Voorbereiding van de zeer poreuze Coordination Polymer Coatings op Macroporeuze Polymer Monoliths voor Enhanced Verrijking van fosfopeptiden
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
Poreuze polymeren coördinatie (PCP) coördinatieverbindingen zijn gebaseerd op metaalcentra toegevoegd door organische liganden met herhalende eenheden coördinatie uitstrekt in 1, 2 of 3 dimensies die amorf of kristallijn 1-3 kan zijn. De laatste jaren is deze klasse van poreuze materialen veel aandacht getrokken vanwege hun hoge porositeit, voor chemische tunability en de stabiliteit. PCPs zijn onderzocht voor een waaier van toepassingen, waaronder gasopslag, gasscheiding en katalyse 3-6, en zeer recent zijn de eerste analytische toepassingen van PCP is beschreven 7.
Vanwege hun verbeterde chemische functionele en hoge porositeit PCP zijn gericht voor hun enorme potentieel voor het verbeteren van zuiveringsprocessen en chromatografische scheidingen en een aantal verslagen over dit onderwerp gepubliceerd 13/07. De prestaties van PCPs is momenteel op een equivalent niveau met bestaande chromatografische materialen waarschijnlijk te wijten aan een snelle diffusie door grote interparticle holten in gepakte bedden van deze stoffen als gevolg van hun meestal onregelmatig gevormde morfologie van de deeltjes of kristallen. Dit onregelmatig verdeelde pakking leidt tot een lagere dan verwachte prestatie, evenals hoge kolomtegendruk en ongewenste piekvorm morfologieën 14,15.
Om het probleem van snelle diffusie lossen door de holtes tussen de deeltjes en tegelijkertijd verbeteren de prestaties van PCPs voor analytische toepassingen, het ontwikkelen van een hybride materiaal op basis van een macroporeus polymeer monoliet 16 dat de PCP op de oppervlakte van de macroporiën bevat zou wenselijk. Polymer monolieten zijn op zichzelf staande, uit één stuk materiaal dat convectiestroom kan dragen via hun poriën, waardoor ze een van de meest efficiënte alternatieven voor verpakkingen hiel en zijn met succes gecommercialiseerd door verscheidene c ompanies 17,18. Poreuze polymere monolieten zijn gewoonlijk gebaseerd op de polymerisatie van een monomeer en een verknopingsmiddel in aanwezigheid van porogenen, die typisch binaire mengsels van organische oplosmiddelen. De verkregen monolithische materialen hebben een microglobular structuur en een hoge porositeit en permeabiliteit stromen.
Een eenvoudige benadering van deze materialen te verenigen om een polymeer te bereiden monoliet die een PCP is gebaseerd op de directe toevoeging van as-gesynthetiseerde huisartsen in het polymerisatiemengsel van de monoliet. Deze aanpak resulteerde in PCPs meestal begraven in een polymeer steiger, en niet actief zijn voor de verdere toepassing van de uiteindelijke materiaal 14,15. Een andere synthetische aanpak is duidelijk noodzakelijk om, bijvoorbeeld, de ontwikkeling van uniforme films PCPs of kristallijn metaal-organic frameworks (MOFs) waar de meerderheid van de poriën aanwezig in het kristal zijn vanaf de macroporiën van het polymeer monoliet.
t "> Hierin beschrijven we een eenvoudig protocol voor het bereiden van een metaal-organisch hybride polymeer materiaal (MOPH) op basis van een macroporeuze polymere drager met geschikte functionele groepen voor hechting van PCP, die gemakkelijk kan worden geïmplementeerd als een op zichzelf staand enkelvoudige -piece polymere monoliet in een kolom formaat met optimale eigenschappen voor doorstroom toepassingen. Het polymeer synthese procedure wordt gevolgd bij gewone kamertemperatuur oplossing-gebaseerde Om een PCP coating groeien op het inwendige oppervlak van de poriën van de monoliet 19-20. Als eerste voorbeeld beschrijven we de bereiding van een ijzer (III) benzenetricarboxylate (FeBTC) coördinatie polymeerfilm bij een macroporeuze poly (styreen-divinylbenzeen-methacrylzuur) monoliet. Deze werkwijze is effectief voor het bereiden van bulk poeders en capillaire kolommen en beschreven protocol gemakkelijk uitvoerbare andere PCP. Als voorbeeld van het potentieel van MOPHs als functionele materialen voor stroming-through betreft, wordt nu toegepast ontwikkelden FeBTC MOPH die een dichte bekleding van Fe (III) centra fosfopeptiden verrijken van gedigesteerde eiwitmengsels benutten van de bindingsaffiniteit van fosfopeptiden tot Fe (III) binnen. De ontwikkelde protocol 21 bestaat uit drie hoofdonderdelen: Voorbereiding van de macroporeuze organisch polymeer monoliet ondersteuning; groei van de PCP coating op het oppervlak van de poriën van de monoliet; aanvraag voor de verrijking van fosfopeptiden.Protocol
Representative Results
Discussion
Het oorspronkelijke polymeer monoliet bevat carbonzure functionele groepen kunnen binden aan metalen. Het coördineren de initiële metaalplekken op het oorspronkelijke materiaal, kunnen wij een PCP coating (figuur 1A) groeien, waarin een aantal bijkomende metaalsites vormen een microporeus netwerk. Dit maakt de gepresenteerde MOPH materialen aantrekkelijke voor extractie en zuiveringsprocedures wanneer metallische species zijn betrokken, zoals de geïmmobiliseerde metaalion affiniteitschromatografie (I…
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).
