JoVE Logo
АВТОРЫ
СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

Войдите в систему

Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.

В этой статье

  • Резюме
  • Аннотация
  • Введение
  • протокол
  • Результаты
  • Обсуждение
  • Раскрытие информации
  • Благодарности
  • Материалы
  • Ссылки
  • Перепечатки и разрешения

Резюме

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.

Аннотация

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.

Введение

Пористые координационные полимеры (PCPS) являются координационные соединения на основе металлических центров, связанных с органическими лигандами с повторяющимися координационных органов, проходящих в 1, 2 или 3 размеров, которые могут быть аморфными или кристаллическими 1-3. В последние годы этот класс пористых материалов привлекло всеобщее внимание из-за их высокой пористости, химической широкого перестройки частоты, и их стабильности. Лечащие врачи были изучены для широкого спектра приложений, включая хранение газа, разделение газа и катализ 3-6, и совсем недавно, первые аналитические приложения винтовых насосов были описаны 7.

Из-за их повышенной химической функциональности и высокой пористости винтовых насосов были направлены на их огромный потенциал для улучшения процессов очистки и хроматографического разделения, и число докладов, касающихся этой темы были опубликованы 7-13. Тем не менее, производительность винтовых насосов в настоящее время не на equivaleУровень NT с существующими хроматографических материалов вероятно из-за быстрой диффузии через большие межчастичных пустот в уплотненных слоев этих тел в связи с их, как правило, неправильной формы морфологии их частиц или кристаллов. Это распределены неравномерно упаковка приводит к более низкой, чем ожидалось, производительность, а также Подпор давления высокой колонне и нежелательных пик формы морфологии 14,15.

Для того чтобы решить проблему быстрой диффузии через пустоты между частицами и одновременно повысить производительность винтовых насосов для аналитических приложений, разработка гибридного материала на основе полимерной макропористой монолита 16, который содержит PCP на поверхности макропор будет желательно. Полимерные монолиты самодостаточны, цельные материалы, которые могут выдержать конвективный поток через их поры, что делает их одним из наиболее эффективных альтернатив бисера упаковки и успешно продаются на несколько C ompanies 17,18. Пористых полимерных монолитов, как правило, на основе полимеризации мономера и сшивающего агента в присутствии порообразователей, которые, как правило, бинарные смеси органических растворителей. Полученные монолитные материалы имеют структуру microglobular и высокую пористость и проницаемость потока.

Простой подход, чтобы объединить эти материалы для подготовки полимера монолит, содержащий PCP основан на непосредственном добавлении синтезированного винтовых насосов в полимеризации смеси монолита. Этот подход привел к винтовых насосов основном похоронен в полимерной эшафот, а не быть активным для дальнейшего применения конечного материала 14,15. Отличается синтетический подход очевидно, что необходимо для того, чтобы, например, разработать единые фильмы винтовых насосов или кристаллических металлоорганических структур (MOFs), где большинство пор, содержащихся в кристалле доступны из макропор полимера монолит.

т "> В этом сообщается простой протокол для подготовки металлической-органический полимер гибридного материала (MOPH) на основе макропористого полимерного носителя с подходящими функциональными группами для крепления винтовых насосов, которые могут быть легко реализованы как автономные одного -piece полимер монолит в формате колонки с оптимальными свойствами для проточных применений. Процедура синтеза полимера с последующим просто комнатной температуры раствор на основе   Способ расти PCP покрытие на внутренней поверхности поры монолита 19-20. В качестве первого примера мы опишем приготовление железа (III), benzenetricarboxylate (FeBTC) координация полимерной пленки в течение макропористый поли (стирол-дивинилбензола и метакриловой кислоты) монолита. Этот метод эффективен для приготовления сыпучих порошков, а также капиллярных колонок и описано протокол легко осуществимыми с другими винтовых насосов. В качестве примера потенциала MOPHs как функциональных материалов для потока-throuGH приложения, мы применили разработанный FeBTC MOPH который содержит плотное покрытие Fe (III) центры по обогащению фосфопептиды из сброженных белковых смесей эксплуататорских сродство связывания фосфопептидов Fe (III). Разработан протокол 21 включает в себя три основные части: подготовка макропористом поддержки органического полимера монолит; Рост PCP покрытия на поверхности поры монолита; Приложение для обогащения фосфопептидов.

протокол

ПРИМЕЧАНИЕ: Перед началом, проверьте все соответствующие Паспорта (MSDS). Несколько химических веществ, используемых в процедурах синтетических и прикладных являются токсичными. Пожалуйста, соблюдайте все соответствующие практики безопасности и использовать соответствующие защитные средства (халат, полнометражные брюки, закрытые ботинки пальца ноги, защитные очки, перчатки). При обращении с жидким азотом для измерений адсорбции азота (изолирующие перчатки, лицо щит) Пожалуйста, используйте все криогенного индивидуальной защиты.

1. пористых полимерных Монолит Подготовка в массовых и капиллярный формат столбца

  1. Массовая Полимер Монолит для характеризации
    1. Очищают стирол, дивинилбензол и метакриловой кислоты через колонку основного оксида алюминия, для удаления ингибиторов полимеризации. Поместите 10 г основного оксида алюминия в 25 мл одноразовой пластиковой шприц с пробкой из стекловаты волокна упакованы в наконечнике шприца. Просачиваются примерно 10 мл мономера через колонку.
    2. Загрузка мономеров (50 мг стирола, 100 мг дивинилбензола и 50 мг метакриловой кислоты) и агентов, образующих поры (300 мг толуола и 300 мг изооктана) в стекл нный сосудик на 1 мл. Добавить инициатор полимеризации, 4 мг 2,2'-азобисизобутиронитрил (AIBN, 1% по отношению к мономерам).
    3. Однородный обработкой ультразвуком в течение 10 мин. Удалить растворенного кислорода барботированием азота через жидкость в течение 10 мин. Уплотнение флакон крышкой с парафиновой пленки и поместите его в водяной бане при 60 ° С в течение 6 ч, чтобы полимеризации смеси.
    4. Охлаждают до комнатной температуры и осторожно разорвать флакон. Перевести полимерной монолит в добычу целлюлозы наперсток. Поместите экстракционную гильзу в аппарате Сокслета камеры экстракции и собрать его в круглодонную колбу, которая содержит объем метанола, который является, по крайней мере в три раза объем экстракционной камеры. Собирают конденсатор в верхней части экстракционной камеры. Выполните извлечение Сокслета кипячением метанолав течение 16 ч, обеспечивая полное удаление непрореагировавших мономеров и агентов, образующих порового.
    5. Сухой течение ночи в вакуумной печи при 60 ° С. Подтвердить наличие функциональных групп карбоновых прикрепить РСР преобразования Фурье с помощью инфракрасной спектроскопии (FT-IR). Измерьте площадь поверхности по адсорбции азота порометрией.
  2. Функционализация кремнезема капилляров для подготовки монолитных колонн
    1. Вырезать 2 м полиимидной покрытием 100 мкм идентификатора кварцевого капилляра. Подключите его к стеклянным шприцем 0,25-0,50 мл и мыть капилляр с ацетоном. Удаления ацетона путем промывки водой капилляр.
    2. Для того чтобы активировать внутренний кремнеземного покрыти капилляра, использовать шприцевой насос, чтобы течь в 0,2 М водный раствор NaOH в 0,25 мкл / мин в течение 30 мин. Промыть водой, пока эффлюент не станет нейтральным.
    3. Используйте рН бумаги полоски, чтобы проверить стоков рН. Для того, чтобы протонирования силанольных групп капилляра, насос 0,2 М aqueoраствора HCl связь через капилляр в 0,25 мкл / мин в течение 30 мин. Промыть водой, пока эффлюент не станет нейтральным. Промыть этанола.
    4. Насос 20% (вес / вес) этанола раствор 3- (триметоксисилил) пропил метакрилат (рН 5 доводили уксусной кислотой) на уровне 0,25 мкл / мин в течение 1 часа. На этом этапе, кремнезем капилляр функционализированный виниловых групп для того, чтобы прикрепить полимера монолит с капиллярной внутренней поверхности.
    5. Промывают ацетоном, сушат в токе азота, и оставить при комнатной температуре на ночь перед использованием. Вырезать капилляр в более короткие куски длиной 20 см.
  3. Подготовка Монолитные капиллярных колонок
    1. Подготовьте идентичную полимеризационной смеси, что и для объемной полимерной монолита (раздел 1.1) в стекл нный сосудик на 1 мл с резиновой пробкой. Добавить инициатора AIBN 1% по отношению к мономерам. Однородный обработкой ультразвуком в течение 10 мин.
    2. Очистите смесь полимеризации азотом путем сочетания без функционализированного кремнезема капиллярв токе азота.
      1. Вставьте токе азота капилляр через резиновую мембрану флакона и погружают ее в полимеризационной смеси, так что пузырьки азота через жидкость. Оставьте флакон крышкой слегка свободно, чтобы избежать избыточного давления. Очистите в течение 10 мин.
      2. Извлеките токе азота капилляр, из полимеризационной смеси в свободном пространстве флакона, и закрыть крышку плотно. Вставка функционализированный капилляр через перегородку в полимеризационной смеси. Избыток давления, создаваемого в капилляр через азота, введенного в свободном пространстве перекачивает полимеризационной смеси посредством функционализированного капилляра.
      3. Собирают несколько капель полимеризации смеси из потока, вытекающего из капилляра, чтобы она полностью заполнена и закрыть его с резиновой пробкой. Возьмем капилляр из флакона очень тщательно и закрыть отверстие капилляра с резиновой пробкой.
    3. Полимеризации смесиры, содержащиеся в капилляре на водяной бане при 60 ° С в течение 6 ч. Охлаждают при комнатной температуре и вырезать несколько миллиметров обоих концах капилляра. Удалить непрореагировавших мономеров и агентов, образующих поры с помощью промывки колонки ацетонитрила с использованием ВЭЖХ насоса на 3 мкл / мин в течение 30 мин. Проверьте противодавление в капиллярной колонки.

2. Рост Железного benzenetrycarboxylate (FeBTC) PCP-

  1. Рост FeBTC МОРН на массовых Polymer Монолит для характеризации
    1. Измельчить предварительно высушенного монолит, используя ступку и пестик.
    2. Погружают 100 мг монолита порошка в 5 мл 2 мМ FeCl 3 · 6H 2 O в этаноле в течение 15 мин. Вакуумный фильтр, использующий нейлоновый фильтр (0,22 мкм) и промывки порошка с этанолом. Погружают монолит порошок в 5 мл 2 мМ 1,3,5-бензолтрикарбоновой кислоты (BTC) в этаноле в течение 15 мин. Вакуумный фильтр, использующий нейлоновый фильтр (0,22 мкм) и промывки порошка с этанолом.
    3. Повторите шаг номер 2, как требуется. Рост конечного металлоорганического покрытия будет определяться числом прикладных циклов. Как правило, выполняются от 10 до 30 циклов. Подтвердите наличие новых пор по адсорбции азота порометрией. Измерить количество дополнительных металлических объектов с помощью термогравиметрического анализа (ТГА).
  2. Рост FeBTC МОРН на капиллярной колонке монолитного для обогащения фосфопептидов
    1. Используя шприцевой насос. Промойте капилляров монолит с 2 мм FeCl 3 · 6H 2 O в этаноле в течение 15 мин при 2 мкл / мин. Промыть этаноле в течение 15 мин при 2 мкл / мин. Промойте капилляров монолит с 2 мм БТД в этаноле в течение 15 мин при 2 мкл / мин. Промыть этаноле в течение 15 мин при 2 мкл / мин.
    2. Повторите шаг 1, как требуется. Рост конечного металлоорганического покрытия будет определяться числом циклов, выполненных.

3. Белки Пищеварение и Еnrichment фосфопептидов

  1. Белок Пищеварение
    1. Растворите 0,5 мл обезжиренного молока в 1 мл воды и разделить его на 200 мкл фракций.
    2. Для переваривания белков добавить 160 мкл 1 М бикарбонат аммония и 50 мкл 45 мМ дитиотреитола к каждой фракции, для того, чтобы расщеплять дисульфидные связи. Выдержите при 50 ° С в термомиксере в течение 15 мин.
    3. Добавить постепенно добавляли 50 мкл водного раствора 100 мМ иодацетамида, в то время как раствор охлаждают до комнатной температуры. Йодацетамид будет препятствовать образованию новых дисульфидных связей.
    4. Инкубируют в темноте в течение 15 мин при комнатной температуре. Добавить 1 мл деионизированной воды. Добавить 2 мкг трипсина и переварить белки в термомиксер при 37 ° С в течение 14 ч.
    5. Завершить пищеварение подкислением с 10 мкл 1% трифторуксусной кислоты, и размещение его в термосмеситель в течение 5 мин при комнатной температуре. Храните усваивается белки при -20 ° С.
  2. Обогащение фосфопептидов использованием капиллярной колонки MOPH.
    1. Промыть колонку с 100 мкл 4: 1 смеси ацетонитрила, содержащего 0,1% трифторуксусной кислоты в течение 10 мин при скорости потока 1 мкл / мин. Насос переваривание белка через колонку 2 мкл / мин в течение 30 мин.
    2. Промыть нефосфорилированный пептиды снова с 4: 1 смеси ацетонитрила, содержащего 0,1% трифторуксусной кислоты в течение 10 мин при скорости потока 1 мкл / мин. Промыть водой в течение 10 мин при скорости потока 1 мкл / мин.
    3. Элюции с использованием фосфопептидов 250 мМ рН 7 фосфатный буферный раствор закачивают в 1 мкл / мин в течение 15 мин. Собирают элюент во флаконе и обессоливания раствора с использованием стандартного протокола 19. Приготовьте 2 мг / мл 2,5-диоксибензойной кислоты, чтобы использовать его в качестве матрицы для матрицы лазерной десорбцией / ионизацией времени пролета масс-спектрометрии (MALDI-TOF-MS). Обращается 2 мкл 2,5-дигидроксибензойной кислоты в наконечник для элюирования phosphopeptides и определить их непосредственно на MALDI пластины.
    4. Анализ пятна от MALDI-TOF-MS и регенерировать путем тщательного промывания водой, а затем метанолом колонку.

Результаты

Схематическое изображение роста PCP на поверхности пор органического полимерного монолита показано на рисунке 1. На этом рисунке, мы проиллюстрируем начальное Fe (III) атомы удерживаются на поверхности пор исходного полимера монолит согласованной с функциональными группами кар?...

Обсуждение

Оригинальный полимера монолит содержит карбоксильные функциональные группы, способные связываться с металлами. Координация исходного металла сайты на оригинальном материале, мы можем расти PCP покрытие (рис 1А), включающий ряд дополнительных металлических сайтов, формирующи?...

Раскрытие информации

The authors have nothing to disclose.

Благодарности

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.

Материалы

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

Ссылки

  1. 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).
  2. Kitagawa, S., Kitaura, R., Noro, S. i. Functional porous coordination polymers. Angew. Chem. Int. Ed. 43, 2334-2375 (2004).
  3. Furukawa, H., Cordova, K. E., O’Keeffe, M., Yaghi, O. M. The chemistry and applications of metal-organic frameworks. Science. 341, 974 (2013).
  4. Ma, S., Zhou, H. C. Gas storage in porous metal-organic frameworks for clean energy applications. Chem. Commun. 46, 44-53 (2010).
  5. Li, J. R., Sculley, J., Zhou, H. C. Metal-organic frameworks for separations. Chem. Rev. 112, 869-932 (2012).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Ahmad, R., Wong-Foy, A. G., Matzger, A. J. Microporous coordination polymers as selective sorbents for liquid chromatography. Langmuir. 25, 11977-11979 (2009).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Svec, F. Porous polymer monoliths: Amazingly wide variety of techniques enabling their preparation. J. Chromatogr. A. 1217, 902-924 (2010).
  17. Shekhah, O., et al. Step-by-step route for the synthesis of metal-organic frameworks. J. Am. Chem. Soc. 129, 15118-15119 (2007).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Jabeen, F., et al. Silica-lanthanum oxide: Pioneer composite of rare-earth metal oxide in selective phosphopeptides enrichment. Anal. Chem. 84, 10180-10185 (2012).
  22. Hussain, D., et al. Functionalized diamond nanopowder for phosphopeptides enrichment from complex biological fluids. Anal. Chim. Acta. 775, 75-84 (2013).
  23. Aprilita, N. H., et al. Poly(glycidyl methacrylate/divinylbenzene)-IDA-FeIII in phosphoproteomics. J. Proteom. Res. 4, 2312-2319 (2005).
  24. 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).
  25. 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).
  26. . . Select Iron Affinity Gel Technical Bulletin. , (2015).

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи

Запросить разрешение

Смотреть дополнительные статьи

101

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

РЕКОМЕНДОВАТЬ БИБЛИОТЕКЕ

НОВОСТИ JoVE

Исследования

Образование

АВТОРЫ

Библиотекарь

О JoVE

Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены