TiO2纳米管道阵列中金属有机框架材料的原位生长及其在多尺度生物分子富集分离中的应用

With the development of clinical diagnosis and treatment, purification of functional molecules and biomarkers related to diseases and signal transduction from complex biological samples have gradually become the focuses of researchers from multidisciplinary, such as chemistry, physics, materials and life sciences. However, how to simultaneously realize the on-line selective enrichment and separation of several kinds of low-abundance biomolecules with multi-sizes at the same time is one of the major challenges in the sample pretreatment research. Aiming to the development of a new type of absorbent membrane for selective enrichment of multi-sized biomolecules, the current project intends to in-situ grow metal-organic framework materials (MOFs) in nanotubular confinement space by employing the MOx/TiO2 as the metal ion sources for MOFs formation. Based on the distinct pore size, surface composition and wettability between TiO2 nanotubes and MOFs, the online enrichment of biomolecules with different sizes can be achieved. Furthermore, according to the stability and affinity of MOFs and MOx, a stepped elution can be further carried out. This project is expected to provide new platforms for the purification of related proteins or peptides in post-translational modification proteomics, and offer smart ideas for the future design of a controllable multi-drugs release system.

随着临床诊断和治疗的发展，从复杂的生物样品中提纯与信号传导和疾病相关的功能分子和标志物已经成为来自化学、物理、材料、生命科学等多学科科研人员关注的焦点。然而，如何能够同时实现多种不同尺度的低丰度生物分子的在线选择性富集分离则是目前样品预处理研究中面临的一大挑战。本项目拟以阳极氧化法制备的MOx/TiO2复合纳米管道阵列为金属离子源，在纳米管状限域空间内选择性原位生长金属有机框架材料(MOFs)。利用TiO2纳米管与MOFs不同的孔道尺寸、表面官能团和亲疏水性质，实现不同尺度的多种生物分子的在线富集；根据金属氧化物和MOFs的稳定性和亲和性差异，实现对不同区域的富集物的分步洗脱。本项目的实施有望为翻译后修饰蛋白质组学中相关蛋白质或肽段的纯化提供新平台，并为未来设计多种药物可控释放体系提供新思路。

从复杂的生物样品中提纯与信号传导和疾病相关的功能分子和标志物已经成为来自化学、物理、材料、生命科学等多学科科研人员关注的焦点。然而，同时实现多种不同尺度的低丰度生物分子的在线选择性富集分离则是目前样品预处理研究中面临的一大挑战。在本项目的实施过程中，我们基于电化学阳极氧化法制备的TiO2纳米通道阵列薄膜，在通道内设计金属离子、金属氧化物、金属有机框架材料(MOFs)。利用金属离子表面的电子分布，MOFs材料独特的多孔结构、MOFs可调的框架结构和丰富的表面官能团，并借助pai-pai共轭、金属离子特异性亲和作用、静电吸附（氢键）等不同的分子间作用方式，我们实现了对不同尺度、不同种类的目标物（如：蛋白质、氨基酸、手性药物）的选择性富集。在此基础上，一方面根据不同的结合方式选择相应的洗脱剂，实现了对不同区域的富集物的分步洗脱；另一方面，通过光热效应调控固相吸附剂表面温度，实现了对映体的选择性解吸附。分子动力学研究证实了同手性吸附剂和目标对映体之间不同氢键引起的亲和力差异是对映体选择性解吸的来源。本项目的研究成果为翻译后修饰蛋白质组学中相关蛋白质或肽段的纯化提供新平台，也为分离、纯化手性药物提供新思路。