Подготовка высоко пористый Координационного полимерных покрытий на макропористых полимерных монолитов для повышенного обогащения фосфопептидов
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
Пористые координационные полимеры (PCPS) являются координационные соединения на основе металлических центров, связанных с органическими лигандами с повторяющимися координационных органов, проходящих в 1, 2 или 3 размеров, которые могут быть аморфными или кристаллическими 1-3. В последние годы этот класс пористых материалов привлекло всеобщее внимание из-за их высокой пористости, химической широкого перестройки частоты, и их стабильности. Лечащие врачи были изучены для широкого спектра приложений, включая хранение газа, разделение газа и катализ 3-6, и совсем недавно, первые аналитические приложения винтовых насосов были описаны 7.
Из-за их повышенной химической функциональности и высокой пористости винтовых насосов были направлены на их огромный потенциал для улучшения процессов очистки и хроматографического разделения, и число докладов, касающихся этой темы были опубликованы 7-13. Тем не менее, производительность винтовых насосов в настоящее время не на equivaleУровень NT с существующими хроматографических материалов вероятно из-за быстрой диффузии через большие межчастичных пустот в уплотненных слоев этих тел в связи с их, как правило, неправильной формы морфологии их частиц или кристаллов. Это распределены неравномерно упаковка приводит к более низкой, чем ожидалось, производительность, а также Подпор давления высокой колонне и нежелательных пик формы морфологии 14,15.
Для того чтобы решить проблему быстрой диффузии через пустоты между частицами и одновременно повысить производительность винтовых насосов для аналитических приложений, разработка гибридного материала на основе полимерной макропористой монолита 16, который содержит PCP на поверхности макропор будет желательно. Полимерные монолиты самодостаточны, цельные материалы, которые могут выдержать конвективный поток через их поры, что делает их одним из наиболее эффективных альтернатив бисера упаковки и успешно продаются на несколько C ompanies 17,18. Пористых полимерных монолитов, как правило, на основе полимеризации мономера и сшивающего агента в присутствии порообразователей, которые, как правило, бинарные смеси органических растворителей. Полученные монолитные материалы имеют структуру microglobular и высокую пористость и проницаемость потока.
Простой подход, чтобы объединить эти материалы для подготовки полимера монолит, содержащий PCP основан на непосредственном добавлении синтезированного винтовых насосов в полимеризации смеси монолита. Этот подход привел к винтовых насосов основном похоронен в полимерной эшафот, а не быть активным для дальнейшего применения конечного материала 14,15. Отличается синтетический подход очевидно, что необходимо для того, чтобы, например, разработать единые фильмы винтовых насосов или кристаллических металлоорганических структур (MOFs), где большинство пор, содержащихся в кристалле доступны из макропор полимера монолит.
т "> В этом сообщается простой протокол для подготовки металлической-органический полимер гибридного материала (MOPH) на основе макропористого полимерного носителя с подходящими функциональными группами для крепления винтовых насосов, которые могут быть легко реализованы как автономные одного -piece полимер монолит в формате колонки с оптимальными свойствами для проточных применений. Процедура синтеза полимера с последующим просто комнатной температуры раствор на основе Способ расти PCP покрытие на внутренней поверхности поры монолита 19-20. В качестве первого примера мы опишем приготовление железа (III), benzenetricarboxylate (FeBTC) координация полимерной пленки в течение макропористый поли (стирол-дивинилбензола и метакриловой кислоты) монолита. Этот метод эффективен для приготовления сыпучих порошков, а также капиллярных колонок и описано протокол легко осуществимыми с другими винтовых насосов. В качестве примера потенциала MOPHs как функциональных материалов для потока-throuGH приложения, мы применили разработанный FeBTC MOPH который содержит плотное покрытие Fe (III) центры по обогащению фосфопептиды из сброженных белковых смесей эксплуататорских сродство связывания фосфопептидов Fe (III). Разработан протокол 21 включает в себя три основные части: подготовка макропористом поддержки органического полимера монолит; Рост PCP покрытия на поверхности поры монолита; Приложение для обогащения фосфопептидов.Protocol
Representative Results
Discussion
Оригинальный полимера монолит содержит карбоксильные функциональные группы, способные связываться с металлами. Координация исходного металла сайты на оригинальном материале, мы можем расти PCP покрытие (рис 1А), включающий ряд дополнительных металлических сайтов, формирующи?…
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).
