/divinylbenzene)-IDA-FeIII in phosphoproteomics. J. Proteom. Res. 4, 2312-2319 (2005).
- Lo, C. Y., Chen, W. Y., Chen, C. T., Chen, Y. C. Rapid enrichment of phosphopeptides from tryptic digests of proteins using iron oxide nanocomposites of magnetic particles coated with zirconia as the concentrating probes. J. Proteom. Res. 6, 887-893 (2007).
- Aryal, U. K., Ross, A. R. S. Enrichment and analysis of phosphopeptides under different experimental conditions using titanium dioxide affinity chromatography and mass spectrometry. Rapid Commun. Mass. Spectrom. 24, 219-231 (2010).
- . . Select Iron Affinity Gel Technical Bulletin. , (2015).
