[논문 리뷰] A single liquid chromatography procedure to concentrate, separate and collect size-selected polyynes produced by pulsed laser ablation in water

Sonia Peggiani, Anna Facibeni외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 21.

Mass Spectrometry Techniques and Applications참고 문헌 31인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 수용성 플라즈마 레이저 분해(PLAL)를 통해 생성된 선형 sp-탄소 사슬인 크기 선택된 폴리인을 농축, 분리 및 수집하는 단일 역상 크로마토그래피(HPLC) 절차를 제시한다. 시료 희석이 필요로 하지 않으며, 컬럼 내 농축 기법을 활용함으로써 폴리인 농도를 80 ± 3% 증가시켰으며, 이로 인해 이전에는 감지되지 않았던 종류인 C12까지도 탐지할 수 있게 되었으며, 기능성 재료 연구를 위한 유해하지도 않고 확장 가능한 수용성 수단을 제공한다.

ABSTRACT

Polyynes are linear carbon chains characterized by alternated single and triple bonds and terminated by hydrogen or other terminal substituents. They can be synthesized by pulsed laser ablation in liquid (PLAL) as a scalable, cost-effective, and fast physical technique. Water can be employed as a solvent for PLAL to avoid toxicity problems and to reduce costs compared to organic solvents. However, in this case, the production yield of polyynes reached is extremely low and prevents further characterization and implementation in new functional materials. In this work, we synthesized polyynes by pulsed laser ablation in water and we optimized the process parameters to improve the yield of polyynes by PLAL. Then, we developed a procedure entirely based on reversed-phase high-performance liquid chromatography (RP-HPLC) which effectively enables the concentration, separation and collection of polyynes according to their length. Since the polyynes sample is an aqueous solution, we could inject it directly into the RP-HPLC column without the dilution step required in the case of a sample in an organic solvent. Thanks to our single RP-HPLC procedure, it is possible to highly increase the concentration and separately characterize different size-selected polyynes for further use in functional materials.

연구 동기 및 목표

• 펄스 레이저 분해 수용성 합성(PLAL)을 통해 생성된 폴리인의 저수율과 열화성 문제를 해결함으로써 후속 특성 분석을 가능하게 하기 위해.
• 유기 용매 희석이 필요 없는 후처리 방법을 개발하여 동시에 농축, 분리 및 크기 선택된 폴리인을 수집하기 위해.
• 기능성 재료 응용을 위해 수소 캡핑된 폴리인(CnH2)의 고해상도 및 길이 특이적 특성 분석을 가능하게 하기 위해.
• 유해하고 고비용인 유기 용매 기반 절차를 대체하기 위해 수용성이며 환경에 친화적인 HPLC 기반 워크플로우를 제공하기 위해.

제안 방법

• 폴리인 수율을 극대화하기 위해 최적화된 PLAL 조건(2.8 J/cm² 조사량, 2 mL 용매 부피, 2분의 휴식을 포함한 30분 분해)을 적용하여 수용성 폴리인을 생성함.
• 수용성 폴리인을 희석 없이 직접 주입할 수 있도록 물을 이동상으로 사용하는 역상 크로마토그래피(RP-HPLC)를 적용함.
• 단백질 분석에서 일반적으로 사용되는 기법을 sp-탄소 사슬에 적응시켜 컬럼 내 농축을 적용함.
• 두 단계의 RP-HPLC 절차를 활용: 먼저 혼합물을 컬럼에 농축한 후, 기울기 염도를 이용해 크기 선택된 폴리인을 분리 및 수집함.
• 농도 증가와 복구 검증을 위해 특정 파장에서의 자외선-가시광선(UV-Vis) 검출을 수행함(300 nm: C6, 216 nm: C8, 251 nm: C10).
• HPLC 처리 전후 피크 면적을 비교하여 방법의 효율성을 검증하였으며, 크기 선택된 종의 복원률은 80 ± 3%를 기록함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유기 용매 희석 없이도 단일 RP-HPLC 절차가 수용성 PLAL 합성에서 크기 선택된 폴리인을 효과적으로 농축, 분리 및 수집할 수 있는가?
• RQ2 어떤 PLAL 조건이 수용성에서 수소 캡핑된 폴리인의 수율을 극대화하는가?
• RQ3 RP-HPLC에서의 컬럼 내 농축 기법이 짧은 폴리인(C6, C8, C10)의 감지 가능한 농도를 얼마나 향상시키며, 이전에는 감지되지 않았던 종인 C12를 드러내는 데 기여하는가?
• RQ4 전통적 방법에 비해 HPLC 기반의 농축 및 분리 효율은 수율과 시료의 구조적 완전성 측면에서 어느 정도인가?
• RQ5 이 방법이 크기 선택된 폴리인의 높은 복원률(예: 80% 이상)을 달성하면서도 그 구조적 및 광학적 특성을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 최적화된 PLAL 조건(2.8 J/cm² 조사량, 2 mL 용매, 2분 휴식을 포함한 30분 분해)으로 인해 10⁻⁶에서 10⁻⁷ mol/L 범위의 감지 가능한 수소 캡핑된 폴리인(C6, C8, C10)이 생성됨.
• 단일 RP-HPLC 절차는 UV-Vis 피크 면적 분석을 통해 C6(300 nm), C8(216 nm), C10(251 nm)에서 크기 선택된 폴리인의 농도를 80 ± 3% 증가시킴.
• 농축 및 해상도 향상 덕분에 이전에는 감지되지 않았던 폴리인 종인 C12까지 탐지 가능해짐.
• RP-HPLC에서의 컬럼 내 농축 기법을 통해 수용성 용액에서 직접 폴리인을 농축함으로써 사전 희석 또는 용매 교환의 필요성을 제거함.
• 198 nm(C6) 및 225 nm(C8)에서 과잉 로딩 효과가 관찰되어 컬럼 포화로 인한 UV-Vis 스펙트럼 왜곡이 발생하였으며, 이에 따라 정확한 농도 측정을 위해 다른 파장에 의존할 필요가 있음.
• 이 절차는 한 번의 워크플로우로 농축, 분리 및 수집을 자동화하여, 기존의 유기 용매 기반 폴리인 합성 및 정제 방법에 비해 확장 가능하고 비유해한 대안을 제공함.