リン酸化ペプチドの強化充実のためのマクロポーラスポリマーモノリスの高度に多孔性配位高分子コーティングの製造
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
多孔性配位高分子（のPCP）は、非晶質または結晶質であってもよい1-3 1、2または3次元に延びる調整エンティティを繰り返し、有機リガンドにより結合された金属中心に基づいて、配位化合物です。近年では、多孔性材料のこのクラスは、それらの高い多孔性、広い化学調整可能性、及びその安定性に広く注目を集めています。のPCPは、ガス貯蔵、ガス分離、および触媒3-6を含むアプリケーションの範囲について検討されており、非常に最近のPCPの最初の分析アプリケーションは、7に記載されています。
そのため、その強化された化学官能性と高気孔率のPCPの精製プロセスおよびクロマトグラフィー分離の改善のための巨大な潜在的な対象のされており、このトピックに関するレポートの数は7-13を公開されています。しかし、のPCPの性能はequivaleで、現在ではありませんそれらの粒子または結晶のそれらの一般的に不規則な形状の形態に起因するこれらの固体の充填床に大きな粒子間の空隙を介して高速拡散する可能性が高い既存のクロマトグラフィー材料とNTレベル。この不規則に分布パッキンが予想より低い性能だけでなく、高いカラム背圧、望ましくないピーク形状形態14,15につながります。
粒子間の空隙を介して高速拡散の問題を解決し、同時に分析アプリケーションのためのPCPの性能を高めるために、マクロ細孔の表面にPCPを含んでいるマクロ多孔性ポリマーモノリス16に基づいて、ハイブリッド材料の開発希望ことが望ましいこと。ポリマーモノリスは、それらパッキンをビーズに最も効率的な代替手段の一つであり、正常にいくつかのCによって商品化されていることができており、その孔を通して対流を維持することができる自己完結型、シングルピースの材料であります ompanies 17,18。多孔質ポリマーモノリスは、通常、モノマーの重合と、典型的には、有機溶媒の二成分混合物であるポロゲンの存在下で架橋剤に基づいています。得られたモノリス材料はmicroglobular構造と高気孔率と流れ透過性を有します。
PCPを含むポリマーモノリスを調製するために、これらの材料を統一するための単純なアプローチは、モノリスの重合混合物のような合成のPCPの直接添加に基づいています。このアプローチは、主にポリマー骨格内に埋め込 まのPCPをもたらし、最終的な材料14,15のさらなる適用のためにアクティブではありません。別の合成アプローチは、明らかに、例えば、結晶中に含まれる気孔の大部分は、ポリマーモノリスのマクロ孔からアクセス可能であるのPCP、または結晶質の金属有機構造体（MOF）の均一な膜を開発するために必要とされます。
tは ">ここで、我々は簡単に自己完結型の単として実装することができるのPCPの取り付けに適した官能基を有するマクロ多孔性ポリマー支持体に基づく有機金属ポリマーハイブリッド材料（MOPH）の調製のための簡単なプロトコルを報告しますフロースルーのアプリケーションに最適な特性を有する列形式で-pieceポリマーモノリス。ポリマー合成手順は、単純な室温の溶液系が続きます モノリス19-20の孔の内面にPCPコーティングを成長させる方法。第1の例として、我々は、マクロ孔質ポリ（スチレン – ジビニルベンゼン – メタクリル酸）モノリス内の鉄（III）benzenetricarboxylate（FeBTC）配位ポリマーフィルムの調製を記載します。この方法は、バルク粉末の調製並びにキャピラリカラムのために効果的であると記載されているプロトコルは、他のPCPに容易に実装可能です。フローthrouのための機能性材料としてMOPHsの電位の例として、GHアプリケーションでは、我々は、Fe（III）の緻密なコーティングは、Fe（III）へのリン酸化の結合親和性を利用する消化されたタンパク質の混合物からリン酸化ペプチドを豊かにする中心含まれている開発FeBTC MOPHを適用しました。開発されたプロトコル21は、3つの主要部分を含む：マクロポーラス有機ポリマーモノリス担体の調製;モノリスの細孔の表面にPCPコーティングの成長;ホスホペプチドの濃縮のためのアプリケーションです。Protocol
Representative Results
Discussion
元のポリマーモノリスは、金属に結合することができるカルボン酸官能基を含んでいます。元の材料に初期金属部位の調整、我々は、微孔性ネットワークを成形する付加的な金属部位の数を取り入れ、PCPコーティング（ 図1A）を増殖することができます。これは、固定化金属イオンアフィニティークロマトグラフィー（IMAC）法などの金属種が関与している抽出または精製手順の?…
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).
