高分子被覆粒子を用いた自己組織化有機金属フレームワーク単分子膜の合成と評価

要約

自己組織化金属有機フレームワーク単分子膜の合成および特性評価のためのプロトコルは、ポリマーグラフトされた金属有機フレームワーク(MOF)結晶を使用して提供されます。この手順は、ポリマーグラフトされたMOF粒子が空気-水界面で自己組織化され、走査型電子顕微鏡イメージングによって証明されるように、整形成された自立した単層構造が得られることを示しています。

要約

有機金属フレームワーク(MOF)は、ガスの吸着と分離、触媒作用、生物医学などの分野での応用が期待できる材料です。MOFの有用性を高める試みには、ポリマーグラフトMOFを含むさまざまな複合材料の調製が含まれていました。MOFの外面にポリマーを直接グラフトすることで、ポリマーとMOFの非適合性の問題を克服することができます。MOFの表面からグラフトされたポリマーブラシは、MOFを安定化すると同時に、ポリマー-ポリマー相互作用を介して自己組織化金属有機フレームワーク単分子膜(SAMM)への粒子の組み立てを可能にします。

グラフトポリマーの化学組成と分子量を制御することで、SAMM特性のチューニングが可能になります。本研究では、MOF UiO-66(UiO = Universitetet i Oslo)の表面に鎖移動剤(CTA)を固定化する方法について解説します。CTAは、ポリマーの成長の開始部位として機能します。MOF表面からポリマー鎖が成長すると、SAMMの形成は空気と水の界面での自己組織化によって達成されます。得られたSAMMは、走査型電子顕微鏡イメージングにより、自立型であることが特徴付けられ、示されています。この論文で提示された方法は、SAMMの調製を研究コミュニティにとってより身近なものにし、それによってMOF-ポリマー複合材料としての可能性を拡大することが期待されます。

概要

金属有機構造体(MOF)は、結晶性の多孔質材料であり、有機配位子または金属ノード^1,2の修飾を通じて容易に調整可能でありながら、大きな表面積を提供します。MOFは、有機配位子と金属イオン(または金属イオンクラスター、二次建築ユニット、SBU)の2つのコンポーネントで構成されています。MOFは、化学(ガスなど)の貯蔵、分離、触媒作用、センシング、および薬物送達について研究されています。一般に、MOFは結晶性粉末の形で合成されます。しかし、多くのアプリケーションでの取り扱いを容易にするために、必要でない場合は他のフォームファクターへの配合が望ましい^3,4。例えば、MOFとポリマーの混合マトリックス膜(MMM)は、MOFとポリマーの特に有用な複合材料の1つとして報告^{されている5。}しかし、場合によっては、MOFとポリマー成分^5,6との間の非互換性/非混和性のために、MMMには制限があるかもしれない。そのため、ポリマーグラフトをMOF粒子に直接組み込んでポリマーグラフトMOFを形成する戦略が検討されています。

プロトコル

1. UiO-66のcat-DDMATによる表面改質

1. メタノールからUiO-66の溶媒を水と交換します。
   1. UiO-66をメタノール中で20 mg / mLの濃度で調製します。
      注:Wangら²⁰によれば、均質なUiO-66は、合成後にDMFおよびメタノールで洗浄され、次いでメタノール中に分散状態で保存される。
   2. ピペットを使用して、10 mLのUiO-66懸濁液を15 mLのコニカル遠心チューブに移します。
   3. 約10,000 × g で10分間遠心分離を行い、上清を除去し、10 mLの脱イオン(DI)水を加えます。
      注:これらの条件下で粒子が完全に沈降しない場合は、さらに10分間の遠心分離ステップを実行できます。
   4. UiO-66粒子を水に再分散させます。
      注:適切な分散のためには、室温での超音波処理とボルテックス(最大速度が使用可能)の使用が必要になる場合があります。
   5. ステップ1.1.3と同じ条件で再度遠心分離し、10 mLの真逆水を加えて再分散します。
2. 10 mgのcat-DDMATを5 mLのクロロホルムに溶解します。
   1. 20mLバイアルに10mgのcat-DDMATを秤量します。
   2. メスシリンダーを使用してバイアルに5m....

ディスカッション

SAMMを生成するポリマーグラフトMOFを成功裏に合成するためには、細部に特に注意を払う必要があるいくつかの重要なステップがあります。まず、RAFT重合に利用されるモノマーは、望ましくない重合を防ぐために、保存中に阻害剤または安定剤を添加します(例:ハイドロキノンまたはハイドロキノンのモノメチルエーテル、MEHQ)。これらの添加剤を除去するためには、使用前に蒸留による精製?.......

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
2-(dodecylthiocarbonothioylthio)-2-methylpropionic acid (DDMAT)	Sigma-Aldrich	723010	98%
10 mL Single Neck RBF	Chemglass	CG-1506-82	14/20 Outer Joint
Acetone	Fisher Chemical	A18-20	ACS Grade
Allegra X-30R Centrifuge	BECKMAN COULTER	B06320	1.6 L max capacity, 18,000 RPM, 29,756 x g
Analog Vortex Mixer	VWR	10153-838	300 - 3,200 rpm
cat-DDMAT			Prepared according to literature procedure (ref. 17).
Centrifuge Tube, 50 mL / 15 mL	CORNING	430291 / 430766	Conical Bottom with plug seal cap, polypropylene
Chloroform	Fisher Chemical	AC423550040	99.8%
Conventional needles	Becton Dickinson	382903051670	21 G x 1 1/2
Copper wire	Malin Co.		No. 30 B & S GAUGE
Dimethyl Sulfoxide (DMSO)	Fisher Bioreagents	BP231-1	>=99.7%
Disposable Pasteur Pipets	Fisher Scientific	13-678-20C	Borosilicate Glass
Ethanol	KOPTEC	V1001	200 proof ethanol
Glass Scintillation Vial, 20 mL	KIMBIL	74508-20
Graduated Cylinder, 10 mL	KIMBIL	20024-10
Hypodermic Needles	Air-Tite	N224	22 G x 4''
Methanol	Fisher Chemical	A412-20	99.8%
Methyl Acrylate	Aldrich Chemistry	M27301	99%, contains =< 100 ppm monomethyl ether hydroquinone as inhibitor
Micropipette P10 (1 - 10 µL)	GILSON	F144055M	PIPETMAN, Metal Ejector
Micropipette P1000 (100 - 1,000 µL)	GILSON	F144059M	PIPETMAN, Metal Ejector
Micropipette P20 (2 - 20 µL)	GILSON	F144056M	PIPETMAN, Metal Ejector
Microscope cover glass	Fisher Scientific	12542A	18 mm x 18 mm
NN-Dimerhylformamide (DMF)	Fisher Chemical	D119-4	99.8%
Petri Dish, Stackable Lid	Fisher Scientific	FB0875713A	60 mm x 15 mm
Septum Stopper	Chemglass	CG302401	14/20 - 14/35
Stir Bar	Chemglass	CG-2005T-01	Magnetic, PTFE, Turbo, Rare Earth, Elliptical, 10 x 6mm
SuperNuova+ Stirring Hot Plate	Thermo Scientific	SP88857190	50 - 1,500 rpm, 30 - 450 °C
Toluene	Fisher Chemical	T324-4	99.5%
Tris[2-phenylpyridinato-C2,N]iridium(III) (Ir(ppy)3)	Sigma-Aldrich	688096	97%
UiO-66 (120 nm edge length)			Prepared according to literature procedure (ref. 18).
Ultrasonic Cleaner CPX3800H	EMERSON / BRANSON	CPX-952-318R	40 kHz, 5.7 L
Waterproof Flexible LED Strip Light	ALITOVE	ALT-5B300WPBK	16.4 ft 5050 Blue LED