CN104056608A - 一种温度开关硼酸亲和色谱材料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种温度开关硼酸亲和色谱材料及其制备方法与应用 Download PDF

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CN104056608A CN201410261984.9A CN201410261984A CN104056608A CN 104056608 A CN104056608 A CN 104056608A CN 201410261984 A CN201410261984 A CN 201410261984A CN 104056608 A CN104056608 A CN 104056608A
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戴荣继
梁艳丽
耿芳芳
刘宗建
邓玉林
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吕芳
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Abstract

本发明公开了一种温度开关硼酸亲和色谱材料及其制备方法与应用。所述温度开关硼酸亲和色谱材料的结构式如式Ⅰ所示,式Ⅰ中,表示依次经氨基和2-溴异丁基酰溴修饰的硅胶;R1为-H或-CH3;R2n为1~8之间的自然数;R3和R4均为C1-C8的直链烷基;R’1为-H或-CH3,R’2为NR、O或S,其中R为-H或C1-C8的直链烷基;x+y+z=1,且x为0.1~0.98之间的数,y为0~0.4之间的数,z为0~0.4之间的数,y和z不同时为零。本发明引入了新型硼酸单体CH2R’1COR’2PhB(OH)2,由于单体CH2R’1COR’2PhB(OH)2与CH2CHPhB(OH)2相比,具有较多的亲水性集团以及吸电子集团,所以能使色谱流动相的pH值降低。本发明制备的温度开关硼酸亲和色谱材料,具有对顺式二醇类化合物的特异性捕获与释放的性能,且需要较小的pH值,因此,本发明亲和色谱材料可用作亲和色谱的固定相。

Description

一种温度开关硼酸亲和色谱材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种温度开关硼酸亲和色谱材料及其制备方法与应用,属于功能性色谱材料及其应用领域。
背景技术
硼酸亲和色谱可以特异性亲和顺式二醇类结构物质,如碳水化合物、核苷、核苷酸、RNA、糖肽、糖蛋白等,因此在蛋白质组学、代谢组学、RNA研究方面都起着极大的作用。但是,它的不足之处是目标分子需要高pH才能捕获且被捕获之后不容易释放,需要通过改变流动相极性或降低pH来实现,给生物大分子的活性保持造成不良影响,而且,切换流动相后,色谱柱的平衡一般需要较长的时间才能完成,造成释放速率较慢,成本较高。可通过引入温度敏感材料来改善上述不足。温度敏感材料是近些年的研究热点,其最大优点在于可以通过改变温度来调节固定相与分离对象之间的作用力,从而实现目标分子的捕获与释放。因此,需要提供一种以温度作为信号调控目标分子捕获释放的硼酸亲和色谱材料,即“温度开关”硼酸亲和色谱材料,可以通过温度信号的切换,迅速改变固定相表面性能,实现目标分子的捕获和快速释放。
发明内容
本发明的目的是提供一种温度开关硼酸亲和色谱材料及其制备方法与应用,本发明通过在现有亲和色谱材料中引入CH2CR1COOR2NR3R4以及新型硼酸单体CH2R’1COR’2PhB(OH)2,所制备得到的亲和色谱材料具有“温度开关”的功能,能对顺式二醇类化合物进行特异性捕获与释放,因此,本发明亲和色谱材料作为固定相时,在温和的条件下只需温度控制即能实现对顺式二醇类化合物的捕获与释放。
本发明所提供的温度开关硼酸亲和色谱材料,其结构式如式Ⅰ所示,
式Ⅰ中,表示依次经氨基和2-溴异丁基酰溴修饰的硅胶;
R1为-H或-CH3;R2n为1~8之间的自然数,如为2;R3和R4均为C1-C8的直链烷基,如C1;R’1为-H或-CH3,R’2为NR、O或S,其中R为-H或C1-C8的直链烷基;
x+y+z=1,且x为0.1~0.98之间的数,y为0~0.4之间的数,z为0~0.4之间的数,y和z不同时为零。
本发明所提供的亲和色谱材料中,表示依次经含有氨基的有机硅烷和2-溴异丁基酰溴修饰的硅胶,即在硅胶表面依次连接含有氨基的有机硅烷和2-溴异丁酰溴得到的;
上述步骤中的“修饰”依次指的是:在惰性气氛下,所述硅胶与含有氨基的有机硅烷进行反应;在惰性气氛下,上步得到的产物与2-溴异丁酰溴进行反应。
本发明所提供的亲和色谱材料中,具体表示依次经3-氨丙基三乙氧基硅烷和2-溴异丁基酰溴修饰的硅胶;
上述步骤中的“修饰”依次指的是:在惰性气氛下,所述硅胶与所述3-氨丙基三乙氧基硅烷进行反应;在惰性气氛下,上步得到的产物与2-溴异丁酰溴进行反应。
本发明所提供的亲和色谱材料具体为下述式Ⅱ或式Ⅲ所示化合物,
式Ⅱ中,x+y=1,且x为0.1~0.98之间的数,y为0~0.4之间的数,但y不等于零,具体可为:x为0.9,y为0.1;
式Ⅲ中,x+y+z=1,且x为0.1~0.98之间的数,y为0~0.4之间的数,z为0~0.4之间的数,但y和z均不等于零,具体可为:x为0.83,y为0.085,z为0.085。
本发明进一步提供了所述温度开关硼酸亲和色谱材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)在惰性气氛下,硅胶与含有氨基的有机硅烷进行反应,得到氨基化的硅胶;
(2)在惰性气氛下,所述氨基化的硅胶与2-溴异丁酰溴进行反应,得到2-溴异丁酰溴修饰的硅胶;
(3)在惰性气氛下,在五甲基二乙烯三胺和氯化亚铜的催化下,所述2-溴异丁酰溴修饰的硅胶与单体进行反应,即得所述温度开关硼酸亲和色谱材料;
所述单体为N-异丙基丙烯酰胺与单体Ⅰ和单体Ⅱ中至少一种的混合物;
所述反应的溶剂为异丙醇与水的混合溶剂;
所述单体Ⅰ的化学式为CH2CR1COOR2NR3R4,其中,R1为-H或-CH3;R2n为1~8之间的自然数,如为2;R3和R4均为C1-C8的直链烷基,如为C1
所述单体Ⅱ的化学式为CH2R’1COR’2PhB(OH)2,其中,R’1为-H或-CH3,R’2为NR、O或S,其中R为-H或C1-C8的直链烷基。
上述的制备方法中,步骤(1)中,所述含有氨基的有机硅烷为3-氨丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-氨乙基三甲氧基硅烷、3-氨乙基三乙氧基硅烷、3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、4-氨基丁基三乙氧基硅烷、苯氨基三甲氧基硅烷、N-(β-氨乙基-γ-氨丙基)三甲氧基硅烷、二乙烯基三氨基丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷和己二胺基甲基三乙氧基硅烷中至少一种;
所述反应的温度可为-20℃~150℃,所述反应的时间可为3小时~24小时,如在90℃下反应12小时。
步骤(2)中,所述反应的温度可为-20℃~76℃,所述反应的时间可为0.5小时~24小时,如在0℃下反应1 h,然后在25℃下继续反应12h。
步骤(3)中,所述反应的温度可为-20℃~97℃,所述反应的时间可为0.5小时~24小时,如在25℃下反应12小时;
所述N-异丙基丙烯酰胺、所述单体Ⅰ和所述单体Ⅱ的用量为:1g所述硅胶需要添加0.1g~10g所述N-异丙基丙烯酰胺、0.005g~8.41g所述单体Ⅰ和0.0038g~6.33g所述单体Ⅱ,具体可为:1g所述硅胶需要添加4.33g所述N-异丙基丙烯酰胺、0.73g所述单体Ⅰ和0.32g所述单体Ⅱ。
本发明提供的温度开关硼酸亲和色谱材料可用作亲和色谱的固定相。
本发明提供的温度开关硼酸亲和色谱材料用作亲和色谱的固定相时,可用于捕获与释放顺式二醇类化合物,如为腺苷或糖肽。
本发明提供的温度开关硼酸亲和色谱材料用于具体可在温度为5℃~70℃、pH值为3.0~10.0的条件下对所述顺式二醇类化合物进行捕获。
本发明提供的温度开关硼酸亲和色谱材料具体可在温度为5℃~70℃、pH值为3.0~10.0的条件下对所述顺式二醇类化合物进行释放,对同一化合物进行捕获后,再进行释放时,需要调整温度或者pH值。
本发明具有如下优点:
1、本发明引入了新型硼酸单体CH2R’1COR’2PhB(OH)2,由于单体 CH2R’1COR’2PhB(OH)2与CH2CHPhB(OH)2相比,具有较多的亲水性集团以及吸电子集团,所以能使色谱流动相的pH值降低。
2、本发明引入了一种新型的单体CH2CR1COOR2NR3R4,其中分子中的N能与硼酸分子形成B-N配位作用,形成了稳定硼酸捕获目标分子时所需要的四面体结构,进而能够降低流动相捕获目标分子所需的pH值。
3、本发明制备的温度开关硼酸亲和色谱材料,具有对顺式二醇类化合物的特异性捕获与释放的性能,且需要较小的pH值,因此,本发明亲和色谱材料可用作亲和色谱的固定相。
附图说明
图1为实施例1和实施例2制备的亲和色谱材料中接枝上的聚合物的红外表征图谱。
图2为氨基修饰的硅胶、2-溴异丁基酰溴修饰的硅胶、实施例1和实施例2制备的亲和色谱材料的红外表征图谱。
图3为氨基修饰的硅胶、2-溴异丁基酰溴修饰的硅胶、实施例1和实施例2制备的亲和色谱材料的热重图谱,其中图3(A)中由上之下依次为氨基修饰的硅胶、2-溴异丁基酰基修饰的硅胶和实施例2制备的亲和色谱材料的热重图谱;其中图3(B)中由上之下依次为氨基修饰的硅胶、2-溴异丁基酰溴修饰的硅胶和实施例1制备的亲和色谱材料的热重图谱。
图4为实施例2制备的亲和色谱材料在不同pH条件下对腺苷的保留行为液相色谱图,其中,峰1为脱氧腺苷,峰2为腺苷;图4(a)、图4(b)和图4(c)分别为在pH值为9.0、8.5和8.0的条件下对腺苷的保留行为液相色谱图。
图5为实施例1制备的亲和色谱材料在不同pH条件下对腺苷的保留行为液相色谱图,其中,峰1为脱氧腺苷,峰2为腺苷;图5(a)、图5(b)、图5(c)、图5(d)、图5(e)和图5(f)分别为在pH值为9.0、8.5、8.0、7.4、6.0和7.0(水)的条件下对腺苷的保留行为液相色谱图。
图6为实施例1制备的亲和色谱材料对腺苷的富集图谱,其中,峰1为脱氧腺苷,峰2为腺苷,图6(a)、图6(b)和图6(c)分别为在pH值为9.0、7.4和7.0的条件下对腺苷的富集图谱。
图7为实施例1制备的亲和色谱材料对糖肽的富集图,其中,峰3为非糖肽,峰4为糖肽。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明,均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等,如无特殊说明,均可从商业途径得到。
实施例1、制备亲和色谱材料(Silica(NIPAAm-co-DMAEMA-co-AAPBA))
(1)氨基化硅胶的制备(SilicaNH2)
将硅胶放入用稀盐酸(pH=1.0)中于25℃下搅拌活化8h后,离心,用蒸馏水反复洗涤硅胶至中性,于110℃干燥。将活化后的硅胶加入干燥甲苯中,冰浴中搅拌,抽真空,充氮气,反复4次。然后加入3-氨丙基三乙氧基硅烷(3-APTES;10 mL,42.5mmol),90℃下反应12h。应完毕后,离心分离,依次用甲苯和甲醇洗涤硅胶各3次,80℃下10mm汞柱真空干燥,得到氨基修饰的硅胶,标记为SilicaNH2,其红外谱图如图2所示,其热重图谱如图3所示。
取3mg上述制备的SilicaNH2加入至蒸馏水中,再加入3mg水合茚三酮,充分振荡,片刻后呈现蓝紫色,证明氨基化反应成功。
(2)2-溴异丁酰溴修饰硅胶的制备(SilicaBr)
将上述氨基化硅胶(1.0g)加入20mL干燥的四氢呋喃(THF)中,加入0.4mL干燥的三乙胺(TEA),然后逐滴加入25μL2-溴异丁酰溴、0.141μL乙酰氯,冰浴条件下,抽真空,充N2,反复3次。0℃下反应1h,然后常温下继续反应12h。反应结束后,离心分离,分别用THF洗3遍,乙醇洗2遍,蒸馏水洗2遍,丙酮洗3遍,室温下真空干燥12h,制得2-溴异丁酰溴修饰的硅胶,标记为SilicaBr。其红外谱图如图2所示,其热重图谱如图3所示。
取3mg上述制备的SilicaBr加入至水中,再加入3mg水合茚三酮,充分震荡,静置,没有蓝紫色出现,证明氨基硅胶表面的氨基完全反应。
(3)亲和色谱材料(Silica(NIPAAm-co-DMAEMA-co-AAPBA))的制备
将上述制备的SilicaBr(0.25g)、N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)(1.0825g)、五甲基二乙烯三胺(PMDETA)(76μL)、甲基丙烯二甲胺基乙酯(DMAEMA)(81μL)和3-丙烯酰胺基苯硼酸(AAPBA,0.1827g)加入到异丙醇和水(10mL;85/15(17/3))组成的混合溶剂中,冰浴条件下,负10mm汞柱真空度抽真空,充N2,反复3次,除净装置中的氧气。在N2保护下加入CuCl(28mg),25℃下在N2保护下反应12 h。反应结束后离心,分别用蒸馏水、50mM EDTA·2Na溶液、蒸馏水和乙醇反复洗涤,最后在60℃下真空干燥6h,得到亲和色谱材料(Silica(NIPAAm-co-DMAEMA-co-AAPBA)),其结构式如式Ⅲ所示,式Ⅲ中,x=0.83,y=0.085,z=0.085,其红外谱图如图2所示。
本实施例制备的亲和色谱材料的热重图谱如图3(A)所示,由该图失重率可以得 知该聚合物接枝成功并且接枝率为24.5%。
步骤(3)中接枝上的聚合物(P(NIPAAm-co-DMAEMA-co-AAPBA))的红外谱图如图1所示,由该图可以看出在1640-1、1553-1处出现特征峰。1657 cm-1和1550 cm-1附近,前者为C=O伸缩振动峰(酰胺Ι带),后者对应N-H的弯曲振动(酰胺II带)。在1529 cm-1附近出现硼酸单体中苯环的骨架振动,在3027cm-1和3080 cm-1附近出现苯环的C-H振动,由红外光谱结果可以初步推断各种温度敏感硼酸聚合物聚合成功。
将本实施例制备的亲和色谱材料Silica(NIPAAm-co-DMAEMA-co-AAPBA)装填于亲和色谱柱中作为固定相,下面测试该亲和色谱材料在10℃~50℃范围内对腺苷和脱氧腺苷的色谱保留性能。
腺苷的结构式如式a所示,可以看出,其中含有顺式二羟基结构,作为目标分子;脱氧腺苷的结构式如式b所示,可以看出,其中不包含顺式二羟基结构,用于对照试验。
检测条件为:流动相为10mM HEPES缓冲液,流动相pH用NaOH调至所需值,检测波长为260nm,测定不同温度及不同pH下色谱柱对腺苷和脱氧腺苷的保留效果,如图5所示。
由图5(e)可以看出,当pH为6.0时,10℃的条件下,该固定相就可以实现对腺苷的完全保留。由此可以推知,利用本发明提供的亲和色谱材料有可能在生理pH条件下实现对糖蛋白或糖肽的捕获,然后通过改变温度实现其富集,从而不会造成对糖蛋白性能及构相的损害。
如图6所示,当在10℃多次进样,每次进样量相同,脱氧腺苷每次都被直接洗脱下来,而腺苷则被完全保留,五次进样之后,升高温度,所有被捕获的腺苷同时释放,实现了一个富集。由图6可以得知,该固定相可在pH7.4的条件下对腺苷进行特异性保留富集,回收率为98.9%。
葡萄糖孵育的HSA用胰蛋白酶进行酶切后,用本实施例制备的亲和色谱材料SilicaP(NIPAAm-co-DMAEMA-co-AAPBA)装填的色谱柱进行分析,检测条件为:流动相为10mM HEPES缓冲液,流动相pH用NaOH调至7.4,检测波长为280nm,测 定温度为10℃和50℃。
测试结果如图7所示,由该图可以看出,高温时所有肽段不保留,而温度为10℃时,非糖肽洗脱下来,糖肽被捕获,当温度升高到50℃时,被保留的糖肽被洗脱下来,实现了特异性的分离富集。
实施例2、制备亲和色谱材料(Silica(NIPAAm-co-AAPBA))
(1)氨基化硅胶的制备(SilicaNH2)
制备方法同实施例1中的步骤(1)。
(2)2-溴异丁酰溴修饰硅胶的制备(SilicaBr)
制备方法同实施例1中的步骤(2)。
(3)亲和色谱材料(Silica(NIPAAm-co-AAPBA))的制备
将上述制备的SilicaBr(0.25g)、N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)(1.0825g)、五甲基二乙烯三胺(PMDETA)(76μL)和3-丙烯酰胺基苯硼酸(0.1151g,AAPBA)加入到异丙醇和水(10mL;85/15(7/3))组成的混合溶剂中,冰浴条件下,抽真空至真空度为负10mm汞柱以下,充N2,反复3次,除净装置中的氧气。在N2保护下加入CuCl(28mg),25℃下在N2保护下反应12h。反应结束后离心,分别用蒸馏水、50mM EDTA·2Na溶液,蒸馏水和乙醇反复洗涤,最后在60℃下真空干燥6h,得到亲和色谱材料Silica(NIPAAm-co-AAPBA)),其结构式如式Ⅱ所示,式Ⅱ中,x=0.9,y=0.1,其红外谱图如图2所示。
本实施例制备的亲和材料的热重图谱如图3(B)所示,由该图失重率可以得知该聚合物接枝成功并且接枝率为19.0%。
步骤(3)中接枝上的聚合物(P(NIPAAm-co-AAPBA))的红外谱图如图1所示,由该图可以看出,657cm-1和1550cm-1附近,前者为C=O伸缩振动峰(酰胺Ι带),后者对应N-H的弯曲振动(酰胺II带)。在1529cm-1附近出现硼酸单体中苯环的骨架振动,在3027cm-1和3080cm-1附近出现苯环的C-H振动,由红外光谱结果可以初步推断各种温度敏感硼酸聚合物聚合成功。
将本实施例制备的亲和色谱材料Silica(NIPAAm-co-AAPBA)装填于亲和色谱柱中作为固定相,下面测试该亲和色谱材料在10℃~50℃范围内对腺苷和脱氧腺苷的色谱保留性能。
检测条件同实施例1中,检测结果如图4所示。
由图4可以看出,本实施例制备的亲和色谱材料SilicaP(NIPAAm-co-AAPBA)作为固定相时,流动相的pH为8.5时就能够捕获目标分子。与现有的亲和色谱材料相比,流动相的pH降低了近1.3个单位,从而证明了本发明通过在结构中接入较小pKa的硼酸配基能够降低流动相的pH。

Claims (10)

1.一种温度开关硼酸亲和色谱材料,其结构式如式Ⅰ所示,
式Ⅰ中,表示依次经氨基和2-溴异丁基酰溴修饰的硅胶;
R1为-H或-CH3;R2n为1~8之间的自然数;R3和R4均为C1-C8的直链烷基;R’1为-H或-CH3,R’2为NR、O或S,其中R为-H或C1-C8的直链烷基;
x+y+z=1,且x为0.1~0.98之间的数,y为0~0.4之间的数,z为0~0.4之间的数,y和z不同时为零。
2.根据权利要求1所述的亲和色谱材料,其特征在于:所述亲和色谱材料为下述式Ⅱ或式Ⅲ所示化合物,
式Ⅱ中,x+y=1,且x为0.1~0.98之间的数,y为0~0.4之间的数,但y不等于零;
式Ⅲ中,x+y+z=1,且x为0.1~0.98之间的数,y为0~0.4之间的数,z为0~0.4之间的数,但y和z均不等于零。
3.权利要求1或2所述温度开关硼酸亲和色谱材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)在惰性气氛下,硅胶与含有氨基的有机硅烷进行反应,得到氨基化的硅胶;
(2)在惰性气氛下,所述氨基化的硅胶与2-溴异丁酰溴进行反应,得到2-溴异丁酰溴修饰的硅胶;
(3)在惰性气氛下,在五甲基二乙烯三胺和氯化亚铜的催化下,所述2-溴异丁酰溴修饰的硅胶与单体进行反应,即得所述温度开关硼酸亲和色谱材料;
所述单体为N-异丙基丙烯酰胺与单体Ⅰ和单体Ⅱ中至少一种的混合物;
所述反应的溶剂为异丙醇与水的混合溶剂;
所述单体Ⅰ的化学式为CH2CR1COOR2NR3R4,其中,R1为-H或-CH3;R2n为1~8之间的自然数;R3和R4均为C1-C8的直链烷基;
所述单体Ⅱ的化学式为CH2R’1COR’2PhB(OH)2,其中,R’1为-H或-CH3,R’2为NR、O或S,其中R为-H或C1-C8的直链烷基。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,所述含有氨基的有机硅烷为3-氨丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-氨乙基三甲氧基硅烷、3-氨乙基三乙氧基硅烷、3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、4-氨基丁基三乙氧基硅烷、苯氨基三甲氧基硅烷、N-(β-氨乙基-γ-氨丙基)三甲氧基硅烷、二乙烯基三氨基丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷和己二胺基甲基三乙氧基硅烷中至少一种;
所述反应的温度为-20℃~150℃,所述反应的时间为3小时~24小时。
步骤(2)中,所述反应的温度为-20℃~76℃,所述反应的时间为0.5小时~24小时。
5.根据权利要求3或4所述的制备方法,其特征在于:步骤(3)中,所述反应的温度为-20℃~97℃,所述反应的时间为0.5小时~24小时;
所述N-异丙基丙烯酰胺、所述单体Ⅰ和所述单体Ⅱ的用量为:1g所述硅胶需要添加0.1g~10g所述N-异丙基丙烯酰胺、0.005g~8.41g所述单体Ⅰ和0.0038g~6.33g所述单体Ⅱ。
6.权利要求1或2所述温度开关硼酸亲和色谱材料在作为亲和色谱的固定相中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用,其特征在于:所述固定相用于捕获与释放顺式二醇类化合物。
8.根据权利要求7所述的应用,其特征在于:所述顺式二醇类化合物为腺苷或糖肽。
9.根据权利要求8所述的应用,其特征在于:所述固定相在温度为5℃~70℃、pH值为3.0~10.0的条件下对所述顺式二醇类化合物进行捕获。
10.根据权利要求9所述的应用,其特征在于:所述固定相在温度为5℃~70℃、pH值为3.0~10.0条件下对所述顺式二醇类化合物进行释放。
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