Preparation of TiO2 Hollow Nanocages for Highly Selective Enrichment of Phosphopeptides by Nanodiamond-based Template Method

[[abstract]]在本篇論文中,我們首次提出以一個奈米鑽石(Nanodiamond, ND)為合成模板 的新型中空奈米結構的合成方法,開發出具高比表面積且形狀不規則的新型中空 奈米材料-二氧化鈦奈米籠 (TiO2 hollow nanocage, TiO2HC)。首先利用硼氫化鈉 (NaBH4)還原試劑將奈米鑽石進行表面處理,增加奈米鑽石表面上羥基官能基的數 量,再藉由兩步驟溶膠凝膠反應將依序將二氧化矽及二氧化鈦殼層修飾於奈米鑽 石表面,而形成二氧化鈦包覆的奈米鑽石結構 (TiO2 ND)。在 650°C的高溫環境下 並通入空氣中氧化作用 8 小時以除去奈米鑽石模板,形成中空二氧化鈦奈米籠。 二氧化鈦 (TiO2)材料是一種高效的金屬氧化親合層析 (MOAC) 吸附材料,常被使 用於濃縮及分離水溶液中的磷酸化胜肽及蛋白質。因此本篇工作將所合成的中空 二氧化鈦奈米籠,應用於濃縮及選擇性分離酪蛋白 (α-casein and β-casein) 及海拉 細胞 (HeLa cell) 蛋白質酵素水解溶液中的磷酸化胜肽,並進行磷酸化胜肽質譜分 析。 本工作首先將所合成的二氧化鈦奈米籠 (TiO2 hollow nanocage) 應用於濃縮 及分離經酵素消化水解後酪蛋白水溶液中的磷酸化胜肽,並藉由基質輔助雷射脫 附游離-飛行時間式質譜儀 (MALDI-TOF MS) 進行磷酸化胜肽的偵測,由質譜結 果顯示,此方法可以成功的偵測到樣品中極微量的磷酸化胜肽,而偵測到的質譜訊 號最低可以達到 10 fmol。在 β-casein 與牛血清白蛋白 (Bovine Serum Albumin, BSA) 的蛋白質混合物的複雜環境中,此方法也可以成功在高度複雜環境 (酪蛋白 與牛血清白蛋白以混合莫耳數比例 1 : 4000 混合) 基質中偵測出磷酸化胜肽的訊 號,由此證明二氧化鈦奈米籠作為一個新型的 MOAC 探針,能有效的針對樣品中的磷酸化胜肽進行分離與濃縮。而本工作也成功的將二氧化鈦奈米籠應於 Hela cell 中磷酸化胜肽的濃縮及分離,透過液相層析串聯質譜儀 (LC-MS/MS) 進行分析, 從實驗分析結果中,發現二氧化鈦奈米籠 (TiO2 hollow nanocage) 的確對於磷酸化 胜肽具有良好的選擇性,每 50 μg 的真實樣品 (Hela cell,子宮頸癌細胞) 分析中, 兩次合併後可偵測到磷酸化胜肽與非磷酸化胜肽的數量分別為 6367 及 1182 個, 其中磷酸化胜肽的選擇性高達 84.3%。此一結果再次驗證了為二氧化鈦奈米籠材料 對磷酸化胜肽具有高度專一性及吸附能力,推測是來自二氧化鈦的中空不規則奈 米結構,進而增加了內部可供磷酸化胜肽作用的有效位點與及奈米尺度的高比表 面積效應。 我們新研發出以奈米鑽石為合成模板的二氧化鈦奈米籠,其特點有:(一)綠色 化學合成、(二)具有高比表面積且內部中空不規則形態 (三)可以作為一個新型金屬 氧化物親合層析材料,並對磷酸化胜肽的濃縮及分離具有高度專一性。根據以上優 勢,相信在未來將可作為磷酸化蛋白質體學中,作為一個最具有潛力的新穎工具材 料。[[abstract]]In this work, we have developed a novel synthesis strategy for the production of TiO2 hollow nanocage for highly efficient enrichment of phosphopeptides via a Nanodiamond (ND) -assisted template method. We reduced the ND surface to OH groups and then coated the silica dioxide and titanium dioxide on the ND by sol-gel method, and the ND template was removed by calcination at 650 degrees for eight hours. The nanostructure of the obtained TiO2 hollow nanocage was characterized by nitrogen adsorption-desorption isotherms, X-ray powder diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), and the corresponding selected area electron diffraction (SAED). We can see that the metal oxide particles are coated on the surface of ND. The obtained TiO2 hollow nanocages exhibited high adsorption capacity, and excellent enrichment specificity (tryptic digest of β-casein/BSA at a molar ratio of 1:4000) and sensitivity (tryptic digest of 10 fmol of β-casein). Moreover, the hollow TiO2 nanocages provided effective enrichment efficiency of low-abundance phosphopeptides from HeLa cell digests. This ND-assisted template method represents an efficient avenue for the preparation of irregular shape hollow TiO2 cages in the nanoscale range, and serves as a new, scalable, and broadly applicable hard-template strategy for material science.[[note]]碩