Przedstawiono procedurę przygotowania porowatych hybrydowych mediów separacyjnych składających się z makroporowatego monolitu polimerowego wewnętrznie pokrytego mikroporowatym polimerem koordynacyjnym o dużej powierzchni.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Przedstawiono procedurę przygotowania porowatych hybrydowych mediów separacyjnych składających się z makroporowatego monolitu polimerowego wewnętrznie pokrytego mikroporowatym polimerem koordynacyjnym o dużej powierzchni.
Opisujemy protokół przygotowania materiałów hybrydowych opartych na wysoce porowatych koordynacyjnych powłokach polimerowych na wewnętrznej powierzchni makroporowatych monolitów polimerowych. Opracowane podejście opiera się na przygotowaniu makroporowatego polimeru zawierającego grupy funkcyjne kwasu karboksylowego, a następnie na kontrolowanym wzroście warstwy porowatego polimeru koordynacyjnego na powierzchni porów monolitu polimerowego w oparciu o roztwór, krok po kroku. Przygotowana hybryda polimeru metaloorganicznego ma wysoką powierzchnię właściwą mikroporów. Ilość miejsc żelaza(III) jest zwiększona poprzez koordynację metaloorganiczną na powierzchni porów funkcjonalnego nośnika polimerowego. Wzrost miejsc metalowych jest związany z liczbą iteracji procesu powlekania.
Opracowany schemat przygotowania można łatwo dostosować do formatu kolumny kapilarnej. Funkcjonalny porowaty polimer jest przygotowywany jako samodzielny, jednoblokowy, porowaty monolit w kapilarze, co daje przepływowe urządzenie separacyjne o doskonałej przepuszczalności przepływu i umiarkowanym przeciwciśnieniu. Hybrydowa kolumna metaloorganiczno-polimerowa wykazała się doskonałymi wynikami we wzbogacaniu fosfopeptydów z trawionych białek i ich późniejszym wykrywaniu za pomocą spektrometrii mas czasu przelotu z desorpcją/jonizacją laserową wspomaganą matrycą. Przedstawiony protokół eksperymentalny jest bardzo wszechstronny i można go łatwo wdrożyć do różnych organicznych nośników i powłok polimerowych z mnóstwem porowatych polimerów koordynacyjnych i struktur metaloorganicznych do wielu zastosowań związanych z oczyszczaniem i/lub separacją.
Porowate polimery koordynacyjne (PCP) to związki koordynacyjne oparte na centrach metali połączonych organicznymi ligandami z powtarzającymi się jednostkami koordynacyjnymi rozciągającymi się w 1, 2 lub 3 wymiarach, które mogą być amorficzne lub krystaliczne1-3. W ostatnich latach ta klasa materiałów porowatych przyciągnęła powszechną uwagę ze względu na ich wysoką porowatość, szeroką zdolność przestrajania chemicznego i stabilność. PCP były badane pod kątem szeregu zastosowań, w tym magazynowania gazu, separacji gazów i katalizy3-6, a bardzo niedawno opisano pierwsze zastosowania analityczne PCP7.
Ze względu na ich zwiększoną funkcjonalność chemiczną i wysoką porowatość, PCP były celem ataków ze względu na ich ogromny potencjał do poprawy procesów oczyszczania i separacji chromatograficznej, a wiele raportów na ten temat zostało opublikowanych7-13. Jednak wydajność PCP nie jest obecnie na równoważnym poziomie z istniejącymi materiałami chromatograficznymi, prawdopodobnie ze względu na szybką dyfuzję przez duże puste przestrzenie międzycząsteczkowe w upakowanych złożach tych ciał stałych ze względu na ich typowo nieregularne kształty morfologii ich cząstek lub kryształów. To nieregularnie rozmieszczone uszczeliwie prowadzi do niższej niż oczekiwano wydajności, a także do wysokiego ciśnienia wstecznego kolumny i niepożądanej morfologii kształtu piku14,15.
Aby rozwiązać problem szybkiej dyfuzji przez puste przestrzenie między cząstkami i jednocześnie zwiększyć wydajność PCP do zastosowań analitycznych, pożądane byłoby opracowanie hybrydowego materiału opartego na makroporowatym monolicie polimerowym16, który zawiera PCP na powierzchni makroporów. Monolity polimerowe są samodzielnymi, jednoczęściowymi materiałami, które mogą utrzymywać przepływ konwekcyjny przez swoje pory, co czyni je jedną z najbardziej wydajnych alternatyw dla uszczelnień perełkowych i zostały z powodzeniem skomercjalizowane przez kilka firm17,18. Porowate monolity polimerowe są zwykle oparte na polimeryzacji monomeru i środka sieciującego w obecności porogenów, które są zazwyczaj dwuskładnikowymi mieszaninami rozpuszczalników organicznych. Otrzymane materiały monolityczne mają strukturę mikroglobularną oraz wysoką porowatość i przepuszczalność płynięcia.
Proste podejście do ujednolicenia tych materiałów w celu przygotowania monolitu polimerowego zawierającego PCP opiera się na bezpośrednim dodawaniu zsyntetyzowanych PCP do mieszaniny polimeryzacyjnej monolitu. Podejście to spowodowało, że PCP były w większości zakopane w rusztowaniu polimerowym i nie były aktywne dla dalszego stosowania materiału końcowego14,15. Z pewnością potrzebne jest inne podejście do syntezy, aby na przykład opracować jednolite warstwy PCP lub krystalicznych struktur metaloorganicznych (MOF), w których większość porów zawartych w krysztale jest dostępna z makroporów monolitu polimerowego.
Tutaj przedstawiamy prosty protokół przygotowania hybrydowego materiału metaloorganicznego polimeru (MOPH) opartego na makroporowatym nośniku polimerowym z odpowiednimi grupami funkcyjnymi do mocowania PCP, który można łatwo wdrożyć jako samodzielny jednoczęściowy monolit polimerowy w formacie kolumnowym o optymalnych właściwościach do zastosowań przepływowych. Po procedurze syntezy polimerów stosuje się prostą metodę opartą na roztworze w temperaturze pokojowej w celu wyhodowania powłoki PCP na wewnętrznej powierzchni porów monolitu19-20. Jako pierwszy przykład opisujemy przygotowanie koordynacyjnej warstwy polimerowej żelaza(III)benzenotrikarboksylanu (FeBTC) w makroporowatym monolicie z poli(styrenu-diwinylobenzenu-metakrylowego) monolitu. Metoda ta jest skuteczna w przypadku przygotowywania proszków luzem, a także kolumn kapilarnych, a opisany protokół można łatwo wdrożyć w innych PCP. Jako przykład potencjału MOPH jako materiałów funkcjonalnych do zastosowań przepływowych, zastosowaliśmy opracowany FeBTC MOPH, który zawiera gęstą powłokę centrów Fe(III) w celu wzbogacenia fosfopeptydów z trawionych mieszanin białkowych, wykorzystując powinowactwo wiązania fosfopeptydów do Fe(III). Opracowany protokół21 składa się z trzech głównych części: Przygotowanie podłoża z makroporowatego monolitu z polimeru organicznego; wzrost powłoki PCP na powierzchni porów monolitu; zastosowanie do wzbogacania fosfopeptydów.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
UWAGA: Zanim zaczniesz, sprawdź wszystkie odpowiednie karty charakterystyki materiałów (MSDS). Kilka substancji chemicznych stosowanych w procedurach syntezy i aplikacji jest toksycznych. Prosimy o przestrzeganie wszystkich odpowiednich praktyk bezpieczeństwa i stosowanie odpowiedniego sprzętu ochronnego (fartuch laboratoryjny, spodnie na całej długości, buty z zakrytymi palcami, okulary ochronne, rękawice). Podczas pracy z ciekłym azotem do pomiarów adsorpcji azotu należy używać wszystkich kriogenicznych środków ochrony osobistej (rękawice izolowane, osłona twarzy).
1. Preparat monolitu z porowatego polimeru w formacie zbiorczym i kapilarnym
2. Wzrost PCP żelaza-benzenotrykarboksylanu (FeBTC)
3. Trawienie białek i wzbogacanie fosfopeptydów
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Schematyczny rysunek wzrostu PCP na powierzchni porów organicznego monolitu polimerowego przedstawiono na Rysunku 1. Na tym rysunku zilustrowano początkowe atomy Fe(III) zatrzymane na powierzchni porów pierwotnego monolitu polimerowego, skoordynowane z grupami funkcyjnymi karboksylowymi. Stosując opisany w niniejszym protokole sposób, na powierzchnię dodawane są dodatkowe ligandy organiczne i jony Fe(III), co prowadzi do uformowania porowatej sieci koordynacyjnej wewnątrz monolitu polimerowego. R...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oryginalny monolit polimerowy zawiera karboksylowe grupy funkcyjne zdolne do wiązania się z metalami. Koordynując początkowe miejsca metalu na oryginalnym materiale, jesteśmy w stanie wyhodować powłokę PCP (rysunek 1A), obejmującą szereg dodatkowych miejsc metalowych kształtujących mikroporowatą sieć. To sprawia, że prezentowane materiały MOPH są atrakcyjne do procedur ekstrakcji lub oczyszczania, w których zaangażowane są związki metaliczne, takich jak technika immobilizowanej chromatografii powinowactw...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Ta praca została wykonana w Molecular Foundry, Lawrence Berkeley National Laboratory i wspierana przez Biuro Nauki, Biuro Podstawowych Nauk Energetycznych, Wydział Obiektów Naukowych Użytkowników Departamentu Energii USA, na podstawie Kontraktu Nr. DE-AC02–05CH11231. Z wdzięcznością dziękujemy za wsparcie finansowe F.M. w postaci stypendium ME-Fulbright oraz A.S. przez Wyższą Komisję Szkolnictwa Wyższego Pakistanu.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Kapilary powlekane poliimidem | Polymicro Technologies | TSP100375 | 100 μ m i.d. |
| Metakrylan 3-(trimetoksysililo)propylu, 98% | Sigma-Aldrich | 440159 | |
| styren, 99% | Sigma-Aldrich | W323306 | Klasa techniczna |
| Diwinylobenzen, 80% | Sigma-Aldrich | 414565 | |
| Kwas metakrylowy, 98% | Mallinckrodt | MK150659 | |
| Toluen, ≥ 99,5% | Chemikalia EMD | MTX0735-6 | |
| Izooktan, ≥ 99,5% | Sigma-Aldrich | 650439 | |
| 2,2'-azobisisobutyronitryl, 98% | Sigma-Aldrich | 441090 | |
| Tlenek glinu (tlenek glinu zasadowy) | Sigma-Aldrich | 199443 | |
| sześciowodny chlorek żelaza (III), 97% | Kwas | ||
| , 95% | Sigma-Aldrich | 482749 | |
| Acetonitryl, ≥ 99,5% | Sigma-Aldrich | 360457 | |
| Wodorowęglan amonu, ≥ 99,5% | Sigma-Aldrich | 9830 | |
| Kwas trifluorooctowy, ≥ 99% | Sigma-Aldrich | 302031 | |
| Etanol, ≥ 99,8% | Sigma-Aldrich | 2854 | |
| Jodoacetamid, ≥ 99% | Sigma-Aldrich | I1149 | |
| Ditiothreitol, ≥ 99% | Sigma-Aldrich | 43819 | |
| Jednozasadowy fosforan sodu dwuwodny, ≥ 99% | Sigma-Aldrich | 71505 | |
| Dwuzasadowy fosforan sodu dwuwodny, ≥ 99% | Sigma-Aldrich | 71643 | |
| Kwas fosforowy, ≥ 85% | Sigma-Aldrich | 438081 | |
| kwas 2,5-dihydroksybenzoesowy, ≥ 99% | Sigma-Aldrich | 85707 | |
| Trypsyna | Sigma-Aldrich | T8003 | Trzustka bydlęca |
| i beta-kazeina | Sigma-Aldrich | C6905 | Mleko bydlęce |
| Końcówki do pipet ZipTip | Merck Millipore | ZTC18S096 | C18 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.