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In diesem Artikel

  • Zusammenfassung
  • Zusammenfassung
  • Einleitung
  • Protokoll
  • Ergebnisse
  • Diskussion
  • Offenlegungen
  • Danksagungen
  • Materialien
  • Referenzen
  • Nachdrucke und Genehmigungen

Zusammenfassung

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.

Zusammenfassung

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.

Einleitung

Poröser Koordinationspolymere (PCP) sind Koordinationsverbindungen auf Basis von Metallzentren durch organische Liganden mit sich wiederholenden Einheiten in Abstimmung 1, 2 oder 3 Dimensionen, die amorph oder kristallin sein kann, der sich 1-3 verbunden. In den letzten Jahren hat diese Klasse von porösen Materialien große Aufmerksamkeit aufgrund ihrer hohen Porosität eine breite chemische Abstimmbarkeit und ihre Stabilität zogen. Hausärzte haben für eine Reihe von Anwendungen, einschließlich Gasspeicherung, Gastrennung und Katalyse 3-6, und vor kurzem die ersten analytischen Anwendungen von PCP wurden beschrieben, 7 untersucht.

Wegen ihrer verbesserten chemischen Funktionalität und hohe Porosität PCPs wurden für ihre große Potenzial für die Verbesserung der Reinigungsverfahren und chromatographische Trennungen gezielt worden, und eine Reihe von Berichten zu diesem Thema veröffentlicht wurden 7-13. Allerdings ist die Leistung der PCPs derzeit nicht bei einer Ist gleichnt Ebene mit bestehenden Chromatographiematerialien wahrscheinlich auf schnelle Diffusion durch großen interpartikulären Hohlräumen in Festbetten dieser Feststoffe aufgrund ihrer in der Regel unregelmäßig geformten Morphologien ihrer Partikel oder Kristalle. Diese unregelmäßig verteilten Pack führt zu einer geringeren Leistung als erwartet, sowie eine hohe Säule Gegendrücken und unerwünschte Peakform Morphologien 14,15.

Um das Problem der schnellen Diffusion durch die Hohlräume zwischen den Teilchen zu lösen und damit auch zur Verbesserung der Leistung der PCPs für analytische Anwendungen ist die Entwicklung eines Hybridmaterial auf Basis eines makroporösen Polymers Monolith 16, der PCP auf der Oberfläche der Makroporen enthält, würde wünschenswert. Polymer Monolithen sind in sich geschlossene, einstückige Materialien, die konvektive Strömung durch die Poren aufrechterhalten können, der sie macht eine der effizientesten Alternativen zum Auffädeln und Packungen wurden erfolgreich in verschiedenen C kommerzialisiert nternehmen 17,18. Poröse Polymermonolithen sind üblicherweise auf der Polymerisation von einem Monomer und einem Vernetzungsmittel in Gegenwart von Porogenen, die typischerweise binäre Mischungen von organischen Lösungsmitteln basieren. Die erhaltenen monolithischen Materialien haben eine microglobular Struktur und eine hohe Porosität und Fließdurchlässigkeit.

Ein einfacher Ansatz, um diese Materialien zu vereinigen, um ein Polymer herzustellen, das eine Monolith PCP beruht auf der direkten Zugabe des so synthetisierten PCPs im Polymerisationsgemisch des Monolithen basiert. Dieser Ansatz führte zu PCPs meist innerhalb einer Polymergerüst begraben, und nicht in der für die weitere Anwendung des fertigen Materials 14,15 aktiv. Eine andere Syntheseansatz ist klar, um beispielsweise die Entwicklung gleichmässigen Schichten aus PCPs oder kristallinen Metall-organische Gerüste (MOFs), wo der Großteil der im Kristall enthaltenen Poren von den Makroporen der Polymer Monolith zugänglich sind erforderlich.

t "> Hier beschreiben wir ein einfaches Protokoll für die Herstellung eines metallorganischen Polymer-Hybridmaterial (MOPH) basierend auf einem makroporösen Polymerträger mit geeigneten funktionellen Gruppen zur Befestigung von PCP, die leicht implementiert werden kann berichten, eine in sich geschlossene Einzel -Stück Polymer Monolithen in einem Spaltenformat mit optimalen Eigenschaften für das Durchfluß-Anwendungen. Die Polymersyntheseverfahren durch eine einfache Lösung bei Raumtemperatur, gefolgt basierten   Methode, um eine PCP-Beschichtung auf der inneren Oberfläche der Poren des Monolithen 19-20 wachsen. Als erstes Beispiel beschreiben wir die Herstellung eines Eisen (III) benzoltricarboxylat (FeBTC) Koordinationspolymerfilm in einem makroporösen Poly (Styrol-Divinylbenzol-methacrylsäure) Monolith. Dieses Verfahren ist wirksam zur Herstellung von Pulvermassen sowie Kapillarsäulen und das beschriebene Protokoll ist leicht implementierbar zu anderen PCP. Als ein Beispiel für das Potential der MOPHs als funktionelle Materialien zur strömungs through Anwendungen verwendeten wir das entwickelte FeBTC MOPH die eine dichte Beschichtung aus Fe (III) Zentren Phosphopeptide aus verdauten Proteingemische Ausnutzung der Bindungsaffinität Phosphopeptide zu Fe bereichern enthält (III). Das entwickelte Protokoll 21 umfasst drei Hauptteile: Herstellung der makroporösen organischen Polymer Monolithträger; Wachstum des PCP-Beschichtung auf der Oberfläche der Poren des Monolithen; Anwendung für die Anreicherung von Phosphopeptiden.

Protokoll

Hinweis: Bevor Sie beginnen, überprüfen Sie alle relevanten Materialdatenblätter (MSDS). Mehrere der Chemikalien in den Synthese- und Anwendungsverfahren verwendet werden, sind giftig. Bitte befolgen Sie alle geeigneten Sicherheitspraktiken und Verwendung geeigneter Schutzausrüstung (Kittel, in voller Länge Hosen, geschlossene Schuhe, Schutzbrille, Handschuhe). Bitte verwenden Sie alle kryogenen persönliche Schutzausrüstung beim Umgang mit flüssigem Stickstoff für die Stickstoffadsorptionsmessungen (isolierte Handschuhe, Gesichtsschutz).

1. porösen Polymer Monolith Vorbereitung an Bulk und Kapillarsäule Format

  1. Bulk Polymer Monolith für Charakterisierung
    1. Reinige Styrol, Divinylbenzol und Methacrylsäure durch eine Säule aus basischem Aluminiumoxid, um die Polymerisationsinhibitoren zu entfernen. Platzieren von 10 g basischem Aluminiumoxid in einer 25 ml-Einwegplastikspritze mit einem Stopfen aus Glaswolle Faser in der Spitze der Spritze verpackt. Versickern etwa 10 ml des Monomers durch die Säule.
    2. Laden die Monomere (Styrol 50 mg, 100 mg Divinylbenzol und 50 mg Methacrylsäure) und Porenbildner (300 mg und 300 mg Toluol-Isooctan) in einem 1 ml-Glasfläschchen. Fügen den Initiator der Polymerisation 4 mg 2,2'-Azobisisobutyronitril (AIBN, 1% bezogen auf Monomere).
    3. Homogenisierung durch Beschallung für 10 min. Entfernen von gelöstem Sauerstoff durch Durchblasen von Stickstoff durch die Flüssigkeit für 10 min. Verschließen Sie die Verschlusskappe mit Paraffin Film und legen Sie sie in einem Wasserbad bei 60 ° C für 6 Stunden, um die Mischung zu polymerisieren.
    4. Auf Raumtemperatur abkühlen und brechen Sie das Fläschchen vorsichtig. Übertragen Sie die Polymer-Monolith zu einer Cellulose-Extraktionshülse. Platzieren der Extraktionshülse in ein Soxhlet-Extraktionskammer und montieren sie zu einem Rundkolben, der ein Volumen von Methanol enthält, die zumindest das Dreifache des Volumens der Extraktionskammer ist. Zusammenstellung eines Kondensators an dem oberen Teil der Extraktionskammer. Führen Soxhlet-Extraktion durch Kochen der Methanolfür 16 Stunden, wodurch die vollständige Entfernung der nicht umgesetzten Monomere und Porenbildner.
    5. Trocken Nacht in einem Vakuumofen bei 60 ° C. Bestätigung des Vorhandenseins von funktionellen Carboxylgruppen zu befestigen PCP durch Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FT-IR). Messen Oberfläche durch Stickstoffadsorption Porosimetrie.
  2. Funktionalisierung von Silica Kapillaren zur Herstellung von monolithischen Säulen
    1. Schneiden 2 m einer mit Polyimid beschichteten 100 um ID Quarzglaskapillare. Verbinden Sie es mit einer 0,25-0,50 ml Glasspritze und waschen Sie die Kapillare mit Aceton. Entfernen Sie das Aceton durch Spülen der Kapillare mit Wasser.
    2. Um die innere Silica-Beschichtung der Kapillare zu aktivieren, mit einem Spritzenpumpe zum Fließen einer 0,2 M wässrigen NaOH-Lösung bei 0,25 & mgr; l / min für 30 min. Mit Wasser spülen bis der Ablauf neutral.
    3. Verwenden Sie pH-Papierstreifen, um Abwasser pH zu überprüfen. Um die Silanolgruppen der Kapillare zu proto Pumpe eine 0,2 M aqueous HCl-Lösung durch die Kapillare bei 0,25 & mgr; l / min für 30 min. Mit Wasser spülen bis der Ablauf neutral. Spülen mit Ethanol.
    4. Pumpe A 20% (w / w) Ethanol-Lösung von 3- (Trimethoxysilyl) propylmethacrylat (pH 5 mit Essigsäure eingestellt) bei 0,25 & mgr; l / min für 1 Stunde. In diesem Schritt wird das Silica-Kapillare mit Vinyl-Gruppen, um das Polymer zu dem Monolith Kapillareninnenfläche befestigen funktionalisiert.
    5. Spülen mit Aceton und trocken in einem Stickstoffstrom und bei Raumtemperatur über Nacht vor dem Gebrauch. Schneiden Sie die Kapillare in kürzere Stücke mit einer Länge von 20 cm.
  3. Herstellung von Monolithic Kapillarsäulen
    1. Bereiten Sie eine identische Polymerisationsmischung wie für die Polymermasse Monolithen (Abschnitt 1.1) in einer 1-ml-Glasgefäß mit einer Gummimembran. In Initiator 1% AIBN in Bezug auf Monomere. Homogenisierung durch Beschallung für 10 min.
    2. Spülen des Polymerisationsgemisches mit Stickstoff durch Koppeln eines nichtfunktionalisierten Silicakapillaremit einem Stickstoffstrom.
      1. Legen Sie die Stickstoffstrom Kapillare durch das Gummiseptum des Fläschchens und tauchen sie in die Polymerisationsmischung so dass die Stickstoffblasen durch die Flüssigkeit. Lassen Sie die Verschlusskappe etwas lose um Überdruck zu vermeiden. Spülen Sie 10 Minuten.
      2. Heben Sie den Stickstoffstrom Kapillare aus der Polymerisationsmischung in den Kopfraum der Flasche, und schließen Sie den Deckel fest. Legen Sie eine funktionalisierte Kapillare durch das Septum in der Polymerisationsmischung. Der Überdruck in die Kapillare durch den Stickstoff in den Gasraum injiziert erzeugt pumpt das Polymerisationsgemisch durch die funktionalisierten Kapillare.
      3. Sammeln einiger Tropfen Polymerisationsmischung aus dem Abstrom der Kapillare zu gewährleisten, dass er vollständig gefüllt ist, und schließen mit einer Gummimembran. Nehmen Sie die Kapillare aus dem Fläschchen sehr sorgfältig und Schließen der Einlass der Kapillare mit einer Gummimembran.
    3. Polymerisiert die Mischungtur in der Kapillare in einem Wasserbad enthalten bei 60ºC für 6 Stunden. Bei Raumtemperatur abkühlen und schneiden Sie ein paar Millimeter von beiden Enden der Kapillare. Entfernen nicht umgesetzten Monomeren und Porenbildner durch Spülen der Säule mit Acetonitril mit einer HPLC-Pumpe mit 3 & mgr; l / min für 30 min. Check Gegendruck der Kapillarsäule.

2. Wachstum des Eisen benzenetrycarboxylate (FeBTC) PCP

  1. Wachstum der FeBTC MOPH auf einem Bulk-Polymer Monolith zur Charakterisierung
    1. Schleifen Sie die zuvor getrocknete Monolith mit einem Mörser und Stößel.
    2. Tauchen 100 mg des Monolithen Pulver in 5 ml 2 mM FeCl 3 · 6H 2 O in Ethanol für 15 min. Vakuumfilter mit einem Nylon-Filter (0,22 & mgr; m) und waschen Sie das Pulver mit Ethanol. Eintauchen der Monolith-Pulver in 5 ml 2 mM 1,3,5-Benzoltricarbonsäure (BTC) in Ethanol für 15 min. Vakuumfilter mit einem Nylon-Filter (0,22 & mgr; m) und waschen Sie das Pulver mit Ethanol.
    3. Wiederholen Sie Schritt Nummer 2 nach Wunsch. Das Wachstum des endgültigen metallorganischen Beschichtung durch die Anzahl der Zyklen aufgetragen definiert werden. Typischerweise werden zwischen 10 und 30 Zyklen durchgeführt. Bestätigen das Vorhandensein von neuen Poren durch Stickstoff-Adsorption-Porosimetrie. Messung der Höhe der zusätzlichen Metallstellen durch thermogravimetrische Analyse (TGA).
  2. Wachstum des FeBTC MOPH an einer Kapillarsäule monolithische Säule zur Anreicherung von Phosphopeptiden
    1. Verwendung einer Spritzenpumpe. Spülen der Kapillare Monolithen mit 2 mM FeCl 3 · 6H 2 O in Ethanol für 15 min bei 2 & mgr; l / min. Waschen mit Ethanol für 15 min bei 2 & mgr; l / min. Spülen der Kapillare Monolithen mit einer 2 mM BTC in Ethanol für 15 min bei 2 & mgr; l / min. Waschen mit Ethanol für 15 min bei 2 & mgr; l / min.
    2. Wiederholen Sie Schritt 1, wie gewünscht. Das Wachstum des endgültigen metallorganischen Beschichtung durch die Anzahl der durchgeführten Zyklen definiert werden.

3. Proteinverdauung und Enrichment von Phosphopeptiden

  1. Proteinverdauung
    1. Man löst 0,5 ml fettfreie Milch in 1 ml Wasser und teilen sie in 200 ul-Fraktionen.
    2. Für die Proteinverdauung fügen 160 ul 1 M Ammoniumbicarbonat und 50 ul 45 mM Dithiothreitol zu jeder Fraktion, um die Disulfidbindungen zu spalten. Inkubieren bei 50 ° C in einem Thermomixer für 15 min.
    3. Graduelle 50 ul einer wässrigen Lösung von 100 mM Iodacetamid, während die Lösung auf Raumtemperatur abgekühlt. Jodacetamid wird die Bildung von neuen Disulfid-Bindungen zu verhindern.
    4. Inkubieren im Dunkeln für 15 min bei Raumtemperatur. 1 ml entionisiertem Wasser. Add 2 ug Trypsin und verdauen Proteine ​​in einem Thermomixer bei 37 ° C für 14 Std.
    5. Beenden Verdauung durch Ansäuern mit 10 ul 1% Trifluoressigsäure, und es in dem Thermomixer 5 Minuten lang bei Raumtemperatur. Bewahren Sie die verdauliche Proteine ​​bei -20 ° C.
  2. Anreicherung von Phosphopeptiden mittels einer Kapillare MOPH Spalte.
    1. Spülen der Säule mit 100 ul einer 4: 1-Mischung von Acetonitril, das eine 0,1% Trifluoressigsäure für 10 min bei einer Flussrate von 1 ml / min. Pumpen der Proteinverdauung durch die Säule mit 2 & mgr; l / min für 30 min.
    2. Auswaschen der nicht-phosphorylierten Peptide einmal mit einem 4: 1-Mischung von Acetonitril, das eine 0,1% Trifluoressigsäure für 10 min bei einer Flussrate von 1 ml / min. Wäscht mit Wasser für 10 min bei einer Flussrate von 1 ml / min.
    3. Eluieren Phosphopeptide mit einem 250 mM pH 7 Phosphatpuffer-Lösung bei 1 & mgr; l / min für 15 Minuten gepumpt. Sammeln Sie die Laufmittel in der Phiole und entsalzen die Lösung mit dem Standardprotokoll 19. Vorbereitung einer 2 mg / ml 2,5-Dihydroxybenzoesäure, um es als Matrix für die Matrix-unterstützte Laser-Desorption / Ionisations-Flugzeitmassenspektrometrie (MALDI-TOF-MS) zu verwenden. Unentschieden 2 ul der 2,5-Dihydroxybenzoesäure in die Spitze, um die phosphope eluierenptides und vor Ort direkt auf das MALDI-Platte.
    4. Analysieren Sie die Flecken durch MALDI-TOF-MS und regenerieren die Säule durch Spülen Sie gründlich mit Wasser und dann Methanol.

Ergebnisse

Eine schematische Darstellung des PCP-Wachstum auf der Porenoberfläche des organischen Polymers Monolith wird in Abbildung 1 dargestellt. In dieser Figur veranschaulichen wir die Anfangs Fe (III) Atome auf der Porenoberfläche des ursprünglichen Polymers Monolith Carboxylfunktionen koordiniert beibehalten . Verwendung des Protokolls hierin beschriebenen zusätzlichen organischen Liganden und Fe (III) -Ionen an die Oberfläche aufgenommen Formung eines porösen Koordinationsnetzwerk in der Polymermonol...

Diskussion

Die ursprüngliche Polymer Monolith enthält Carbon funktionellen Gruppen in der Lage, um Metalle zu binden. Koordinierung der anfänglichen Metall Seiten im Original-Material, sind wir in der Lage, ein PCP-Beschichtung (Abbildung 1A) wachsen, das eine Reihe von zusätzlichen Metallstellen der Gestaltung einer mikroporösen Netzwerk. Dies macht die präsentierten MOPH Materialien attraktiv für Extraktion oder Reinigungsverfahren, bei denen metallische Spezies beteiligt sind, wie zum Beispiel der immobi...

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Danksagungen

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.

Materialien

NameCompanyCatalog NumberComments
Polyimide-coated capillariesPolymicro TechnologiesTSP100375100 μm i.d.
3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate, 98%Sigma-Aldrich440159
Styrene, 99%Sigma-AldrichW323306Technical grade
Divinylbenzene, 80%Sigma-Aldrich414565
Methacrylic acid, 98%MallinckrodtMK150659
Toluene, ≥99.5%EMD chemicalsMTX0735-6
Isooctane, ≥99.5%Sigma-Aldrich650439
2,2'-azobisisobutyronitrile, 98%Sigma-Aldrich441090
Aluminium oxide (basic alumina)Sigma-Aldrich199443
Iron (III) chloride hexahydrate, 97%Sigma-Aldrich236489
1,3,5-benzenetrycarboxylic acid, 95%Sigma-Aldrich482749
Acetonitrile, ≥99.5%Sigma-Aldrich360457
Ammonium bicarbonate, ≥99.5%Sigma-Aldrich9830
Trifluoroacetic acid, ≥99%Sigma-Aldrich302031
Ethanol, ≥99.8%Sigma-Aldrich2854
Iodoacetamide, ≥99%Sigma-AldrichI1149
Dithiothreitol, ≥99%Sigma-Aldrich43819
Monobasic sodium phosphate dihydrate, ≥99%Sigma-Aldrich71505
Dibasic sodium phosphate dihydrate, ≥99%Sigma-Aldrich71643
Phosphoric acid, ≥85%Sigma-Aldrich438081
2,5-dihydroxybenzoic acid, ≥99%Sigma-Aldrich85707
TrypsinSigma-AldrichT8003Bovine pancreas
β-caseinSigma-AldrichC6905Bovine milk
ZipTip pipette tipsMerck MilliporeZTC18S096C18 resin

Referenzen

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