Udarbejdelse af meget porøse Koordinering Polymer Belægninger på Makroporøse Polymer Monoliths for styrkede Berigelse af phosphopeptider
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
Porøse koordinering polymerer (PCP) er koordinationsforbindelser baseret på metal centre forbundet af organiske ligander med at gentage koordinering enheder strækker i 1, 2 eller 3 dimensioner, der kan være amorf eller krystallinsk 1-3. I de senere år har denne klasse af porøse materialer tiltrukket sig stor opmærksomhed på grund af deres høje porøsitet, bred kemisk justerbarhed, og deres stabilitet. PCP er blevet udforsket for en række applikationer, herunder gaslagre, gas separation og katalyse 3-6, og for ganske nylig, har de første analytiske anvendelser af PCP blevet beskrevet 7.
På grund af deres forbedrede kemiske funktionalitet og høj porøsitet PCP er målrettet til deres enorme potentiale for forbedring af rensningsprocesser og kromatografiske separationer, og en række rapporter om dette emne er blevet offentliggjort 7-13. Men udførelsen af PCP er ikke i øjeblikket på en equivalent niveau med eksisterende kromatografiske materialer sandsynligvis skyldes hurtige diffusion gennem store interpartikulære hulrum i kolonnefyldning af disse faste stoffer på grund af deres typisk uregelmæssigt formede morfologier deres partikler eller krystaller. Dette uregelmæssigt fordelt pakning fører til en lavere end forventet præstation, samt høj kolonne modtryk og uønskede topform morfologier 14,15.
For at løse problemet med hurtig diffusion gennem inter-partikel hulrum og samtidig øge effektiviteten i PCP til analytiske anvendelser, udvikling af en hybrid materiale baseret på en makroporøs polymer monolit 16, der indeholder PCP på overfladen af makroporerne ville være ønskelig. Polymer bautasten er selvstændige, single-stykke materiale, som kan modstå konvektive strømning gennem deres porer, hvilket gør dem til en af de mest effektive alternativer til vulst pakninger og med succes er blevet kommercialiseret af flere c ompanies 17,18. Porøse polymerpartikler monolitter er normalt baseret på polymerisationen af en monomer og en tværbinder i nærvær af porogener, der typisk er binære blandinger af organiske opløsningsmidler. De opnåede monolitiske materialer har en microglobular struktur og en høj porøsitet og permeabilitet flow.
En enkel metode til at forene disse materialer for at fremstille en polymer monolit indeholdende en PCP er baseret på den direkte tilsætning af as-syntetiserede PCP i polymerisationsblandingen af monolitten. Denne tilgang resulterede i PCP meste begravet i en polymer stillads, og ikke at være aktiv for den videre anvendelse af den endelige materiale 14,15. Er klart behov for en anden syntetisk tilgang for at for eksempel udvikle ensartede film af PCP, eller krystallinske metal-organiske rammer (MOFs), hvor størstedelen af porerne indeholdt i krystal er tilgængelige fra makroporerne af polymeren monolit.
t "> Heri rapporterer vi en enkel protokol til fremstilling af en metal-organisk polymer-hybrid materiale (MOPH) baseret på en makroporøs polymer bærer med egnede funktionelle grupper til vedhæftning af PCP, som let kan implementeres som et selvstændigt enkelt -piece polymer monolit i en kolonne format med optimale egenskaber til flow-gennem applikationer. Polymer syntese procedure efterfølges af en simpel stuetemperaturopløsning-baserede metode til at vokse en PCP belægning på den indre overflade af porerne i monolitten 19-20. Som det første eksempel beskriver vi fremstilling af et jern (III) benzenetricarboxylate (FeBTC) koordinering polymerfilm inden for en makroporøs poly (styren-divinylbenzen-methacrylsyre) monolit. Denne metode er effektiv til fremstilling af bulkpulvere samt kapillarkolonner og den beskrevne protokol er let implementeres til andre PCP. Som et eksempel på potentialet i MOPHs som funktionelle materialer til flow-through applikationer, anvendt vi den udviklede FeBTC MOPH som indeholder en tæt belægning af Fe (III) centre at berige phosphopeptider fra fordøjede proteinblandinger udnytter bindingsaffiniteten af phosphopeptider til Fe (III). Den udviklede protokol 21 omfatter tre hoveddele: Forberedelse af makroporøse organiske polymer monolit support; vækst af PCP belægning på overfladen af porerne i monolitten; ansøgning om berigelse af phosphopeptider.Protocol
Representative Results
Discussion
Den oprindelige polymer monolit indeholder funktionelle carboxylgrupper stand til at binde metaller. Koordinere de oprindelige metal sites på det originale materiale, er vi i stand til at vokse en PCP belægning (figur 1A), der inkorporerer en række yderligere metal sites forme en mikroporøs netværk. Dette gør de præsenterede MOPH materialer attraktive for udvinding eller oprensningsprocedurer hvor der anvendes metalliske arter, såsom den immobiliserede metal-ion-affinitetskromatografi (IMAC) -te…
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
- 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).
