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방법 논문

포스 포의 향상된 농축을위한 거대 다공성 고분자 모노리스에 다공성 조정 폴리머 코팅의 제조

9.9K 조회수

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DOI:

10.3791/52926

⸱

2015년 7월 14일

 ,  ,  ,  ,  , 
1The Molecular Foundry, E. O. Lawrence Berkeley National Laboratory, 2Institute of Chemical Sciences, Bahauddin Zakariya University, 3Department of Chemistry, University of the Balearic Islands, 4Beijing Key Lab of Bioprocess, College of Life Science and Technology, Beijing University of Chemical Technology

이 논문에서

요약

높은 표면적의 미세 다공성 배위 폴리머로 내부적으로 코팅된 거대 다공성 고분자 모놀리식으로 구성된 다공성 하이브리드 분리 매체의 준비 절차가 제시됩니다.

초록

우리는 거대다공성 고분자 모놀리식의 내부 표면에 있는 고다공성 배위 고분자 코팅을 기반으로 하이브리드 재료를 준비하기 위한 프로토콜을 설명합니다. 개발된 접근 방식은 카르복실산 작용기를 포함하는 거대다공성 중합체의 준비와 고분자 모놀리식의 기공 표면에 다공성 배위 중합체 층의 후속 단계별 용액 기반 제어 성장을 기반으로 합니다. 준비된 금속-유기 고분자 하이브리드는 높은 비미세기공 표면적을 가지고 있습니다. 철(III) 부위의 양은 기능성 폴리머 지지체의 기공 표면에서 금속-유기 배위를 통해 향상됩니다. 금속 부위의 증가는 코팅 공정의 반복 횟수와 관련이 있습니다.

개발된 준비 체계는 모세관 컬럼 형식에 쉽게 적용할 수 있습니다. 기능성 다공성 폴리머는 모세관 내에서 독립형 단일 블록 다공성 모놀리식으로 준비되어 우수한 유동 투과성과 적당한 배압을 가진 유류 분리 장치를 생성합니다. 금속-유기 폴리머 하이브리드 컬럼은 매트릭스 보조 레이저 탈착/이온화, 비행 시간 질량 분석법을 사용하여 분해된 단백질에서 인산펩타이드를 농축하고 후속 검출하는 데 탁월한 성능을 보여주었습니다. 제시된 실험 프로토콜은 매우 다재다능하며, 다중 정제 및/또는 분리 응용 분야를 위해 다량의 다공성 배위 폴리머 및 금속-유기 프레임워크를 사용하여 다양한 유기 폴리머 지지체 및 코팅에 쉽게 구현할 수 있습니다.

서론

다공성 배위 고분자 (의 PCP)는 비정질 또는 결정질 일 수있다 1-3 1, 2 또는 3 차원으로 연장되는 조정 엔티티 반복 유기 리간드에 의해 연결된 금속 중심에 기초한 배위 화합물이다. 최근에, 다공성 물질이 클래스는 그들의 높은 다공성, 넓은 화학 가변성, 및 안정성으로 널리 주목 받고있다. 의 PCP는 가스 저장, 가스 분리 및 촉매 3-6, 매우 최근의 PCP의 분석 애플리케이션 제 7 기술되었다을 포함한 다양한 애플리케이션에 대해 탐구되어왔다.

때문에 강화 화학 기능과 높은 기공율의 PCP 정제 공정 및 크로마토 그래피 분리의 개선을위한 그들의 엄청난 잠재적 대상으로되어 있고,이 항목에 관한 다수의 보고서가 7-13 발표되었다. 그러나,의 PCP의 성능 equivale에서 현재 사용하지 않는그들의 입자 또는 결정의 그들의 일반적으로 불규칙한 모양의 형태학에 의한 이러한 고체의 충전 층에서 큰 입자 간 공극을 통해 빠르게 확산 가능성이 기존의 크로마토 그래피 재료와 NT 수준. 이 불규칙하게 분산 포장 낮은 예상보다 성능뿐만 아니라 높은 열 배압 및 바람직하지 않은 피크 모양 형태학 14, 15로 연결됩니다.

입자 간 공극을 통해 빠르게 확산의 문제를 해결하고 부수적 분석 애플리케이션의 PCP의 성능을 향상시키기 위하여, 거대 기공의 표면에 PCP를 포함하는 거대 다공성 중합체 모노리스 (16)에 기초하여 복합 재료의 개발하고자 것이 바람직하다. 고분자 모노리스 패킹 비드 성공적 여러 C 상용화되어 가장 효율적인 대안들 중 하나를들을 수있는, 그들의 구멍을 통해 대류 흐름을 유지할 수 단일 피스 재료 자체 포함 된 ompanies (17, 18). 다공성 중합체는 일반적으로 모노리스 단량체의 중합, 전형적으로 유기 용매의 혼합물이다 이진 포로 겐의 존재 하에서 가교제에 기초한다. 얻어진 재료는 모 놀리 microglobular 구조 및 높은 다공성 및 유동 투과도.

간단한 방법은 PCP를 함유하는 중합체 단일체 모노리스의 중합 혼합물의 PCP 합성 된 상태의 직접 첨가에 기초 제조 이들 재료를 통합한다. 결과의 PCP이 방식은 주로 최종 14,15 재료의 상기 어플리케이션에 대해 활성 인 고분자 지지체 내에 매립되는 것은 아니다. 다른 합성 방법이 명확하게, 예를 들면, 결정에 포함 된 기공의 대부분이 중합체 모노리스의 거대에서 액세스의 PCP, 또는 결정 성 금속 - 유기 프레임 워크 (MOFs는)의​​ 균일 한 필름을 개발하기 위해 필요하다.

t "> 여기서 우리는 쉽게 구현 될 수의 PCP의 부착에 적합한 작용기를 가진 거대 다공성 고분자 지지체에 기초한 유기 금속 중합체 복합 재료 (MOPH)의 제조를위한 간단한 프로토콜보고 급식 단일 관류 애플리케이션을위한 최적의 특성을 갖는 열 형식 -piece 중합체 모놀리스. 중합체 합성 절차가 간단 실온 용액 기반 뒤에   방법 19-20 모노리스의 공극의 내부 표면 상에 코팅 PCP 성장. 첫 번째 예로서, 우리는 거대 다공성 폴리 (스티렌 - 디 비닐 벤젠 - 메타 크릴 산) 모노리스 내의 철 (III) 벤젠 (FeBTC) 배위 고분자 필름의 제조를 기술한다. 이 방법은 벌크 분말의 제조뿐만 아니라, 캐 필러 리 컬럼을위한 효과적이고 설명은 다른 프로토콜의 PCP에게 용이하게 구현 가능하다. 유동 throu위한 기능성 재료로서 MOPHs의 전위의 예로서GH 응용 프로그램, 우리는 센터가 철에 포스 포의 결합 친화력을 악용 소화 단백질 혼합물에서 포스 포 농축 (III) 철의 고밀도 코팅을 포함하는 개발 FeBTC MOPH을 적용 (III). 개발 된 프로토콜 (21)는 세 가지 주요 부분 : 상기 거대 다공성 유기 고분자 모노리스 지원 준비; 모노리스의 기공의 표면에 코팅 PCP의 성장; 포스 포의 농축을위한 응용 프로그램입니다.

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프로토콜

참고 : 시작하기 전에, 모든 관련 자료 데이터 시트 (MSDS (물질 안전 보건 자료))을 확인. 합성 절차 및 애플리케이션에 사용되는 화학 물질 중 일부는 독성. 모든 적절한 안전 관행에 따라 적절한 보호 장비 (실험실 코트, 전체 길이 바지, 폐쇄 발가락 신발, 보호 안경, 장갑)를 사용하십시오. 질소 흡착 측정을위한 액체 질소 (절연 장갑, 얼굴 가리개)를 처리 할 때 모든 극저온 개인 보호 장비를 사용하십시오.

벌크 및 모세관 컬럼 형식의 1 다공성 고분자 모노리스 준비

  1. 특성에 대한 대량 폴리머 모노리스
    1. 중합 억제제를 제거하기 위해, 염기성 알루미나 컬럼을 통해 스티렌, 디 비닐 벤젠 및 메타 크릴 산을 정제. 주사기 팁에 포장 유리 양모 섬유의 플러그가있는 25 ml의 일회용 플라스틱 주사기에 기본 알루미나 10g을 놓습니다. 칼럼을 통해 단량체의 약 10 ㎖을 관류.
    2. 단량체 (50 mg의 스티렌, 디 비닐 벤젠 100 mg을 50 mg의 메타 크릴 산) 및 1 mL 유리 바이알에 기공 형성 제 (300 mg을 톨루엔 및 300 mg을 이소옥탄)을로드. 중합 개시제 2,2'- 아조 비스 이소 부티로 니트릴 (AIBN, 단량체에 대하여 1 %) 4 mg을 추가.
    3. 10 분 동안 초음파 처리하여 균질화. 10 분 동안 액체를 통해 질소를 버블 링하여 용존 산소를 제거합니다. 파라핀 필름으로 유리 병 마개를 밀봉하고, 혼합물을 중합하기 위해 6 시간 동안 60 ℃에서 수조에 배치.
    4. 실온으로 냉각 조심스럽게 병을 깰. 셀룰로오스 추출 골무에 폴리머 기둥을 전송합니다. 속 슬렛 추출 챔버로 추출 골무를 놓고 추출 챔버의 적어도 세 번 볼륨 메탄올의 부피를 포함하는 둥근 바닥 플라스크를 조립한다. 추출 챔버의 상부에 콘덴서를 조립한다. 메탄올을 끓여 속 슬렛 추출을 수행16 시간 동안, 미 반응 단량체의 완전한 제거를 보장하고 기공 형성 제.
    5. 60 ℃에서 진공 오븐에서 하룻밤 동안 건조. 푸리에에 의해 주치의 적외선 분광법 (FT-IR)를 변환 첨부 카르 복실 작용기의 존재를 확인합니다. 질소 흡착 세공 측정법에 의해 비 표면적을 측정한다.
  2. 모 놀리 식 기둥의 준비를 위해 실리카 모세 혈관의 작용
    1. 폴리이 미드 코팅 된 100 ㎛의 ID 용융 실리카 모세관의 2m를 잘라. 0.25-0.50 mL 유리 주사기에 연결하고 아세톤으로 모세관을 씻는다. 물과 모세 혈관을 세척하여 아세톤을 제거합니다.
    2. 모세관 내부의 실리카 코팅을 활성화하기 위해, 30 분 / μL에서 0.25 분, 0.2 M 수성 NaOH 용액을 흐르게 주사기 펌프를 사용한다. 유출 물이 중성이 될 때까지 물로 씻어.
    3. 폐수의 pH를 확인 산도 종이 스트립을 사용합니다. 모세관의 실란 올 그룹을 양성자 화하기 위해, 0.2 M aqueo 펌프30 분 동안 0.25 μL / 분 모세관을 통해 우리 HCl 용액. 유출 물이 중성이 될 때까지 물로 씻어. 에탄올로 씻어.
    4. 1 시간 / μL로 0.25 분 (w / w) 20 % 3- (트리 메 톡시 실릴) 프로필 메타 크릴 레이트 (아세트산으로 pH를 조정 5)의 에탄올 용액 펌프. 이 단계에서, 실리카 모세관은 모세관 내면 중합체 모노리스를 장착하기 위해 비닐기로 작용 화한다.
    5. 질소 기류, 아세톤으로 세척하여 건조 밤새 사용하기 전에 실온에서 떠난다. 길이 20cm의 짧은 조각으로 모세관을 잘라.
  3. 모 놀리 식 모세관 컬럼의 준비
    1. 고무 격막과 1 mL 유리 병에 일괄 폴리머 모노리스 (1.1 절)에 대해서는 동일한 중합 혼합물을 준비합니다. 단량체에 대해 기자에게 1 %의 AIBN을 추가합니다. 10 분 동안 초음파 처리하여 균질화.
    2. 비 - 관능 화 실리카 모세관을 커플 링시킴으로써 질소로 중합 혼합물 퍼지질소 스트림.
      1. 유리 병의 고무 격막을 통해 질소 기류 모세관을 삽입하고 질소는 액체를 통해 거품 있도록 중합 혼합물로 몰입. 과도한 압력을 피하기 위해 약간 느슨한 유리 병 뚜껑을 남겨주세요. 10 분 동안 퍼징.
      2. 바이알의 헤드 스페이스에 중합 혼합물로부터 질소 기류 모세관을 들어 올리고 뚜껑을 꼭 닫습니다. 중합 혼합물에 격막을 통해 작용 모세관을 삽입합니다. 상부 공간에 주입 된 질소를 통해 모세관에 생성 된 압력의 초과는 모세관 작용을 통해 중합 반응 혼합물을 펌프.
      3. 완전히 충전되어 있는지 확인하고 고무 격막을 닫습니다 모세관의 유출에서 중합 혼합물의 몇 방울을 수집합니다. 매우 신중하게 유리 병 밖으로 모세관을 가지고 고무 격막에 모세관의 입구를 닫습니다.
    3. 믹스를 중합6 시간 동안 60 ℃에서 수욕 모세관에 포함 스트럭처. 실온에서 냉각시키고, 모세관 양단의 몇 밀리미터를 잘랐다. 30 분 동안 3 μL / min으로 HPLC 펌프를 사용하여 아세토 니트릴로 열을 세척하여 미 반응 모노머 및 기공 형성 제를 제거합니다. 모세관 컬럼의 배압을 확인합니다.

철 benzenetrycarboxylate 2. 성장 (FeBTC) PCP

  1. 특성에 대한 대량 폴리머 모노리스에 FeBTC MOPH의 성장
    1. 박격포와 유 봉을 사용하여 이전에 건조 된 모노리스를 갈기.
    2. 15 분 동안 2 mM의 에탄올의 FeCl3 · 6H 2 O 5 ml의 모노리스 분말 100mg을 담가. 나일론 필터 (0.22 μm의)와 에탄올로 가루를 씻어을 사용하여 진공 필터. 15 분 동안 에탄올에서 2 mM의 1,3,5- 벤젠 트리 카르 복실 산 (BTC) 5ml에 모노리스 분말을 담근다. 나일론 필터 (0.22 μm의)와 에탄올로 가루를 씻어을 사용하여 진공 필터.
    3. 원하는대로 단계를 반복 번호 2. 최종 금속 - 유기 피막의 성장이 적용 사이클의 수에 의해 정의 될 뿐이다. 일반적으로 10 ~ 30 사이클이 수행됩니다. 질소 흡착 압 입법에 의한 새로운 구멍의 존재를 확인합니다. 열 중량 분석 (TGA)에 의해 추가 된 금속 부위의 양을 측정한다.
  2. 포스 포의 농축을위한 모세관 모 놀리 식 열에 FeBTC MOPH의 성장
    1. 주사기 펌프를 이용. 2 μL / 분으로 15 분 동안 2 mM의 에탄올 중의 FeCl3 · 6H 2 O와 모세관 모노리스 플러시. 2 μL / 분에서 15 분 동안 에탄올로 씻으십시오. 2 μL / 분에서 15 분간 에탄올에서 2 mM의 BTC와 모세관 모노리스 플러시. 2 μL / 분에서 15 분 동안 에탄올로 씻으십시오.
    2. 필요에 따라 1 단계를 반복합니다. 최종 금속 - 유기 피막의 성장이 수행 사이클의 수에 의해 정의 될 뿐이다.

3. 단백질 소화와 E포스 포의 nrichment

  1. 단백질 소화
    1. 물 1 ㎖에 무 지방 우유 0.5 ㎖에 용해시키고, 200 μL 분획으로 나눈다.
    2. 단백질 소화 이황화 결합을 절단하기 위해, 각각의 분획을 160 ㎕의 1 M 중탄산 암모늄 및 50 ㎕의 45 mM의 디티 오 트레이 톨을 추가한다. 15 분 동안 써모에서 50 ° C에서 인큐베이션.
    3. 용액 내려 실온으로 냉각하면서, 요오도 아세트 아미드 100 mM이 수용액 서서히 50 μl를 추가. 요오도 아세트 아미드는 새로운 이황화 결합의 형성을 방지한다.
    4. 실온에서 15 분 동안 어두운 데에서 인큐베이션. 탈 이온수 1 ML을 추가합니다. 14 시간 동안 37 ℃에서 써모에서 단백질을 2 μg의 트립신을 추가하고 소화.
    5. 1 % 트리 플루오로 아세트산 10 μL로 산성화하여 소화를 종료하고, 실온에서 5 분 동안 써모에 배치. 소화 단백질에 보관 -20 ° C.
  2. 모세관 MOPH 열을 사용하는 포스 포의 농축.
    1. 1 μL / 분의 유속에서 10 분 동안 0.1 % 트리 플루오로 아세트산 함유 아세토 니트릴의 1 : 1 혼합물 100 ㎕ 4와 칼럼 플러시. 30 분 / 2 μL에서 분 칼럼을 통해 단백질 소화 펌프.
    2. 1 μL / 분의 유속에서 10 분 동안 0.1 % 트리 플루오로 아세트산 함유 아세토 니트릴의 혼합물을 1 : 4로 다시 인산화되지 않은 펩티드를 세척 할 것. 1 μL / 분의 유속으로 10 분 동안 물로 세척한다.
    3. 15 분 동안 1 μL / 분으로 펌핑 된 250 mM의 pH가 7 인산염 완충액을 사용하여 용출 포스 포. 유리 병에 용리액을 수집하고 표준 프로토콜 19을 사용하여 솔루션을 탈염. 매트릭스 보조 레이저 탈착 / 이온화 비행 시간 형 질량 분석계 (MALDI-TOF-MS)에 대한 매트릭스로서 사용하는 2 ㎎ / ㎖ 2,5- 디 히드 록시 벤조산을 준비한다. phosphope을 용출하는 팁에 2,5- 디 히드 록시 벤조산의 2 μl를 그린ptides는 MALDI 판에 직접 자리합니다.
    4. MALDI-TOF-MS에 의해 명소를 분석하고 물과 메탄올로 충분히 세척하여 열을 생성합니다.

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결과

유기 고분자 모노리스의 기공 표면에 PCP 성장의 개략도는도 1에 도시된다.이 도면에서, 우리는 예시 초기의 Fe (III) 원자 복실 작용기에 배위 원래 중합체 모노리스의 기공 표면에 보유 . 프로토콜을 사용하는 것은 본원에 추가로 유기 리간드와 설명의 Fe (III) 이온이 중합체 모노리스 내의 다공질 코디 네트워크를 성형 표면에 첨가된다. 또한 개략적위한 관류 지지체로서 준비한 모세관 MOPH 칼럼의 사용을 도시 한 도표 포스 포의 농축. 표면적 및 세공 분포 측정을, 주사 전자 현미경 이미지 (SEM)은, FT-IR 및 TGA가 준비된 재료 (도 2)를 위해 수집 하였다. 이러한 특성화 실험 FeBTC PCP (도 2a)의 성장 후 새로운 모공에 대한 중요한 정보를 제공 하였다. 모FeBTC PCP 변성 후의 재료의 rphology는도 2b에 도시된다. 결정의 시뮬레이션...

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토론

원래 고분자 모노리스는 금속에 결합 할 수 카르 복실 작용기를 포함하고 있습니다. 원래 소재에 초기 금속 자리 코디 우리 미다 네트워크 정형 추가적인 금속 자리의 숫자를 통합 PCP 코팅 (도 1a)을 성장할 수있다. 이것은 고정 된 금속 이온 친 화성 크로마토 그래피 (IMAC) 기술과 같은 금속의 종 관련된 추출 또는 정제 과정, 매력적인 제시된 MOPH 재료를 만든다. 포스 포의 농축 용 캐 필러 리 컬럼을 사용하여 일반 절차는도 1b에 도시되어있다.

벌크 분말 모노리스의 제조는 모 놀리 식 재료 원과의 대응의 변형 특성 활성화. 우리는 보여 77 K (그림 2A)에서 N이 흡수 등온선을 측정하는 30 PCP주기 크게 O 낮은 P의 /의 P에서 N (2) 흡수 후재료의 새로운 미세 공의 존재를 나타내는, 증가. 원래 모노리...

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공개 사항

저자는 공개할 것이 없습니다.

감사의 글

이 작업은 로렌스 버클리 국립 연구소의 분자 주조소에서 수행되었으며 계약 번호에 따라 미국 에너지부 과학 사용자 시설 부서, 기초 에너지 과학 사무소, 과학 사용자 시설 부서의 지원을 받았습니다. DE-AC02–05CH11231입니다. ME-Fulbright 펠로우십의 F.M.과 파키스탄 고등교육위원회의 A.S.에 대한 재정적 지원에 감사드립니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
폴리이미드 코팅 모세관Polymicro TechnologiesTSP100375100 μ M 신분증
3-(트리메톡시실릴)프로필 메타크릴레이트, 98%시그마-알드리치440159
스티렌, 99%그마-알드리치W323306기술 등급
디비닐벤젠, 80%시그마-알드리치414565
메타크릴산, 98%MallinckrodtMK150659
톨루엔, ≥ 99.5%EMD 화학 물질MTX0735-6
이소옥탄, ≥ 99.5%그마-알드리치650439
2,2'-아조비시소부티로니트릴, 98%시그마-알드리치441090
산화알루미늄(염기성 알루미나)시그마-알드리치199443
(III) 염화물 육수화물, 97%시그마-알드리치
1,3,5-벤젠트리카르복실산, 95%시그마-알드리치482749
아세토니트릴, ≥ 99.5%시그마-알드리치360457
중탄산암모늄, ≥ 99.5%시그마-알드리치9830
트리플루오로아세트산, ≥ 99 %시그마 - 알드리치302031
에탄올, ≥ 99.8%시그마-알드리치2854
요오드아세트아미드, ≥ 99%시그마-알드리치I1149
디티오트레이톨, ≥ 99%Sigma-Aldrich43819
일염기성 인산나트륨 이수화물, ≥ 99%Sigma-Aldrich71505
이염기성 인산나트륨 이수화물, ≥ 99 %시그마 - 알드리치71643
인산, ≥ 85 %시그마 - 알드리치438081
2,5- 디 히드 록시 벤조산, ≥ 99%Sigma-Aldrich85707
TrypsinSigma-AldrichT8003소 췌장
&베타;-caseinSigma-AldrichC6905소 우유
ZipTip 피펫 팁 MerckMilliporeZTC18S096C18 수지
시시철 236489

참고문헌

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