Framställning av mycket porösa samordningspolymerbeläggningar på Makroporösa polymermonoliter för Enhanced Anrikning av fosfopeptider
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
Porösa samordnings polymerer (PCP) är koordinationsföreningar baserade på centra metall kopplade genom organiska ligander med upprepande samordnings enheter som sträcker sig i en, två eller tre dimensioner, som kan vara amorf eller kristallin 1-3. Under de senaste åren, har denna klass av porösa material rönt stor uppmärksamhet på grund av deras höga porositet, bred kemisk avstämbarhet och deras stabilitet. PCP har undersökts för en rad tillämpningar, inklusive gaslagring, gas separation, och katalys 3-6, och helt nyligen, har de första analytiska tillämpningar av PCP beskrivits 7.
På grund av deras förbättrade kemiska funktionalitet och hög porositet PCP har riktat för sin enorma potential för förbättring av reningsprocesser och kromatografiska separationer, och ett antal rapporter om detta ämne har publicerats 7-13. Emellertid är för närvarande inte utförandet av PCP vid en equivalent nivå med befintliga kromatografiska material som kan på grund av snabb diffusion genom stora interpartikulära hålrum i packade bäddar av dessa fasta ämnen på grund av deras typiskt oregelbundet formade morfologier av sina partiklar eller kristaller. Detta oregelbundet fördelade packning leder till en lägre än väntat prestanda, samt hög kolonn mottryck och oönskade toppform morfologier 14,15.
För att lösa problemet med snabb diffusion genom de interpartikel hålrum och samtidigt förbättra prestanda för PCP för analytiska tillämpningar, utveckling av ett hybridmaterial baserat på en makroporös polymer monolit 16 som innehåller PCP på ytan av makroporerna skulle vara önskvärt. Polymermonoliter är fristående, ett stycke material som kan motstå konvektivt flöde genom sina porer, vilket gör dem till en av de mest effektiva alternativ till Bead förpackningar och har framgångsrikt kommersialiserats av flera c ompanies 17,18. Porösa polymermonoliter är vanligtvis baserade på polymerisation av en monomer och ett tvärbindningsmedel i närvaro av porogener, som typiskt är binära blandningar av organiska lösningsmedel. De erhållna monolitiska material har en microglobular struktur och en hög porositet och flödes permeabilitet.
En enkel metod för att förena dessa material för att framställa en polymer monolit innehållande en PCP är baserad på direkt tillsats av syntetiserad PCP i polymerisationsblandningen av monoliten. Detta tillvägagångssätt resulterat i PCP mestadels begravd i en polymerskelett, och inte vara aktiv för den fortsatta tillämpningen av det slutliga materialet 14,15. Är absolut nödvändigt En annan syntetisk metod för att, till exempel, utveckla enhetliga filmer av PCP, eller kristallina metal-organic frame (så kallade MOFs) där majoriteten av porerna som finns i kristallen är tillgängliga från makroporerna av polymermonoliten.
t "> Häri rapporterar vi ett enkelt protokoll för framställning av en metall-organisk polymer hybridmaterial (MOPH) bygger på en makroporös polymer stöd med lämpliga funktionella grupper för fastsättning av PCP, som lätt kan genomföras som en fristående enda -piece polymermonoliten i en kolonnformat med optimala egenskaper för genomflödesapplikationer. Polymersyntesproceduren följs av en enkel rumstempererad lösning baserade metod att växa en PCP-beläggning på den inre ytan av porerna hos monoliten 19 till 20. Som första exempel beskriver vi framställningen av ett järn (III) benzenetricarboxylate (FeBTC) Samordning polymerfilm inom ett makroporöst poly (styren-divinylbensen-metakrylsyra) monolit. Denna metod är effektiv för framställning av bulkpulver samt kapillärkolonner och beskrivna protokollet är lätt genomförbar för andra PCP. Som ett exempel på den potential som MOPHs som funktionella material för flödes through tillämpningar, tillämpade vi den utvecklade FeBTC MOPH som innehåller en tät beläggning av Fe (III) centrum för att berika fosfopeptider från spjälkade proteinblandningar som utnyttjar bindningsaffiniteten för fosfopeptider till Fe (III). Den utvecklade protokoll 21 består av tre huvuddelar: Framställning av makroporösa organisk polymer monolit stöd; tillväxt av PCP-beläggning på ytan av porerna i monoliten; ansökan om anrikning av fosfopeptider.Protocol
Representative Results
Discussion
Den ursprungliga polymermonoliten innehåller karboxyl funktionella grupper med förmåga att binda till metaller. Samordna de initiala metall platser på det ursprungliga materialet, har vi möjlighet att växa en PCP beläggning (Figur 1A), som innehåller ett antal ytterligare metallsajter forma en mikroporös nätverk. Detta gör de presenterade MOPH material attraktiva för utvinning eller reningsförfaranden där metallarter är inblandade, såsom immobiliserade metalljoner affinitetskromatografi …
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).
