הכנת תיאום מאוד נקבובי פולימר ציפויים על מונוליתים פולימר Macroporous להעשרה משופרת של Phosphopeptides
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
פולימרים נקבוביים תיאום (PCPs) הם תרכובות המבוססים על תיאום מרכזי מתכת מקושרים על ידי ligands האורגני עם חוזר גופי תיאום הארכה ב 1, 2 או 3 ממדים שיכולים להיות אמורפי או גבישי 1-3. בשנים האחרונות, המעמד הזה של חומרים נקבוביים משך תשומת לב נרחבת בשל הנקבוביות שלהם גבוהות, tunability הכימי הרחב, והיציבות שלהם. PCPs נחקר עבור מגוון של יישומים, כולל אחסון גז, הפרדת גז, וקטליזה 3-6, ומאוד לאחרונה, היישומים אנליטיים הראשונים של PCPs תוארו 7.
בגלל PCPs פונקציונלי כימית והנקבובי גבוהים משופר שלהם היו ממוקד לפוטנציאל העצום שלהם לשיפור תהליכי טיהור והפרדות chromatographic, ומספר הדיווחים הנוגעים לנושא זה פורסמו 7-13. עם זאת, הביצועים של PCPs אינם נמצאים כעת בequivaleרמת NT עם חומרי chromatographic קיימים הנראה בשל דיפוזיה מהירה דרך החללים interparticle גדולים במיטות צפופות של מוצקים אלה בשל המורפולוגיות בדרך כלל בצורה לא סדירה שלהם של החלקיקים או הגבישים שלהם. אריזה הופצה באופן בלתי סדיר זה מובילה לביצועים נמוכים מהצפוי, כמו גם backpressures גבוה טור ומורפולוגיה צורת שיא רצויות 14,15.
כדי לפתור את הבעיה של דיפוזיה מהירה דרך החללים בין-חלקיקים ובו זמנית לשפר את הביצועים של PCPs עבור יישומים אנליטיים, הפיתוח של חומר היברידי המבוסס על פולימר מונולית macroporous 16 המכיל את PCP על פני השטח של macropores היית רצוי. פסלי פולימר הם עצמאיים, חומרים חד-חתיכה שיכולה לקיים זרימת הסעה דרך הנקבוביות שלהם, מה שהופך אותם אחת החלופות היעילה ביותר לחרוז אריזה וכבר ממוסחרים בהצלחה על ידי מספר ג ompanies 17,18. פסלי פולימר נקבוביים מבוססים בדרך כלל על פילמור של מונומר וcrosslinker בנוכחות porogens, אשר בדרך כלל תערובות בינאריות של ממסים אורגניים. יש חומרים מונוליטי מתקבלים מבנה microglobular וחדירות נקבוביות וזרימה גבוהות.
גישה פשוטה לאחד חומרים אלה כדי להכין מונולית פולימר המכילה PCP מבוססת על התוספת הישירה של PCPs כ- מסונתז בתערובת של פילמור מונולית. גישה זו הביאה לPCPs בעיקר נקברה בתוך פיגום פולימרים, ולא להיות פעיל ליישום נוסף של החומר הסופי 14,15. גישה סינתטית שונה יש צורך בבירור כדי, למשל, לפתח סרטים אחידים של PCPs, או מסגרות מתכת אורגנית גבישים (MOFs) שבו רוב הנקבוביות בתוך הגביש נגישים מmacropores של מונולית הפולימר.
לא "> בזאת אנו מדווחים פרוטוקול פשוט להכנת חומר מתכת אורגנית היברידי פולימר (MOPH) המבוסס על פולימרי תמיכת macroporous עם קבוצות מתאימות פונקציונליות להתקשרות של PCPs, אשר יכולה להיות מיושמות בקלות כאחד עצמאי מונולית פולימר -piece בפורמט טור עם תכונות אופטימליות ליישומי זרימה דרך. הליך סינתזת הפולימר ואחריו מבוסס פתרון טמפרטורת חדר פשוט שיטה לגדול ציפוי PCP על פני השטח הפנימיים של הנקבוביות של מונולית 19-20. כדוגמא הראשונה, אנו מתארים את הכנת סרט פולימר תיאום benzenetricarboxylate ברזל (III) (FeBTC) בתוך פולי macroporous מונולית (חומצת סטירן divinylbenzene-methacrylic). שיטה זו יעילה להכנת אבקות בתפזורת כמו גם עמודות נימים והפרוטוקול המתוארים הוא בקלות ישים לPCPs האחר. כדוגמא לפוטנציאל של MOPHs כחומרים פונקציונליים לזרימת throuיישומי GH, אנחנו מוחלים MOPH FeBTC פיתח המכיל ציפוי צפוף של Fe (III) מרכזים להעשיר phosphopeptides מתערובות חלבון מתעכלים ניצול הזיקה המחייבת של phosphopeptides לפה (III). הפרוטוקול פיתח 21 מורכב משלושה חלקים עיקריים: הכנת תמיכת מונולית פולימר אורגני macroporous; צמיחה של ציפוי PCP על פני השטח של הנקבוביות של מונולית; בקשה להעשרת phosphopeptides.Protocol
Representative Results
Discussion
מונולית הפולימר המקורית מכילה קבוצות פונקציונליות קרבוקסיליות מסוגלת להיקשר למתכות. תיאום אתרי מתכת הראשוניים בחומר המקורי, אנו יכולים לגדול ציפוי PCP (איור 1 א), בשילוב מספר אתרי מתכת נוספים בעיצוב רשת microporous. זה הופך את חומרי MOPH הציגו אטרקטיביים לנוהלי מיצו?…
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).
