[論文レビュー] A single liquid chromatography procedure to concentrate, separate and collect size-selected polyynes produced by pulsed laser ablation in water

Sonia Peggiani, Anna Facibeni+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2022

Mass Spectrometry Techniques and Applications参考文献 31被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、パルスレーザー焼戻法（PLAL）を用いて生成されたサイズ選択型ポリイン（線形sp炭素鎖）を、希釈を要せず、カラム内集中を活用することで、濃縮・分離・収集するワンステップの逆相HPLC（RP-HPLC）プロトコルを提示する。この手法により、ポリインの濃度が80 ± 3%向上し、C12など従来見えなかった種が検出可能となった。これは機能材料研究のためのスケーラブルで非毒性な有機溶媒ベースの合成法の代替手段である。

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.

研究の動機と目的

• パルスレーザー焼戻法（PLAL）による合成で得られるポリインの収率が低く、安定性に欠ける問題を克服する。
• 有機溶媒による希釈を要しない、同時に濃縮・分離・収集が可能な後処理法の開発。
• 機能材料用途に適した水素キャップドポリイン（CnH2）の高分解能・長さ特異的同定を可能にする。
• 毒性で高価な有機溶媒ベースのプロトコルに代わる、水に可溶で環境に配慮したHPLCベースのワークフローの構築。

提案手法

• ポリイン収率を最大化するための最適化されたPLALパラメータ（2.8 J/cm²のフォーカスエネルギー、2 mLの溶媒体積、2分のインターバルを含む30分間の焼戻し）を設定。
• 移動相に水を用いた逆相HPLC（RP-HPLC）を採用し、希釈を経ずに水系ポリインを直接注入。
• 通常タンパク質分析で用いられる技術であるカラム内集中を、sp炭素鎖に適応。
• 2段階のRP-HPLC法を採用：まず混合物をカラムに集中させ、次に勾配洗い出しを用いてサイズ選択型ポリインを分離・収集。
• UV-Vis検出を特定波長（C6：300 nm、C8：216 nm、C10：251 nm）で行い、濃度上昇と回収率の妥当性を追跡。
• HPLC処理前後のピーク面積を比較して手法の効率を検証し、サイズ選択種の回収率が80 ± 3%に達した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有機溶媒による希釈を要せず、水系PLAL合成からサイズ選択型ポリインをワンステップのRP-HPLCで効果的に濃縮・分離・収集できるか？
• RQ2 どのPLALパラメータが水中での水素キャップドポリインの収率を最大化するか？
• RQ3 RP-HPLCにおけるカラム内集中技術が、短いポリイン（C6、C8、C10）の検出可能濃度をどの程度向上させ、C12のような従来検出できなかった種を明らかにできるか？
• RQ4 従来の手法と比較して、HPLCベースの濃縮・分離プロトコルの収率およびサンプルの完全性はどの程度か？
• RQ5 本手法は、サイズ選択型ポリインを80%以上の回収率で得られるとともに、構造的・光学的特性を保持できるか？

主な発見

• 最適化されたPLAL条件（2.8 J/cm²のフォーカスエネルギー、2 mLの溶媒体積、2分のインターバルを含む30分間の焼戻し）により、検出可能な水素キャップドポリイン（C6、C8、C10）が10⁻⁶〜10⁻⁷ mol/Lの濃度で生成された。
• ワンステップのRP-HPLCプロトコルにより、サイズ選択型ポリインの濃度がUV-Visピーク面積分析（C6：300 nm、C8：216 nm、C10：251 nm）により確認されたように、80 ± 3%向上した。
• 濃度向上と分解能向上のおかげで、従来検出できなかったポリイン種C12が検出可能となった。
• カラム内集中により、希釈や溶媒交換を経ずに水系溶液からの直接濃縮が可能となった。
• 198 nm（C6）および225 nm（C8）で過剰負荷効果が観察され、カラムの過飽和とUV-Visスペクトルの歪みが生じた。これにより、正確な定量には代替波長への依存が不可避となった。
• 本プロトコルは、濃縮・分離・収集をワンワークフローで自動化し、有機溶媒ベースのポリイン合成・精製に代わるスケーラブルで非毒性な代替手段を提供する。