CZ201552A3 - Použití anorganických nanovláken pro záchyt sloučenin s fosfátovou skupinou ve své struktuře - Google Patents

Abstract

Použití anorganických nanovláken zvlákněných z roztoku alespoň jednoho polymeru a alespoň jednoho prekurzoru na bázi TiO.sub.2.n., ZrO.sub.2.n.nebo obsahujícího Fe pro záchyt sloučenin s fosfátovou skupinou ve své struktuře, zejména fosfopeptidů. Použití podle vynálezu je možné uplatnit na průtokovém zařízení tvořeném nosičem opatřeným vstupem kapalného vzorku a výstupem kapalného vzorku, ve kterém je uspořádán adsorbent, jehož podstata spočívá v tom, že adsorbentem jsou tato anorganická nanovlákna.

Description

POUŽITI ANORGANICKÝCH NANOVLÁKEN PRO ZÁCHYT <51 ni iAemim c

FOSFÁTOVOU SKUPINOU VE SVÉ STRUKTUŘE SLOUČENIN S

Oblast techniky ΓιΖ™—"! Tá'eZ S® ^ P°UŽi,i anor9anických nanovláken zvlákněných z roztoku alespoň jednoho polymeru a alespoň jednoho prekurzoru pro záchyt doučeni fosfátovou skupinou ve své struktuře. * sloučenin s

Dosavadní stav tpr.hniky η,ΤηΓ3'vU látek’ které jS0U Ve směsích 0bsaženv ve velmi malých množstvích je na ? VyS°Ce C'tllVých detekčních metod, které však mají svá omezení daná například samotným principem metody a zejména přítomností jiných látek’ často v podstatné vyšším množství. Jednou z technik, která se úspišně poTž vá p o minima,.zac, těchto omezení, je zvýšeni koncentrace zkoumaných lítek -metoda obecne nazyvana predkoncentrace. Předkoncentrační metoda je nejčastěji založena na mtera a analytu s pomocnou látkou umožňující zachyceni a hla"aílTa úkor jmych látek a jeho následném uvolněni (eluci), kdy ve výsledném eluátu je žádoucí láL obsazena ve vyssi koncentraci, než byla v původním vzorku. Těchto metod se ru ,nné r,:tZZ^ T*" účinnost předkoncentrace máji metody založené na azam látek v miste predkoncentrace fyzikální či chemickou vazbou která se do analtóu"' Vora*"08'0* 3 ?r°P'áChnUtí přeruš( a látky isoa P°té uvolněny pro další c 'y ^' ^praxi JS0U neJcasteji využívané metody založené na použití vhodného Ιη°β^ω'Γοίίο^ΤΖ'''?ν?ηθνβηί r°Vn0Váhy 3 UŽW selek,ivn,ch "<*o neselektivních m,erakCeide ze'mé"a 0 Mrofobní/hydrofilnl interakce sihkagdů " ' nap °r9anických Ρ°'>™<*ύ, nebo modifikovaného

Selekt'“ní vazby zakoncentrovávané látky se sorbentem je třeba buď vhodné ' kace povlOPU materiálu sorbentu tak, aby byl umožněn vznik žádané vazby nebo použit material, jehož chemické složení selektivní vazbu s požadovanými složkami žachvc Um?T'!- κβΖ modifikace· v obou uvedených příkladech je pro uvolnění zachycené látky třeba vazbu přerušit, což se děje fyzikálně (např. zvýšením teploty) lá!kv C^miCk.y' kdy se vhodnym činidlem PfefuSÍ dosavadní vazba a dojde k uvolnění tetky V současné době se pro podobné aplikace používají porézní monolitické matern' sorben.!y ve tvaru kuliček, nedefinované drti, nebo syntetické membrány Tyto materiály vykazuji buď nízkou povrchovou aktivitu, velký hydraulický odpor, nebo oblijí.

Vzhledem k potřebě velkého povrchu materiálu (pro dosažení požadované kapacitv) ie naha minimalizovat velikost částic. Se zmenšujícími se hydraulicky odpor průtokového zařízení. Proto je v praxi velikost částic omezena na průměr desítky mikrometrů a větši. omezena na Příprava nanovlákenných materiálů pomoci elektrostatického zvlákňování ie v lt“Z^eUsZnámá teChnika' iei‘r0ZŠÍření d° **** —^ů οΓηοηί přiliš se používali ve ίο^Γ^κ S® na VýrobU polymerních nanovláken, která ® . aj forme membran s využitím kupříkladu pro filtrace Technika odstředivého zvlákňování je relativné nová. zatím se používá pfedevším to zva novám polymermch materiálů na nosný substrát ve formě tenkých polymerních -membrán. Z české přihlášky PV 2014-444 je znám způsob přípravy mezopoTÍn,!ch rako9natvri,nan0Vlaken ods,ředivým «'ákňovánlm, zejména vhodných pro použití jako nanovlakenne anorganické heterogenní katalyzátory. Způsob odstředivého zvlaknovani využívá k tvorbě vláken zpolymerního roztoku vliv odstředivé sily S.e dfkUje d0 ^'ákňovací hlavy - spinerety, která rotuje vysokou štěrbinu neh! - h “ m'"UtU) k°'em vlastní osy' Chodem roztoku přes úzkou nttl h P T anu splnerety >e vlive,n odstředivých a smykových sil výtrysk polymermho roztoku protahován za tvorby velmi tenkých dlouhých vláken.

Podstata vynálezu

Pri hledání adsorbentu vhodného do průtokových zařízeni bylo zjištěno že kapalných^zorků^P^ri ^kaZUií vy80kou a kapacitu pro určité složky kapalných vzorku. Predmetem vynalezu tedy je použiti anorganických nanovláken TIO zlo* Zh0Zt°hkU keSP°n)edn°h0 polymeru a alespoň jednoho prekurzoru na bázi Z °2 neb0 obsahuJ|ho Fe Pro zá°hyt sloučenin s fosfátovou skupinou ve své zachir^ ίΤθηκ f°Sf0peptidů· Tat0 nanovlákna, která selektivně na svém povrchu zachycuji látky obsahující fosfátovou skupinu ΡΟΛ se připraví způsobem kdy se

razDouešt^|PratVI /°Zt0k ρο,νν'η^ΓΓθΙί€ΐοηυ· prekurzoru titanu, nebo zirkonia v poustedle tento roztok se, zvlákní metodou odstředivého zvlákňování a potom kalcinuje, s výhodou při 40^1000 °C. P

SzrotZlí Z kT,ali,Ů ™2 V kryS,a"Cké foímě rutilu "abo abataaa· Případně z krystalu Zr02 o tetragonalm nebo monoklinické krystalické struktuře o velikosti 4-20 nm y azuji velmi vysokou aktivitu pro záchyt sloučenin s fosfátovou skupinou ve své žeLre’wZeJm?nu fosfopeptldů· ppp<>bnou aktivitu vykazuji též nanovlákna s obsahem f . Nanovlakna s obsahem niklu pak umožňují záchyt látek bohatých na aminokyselinu histidin. Pro tyto účely se dále hodí nanovlákna na bázi AfcoJa Si02 dopovaná ionty Ni, Gd, Ga, Nb, Sn, Hf, Ta, nebo Fe. LTZání, Se S0UčkaS"ými ’“""ologiemi přináší využití nanovlákenných materiálů pro«sů PSem hydrodynamlcké Propustnosti a tím i zrychlení požadovaných slZn'v Tt1- r Tf' "“»“****' nanovláten, obsahujících chemické up ny, ktere se zúčastňuji chemické reakce v průtokovém systému Přestože maií ΞΙΓ5 kn:· PňPraVená P^° Z ροζ"ρ° materiálu , v e lkypovrch má jejich vrstva v širokém rozmezí (1,100 mm) malý hydraulický odpor. To na rozdíl od aktivZyp'-Tatena‘U· Umo2ňuje příPravu Průtokových systémů s velkou povrchovou aktivitou. Přidanou hodnotu představuje též nízká cena nanovlákenných materiálů v porovnání s jinými řešeními. y maieriaiu v nlnm'i-1^^- pfedkládaného ^nálezu spočívají v materiálových možnostech nrnd? ? pnp'avenych metodpu odstředivého zvlákňování, která umožňuje produkovat nanovlakenný materiál ve formě vaty s velmi nízkým hydraulickým odporem v porovnán, s ostatními materiály. Například při použití nanovláken s Z měním prumemm nez průměr sorbentu ve Maru kuliíek bude povrch nanovláken vice nežTx vetší nez stejne objemové množství kuličkového sorbentu. 'Ze, P?Vádět buď metodou elektrostatického zvlákňování, nebo metodou

met2a'Veri t-2!, K0Van'· V ‘°mt° Vynálezu je uPredn°stňovanou metodou zvlákňování metoda odstředivého zvlákňování, protože výsledná vatovitá struktura vláken je pro selektivní záchyt analyzovaných látek vhodnější. P «rrinvs0dn-é-'1,hn!plnrn' nanovláken d0 průtokového zařízeni bude mít toto zařízení "ad°V® n'ZSI hydrau"cky odpor než zařizení "splněné kuličkami. Obdobně dopadne i srovnaní s porézními polymerními monolity, nebo membránami. vhndnítr11 adS,TCÍ a zakonce"trování specifických složek kapalného vzorku jsou vhodné jak nanovlakenne sorpcní materiály s aktivními vazebnými centry vzniklými v Γδί!ΐϋ kalcmace polynrer-snorganických nanovlákenných materiálů jejich transformací ™ ° anor9a(mcka’ ox,dlcka vlakna, tak i nanovlákenné sorpční materiály s aktivními ňrnvári “T* nanesen>™ v Průběhu další modifikace těchto vláken. Modifikace se rrhrnl. pofupy znám*mi v oboru obecně pro modifikace sorpčních rZTrť 9 materiálŮ' například impregnací, iontovou výměnou, nebo chemickým nanášením par (CVD).

Vynález popisuje využiti nanovláken oxidů přechodných kovů s řízeným složením porozitou a strukturou, včetně propojených mezopórů a vysokým měrným povrchem pomoci elektrostatického zvlákňování a metody odstředivého zvlákňování. Tento vynalez otevírá nove možnosti pro selektivní obohacení složek tekutých vzorků v chemii zejmena v bioanalytické chemii. m»t^Ur! popisova1ných nan°vlákenných materiálů byla již dříve definována pomocí metod skenovaci elektronové mikroskopie (SEM), transmisní elektronové mikroskopie s vysokým rozlišením (HR-TEM) rentgenové difrakce (XRD), speZkople't obtesti ari«nB °Vrf °’ vldl,elneho zareni a v bl'zké infračervené oblasti (UV-Vis-NIR) a pomocí * adsorP°e dusíku za teploty 77 K, viz česká přihláška PV 2014-444.

Akthrite a efektivita nanovlákenných materiálů je srovnatelná nebo vyšší než u oodstteě .™kroda®tlc a umozNe přípravu kolon pro selektivní záchyt složek vzorku s podstatné nižším hydrodynamickým odporem při současně vyšší sorpční kapacitě.

Použití podle vynálezu je možné uplatnit na průtokovém zařízení tvořeném nosičem opatřeným vstupem kapalného vzorku a výstupem kapalného vzorku, ve kterém je uspořádán adsorbent, jehož podstata spočívá v tom, že adsorbentem jsou anorganická anovlakna. Provedení průtokového zařízení zahrnuje jak uspořádáni nosíce. Nosičem může být průtoková kolona, pipetová špička, kapilára mi rotitracm destička nebo jiný nosič. V preferovaném provedeni průtokové kolony jsou anorganická nanovlákna umístěna uvnitř kolony na propustné přepážce. *

Objasnění vvkresn pSoviu b'tolo°nuVětle- 23 ^Γβ8ύ' na kte,ých 0br· 1 ukazuie tematicky průtokovou kolonu pri využit, anorganických nanovláken. Snímek vláken e ektronoveho mikroskopu je na obrázku 2a, difraktogram XRD anorganických

Zaenovenhnz -°braZkU ^ °Sa * znáz0rňuie dvojnásobek úhlu dopadu 3a znZ - Tn\3 °Sa y Z"áZOrňuje intenzitu detekovaného difrakčního záření Obr ,ryp,ických pep,idů kaseinu·obr·3b hmo,nostn‘ spektrum tryptickych peptidu kasemu po obohacení na koloně naplněné nanovlákny IShaÍnTaekoloněSU' i - 3° hmo,nos,ni sPektrum 'Wdckých peptidů kaseinu po obohaceni na koloně naplněně nanovlákny TI02 ve formě rutilu a obr 3d hmotnostní S^ktrum etických peptidů kaseinu po obohacení na koloně naplněné nanovlákny

Zr02 Na uvedených hmotnostních spektrech na obr. 3a až 3d osa x znázorňuje poměí detek0VtanýCh Peptídů· °aa » znázorňuje intenzitu detekčního signálu a hvězdička označuje tryptické fosfopeptidy kaseinu. bdut&amp;cnenf Příkladyjpfevedon/ vynálezu

DdvZfT 7nále2U if P0UŽ"f nanovláken vlákněných z roztoku alespoň jednoho záZ sic,f P°n )er f prekurzoru na bázi Ti°z· Zr02 nebo obsahujícího Fe pro chyt sloučenin s fosfátovou skupinou ve své struktuře metodou odstředivého ™Tu0polf^ /^f™ ,fáchyt Plovaných molekul z komplexního kapalného Podsfa'3 tohoto vynalezu bude demonstrována dále na příkladných provedeních s odkazem na příslušné výkresy. Γη^ηΚν3Πρ- VyUŽiVá anor9anických nanovláken připravených známými P y. ripravu anorganických nanovláken podle české přihlášky PV 2014-444 » popisuji následující kroky: Ί. Příprava roztoku alespoň jednoho polymeru a alespoň jednoho prekurzoru kovu vybraného z kovu II.A, III.A, IV.A, I.B, II.B, III.B, IV.B, V.B, VI.B, VII.B, VIII.B skupin periodické tabulky, konkrétně Ti02, Zr02 nebo prekurzoru obsahujícího Fe 2. Zvlaknení připraveného roztoku za tvorby polymer-anorganických nanovláken ?2nKr,alCJ.naCe.^S'ednýCh Po|ymer‘anorganických vláken při teplotě v rozmezí 250 až 1400 C, s výhodou 400 až 1100 "C, za tvorby čistě anorganických nanovláken oxidů íktivmLi^né-m0difi-aCe na.novláken oxidů kOTd· iak° ie impregnace dalšími aktivními složkami ci nanaseni dalších aktivních složek l/ýsledná nanovlákna, která obsahuji oxidy kovů v podobě krystalů a krystalitů o velikosti jednotek nanometru organizovaných v podobě mezoporézních nanovláken o "““í* V· r°^meZI 20 ®Z 800 "m ® délC® 1 Mm ** délce nek°aečného vlákna již neobsahuji polymerm složku, taje při kalcinaci odstraněna.

Jako polymery mohou být s výhodou použity polymery a kopolymery rozpustné rozpouštědle pro zvlaknovací roztok, zejména vhodné jsou polymery a kopolymery .Vybran,ých ze skuP'ny ohrnující vinylalkohol, vinylpyrrolidon, oxiran, rn wfn f V ’.HVmy Cftaí' Svyh0d0u jsou J'ak0 Polymery použity polyvinylalkohol, polyvinylpyrrolidon, polyethylenoxid, polyvinylacetát a/nebo polyvinylbutyral. ^π!γΓΘ|<ηΓ2^ ίθνύ m°hOU být svýhodou P°užity jejich soli, zejména sanionty minerálních kyselin, jako jsou halogenidy, dusičnany, sírany, uhličitany, dále oxy aogem y, hydroxidy, C1-C4 alkoxidy, acetylacetonáty, soli sanionty C1-C10 karboxylovych nebo dikarboxylových kyselin, případně může prekurzor obsahovat kov voxoamontu nebo halogenaniontu kyseliny nebo soli s amonným kationtem nebo ationtem alkalického kovu. Kovy mohou být vybrány ze skupiny zahrnující Ag, AI, Ba Ce Cd Co, Cr, Cu, Fe, Ga, Ge, Gd, Hf, La, Mo, Ni, Pb, Pd, Pt, Rh, Si, Sn, Sr, Ta, Ti, V,’ ’ / ’ Zn’ Zr oPrekurzoryje možné demonstrovat například na příkladu zirkonia, kdy jako prekurzor muže být použit např. propoxid zirkoničitý, isopropoxid zirkoničitý, 2- ethylhexanoat zirkoničitý, oxychlorid zirkoničitý, chlorid zirkoničitý, dusičnan zirkoničitý nebo hydroxid zirkoničitý. ^nP^Stuedly prcVoztok P0|ymeru a prekurzoru kovu mohou být například voda, C1-^20Λ.οΚθΜθΙΥ (napr methano1- ethanol, isopropanol, butanol), C3-C10 ketony a diketony C6-C8 aromáty, C5-C8 alkany, C1-C4 karboxylové kyseliny, C1-C4 chlorované alkany dimethylformamid, dimethylacetamid, dimethylsulfoxid a jejich směsi. ^iaknovam provádíme buď metodou elektrostatického zvlákňování, nebo metodou odstředivého zvlákňování. Příklad 1: Získání anorganických nanovláken na bázi Ti02

Ti02 nanovlákna byla připravena metodou odstředivého zvlákňování za tvorby 3D vatovite struktury. Zvlákňovací roztok byl připraven rozpuštěním polyvinylpyrrolidonu a butoxidu titamčitého v ethanolu v poměru polymer:butoxid:ethanol 0,5:3,5:6 a míchán po 4 h°din· Polymerní roztok hy' dávkován do zvlákňovací hlavy rotující rychlostí 7000 otáček za minutu. Vlákna byla zachycována v kolektoruzachovávajícím vatovitou strukturu vláken. Následně byla kalcinována při teplotě 400r900 °C. I po kalcinaci si vlakna zachovávají 3D vatovitou strukturu. Na ®br. 2a je snímek z elektronového mi roskopu ukazující velikosti a morfologie anorganických nanovláken Ti02, na obr. 2b je znázorněn difraktogram XRD prokazující krystalickou strukturu anorganických nanovláken Ti02. Příklad 2: Získání anorganických nanovláken na bázi Zr02:

Zvlaknovac1 roztok byl připraven rozpuštěním polyvinylpyrrolidonu a oxychloridu zirkoničitého v destilované vodě v poměru polymer:oxychlorid:voda 0,5:2,5:7. Polymerní roztok byl dávkován do zvlákňovací hlavy rotující rychlostí 5000 otáček za minutu, a na byla zachycována v kolektoru zachovávajícím vatovitou strukturu vláken

Nasledne byla kalcinována při teplotě 600r900 °C. I po kalcinaci si vlákna zachovávají 3D vatovitou strukturu. Příklad 3: Získání anorganických nanovláken na bázi Al203:

Hexahydrát chloridu hlinitého a polyvinylalkohol byly rozpuštěny v destilované vodě v poměru chlorid.polymer.voda 1:0,5:8,5 a míchány po dobu 10 hodin. Zvlákňovací roztok byl dávkován do spinerety rotující rychlostí 9000 otáček za minutu. Kalcinace byla provedena při teplotě 1100 °C pro dosažení krystalické modifikace a-AI203. Příklad 4: Použití anorganických nanovláken v průtokové koloně:

Anorganická nanovlákna s průměrem v rozmezí 1(£ίθΟΟΟ nm získaná výše uvedeným způsobem z chemicky reaktivního materiálu (např. oxidu zirkoničitého) jsou umístěna v průtokové koloně. Vzorek roztoku (proteiny, peptidy, oligonukleotidy ve vodě) je následně vnesen do průtokové kolony, jak je znázorněno na obr. 1. Průtokové zařízení 1_ je tvorene průtokovou kolonou opatřenou vstupem 2 kapalného vzorku a výstupem 3 apalneho vzorku, přičemž v této koloně je uspořádána propustná přepážka 5 a na ní ve srneru proti toku kapaliny adsorbent 4 v podobě získaných anorganických nanovláken Po naneseni vzorku na kolonu a době nezbytné k záchytu reagujících složek vzorku je 7 0d,Straněn ^ VZOrkU napf- proudem pramývaclho inertního roztoku, plynu, nebo odstředivou silou. V dalším kroku je pak složka vzorku zachycená na povrchu nanovlaken uvolněna vhodným elučním roztokem. Jako eluční roztok lze na7„77Z" !°Zt0k ° neb0 nižším pH' než samotn* vzorek. Dále lze využít roztok látky, která se zachytává na nanovláknech s větší afinitou než složky vzorku - napr. fosforečnan sodný v případě záchytu fosfopeptidů. Předpokládaný způsob využití zahrnuje jednorázové, nebo vícenásobně použitelné průtokové zařízeni pro selektivní záchyt vybraných látek ve vzorku. Příklad 5. Selektivní zachycení tryptických fosfoproteinů kaseinu Příkladem praktického bioanalytického využití anorganických nanovláken podle vynalezu je selektivní zachycení fosfopeptidů ze směsi peptidů vzniklých trypsinolýzou fosfoproteinů kasem. V této směsi je kromě řady nefosforylovaných peptidů i pět fosfopeptidu, jejichž seznam a vlastnosti jsou uvedeny v Tabulce 1 , Odpovídající M/z

Sekvence aminokyselin Poíet fosfátových skupin ---...__ [M+H]* 1 FQSEEQQQTEDELQDK 20614 2 IEKFQSEEQQQTEDELQ.dk 2431,6 χ 3 FQSEEQQQTEDELQDKIHPF 2S56.6 χ 4 RELEELNVPGEIVESLSSSEESITR 3041.6 3 5 _RELEELNVPGEIVESLSSSEESITR 3122.19 4

Tabulka 1 - Seznam tryptických fosfopeptidů kaseinu.

Směs všech peptidů byla nanesena na průtokovou kolonu znázorněnou na obr. 1 v roztoku okyseleném 1% kyselinou trifluoroctovou. Poté byla kolona propláchnuta destilovanou vodou a zachycené fosfopeptidy eluovány roztokem 1% amoniaku a analyzovaný hmotnostní spektrometrií s ionizací pomocí matricí asistované laserové desorbce. dy selektivního obohaceni fosfopeptidů zachycených z tryptické směsi proteinu (kasem) na koloně obsahující nanovlákna oxidu titaničitého (rutil a anatas) a oxidu zirkoničitého připravených dle postupu výše jsou znázorněny na obr. 3a až 3d.

Na obr. 3a je znázorněno hmotnostní spektrum tryptických peptidů kaseinu Fosforylovane peptidy jsou označeny hvězdičkou. Jejich signál je díky interferenci nefosforylovanych peptidu na hranici detekovatelnosti. Na obr. 3b je pak hmotnostní spektrum tryptických peptidů kaseinu po obohacení na koloně naplněné nanovlákny Τ|θ2 ve forme anatas. Fosforylované peptidy jsou označeny hvězdičkou. Většina interferujících peptidů byla odstraněna. Na obr. Seje znázorněno hmotnostní spektrum tryptických peptidu kaseinu po obohacení na koloně naplněné nanovlákny Ti02 ve formě rutil. Obohacené fosforylované peptidy jsou označeny hvězdičkou Na obr 3d je znázorněno hmotnostní spektrum tryptických peptidů kaseinu po obohacení na koloně naplněně nanovlákny Zr02. Fosforylované peptidy jsou označeny hvězdičkou. Prakticky všechny nefosforylované peptidy byly odstraněny.

Průmyslová využitelnost

Použiti anorganických nanovláken zvlákněných z roztoku alespoň jednoho polymeru a alespoň jednoho prekurzoru na bázi TI02, Zr02 nebo obsahujícího Fe nalezne uplatnění pn chemické analýze látek, zejména proteinů, peptidů a glykanů, v kapalných vzorcích.

Seznam vztahových znaňpk- 1. Průtokové zařízen í 2. Vstup kapalného vzorku 3. Výstup kapalného vzorku 4. Adsorbent 5. Přepážka

Claims (2)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Použití anorganických nanovláken zvlákněných z roztoku alespoň jednoho polymeru a alespoň jednoho prekurzoru na bázi T1O2, ΖΓΟ2 nebo obsahujícího Fe pro záchyt sloučenin s fosfátovou skupinou ve své struktuře, zejména fosfopeptidů.
2. 2. Použití podle nároku 1,vyznačující se tím, že anorganická nanovlákna byla získána metodou odstředivého zvlákňování.