Utarbeidelse av svært porøs Coordination Polymer Belegg på macroporous Polymer Monoliths for økt berikelse av fosforpeptidene
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 koordinasjons polymerer (PCP) er koordinasjonsforbindelser basert på metall-sentre er knyttet sammen med organiske ligander med repeterende enheter som forløper i samordnings en, to eller tre dimensjoner som kan være amorfe eller krystallinske 1-3. I de senere årene har denne klasse av porøse materialer vunnet betydelig oppmerksomhet på grunn av deres høye porøsitet, bred kjemisk tunability, og deres stabilitet. PCP har vært utforsket for en rekke programmer, inkludert lagring av gass, gass separasjon, og katalyse 3-6, og ganske nylig, har de første analytiske applikasjoner av PCP blitt beskrevet 7.
På grunn av sine forbedrede kjemiske funksjonalitet og høy porøsitet PCP har vært målrettet for sitt enorme potensial for forbedring av renseprosesser og kromatografiske separasjoner, og har blitt publisert en rekke rapporter om dette emnet 7-13. Imidlertid er resultatene av PCP ikke befinner deg på en equivalent nivå med eksisterende kromatografiske materialer sannsynlig på grunn av rask diffusjon gjennom store interpartikkel hulrom i pakket senger av disse faste stoffer på grunn av deres vanligvis uvanlig form morfologi av sine partikler eller krystaller. Dette er ujevnt fordelt pakking fører til en lavere enn forventet ytelse, samt høy kolonne backpressures og uønskede toppform morfologi 14,15.
For å løse problemet med hurtig diffusjon gjennom inter-partikkel hulrom og samtidig forbedre ytelsen til PCP for analytiske anvendelser, utvikling av en hybrid materiale basert på en makroporøs polymer monolitt 16 som inneholder PCP på overflaten av makroporene vil være ønskelig. Polymer bautasteiner er selvstendige, ett stykke materiale som kan opprettholde konvektive strømmen gjennom sine porer, noe som gjør dem til en av de mest effektive alternativer å perle pakninger og har blitt kommersialisert av flere c ompanies 17,18. Porøse polymer monolitter er vanligvis basert på polymerisering av en monomer og et tverrbindingsmiddel i nærvær av porogener, som typisk er binære blandinger av organiske løsningsmidler. De oppnådde monolittiske materialer har en microglobular struktur og en høy porøsitet og permeabilitet strømning.
En enkel metode for å forene disse materialene for å fremstille en polymer inneholdende mono en PCP er basert på den direkte tilsetning av ny-syntetiserte PCP i polymerisasjonsblandingen av monolitten. Denne fremgangsmåten resulterte i PCP hovedsakelig begravd i et stillas polymer, og som ikke er aktiv for den videre anvendelse av det ferdige materiale 14,15. En annen syntetisk tilnærming er åpenbart nødvendig for å, for eksempel, utvikle ensartede filmer av PCP, eller krystallinske metall-organisk rammeverk (MOF-filene) hvor størstedelen av porene som finnes inne i krystallen er tilgjengelige fra makroporene i polymeren monolitten.
t "> Heri Vi rapporterer en enkel protokoll for fremstilling av en metall-organisk hybridpolymer materiale (MOPH) basert på en makroporøs polymer bærer med egnede funksjonelle grupper for festing av PCP, som lett kan implementeres som en selvstendig enkelt -piece polymer monolitt i et format kolonne med optimale egenskaper for gjennomstrømnings anvendelser. Polymeren synteseprosedyre blir fulgt av en enkel romtemperaturløsning basert Fremgangsmåte for å dyrke en PCP belegg på den indre overflaten av porene i monolitten 19-20. Som det første eksemplet, vi beskriver fremstilling av en jern (III) benzenetricarboxylate (FeBTC) koordinering polymerfilm i en makroporøs poly (styren-divinylbenzen-metakrylsyre) monolitten. Denne metoden er effektiv for fremstilling av bulk-pulver samt kapillarkolonner og den beskrevne protokoll er lett gjennomførbar i andre PCP. Som et eksempel på potensialet i MOPHs som funksjonelle materialer for flow-igjennomGH-applikasjoner, anvendt vi utviklet FeBTC MOPH som inneholder et tett belegg av Fe (III) sentre å berike fosforpeptidene fra nedbrutte proteinblandinger som utnytter bindingsaffiniteten fosforpeptidene til Fe (III). Den utviklede protokollen 21 består av tre hoveddeler: Fremstilling av makroporøs organisk polymer mono støtte; vekst av PCP-belegg på overflaten av porene i monolitten; program for anriking av fosforpeptidene.Protocol
Representative Results
Discussion
Den opprinnelige polymer monolitten inneholder karboksyl-funksjonelle grupper i stand til å binde seg til metaller. Koordinere de første metall steder på det opprinnelige materialet, er vi i stand til å vokse en PCP belegg (figur 1A), som omfatter en rekke ekstra metallsider forme et mikronettverk. Dette gjør de presenterte MOPH attraktive materialer for ekstraksjon eller rensemetoder hvor metall arter er involvert, slik som det immobiliserte metall-ion-affinitetskromatografi (IMAC) teknikk. Den ge…
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).
