Vorbereitung hoch poröser Koordinationspolymerbeschichtungen auf makroporösen Monoliths für verbesserte Anreicherung von Phosphopeptiden
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
Poröser Koordinationspolymere (PCP) sind Koordinationsverbindungen auf Basis von Metallzentren durch organische Liganden mit sich wiederholenden Einheiten in Abstimmung 1, 2 oder 3 Dimensionen, die amorph oder kristallin sein kann, der sich 1-3 verbunden. In den letzten Jahren hat diese Klasse von porösen Materialien große Aufmerksamkeit aufgrund ihrer hohen Porosität eine breite chemische Abstimmbarkeit und ihre Stabilität zogen. Hausärzte haben für eine Reihe von Anwendungen, einschließlich Gasspeicherung, Gastrennung und Katalyse 3-6, und vor kurzem die ersten analytischen Anwendungen von PCP wurden beschrieben, 7 untersucht.
Wegen ihrer verbesserten chemischen Funktionalität und hohe Porosität PCPs wurden für ihre große Potenzial für die Verbesserung der Reinigungsverfahren und chromatographische Trennungen gezielt worden, und eine Reihe von Berichten zu diesem Thema veröffentlicht wurden 7-13. Allerdings ist die Leistung der PCPs derzeit nicht bei einer Ist gleichnt Ebene mit bestehenden Chromatographiematerialien wahrscheinlich auf schnelle Diffusion durch großen interpartikulären Hohlräumen in Festbetten dieser Feststoffe aufgrund ihrer in der Regel unregelmäßig geformten Morphologien ihrer Partikel oder Kristalle. Diese unregelmäßig verteilten Pack führt zu einer geringeren Leistung als erwartet, sowie eine hohe Säule Gegendrücken und unerwünschte Peakform Morphologien 14,15.
Um das Problem der schnellen Diffusion durch die Hohlräume zwischen den Teilchen zu lösen und damit auch zur Verbesserung der Leistung der PCPs für analytische Anwendungen ist die Entwicklung eines Hybridmaterial auf Basis eines makroporösen Polymers Monolith 16, der PCP auf der Oberfläche der Makroporen enthält, würde wünschenswert. Polymer Monolithen sind in sich geschlossene, einstückige Materialien, die konvektive Strömung durch die Poren aufrechterhalten können, der sie macht eine der effizientesten Alternativen zum Auffädeln und Packungen wurden erfolgreich in verschiedenen C kommerzialisiert nternehmen 17,18. Poröse Polymermonolithen sind üblicherweise auf der Polymerisation von einem Monomer und einem Vernetzungsmittel in Gegenwart von Porogenen, die typischerweise binäre Mischungen von organischen Lösungsmitteln basieren. Die erhaltenen monolithischen Materialien haben eine microglobular Struktur und eine hohe Porosität und Fließdurchlässigkeit.
Ein einfacher Ansatz, um diese Materialien zu vereinigen, um ein Polymer herzustellen, das eine Monolith PCP beruht auf der direkten Zugabe des so synthetisierten PCPs im Polymerisationsgemisch des Monolithen basiert. Dieser Ansatz führte zu PCPs meist innerhalb einer Polymergerüst begraben, und nicht in der für die weitere Anwendung des fertigen Materials 14,15 aktiv. Eine andere Syntheseansatz ist klar, um beispielsweise die Entwicklung gleichmässigen Schichten aus PCPs oder kristallinen Metall-organische Gerüste (MOFs), wo der Großteil der im Kristall enthaltenen Poren von den Makroporen der Polymer Monolith zugänglich sind erforderlich.
t "> Hier beschreiben wir ein einfaches Protokoll für die Herstellung eines metallorganischen Polymer-Hybridmaterial (MOPH) basierend auf einem makroporösen Polymerträger mit geeigneten funktionellen Gruppen zur Befestigung von PCP, die leicht implementiert werden kann berichten, eine in sich geschlossene Einzel -Stück Polymer Monolithen in einem Spaltenformat mit optimalen Eigenschaften für das Durchfluß-Anwendungen. Die Polymersyntheseverfahren durch eine einfache Lösung bei Raumtemperatur, gefolgt basierten Methode, um eine PCP-Beschichtung auf der inneren Oberfläche der Poren des Monolithen 19-20 wachsen. Als erstes Beispiel beschreiben wir die Herstellung eines Eisen (III) benzoltricarboxylat (FeBTC) Koordinationspolymerfilm in einem makroporösen Poly (Styrol-Divinylbenzol-methacrylsäure) Monolith. Dieses Verfahren ist wirksam zur Herstellung von Pulvermassen sowie Kapillarsäulen und das beschriebene Protokoll ist leicht implementierbar zu anderen PCP. Als ein Beispiel für das Potential der MOPHs als funktionelle Materialien zur strömungs through Anwendungen verwendeten wir das entwickelte FeBTC MOPH die eine dichte Beschichtung aus Fe (III) Zentren Phosphopeptide aus verdauten Proteingemische Ausnutzung der Bindungsaffinität Phosphopeptide zu Fe bereichern enthält (III). Das entwickelte Protokoll 21 umfasst drei Hauptteile: Herstellung der makroporösen organischen Polymer Monolithträger; Wachstum des PCP-Beschichtung auf der Oberfläche der Poren des Monolithen; Anwendung für die Anreicherung von Phosphopeptiden.Protocol
Representative Results
Discussion
Die ursprüngliche Polymer Monolith enthält Carbon funktionellen Gruppen in der Lage, um Metalle zu binden. Koordinierung der anfänglichen Metall Seiten im Original-Material, sind wir in der Lage, ein PCP-Beschichtung (Abbildung 1A) wachsen, das eine Reihe von zusätzlichen Metallstellen der Gestaltung einer mikroporösen Netzwerk. Dies macht die präsentierten MOPH Materialien attraktiv für Extraktion oder Reinigungsverfahren, bei denen metallische Spezies beteiligt sind, wie zum Beispiel der immobi…
Disclosures
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 |
References
- 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).
