CZ306204B6

CZ306204B6 - Použití anorganických nanovláken pro záchyt sloučenin s fosfátovou skupinou ve své struktuře

Info

Publication number: CZ306204B6
Application number: CZ2015-52A
Authority: CZ
Inventors: František Foret; Jana Křenková; Jaroslava Morávková; Jan Buk
Original assignee: Masarykova Univerzita; Pardam, S.R.O.; Ăšstav analytickĂ© chemie AV ÄŚR, v. v. i.
Priority date: 2015-01-28
Filing date: 2015-01-28
Publication date: 2016-09-29
Also published as: CZ201552A3

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

Použití anorganických nanovláken pro záchyt sloučenin s fosfátovou skupinou ve své struktuře

Oblast techniky

Předkládaný vynález se týká použití anorganických nanovláken zvlákněných z roztoku alespoň jednoho polymeru a alespoň jednoho prekurzoru pro záchyt sloučenin s fosfátovou skupinou ve své struktuře.

Dosavadní stav techniky

Pro analýzu látek, které jsou ve směsích obsaženy ve velmi malých množstvích, je nutné užití vysoce citlivých detekčních metod, které však mají svá omezení, daná například samotným principem metody a zejména přítomností jiných látek často v podstatně vyšším množství. Jednou z technik, která se úspěšně používá pro minimalizaci těchto omezení, je zvýšení koncentrace zkoumaných látek - metoda obecně nazývaná předkoncentrace. Předkoncentrační metoda je nejčastěji založena na interakci analytu s pomocnou látkou umožňující zachycení a hromadění analytu na úkor jiných látek a jeho následném uvolnění (eluci), kdy ve výsledném eluátu je žádoucí látka obsažena ve vyšší koncentraci, než byla v původním vzorku. Těchto metod se rutinně využívá a jsou zavedené. Vysokou účinnost předkoncentrace mají metody založené na vázání látek v místě předkoncentrace fyzikální či chemickou vazbou, která se po ukončení plnění nosiče a jeho propláchnutí přeruší a látky jsou poté uvolněny pro další analýzu. V praxi jsou nejčastěji využívané metody založené na použití vhodného sorbentu, kde se využívá ustanovení rovnováhy a užití selektivních nebo neselektivních interakcí. V případě neselektivní interakce jde zejména o hydrofobní/hydrofilní interakce na povrchu vhodného materiálu, např. organických polymerů, nebo modifikovaného silikagelu.

V případě selektivní vazby zakoncentrovávané látky se sorbentem je třeba buď vhodné modifikace povrchu materiálu sorbentu tak, aby byl umožněn vznik žádané vazby, nebo použít materiál, jehož chemické složení selektivní vazbu s požadovanými složkami vzorku umožňuje bez modifikace. V obou uvedených příkladech je pro uvolnění zachycené látky třeba vazbu přerušit, což se děje fyzikálně (např. zvýšením teploty), nebo chemicky, kdy se vhodným činidlem přeruší dosavadní vazba a dojde k uvolnění látky. V současné době se pro podobné aplikace používají porézní monolitické materiály, sorbenty ve tvaru kuliček, nedefinované drti, nebo syntetické membrány. Tyto materiály vykazují buď nízkou povrchovou aktivitu, velký hydraulický odpor, nebo obojí. Vzhledem k potřebě velkého povrchu materiálu (pro dosažení požadované kapacity) je snaha minimalizovat velikost částic. Se zmenšujícími se částicemi však narůstá hydraulický odpor průtokového zařízení. Proto je v praxi velikost částic omezena na průměr desítky mikrometrů a větší.

Příprava nanovlákenných materiálů pomocí elektrostatického zvlákňování je v laboratorním měřítku známá technika, její rozšíření do výrobních rozměrů ale není příliš úspěšné a tam, kde se prosazuje, omezuje se na výrobu polymemích nanovláken, která se používají ve formě membrán s využitím kupříkladu pro filtrace. Technika odstředivého zvlákňování je relativně nová, zatím se používá především pro zvlákňování polymemích materiálů na nosný substrát ve formě tenkých polymemích membrán. Z české přihlášky PV 2014-444 je znám způsob přípravy mezoporézních anorganických nanovláken odstředivým zvlákňováním, zejména vhodných pro použití jako nanovlákenné anorganické heterogenní katalyzátory. Způsob odstředivého zvlákňování využívá k tvorbě vláken z polymemího roztoku vliv odstředivé síly. Zvlákňovací roztok se dávkuje do zvlákňovací hlavy - spinerety, která rotuje vysokou rychlostí (2 až 20 tisíc otáček za minutu) kolem vlastní osy. Průchodem roztoku přes úzkou štěrbinu nebo přes hranu spinerety je vlivem odstředivých a smykových sil výtrysk polymemího roztoku protahován za tvorby velmi tenkých dlouhých vláken.

- 1 CZ 306204 B6

Podstata vynálezu

Při hledání adsorbentu vhodného do průtokových zařízení bylo zjištěno, že nanovlákenné mate5 riály vykazují vysokou selektivitu a kapacitu pro určité složky kapalných vzorků. Předmětem vynálezu tedy je použití anorganických nanovláken zvlákněných z roztoku alespoň jednoho polymeru a alespoň jednoho prekurzoru na bázi TiO₂, ZrO₂nebo obsahujícího Fe pro záchyt sloučenin s fosfátovou skupinou ve své struktuře, zejména fosfopeptidů. Tato nanovlákna, která selektivně na svém povrchu zachycují látky obsahující fosfátovou skupinu PO₄\ se připraví způsobem, kdy 10 se nejprve připraví roztok polyvinylpyrrolidonu, prekurzoru titanu, nebo zirkonia v rozpouštědle, tento roztok se zvlákní metodou odstředivého zvlákňování a potom kalcinuje, s výhodou při 400 až 1000 °C.

Nanovlákna složená z krystalitů TiO₂ v krystalické formě rutilu nebo anatasu, případně z krystalů 15 ZrO₂ o tetragonální nebo monoklinické krystalické struktuře o velikosti 4 až 20nm vykazují velmi vysokou aktivitu pro záchyt sloučenin s fosfátovou skupinou ve své struktuře, zejména fosfopeptidů. Podobnou aktivitu vykazují též nanovlákna s obsahem železa. Nanovlákna s obsahem niklu pak umožňují záchyt látek bohatých na aminokyselinu histidin. Pro tyto účely se dále hodí nanovlákna na bázi AI₂O₃ a SiO₂ dopovaná ionty Ni, Gd, Ga, Nb, Sn, Hf, Ta, nebo Fe.

V porovnání se současnými technologiemi přináší využití nanovlákenných materiálů podstatné zlepšení hydrodynamické propustnosti a tím i zrychlení požadovaných procesů.

Novost řešení spočívá ve využití anorganických nanovláken, obsahujících chemické skupiny, 25 které se zúčastňují chemické reakce v průtokovém systému. Přestože mají použitá nanovlákna, připravená přímo z požadovaného materiálu, velký povrch, má jejich vrstva v širokém rozmezí (1 až 100 mm) malý hydraulický odpor. To, na rozdíl od současných materiálů, umožňuje přípravu průtokových systémů s velkou povrchovou aktivitou. Přidanou hodnotu představuje též nízká cena nanovlákenných materiálů v porovnání s jinými řešeními.

Hlavní výhody předkládaného vynálezu spočívají v materiálových možnostech nanovláken připravených metodou odstředivého zvlákňování, která umožňuje produkovat nanovlákenný materiál ve formě vaty s velmi nízkým hydraulickým odporem v porovnání s ostatními materiály. Například při použití nanovláken s lOx menším průměrem než průměr sorbentu ve tvaru kuliček 35 bude povrch nanovláken více než 5x větší než stejné objemové množství kuličkového sorbentu.

Zvlákňování lze provádět buď metodou elektrostatického zvlákňování, nebo metodou odstředivého zvlákňování. V tomto vynálezu je upřednostňovanou metodou zvlákňování metoda odstředivého zvlákňování, protože výsledná vatovitá struktura vláken je pro selektivní záchyt analyzova40 ných látek vhodnější.

Při vhodném naplnění nanovláken do průtokového zařízení bude mít toto zařízení řádově nižší hydraulický odpor než zařízení naplněné kuličkami. Obdobně dopadne i srovnání s porézními polymerními monolity, nebo membránami.

Pro selektivní adsorpci a zakoncentrování specifických složek kapalného vzorku jsou vhodné jak nanovlákenné sorpční materiály s aktivními vazebnými centry vzniklými v průběhu kalcinace polymer-anorganických nanovlákenných materiálů jejich transformací na čistě anorganická, oxidická vlákna, tak i nanovlákenné sorpční materiály s aktivními vazebnými centry nanesenými 50 v průběhu další modifikace těchto vláken. Modifikace se provádí postupy známými v oboru obecně pro modifikace sorpčních (chromatografických) materiálů, například impregnací, iontovou výměnou, nebo chemickým nanášením par (CVD).

Vynález popisuje využití nanovláken oxidů přechodných kovů s řízeným složením, porozitou 55 a strukturou, včetně propojených mezopórů a vysokým měrným povrchem pomocí elektrostatic

-2CZ 306204 B6 kého zvlákňování a metody odstředivého zvlákňování. Tento vynález otevírá nové možnosti pro selektivní obohacení složek tekutých vzorků v chemii, zejména v bioanalytické chemii.

Struktura popisovaných nanovlákenných materiálů byla již dříve definována pomocí metod skenovací elektronové mikroskopie (SEM), transmisní elektronové mikroskopie s vysokým rozlišením (HR-TEM), rentgenové difrakce (XRD), spektroskopie v oblasti ultrafialového, viditelného záření a v blízké infračervené oblasti (UV-Vis-NIR) a pomocí adsorpce dusíku za teploty 77 K, viz česká přihláška PV 2014-444.

Aktivita a selektivita nanovlákenných materiálů je srovnatelná nebo vyšší než u práškových mikročástic a umožňuje přípravu kolon pro selektivní záchyt složek vzorku s podstatně 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 nanovlákna. Provedení průtokového zařízení zahrnuje jak sloupcové, tak i plošné uspořádání nosiče. Nosičem může být průtoková kolona, pipetová špička, kapilára, mikrotitrační destička nebo jiný nosič. V preferovaném provedení průtokové kolony jsou anorganická nanovlákna umístěna uvnitř kolony na propustné přepážce.

Objasnění výkresů

Vynález je blíže osvětlen za využití výkresů, na kterých obr. 1 ukazuje schematicky průtokovou kolonu při využití anorganických nanovláken. Snímek vláken z elektronového mikroskopu je na obrázku 2a, difraktogram XRD anorganických nanovláken na obrázku 2b, přičemž osa x znázorňuje dvojnásobek úhlu dopadu rentgenového záření a osa y znázorňuje intenzitu detekovaného difrakčního záření. Obr. 3a znázorňuje hmotnostní spektrum tryptických peptidů kaseinu, obr. 3b hmotnostní spektrum tryptických peptidů kaseinu po obohacení na koloně naplněné nanovlákny TiO? ve formě anatasu, obr. 3c hmotnostní spektrum tryptických peptidů kaseinu po obohacení na koloně naplněné nanovlákny TiO₂ ve formě rutilu a obr. 3d hmotnostní spektrum tryptických peptidů kaseinu po obohacení na koloně naplněné nanovlákny ZrO₂. Na uvedených hmotnostních spektrech na obr. 3a až 3d osa x znázorňuje poměr hmotnosti a náboje detekovaných peptidů, osa y znázorňuje intenzitu detekčního signálu a hvězdička označuje tryptické fosfopeptidy kaseinu.

Příklady uskutečnění vynálezu

Předmětem vynálezu je použití nanovláken zvlákněných z roztoku alespoň jednoho polymeru a alespoň jednoho prekurzoru na bázi TiO₂, ZrO₂ nebo obsahujícího Fe pro záchyt sloučenin s fosfátovou skupinou ve své struktuře metodou odstředivého zvlákňování pro selektivní záchyt požadovaných molekul z komplexního kapalného vzorku. Podstata tohoto vynálezu bude demonstrována dále na příkladných provedeních s odkazem na příslušné výkresy.

Předkládaný vynález využívá anorganických nanovláken připravených známými způsoby. Přípravu anorganických nanovláken podle české přihlášky PV 2014-444 popisují následující kroky:

1. Příprava roztoku alespoň jednoho polymeru a alespoň jednoho prekurzoru kovu vybraného z kovů II.A, III.A, 1V.A, I.B, II.B, III.B, IV.B, V.B, VLB, VII.B, VIII.B skupin periodické tabulky, konkrétně TiO₂, ZrO₂ nebo prekurzoru obsahujícího Fe

2. Zvláknění připraveného roztoku za tvorby polymer-anorganických nanovláken

-3 CZ 306204 B6

3. Kalcinace výsledných polymer-anorganických vláken při teplotě v rozmezí 250 až 1400 °C, s výhodou 400 až 1100 °C, za tvorby čistě anorganických nanovláken oxidů kovů

4. Další volitelné modifikace nanovláken oxidů kovů, jako je impregnace dalšími aktivními složkami či nanášení dalších aktivních složek

Výsledná nanovlákna, která obsahují oxidy kovů v podobě krystalů a krystalitů o velikosti jednotek nanometrů organizovaných v podobě mezoporézních nanovláken o tloušťce v rozmezí 20 až 800 nm a délce 1 pm až délce nekonečného vlákna již neobsahují polymerní složku, taje při kalcinaci odstraněna.

Jako polymery mohou být s výhodou použity polymery a kopolymery rozpustné v rozpouštědle pro zvlákňovací roztok, zejména vhodné jsou polymery a kopolymery monomerů vybraných ze skupiny zahrnující vinylalkohol, vinylpyrrolidon, oxiran, butyraldehyd, vinylacetát. S výhodou jsou jako polymery použity polyvinylalkohol, polyvinylpyrrolidon, polyethylenoxid, polyvinylacetát a/nebo polyvinylbutyral.

Jako prekurzory kovů mohou být s výhodou použity jejich soli, zejména s an ionty minerálních kyselin, jako jsou halogenidy, dusičnany, sírany, uhličitany, dále oxyhalogenidy, hydroxidy, ClC4 alkoxidy, acetylacetonáty, soli s anionty Cl-CIO karboxylových nebo dikarboxylových kyselin, případně může prekurzor obsahovat kov v oxoaniontu nebo halogenaniontu kyseliny nebo soli s amonným kationtem nebo s kationtem alkalického kovu. Kovy mohou být vybrány ze skupiny zahrnující Ag, AL Ba, Ce, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Ga, Ge, Gd, Hf, La, Mo, Ni, Pb, Pd, Pt, Rh, Si, Sn, Sr, Ta, Ti, V, W. Y, Zn, Zr. Prekurzory je možné demonstrovat například na příkladu zirkonia, kdy jako prekurzor může být použit např. propoxid zirkoničitý, isopropoxid zirkoničitý, 2-ethylhexanoát zirkoničitý, oxychlorid zirkoničitý, chlorid zirkoničitý, dusičnan zirkoničitý nebo hydroxid zirkoničitý.

Rozpouštědly pro roztok polymeru a prekurzoru kovu mohou být například voda. Cl-CIO alkoholy (např. methanol, 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 ajejich směsi.

Zvlákňování provádíme buď metodou elektrostatického zvlákňování, nebo metodou odstředivého zvlákňování.

Příklad 1: Získání anorganických nanovláken na bázi TiO₂

TiO₂ nanovlákna byla připravena metodou odstředivého zvlákňování za tvorby 3D vatovité struktury. Zvlákňovací roztok byl připraven rozpuštěním polyvinylpyrrolidonu a butoxidu titaničitého v ethanolu v poměru polymer:butoxid:ethanol 0,5:3,5:6 a míchán po dobu 4 hodin. Polymerní roztok byl dávkován do zvlákňovací hlavy rotující rychlostí 7000 otáček za minutu. Vlákna byla zachycována v kolektoru zachovávajícím vatovitou strukturu vláken. Následně byla kalcinována při teplotě 400 až 900 °C. I po kalcinaci si vlákna zachovávají 3D vatovitou strukturu. Na obr. 2a je snímek z elektronového mikroskopu ukazující velikosti a morfologie anorganických nanovláken TiO₂, na obr. 2b je znázorněn difraktogram XRD prokazující krystalickou strukturu anorganických nanovláken TiO₂.

Příklad 2: Získání anorganických nanovláken na bázi ZrO₂:

Zvlákňovací 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. Vlákna byla zachycována v kolek

-4CZ 306204 B6 toru zachovávajícím vatovitou strukturu vláken. Následně byla kalcinována při teplotě 600 až 900 °C. 1 po kalcinaci si vlákna zachovávají 3D vatovitou strukturu.

Příklad 3: Získání anorganických nanovláken na bázi AbCh:

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-ALCh.

Příklad 4: Použití anorganických nanovláken v průtokové koloně:

Anorganická nanovlákna s průměrem v rozmezí 10 až 10000 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 jje tvořené průtokovou kolonou opatřenou vstupem 2 kapalného vzorku a výstupem 3 kapalného vzorku, přičemž v této koloně je uspořádána propustná přepážka 5 a na ní ve směru proti toku kapaliny adsorbent 4 v podobě získaných anorganických nanovláken. Po nanesení vzorku na kolonu a době nezbytné k záchytu reagujících složek vzorkuje z průtokové kolony odstraněn zbytek vzorku např. proudem promývacího inertního roztoku, plynu, nebo odstředivou silou. V dalším kroku je pak složka vzorku zachycená na povrchu nanovláken uvolněna vhodným elučním roztokem. Jako eluční roztok lze např. využít roztok o vyšším, nebo nižším pH, než samotný vzorek. Dále lze využít roztok látky, která se zachytává na nanovláknech s větší afinitou než složky vzorku - např. fosforečnan sodný v případě záchytu fosfopeptidů. Předpokládaný způsob využití zahrnuje jednorázově, nebo vícenásobně použitelné průtokové zařízení pro selektivní záchyt vybraných látek ve vzorku.

Příklad 5: Selektivní zachycení tryptických fosfoproteinů kaseinu

Příkladem praktického bioanalytického využití anorganických nanovláken podle vynálezu je selektivní zachycení fosfopeptidů ze směsi peptidů vzniklých trypsinolýzou fosfoproteinů kasein.

V této směsi je kromě řady nefosforylovaných peptidů i pět fosfopeptidů, jejichž seznam a vlastnosti jsou uvedeny v Tabulce 1.

No.	Sekvence aminokyselin	Odpovídající M/z [M+HJ*	Počet fosfátových skupin
1	FQSEEQQQTEDELQDK	2061.4	1
2	lEKFQSEEQQQTEDELQDK	2431.6	1
3	FQSEEQQQTEDELQDKIHPF	2556.6	1
4	RELEELNVPGEIVESLSSSEESITR	3041.6	3
S	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 zachy

-5CZ 306204 B6 cené fosfopeptidy eluovány roztokem 1% amoniaku a analyzovány hmotnostní spektrometrií s ionizací pomocí matricí asistované laserové desorbce.

Příklady selektivního obohacení fosfopeptidů zachycených z tryptické směsi proteinu (kasein) 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. Fosforylované peptidy jsou označeny hvězdičkou. Jejich signál je díky interferenci nefosforylovaných peptidů na hranici detekovatelnosti. Na obr. 3b je pak hmotnostní spektrum tryptických peptidů kaseinu po obohacení na koloně naplněné nanovlákny TiO₂ ve formě anatas. Fosforylované peptidy jsou označeny hvězdičkou. Většina interferujících peptidů byla odstraněna. Na obr. 3c je znázorněno hmotnostní spektrum tryptických peptidů kaseinu po obohacení na koloně naplněné nanovlákny TiO₂ ve formě rutil. Obohacené fosforylované peptidy jsou označeny hvězdičkou. Na obr. 3d je znázorněno hmotnostní spektrum tryptických peptidů kaseinu po obohacení na koloně naplněné nanovlákny ZrO₂. Fosforylované peptidy jsou označeny hvězdičkou. Prakticky všechny nefosforylované peptidy byly odstraněny.

Průmyslová využitelnost

Použití anorganických nanovláken zvlákněných z roztoku alespoň jednoho polymeru a alespoň jednoho prekurzoru na bázi TiO₂, ZrO₂ nebo obsahujícího Fe nalezne uplatnění při chemické analýze látek, zejména proteinů, peptidů a glykanů, v kapalných vzorcích.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Použití anorganických nanovláken zvlákněných z roztoku alespoň jednoho polymeru a alespoň jednoho prekurzoru na bázi TiO₂, ZrO₂ nebo obsahujícího Fe pro záchyt sloučenin s fosfátovou skupinou ve své struktuře, zejména fosfopeptidů.
2. Použití podle nároku 1, vyznačující se tím, že anorganická nanovlákna byla získána metodou odstředivého zvlákňování.