eng
Выпуск #5/2016
Х.Сато
Детальная характеристика структуры полимеров методом МАЛДИ-ВП-МС со спиральной траекторией ионов
Детальная характеристика структуры полимеров методом МАЛДИ-ВП-МС со спиральной траекторией ионов
Просмотры: 2529
В современной промышленности применяют главным образом полимеры сложного состава – смеси полимеров и сополимеры. Их анализ традиционными методами МАЛДИ-ВП-МС представляет собой трудную задачу, поскольку из-за разнообразия структурных вариантов отдельных цепей часто происходит изобарная интерференция: пики, принадлежащие разным, но близким по массе структурным единицам, сливаются в один. Для разделения сливающихся пиков необходима масс-спектрометрия высокого разрешения. Описана новая технология спирального МАЛДИ-ВП-МС с пролетом ионов не по линейной, а по спиральной траектории, которая позволяет получить масс-спектры высокого разрешения. Рассмотрены примеры применения нового метода для детальной структурной характеристики сложных полимеров.
Теги: complicated polymers maldi spiral-tofms mass spectrometry масс-спектрометрия сложные полимеры спиральный малди-вп-мс
Свойства полимерного материала сильно зависят от его состава. На сегодняшний день для проведения подробного исследования полимеров используют разнообразные инструментальные методы. Спектроскопические методы включают масс-спектрометрию (МС), инфракрасную спектроскопию (ИК), ядерный магнитный резонанс (ЯМР). Хроматографические методы: высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ), газовая (ГХ) и пиролитическая газовая (ПГХ), гель-проникающая хроматография (ГПХ). Матрично-активированная лазерная десорбция / ионизация с времяпролетным анализом (МАЛДИ-ВП-МС) – масс-спектрометрический метод, позволяющий измерять молекулярную массу каждой полимерной цепи без ее фрагментации. Этот метод имеет большой потенциал для детального исследования полимеров, то есть определения структуры мономерных звеньев и концевых групп, молекулярного-массового распределения (ММР), распределения сополимеров по содержанию каждого типа составляющих мономеров.
ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР СО СПИРАЛЬНЫМИ ТРАЕКТОРИЯМИ ИОНОВ
Для определения масс ионов, образующихся в ионном источнике МАЛДИ под действием лазерных импульсов, лучше всего подходят именно времяпролетные анализаторы. Обычный МАЛДИ-ВП масс-спектрометр включает в себя ионный источник с ультрафиолетовым импульсным лазером, времяпролетную трубу и детектор (анализатор масс). Образующиеся под действием лазерных импульсов ионы ускоряются электрическим полем при разности потенциалов около 20 кВ между отражающим и сетчатым электродом, обеспечивающим экстракцию ионов. Ускоренные ионы попадают во времяпролетную трубу, где электрическое поле отсутствует, и через определенное время достигают детектора. Время пролета t иона массой m через трубу длиной L со скоростью v вычисляется по формуле:
t = L/v. (1)
Скорость v рассчитывается в соответствии с законом сохранения энергии:
ezU0 = (1/2) muv2 (2)
или
v = 2ezU0/mu, (3)
где z – заряд иона, U0 – ускоряющий потенциал, е – заряд электрона (1,6 · 10–19 Кл), u – унифицированная атомная единица массы (1,66 · 10–27 кг).
Подставляя рассчитанную скорость v в уравнение (1), получаем:
t = L × √(u/2eU0) × √(m/z). (4)
Таким образом, время пролета иона t прямо пропорционально квадратному корню отношения его массы к заряду (m / z).
Разрешающую способность детектора можно улучшить, увеличив время пролета ионов t. Для этого, как следует из уравнения (4), необходимо увеличить длину пролетного пути L или уменьшить ускоряющий потенциал U0. Снижение ускоряющего потенциала имеет негативные последствия: во-первых, уменьшается эффективность экстракции ионов, во-вторых, увеличивается разброс их начальных скоростей. Удлинение пролетного пути L влечет за собой увеличение габаритов самого прибора, кроме того, возрастают потери "прозрачных" ионов за счет их диффузии. Решить эти проблемы удалось с помощью нового метода спирального МАЛДИ-ВП-МС, в котором длина пролета увеличена за счет изменения линейной траектории ионов на спиральную. На рис.1 показана схема ионной оптики масс-спектрометра JEOL JMS-S3000, использующего данный метод. Пролетный путь состоит из восьми витков спирали длиной по ~ 2,1 м; общая длина пути составляет около 17 м [1], [2]. После каждого витка происходит фокусировка ионного пучка, что предотвращает потерю "прозрачных" ионов. Разрешение прибора более 60 000 (ширина на половине высоты максимума, FWHM), что позволяет определять массу с точностью до тысячных долей а.е.м.
ПРИМЕНЕНИЕ МАЛДИ-ВП-МС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ПОЛИМЕРОВ
Масс-спектры полимеров простейшей структуры представляют собой серию пиков, расположенных через одинаковые интервалы. Значения m / z можно рассчитать по формуле:
m / z = Mмон × N + Mконц + Мкат, (5)
где Mмон – масса мономерного звена, N – число звеньев в составе цепи, Mконц – масса концевых групп, Мкат – масса присоединенного катиона, например, Na+. Величина Mмон легко определяется по разнице между соседними пиками. Мкат соответствует массе катиона, присутствующего в ионизирующем реагенте. Подставив эти величины в формулу (5), можно вычислить массу концевых групп Mконц. Таким образом, химическая структура простых гомополимеров легко анализируется методом МАЛДИ-ВП-МС.
Большинство промышленных полимерных материалов имеет сложный состав – это сополимеры, полимерные смеси и композиты. В них вводят специальные добавки – антиоксиданты, стабилизаторы, красители, огнегасители, поверхностно-активные вещества. Такое разнообразие молекул с различными химическими структурами приводит к сложным и запутанным спектрам МАЛДИ-ВП-МС: очень часто пики с близкими значениями m / z сливаются.
Для разделения перекрывающихся изобарных пиков требуются масс-спектрометры высокого разрешения. Логично предположить, что для анализа сложных полимерных материалов лучше всего подходит масс-спектрометрия ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье (МС-ИЦР ПФ). Этот метод со сверхвысоким разрешением действительно наилучший с точки зрения различения изобарных пиков. Однако он требует чрезвычайно высокой квалификации оператора и весьма бережного обращения с приборами, особенно при использовании ионного источника МАЛДИ. Кроме того, в ячейку ИЦР попадает лишь ограниченное число ионов, что при анализе полимерных образцов со множеством типов цепей, является существенным недостатком. Наконец, длительность регистрации спада сигнала свободной индукции (ССИ) составляет порядка нескольких секунд, а время жизни ионов полимеров, образующихся в источнике МАЛДИ, значительно короче.
Главное преимущество нового метода спирального МАЛДИ-ВП-МС перед МС-ИЦР ПФ – его простота. При регистрации спектров используют принципиально те же процедуры, что и в традиционном МАЛДИ-ВП-МС. Приведем типичные примеры применения метода спирального МАЛДИ-ВП-МС для характеристики полимеров сложной структуры.
АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ СОПОЛИМЕРОВ МЕТОДОМ СПИРАЛЬНОГО МАЛДИ-ВП-МС
Полимеры, содержащие несколько типов мономерных звеньев, называются сополимерами. Они широко используются в полимерной промышленности, прежде всего для модификации каких-либо свойств материалов. Дизайн и разработка сополимеров требует детальной характеристики их структуры, что является непростой задачей. Нужно определить мономерный состав сополимерных цепей, последовательность сочленения мономерных звеньев, структуры концевых групп, молекулярные веса цепей и молекулярно-массовое распределение.
Использование метода спирального МАЛДИ-ВП-МС можно проиллюстрировать на примере сополимера метилметакрилата (ММА) и трет-бутилметакрилата (трет-БМА), образовавшегося в результате свободнорадикальной полимеризации [3]. В качестве инициатора полимеризации был использован 2,2-азобис-(2,4-диметилвалеронитрил) (АВН), а в качестве растворителя и агента передачи цепи – этиллактат (ЭЛ). В этих условиях полимеризацию может инициировать не только АВН, но и ЭЛ, при этом в начале цепи образуются разные концевые группы. Завершение полимеризации происходит либо в результате диспропорционирования с образованием насыщенных или ненасыщенных концевых групп, либо при рекомбинации наращиваемых цепей, представляющих собой радикалы с неспаренными электронами на концах. Полимерные цепи, содержащиеся в таком образце, могут иметь семь различных комбинаций концевых групп (рис.2а).
На рис.2б приведен масс-спектр МАЛДИ высокого разрешения такого сополимера, имеющего молярное отношение мономеров ММА и трет-БМА примерно 45 : 55. Сополимер содержит множество цепей, отличающихся друг от друга не только по структуре концевых групп, но и по мономерному составу. Спиральный МАЛДИ-ВП-МС обеспечивает разрешение порядка 60 000 вплоть до m / z 3 000, что позволяет с уверенностью различать изобарные пики. Точные значения масс дают возможность выяснить число мономерных звеньев того и другого типа в индивидуальных цепях, типы концевых групп с обеих сторон цепей. В качестве примера рассмотрим изобарные пики с номинальным значением m / z 1 218. Пик m / z 1 218,714 соответствует цепи из восьми звеньев ММА и двух звеньев трет-БМА, концевые группы которой относятся к типу II (полимеризация инициирована АВН, при завершении образовался насыщенный конец). Структуру такой цепи можно обозначить как II(M8третБ2). Соседний изобарный пик m / z 1 218,748 соответствует цепи со структурой III(M4третБ4), полимеризация которой инициирована этиллактатом (ЭЛ), а при терминации образовалась ненасыщенная концевая группа. Наконец, пик m / z 1 218,646 является изотопным пиком цепи со структурой I(M8третБ2).
На рис.3 показан увеличенный фрагмент масс-спектра того же сополимера (ММА+трет-БМА) в области m / z 1 226–1 232. При анализе образцов с низким содержанием ММА (отношение ММА : трет-БМА – 12 : 88), здесь видны два основных пика: II (M1третБ7) при m / z 1 226,832 и I (M1третБ7) при m / z 1 228,844. Если увеличить содержание ММА в полимере, интенсивность этих пиков снизится, но будет наблюдаться рост других пиков, например, III(M7B2). В представленном на рис.3 примере пики, характерные для низкого и высокого отношения ММА : трет-БМА, отличаются друг от друга всего на ~ 0,08 а.е.м., и их невозможно различить с помощью обычного времяпролетного масс-спектрометра рефлекторного типа (рис.3, внизу). Cпиральный МАЛДИ-ВП-МС, однако, позволяет провести корректное отнесение данных пиков. При анализе сополимера этим методом можно получить представление о механизмах его синтеза, поскольку он дает информацию о распределении полимерных цепей по составу мономерных звеньев и по комбинациям концевых групп (данные не показаны, [3]). Подобные результаты сложно получить каким-либо другим методом, поэтому спиральный МАЛДИ-ВП-МС является мощным инструментом для анализа состава и структуры сложных полимеров.
АНАЛИЗ СОСТАВА ПОЛИМЕРНЫХ ОБРАЗЦОВ МЕТОДОМ ДЕФЕКТОВ МАСС КЕНДРИКА
В спектрах сложных полимерных продуктов, регистрируемых методом спирального МАЛДИ-ВП-МС, необходимо проводить отнесение каждого из индивидуальных пиков, которых в каждом спектре может быть чрезвычайно много. Это весьма трудоемкая задача. Поэтому для обработки масс-спектральных данных лучше всего использовать методы, не требующие отнесения всех пиков. Для характеристики сложных полимеров подходит анализ дефектов масс Кендрика (ДМК). Он впервые предложен Е.Кендриком в 1963 году [4] и применяется главным образом при анализе нефти и липидов методом ионно-циклотронного резонанса с преобразованием Фурье (МС-ИЦР-ПФ). К исследованию полимеров этот подход не применяли из-за невозможности регистрации масс-спектров высокого разрешения методом МАЛДИ-ИЦР ПФ. Поскольку спиральный МАЛДИ-ВП-МС позволяет определять массы полимерных цепей с погрешностью всего в несколько миллионных долей (ppm), анализ ДМК оказался востребованным. Рассмотрим основы данного подхода, а также несколько примеров его применения.
Анализ ДМК применяют для обнаружения в сложных масс-спектрах гомологичных серий молекул, отличающихся друг от друга только числом базовых структурных единиц. Подход основан на анализе дефектов масс, то есть разницы между точными и номинальными (целочисленными) массами атомов. Среди атомов, входящих в органические соединения, водород, углерод и азот имеют положительный дефект массы (точная масса больше целочисленной), а кислород и фосфор – отрицательный. Следовательно, наибольший положительный дефект массы из всех органических соединений имеют насыщенные углеводороды, цепи которых состоят из метиленовых групп (-СH2-).
Дефект массы Кендрика (ДМК) определяется как разность точной массы, переведенной в шкалу Кендрика, и номинальной массы в этой же шкале. Стандартные значения масс, измеряемые в шкале IUPAC, переводятся в массы Кендрика (Mk) в соответствии с формулой:
Mk = MIUPAC × (НМбаз/ТМбаз), (6)
где ТМбаз и НМбаз – соответственно, точная и номинальная масса базовой единицы в шкале IUPAC. В исходной версии метода, применяемой для нефти и липидов, базовой единицей считается метиленовая группа, называемая гомологической разностью. Ее точная масса в шкале IUPAC составляет 14,01565, а номинальная масса – 14 а.е.м. При анализе полимеров в качестве базовой единицы выбирается повторяющийся мономерный фрагмент.
На рис.4 показан пример анализа масс-спектрометрических данных с построением диаграммы Кендрика. Исследован коммерческий детергент, представляющий собой смесь полиоксиэтилен-лаурилового эфира (С12-ПОЭ) и додецилбензолсульфоната натрия (ДБСН). Его масс-спектр, полученный с помощью спирального МАЛДИ-ВП-МС, состоит из пиков аддуктов цепей С12-ПЭО с катионами натрия, разбросанных на длинном промежутке массового диапазона в ~ 900 m / z, а также полос ДБСН с различной длиной алкильных цепей от С11 до С13. В качестве базовой единицы для перевода масс в шкалу Кендрика использован мономерный фрагмент ПОЭ – оксид этилена (С2Н4О), имеющий точную массу 44,0261 и номинальную массу 44. Массы Кендрика (Mk) вычислены по уравнению (6) для всех пиков, присутствующих в спектре. Например, для пика с точным значением m / z = 429,3181 величина Mk составляет 429,0634. Дефект масс Кендрика (ДМК) равен ее дробной части, то есть 0,0634, а номинальная масса Кендрика (НМК) – целой части, то есть 429. На двумерные диаграммы Кендрика в координатах НМК-ДМК наносятся точки, соответствующие всем пикам. Пики гомологичных молекул, отличающихся друг от друга по числу повторяющихся базовых фрагментов, ложатся на одну горизонтальную линию, а соединения, содержащие иные структурные фрагменты, оказываются смещенными по вертикали. В нашем примере горизонтальную линию на диаграмме формируют пики С12-ПОЭ с различным числом звеньев С2Н4О (рис.4, внизу), а три пика ДБСН с разной длиной алкильных цепей ложатся на диагональную линию, расположенную ниже.
Еще один пример применения анализа ДМК – более сложные образцы коммерческих моющих средств, выпускаемых тем же производителем. На рис.5 представлены спектры спирального МАЛДИ-ВП-МС двух различных моющих средств и построенные на их основе диаграммы Кендрика. В спектрах обнаруживаются серии пиков, расположенных на расстоянии ~ 44 а.е.м. друг от друга, что дает основания предположить наличие в моющих средствах поверхностно активных веществ с повторяющимися фрагментами С2Н4О. Поэтому данный фрагмент был взят в качестве базовой единицы для перевода масс в шкалу Кендрика по уравнению (6). Как и в предыдущем случае, построены диаграммы Кендрика в координатах НМК-ДМК (рис.5, слева). Шкалы ДМК по вертикальной оси на рис.5 не показаны для исключения возможности идентификации коммерческих продуктов. Как видно из рисунка, диаграммы обоих моющих средств имеют сходный вид. Каждое из них содержит не менее трех поверхностно-активных веществ, состоящих из фрагментов С2Н4О – на это указывает несколько горизонтальных линий на обеих диаграммах. Из сравнения диаграмм между собой видно, что образцы А и Б имеют различное распределение данных компонентов по длине цепей. В образце Б цепи имеют в среднем большую длину, чем в образце А, так как точки в области значений НМК > 600 на диаграмме Б более интенсивны. В целом, каждый тип молекулы имеет уникальные значения НМК и ДМК. Поэтому можно создавать базы данных, которые позволили бы определять соединения визуально по положению их пиков на диаграмме Кендрика. Анализ диаграмм Кендрика может дать представление об идеях, лежащих в основе разработки исследуемых детергентов и моющих средств. На диаграммах можно находить интересующие компоненты, их гомологические серии, а затем характеризовать их структуры с учетом точных значений масс, получаемых из масс-спектров. Таким образом, обработка масс-спектральных данных с помощью анализа ДМК может быть весьма полезной при поиске характеристических соединений в сложных смесях и материалах.
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СОПОЛИМЕРОВ ПО СОСТАВУ
С ПОМОЩЬЮ ДИАГРАММ КЕНДРИКА
Анализ ДМК может быть также использован для характеристики сополимеров [5]. На рис.6 приведен масс-спектр блочного сополимера, состоящего из звеньев оксида этилена (ОЭ) и пропилена (ОП). Пики в этом спектре обнаруживаются вплоть до m / z ~ 1 900. Теоретически, в спектрах сополимеров ОЭ и ОП должны присутствовать серии пиков с интервалом около 2 а.е.м. (разница масс между ОЭxОПy и ОЭx + 4OПy – 3) и их изотопные пики. Несложно догадаться, что пики моноизотопных масс ЭОx + 4ПOy – 3 будут "сливаться" с изотопными пиками ЭОxПОy, массы которых больше моноизотопных на 2 а.е.м. (это главным образом молекулы с двумя атомами 13С). Разница между "сливающимися" пиками составляет всего 0,027 а.е.м, однако, как видно из рис. 6, они хорошо различаются методом спирального МАЛДИ-ВП-МС. Точные массы всех пиков сополимера были переведены в шкалу масс Кендрика, при этом за базовую единицу принят мономер ПО (С3Н6О, точная масса 58,0419, номинальная масса 58). На основе полученных значений НМК и ДМК построена диаграмма Кендрика, показанная на рис.7.
Серии молекул, различающихся только по числу звеньев ПО, образуют на диаграмме горизонтальные линии с расстояниями между соседними точками, равными 58. В то же время молекулы, отличающиеся числом звеньев ЭО, ложатся на диагональные прямые, точки которых отстоят друг от друга по вертикальной оси (ДМК) на 0,055, а по горизонтальной (НМК) – на 44. На рис.7 пунктиром обозначены теоретически рассчитанные линии, соответствующие изменениям числа звеньев ЭО и ПО. Построенная диаграмма характеризует распределение цепей сополимера по мономерному составу. Как видно из рисунка, цепи исследованного образца содержат от 0 до 35 звеньев ЭО и от 13 до 23 звеньев ПО. Точки, лежащие на нижней горизонтальной линии (ЭО = 0), указывают на присутствие гомополимерных цепей, состоящих только из ПО. Полученные результаты позволяют предположить, что сополимер был синтезирован на основе базовых гомополимерных цепей ПО путем присоединения к ним с обоих концов звеньев ЭО.
Приведенные примеры наглядно показывают возможность использования анализа ДМК для обработки результатов масс-спектрометрического анализа полимеров, полученных с помощью спирального МАЛДИ-ВП-МС. Одно из ключевых преимуществ метода – наглядная визуализация распределения цепей полимера по структурным характеристикам, при этом нет необходимости отнесения всех пиков в сложных спектрах или трудоемкого поиска пиков нужных соединений. Это делает метод потенциально полезным для быстрого "построения портретов" промышленных полимеров, а также для предположения о возможных путях синтеза и обработки полимерных материалов.
ВЫВОДЫ
Применение традиционных методик МАЛДИ-ВП-МС весьма ограничено из-за недостаточно высокого разрешения спектров. Создание времяпролетного анализатора со спиральной траекторией пролета ионов вывело область исследования сложных полимеров на новый уровень. Высокое разрешение масс-спектров позволяет различать изобарные пики и устанавливать мономерный состав сополимерных цепей и их концевых групп почти во всех случаях. Для интерпретации сложных масс-спектров высокого разрешения, содержащих множество пиков, может быть успешно применен анализ дефектов масс Кендрика. Приведенные практические примеры свидетельствуют о том, что метод спирального МАЛДИ-ВП-МС демонстрирует широкие возможности мощного аналитического инструмента для характеристики состава и структуры сложных полимеров.
ЛИТЕРАТУРА
Satoh T., Tsuno H., Iwanaga M., Kammei Y. The design and characteristic features of a new time-of-flight mass spectrometer with a spiral ion trajectory // Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 2005. V. 16. P. 1969–1975.
Satoh T., Sato T., Tamura J. Development of a high performance MALDI-TOF mass spectrometer utilizing a spiral ion trajectory // Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 2007. V. 18. P. 1 318–1 323.
Sato H., Ishii Y., Momose H., Sato T., Teramoto K. Structural characterization of free radical polymerized methacrylate ester copolymers using high-resolution MALDI-TOFMS with a spiral ion trajectory // Mass Spectrometry. 2013. V. 2. A0014.
Kendrick E. A mass scale based on CH2 = 14.0000 for high resolution mass spectrometry of organic compounds // Analytical Chemistry. 1963. V. 35. P. 2 146–2 154.
Sato H., Nakamura S., Teramoto K., Sato T. Structural characterization of polymers by MALDI spiral-TOF mass spectrometry combined with Kendrick mass defect analysis // Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 2014. V. 25. P. 1346–1355.
ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР СО СПИРАЛЬНЫМИ ТРАЕКТОРИЯМИ ИОНОВ
Для определения масс ионов, образующихся в ионном источнике МАЛДИ под действием лазерных импульсов, лучше всего подходят именно времяпролетные анализаторы. Обычный МАЛДИ-ВП масс-спектрометр включает в себя ионный источник с ультрафиолетовым импульсным лазером, времяпролетную трубу и детектор (анализатор масс). Образующиеся под действием лазерных импульсов ионы ускоряются электрическим полем при разности потенциалов около 20 кВ между отражающим и сетчатым электродом, обеспечивающим экстракцию ионов. Ускоренные ионы попадают во времяпролетную трубу, где электрическое поле отсутствует, и через определенное время достигают детектора. Время пролета t иона массой m через трубу длиной L со скоростью v вычисляется по формуле:
t = L/v. (1)
Скорость v рассчитывается в соответствии с законом сохранения энергии:
ezU0 = (1/2) muv2 (2)
или
v = 2ezU0/mu, (3)
где z – заряд иона, U0 – ускоряющий потенциал, е – заряд электрона (1,6 · 10–19 Кл), u – унифицированная атомная единица массы (1,66 · 10–27 кг).
Подставляя рассчитанную скорость v в уравнение (1), получаем:
t = L × √(u/2eU0) × √(m/z). (4)
Таким образом, время пролета иона t прямо пропорционально квадратному корню отношения его массы к заряду (m / z).
Разрешающую способность детектора можно улучшить, увеличив время пролета ионов t. Для этого, как следует из уравнения (4), необходимо увеличить длину пролетного пути L или уменьшить ускоряющий потенциал U0. Снижение ускоряющего потенциала имеет негативные последствия: во-первых, уменьшается эффективность экстракции ионов, во-вторых, увеличивается разброс их начальных скоростей. Удлинение пролетного пути L влечет за собой увеличение габаритов самого прибора, кроме того, возрастают потери "прозрачных" ионов за счет их диффузии. Решить эти проблемы удалось с помощью нового метода спирального МАЛДИ-ВП-МС, в котором длина пролета увеличена за счет изменения линейной траектории ионов на спиральную. На рис.1 показана схема ионной оптики масс-спектрометра JEOL JMS-S3000, использующего данный метод. Пролетный путь состоит из восьми витков спирали длиной по ~ 2,1 м; общая длина пути составляет около 17 м [1], [2]. После каждого витка происходит фокусировка ионного пучка, что предотвращает потерю "прозрачных" ионов. Разрешение прибора более 60 000 (ширина на половине высоты максимума, FWHM), что позволяет определять массу с точностью до тысячных долей а.е.м.
ПРИМЕНЕНИЕ МАЛДИ-ВП-МС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ПОЛИМЕРОВ
Масс-спектры полимеров простейшей структуры представляют собой серию пиков, расположенных через одинаковые интервалы. Значения m / z можно рассчитать по формуле:
m / z = Mмон × N + Mконц + Мкат, (5)
где Mмон – масса мономерного звена, N – число звеньев в составе цепи, Mконц – масса концевых групп, Мкат – масса присоединенного катиона, например, Na+. Величина Mмон легко определяется по разнице между соседними пиками. Мкат соответствует массе катиона, присутствующего в ионизирующем реагенте. Подставив эти величины в формулу (5), можно вычислить массу концевых групп Mконц. Таким образом, химическая структура простых гомополимеров легко анализируется методом МАЛДИ-ВП-МС.
Большинство промышленных полимерных материалов имеет сложный состав – это сополимеры, полимерные смеси и композиты. В них вводят специальные добавки – антиоксиданты, стабилизаторы, красители, огнегасители, поверхностно-активные вещества. Такое разнообразие молекул с различными химическими структурами приводит к сложным и запутанным спектрам МАЛДИ-ВП-МС: очень часто пики с близкими значениями m / z сливаются.
Для разделения перекрывающихся изобарных пиков требуются масс-спектрометры высокого разрешения. Логично предположить, что для анализа сложных полимерных материалов лучше всего подходит масс-спектрометрия ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье (МС-ИЦР ПФ). Этот метод со сверхвысоким разрешением действительно наилучший с точки зрения различения изобарных пиков. Однако он требует чрезвычайно высокой квалификации оператора и весьма бережного обращения с приборами, особенно при использовании ионного источника МАЛДИ. Кроме того, в ячейку ИЦР попадает лишь ограниченное число ионов, что при анализе полимерных образцов со множеством типов цепей, является существенным недостатком. Наконец, длительность регистрации спада сигнала свободной индукции (ССИ) составляет порядка нескольких секунд, а время жизни ионов полимеров, образующихся в источнике МАЛДИ, значительно короче.
Главное преимущество нового метода спирального МАЛДИ-ВП-МС перед МС-ИЦР ПФ – его простота. При регистрации спектров используют принципиально те же процедуры, что и в традиционном МАЛДИ-ВП-МС. Приведем типичные примеры применения метода спирального МАЛДИ-ВП-МС для характеристики полимеров сложной структуры.
АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ СОПОЛИМЕРОВ МЕТОДОМ СПИРАЛЬНОГО МАЛДИ-ВП-МС
Полимеры, содержащие несколько типов мономерных звеньев, называются сополимерами. Они широко используются в полимерной промышленности, прежде всего для модификации каких-либо свойств материалов. Дизайн и разработка сополимеров требует детальной характеристики их структуры, что является непростой задачей. Нужно определить мономерный состав сополимерных цепей, последовательность сочленения мономерных звеньев, структуры концевых групп, молекулярные веса цепей и молекулярно-массовое распределение.
Использование метода спирального МАЛДИ-ВП-МС можно проиллюстрировать на примере сополимера метилметакрилата (ММА) и трет-бутилметакрилата (трет-БМА), образовавшегося в результате свободнорадикальной полимеризации [3]. В качестве инициатора полимеризации был использован 2,2-азобис-(2,4-диметилвалеронитрил) (АВН), а в качестве растворителя и агента передачи цепи – этиллактат (ЭЛ). В этих условиях полимеризацию может инициировать не только АВН, но и ЭЛ, при этом в начале цепи образуются разные концевые группы. Завершение полимеризации происходит либо в результате диспропорционирования с образованием насыщенных или ненасыщенных концевых групп, либо при рекомбинации наращиваемых цепей, представляющих собой радикалы с неспаренными электронами на концах. Полимерные цепи, содержащиеся в таком образце, могут иметь семь различных комбинаций концевых групп (рис.2а).
На рис.2б приведен масс-спектр МАЛДИ высокого разрешения такого сополимера, имеющего молярное отношение мономеров ММА и трет-БМА примерно 45 : 55. Сополимер содержит множество цепей, отличающихся друг от друга не только по структуре концевых групп, но и по мономерному составу. Спиральный МАЛДИ-ВП-МС обеспечивает разрешение порядка 60 000 вплоть до m / z 3 000, что позволяет с уверенностью различать изобарные пики. Точные значения масс дают возможность выяснить число мономерных звеньев того и другого типа в индивидуальных цепях, типы концевых групп с обеих сторон цепей. В качестве примера рассмотрим изобарные пики с номинальным значением m / z 1 218. Пик m / z 1 218,714 соответствует цепи из восьми звеньев ММА и двух звеньев трет-БМА, концевые группы которой относятся к типу II (полимеризация инициирована АВН, при завершении образовался насыщенный конец). Структуру такой цепи можно обозначить как II(M8третБ2). Соседний изобарный пик m / z 1 218,748 соответствует цепи со структурой III(M4третБ4), полимеризация которой инициирована этиллактатом (ЭЛ), а при терминации образовалась ненасыщенная концевая группа. Наконец, пик m / z 1 218,646 является изотопным пиком цепи со структурой I(M8третБ2).
На рис.3 показан увеличенный фрагмент масс-спектра того же сополимера (ММА+трет-БМА) в области m / z 1 226–1 232. При анализе образцов с низким содержанием ММА (отношение ММА : трет-БМА – 12 : 88), здесь видны два основных пика: II (M1третБ7) при m / z 1 226,832 и I (M1третБ7) при m / z 1 228,844. Если увеличить содержание ММА в полимере, интенсивность этих пиков снизится, но будет наблюдаться рост других пиков, например, III(M7B2). В представленном на рис.3 примере пики, характерные для низкого и высокого отношения ММА : трет-БМА, отличаются друг от друга всего на ~ 0,08 а.е.м., и их невозможно различить с помощью обычного времяпролетного масс-спектрометра рефлекторного типа (рис.3, внизу). Cпиральный МАЛДИ-ВП-МС, однако, позволяет провести корректное отнесение данных пиков. При анализе сополимера этим методом можно получить представление о механизмах его синтеза, поскольку он дает информацию о распределении полимерных цепей по составу мономерных звеньев и по комбинациям концевых групп (данные не показаны, [3]). Подобные результаты сложно получить каким-либо другим методом, поэтому спиральный МАЛДИ-ВП-МС является мощным инструментом для анализа состава и структуры сложных полимеров.
АНАЛИЗ СОСТАВА ПОЛИМЕРНЫХ ОБРАЗЦОВ МЕТОДОМ ДЕФЕКТОВ МАСС КЕНДРИКА
В спектрах сложных полимерных продуктов, регистрируемых методом спирального МАЛДИ-ВП-МС, необходимо проводить отнесение каждого из индивидуальных пиков, которых в каждом спектре может быть чрезвычайно много. Это весьма трудоемкая задача. Поэтому для обработки масс-спектральных данных лучше всего использовать методы, не требующие отнесения всех пиков. Для характеристики сложных полимеров подходит анализ дефектов масс Кендрика (ДМК). Он впервые предложен Е.Кендриком в 1963 году [4] и применяется главным образом при анализе нефти и липидов методом ионно-циклотронного резонанса с преобразованием Фурье (МС-ИЦР-ПФ). К исследованию полимеров этот подход не применяли из-за невозможности регистрации масс-спектров высокого разрешения методом МАЛДИ-ИЦР ПФ. Поскольку спиральный МАЛДИ-ВП-МС позволяет определять массы полимерных цепей с погрешностью всего в несколько миллионных долей (ppm), анализ ДМК оказался востребованным. Рассмотрим основы данного подхода, а также несколько примеров его применения.
Анализ ДМК применяют для обнаружения в сложных масс-спектрах гомологичных серий молекул, отличающихся друг от друга только числом базовых структурных единиц. Подход основан на анализе дефектов масс, то есть разницы между точными и номинальными (целочисленными) массами атомов. Среди атомов, входящих в органические соединения, водород, углерод и азот имеют положительный дефект массы (точная масса больше целочисленной), а кислород и фосфор – отрицательный. Следовательно, наибольший положительный дефект массы из всех органических соединений имеют насыщенные углеводороды, цепи которых состоят из метиленовых групп (-СH2-).
Дефект массы Кендрика (ДМК) определяется как разность точной массы, переведенной в шкалу Кендрика, и номинальной массы в этой же шкале. Стандартные значения масс, измеряемые в шкале IUPAC, переводятся в массы Кендрика (Mk) в соответствии с формулой:
Mk = MIUPAC × (НМбаз/ТМбаз), (6)
где ТМбаз и НМбаз – соответственно, точная и номинальная масса базовой единицы в шкале IUPAC. В исходной версии метода, применяемой для нефти и липидов, базовой единицей считается метиленовая группа, называемая гомологической разностью. Ее точная масса в шкале IUPAC составляет 14,01565, а номинальная масса – 14 а.е.м. При анализе полимеров в качестве базовой единицы выбирается повторяющийся мономерный фрагмент.
На рис.4 показан пример анализа масс-спектрометрических данных с построением диаграммы Кендрика. Исследован коммерческий детергент, представляющий собой смесь полиоксиэтилен-лаурилового эфира (С12-ПОЭ) и додецилбензолсульфоната натрия (ДБСН). Его масс-спектр, полученный с помощью спирального МАЛДИ-ВП-МС, состоит из пиков аддуктов цепей С12-ПЭО с катионами натрия, разбросанных на длинном промежутке массового диапазона в ~ 900 m / z, а также полос ДБСН с различной длиной алкильных цепей от С11 до С13. В качестве базовой единицы для перевода масс в шкалу Кендрика использован мономерный фрагмент ПОЭ – оксид этилена (С2Н4О), имеющий точную массу 44,0261 и номинальную массу 44. Массы Кендрика (Mk) вычислены по уравнению (6) для всех пиков, присутствующих в спектре. Например, для пика с точным значением m / z = 429,3181 величина Mk составляет 429,0634. Дефект масс Кендрика (ДМК) равен ее дробной части, то есть 0,0634, а номинальная масса Кендрика (НМК) – целой части, то есть 429. На двумерные диаграммы Кендрика в координатах НМК-ДМК наносятся точки, соответствующие всем пикам. Пики гомологичных молекул, отличающихся друг от друга по числу повторяющихся базовых фрагментов, ложатся на одну горизонтальную линию, а соединения, содержащие иные структурные фрагменты, оказываются смещенными по вертикали. В нашем примере горизонтальную линию на диаграмме формируют пики С12-ПОЭ с различным числом звеньев С2Н4О (рис.4, внизу), а три пика ДБСН с разной длиной алкильных цепей ложатся на диагональную линию, расположенную ниже.
Еще один пример применения анализа ДМК – более сложные образцы коммерческих моющих средств, выпускаемых тем же производителем. На рис.5 представлены спектры спирального МАЛДИ-ВП-МС двух различных моющих средств и построенные на их основе диаграммы Кендрика. В спектрах обнаруживаются серии пиков, расположенных на расстоянии ~ 44 а.е.м. друг от друга, что дает основания предположить наличие в моющих средствах поверхностно активных веществ с повторяющимися фрагментами С2Н4О. Поэтому данный фрагмент был взят в качестве базовой единицы для перевода масс в шкалу Кендрика по уравнению (6). Как и в предыдущем случае, построены диаграммы Кендрика в координатах НМК-ДМК (рис.5, слева). Шкалы ДМК по вертикальной оси на рис.5 не показаны для исключения возможности идентификации коммерческих продуктов. Как видно из рисунка, диаграммы обоих моющих средств имеют сходный вид. Каждое из них содержит не менее трех поверхностно-активных веществ, состоящих из фрагментов С2Н4О – на это указывает несколько горизонтальных линий на обеих диаграммах. Из сравнения диаграмм между собой видно, что образцы А и Б имеют различное распределение данных компонентов по длине цепей. В образце Б цепи имеют в среднем большую длину, чем в образце А, так как точки в области значений НМК > 600 на диаграмме Б более интенсивны. В целом, каждый тип молекулы имеет уникальные значения НМК и ДМК. Поэтому можно создавать базы данных, которые позволили бы определять соединения визуально по положению их пиков на диаграмме Кендрика. Анализ диаграмм Кендрика может дать представление об идеях, лежащих в основе разработки исследуемых детергентов и моющих средств. На диаграммах можно находить интересующие компоненты, их гомологические серии, а затем характеризовать их структуры с учетом точных значений масс, получаемых из масс-спектров. Таким образом, обработка масс-спектральных данных с помощью анализа ДМК может быть весьма полезной при поиске характеристических соединений в сложных смесях и материалах.
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СОПОЛИМЕРОВ ПО СОСТАВУ
С ПОМОЩЬЮ ДИАГРАММ КЕНДРИКА
Анализ ДМК может быть также использован для характеристики сополимеров [5]. На рис.6 приведен масс-спектр блочного сополимера, состоящего из звеньев оксида этилена (ОЭ) и пропилена (ОП). Пики в этом спектре обнаруживаются вплоть до m / z ~ 1 900. Теоретически, в спектрах сополимеров ОЭ и ОП должны присутствовать серии пиков с интервалом около 2 а.е.м. (разница масс между ОЭxОПy и ОЭx + 4OПy – 3) и их изотопные пики. Несложно догадаться, что пики моноизотопных масс ЭОx + 4ПOy – 3 будут "сливаться" с изотопными пиками ЭОxПОy, массы которых больше моноизотопных на 2 а.е.м. (это главным образом молекулы с двумя атомами 13С). Разница между "сливающимися" пиками составляет всего 0,027 а.е.м, однако, как видно из рис. 6, они хорошо различаются методом спирального МАЛДИ-ВП-МС. Точные массы всех пиков сополимера были переведены в шкалу масс Кендрика, при этом за базовую единицу принят мономер ПО (С3Н6О, точная масса 58,0419, номинальная масса 58). На основе полученных значений НМК и ДМК построена диаграмма Кендрика, показанная на рис.7.
Серии молекул, различающихся только по числу звеньев ПО, образуют на диаграмме горизонтальные линии с расстояниями между соседними точками, равными 58. В то же время молекулы, отличающиеся числом звеньев ЭО, ложатся на диагональные прямые, точки которых отстоят друг от друга по вертикальной оси (ДМК) на 0,055, а по горизонтальной (НМК) – на 44. На рис.7 пунктиром обозначены теоретически рассчитанные линии, соответствующие изменениям числа звеньев ЭО и ПО. Построенная диаграмма характеризует распределение цепей сополимера по мономерному составу. Как видно из рисунка, цепи исследованного образца содержат от 0 до 35 звеньев ЭО и от 13 до 23 звеньев ПО. Точки, лежащие на нижней горизонтальной линии (ЭО = 0), указывают на присутствие гомополимерных цепей, состоящих только из ПО. Полученные результаты позволяют предположить, что сополимер был синтезирован на основе базовых гомополимерных цепей ПО путем присоединения к ним с обоих концов звеньев ЭО.
Приведенные примеры наглядно показывают возможность использования анализа ДМК для обработки результатов масс-спектрометрического анализа полимеров, полученных с помощью спирального МАЛДИ-ВП-МС. Одно из ключевых преимуществ метода – наглядная визуализация распределения цепей полимера по структурным характеристикам, при этом нет необходимости отнесения всех пиков в сложных спектрах или трудоемкого поиска пиков нужных соединений. Это делает метод потенциально полезным для быстрого "построения портретов" промышленных полимеров, а также для предположения о возможных путях синтеза и обработки полимерных материалов.
ВЫВОДЫ
Применение традиционных методик МАЛДИ-ВП-МС весьма ограничено из-за недостаточно высокого разрешения спектров. Создание времяпролетного анализатора со спиральной траекторией пролета ионов вывело область исследования сложных полимеров на новый уровень. Высокое разрешение масс-спектров позволяет различать изобарные пики и устанавливать мономерный состав сополимерных цепей и их концевых групп почти во всех случаях. Для интерпретации сложных масс-спектров высокого разрешения, содержащих множество пиков, может быть успешно применен анализ дефектов масс Кендрика. Приведенные практические примеры свидетельствуют о том, что метод спирального МАЛДИ-ВП-МС демонстрирует широкие возможности мощного аналитического инструмента для характеристики состава и структуры сложных полимеров.
ЛИТЕРАТУРА
Satoh T., Tsuno H., Iwanaga M., Kammei Y. The design and characteristic features of a new time-of-flight mass spectrometer with a spiral ion trajectory // Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 2005. V. 16. P. 1969–1975.
Satoh T., Sato T., Tamura J. Development of a high performance MALDI-TOF mass spectrometer utilizing a spiral ion trajectory // Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 2007. V. 18. P. 1 318–1 323.
Sato H., Ishii Y., Momose H., Sato T., Teramoto K. Structural characterization of free radical polymerized methacrylate ester copolymers using high-resolution MALDI-TOFMS with a spiral ion trajectory // Mass Spectrometry. 2013. V. 2. A0014.
Kendrick E. A mass scale based on CH2 = 14.0000 for high resolution mass spectrometry of organic compounds // Analytical Chemistry. 1963. V. 35. P. 2 146–2 154.
Sato H., Nakamura S., Teramoto K., Sato T. Structural characterization of polymers by MALDI spiral-TOF mass spectrometry combined with Kendrick mass defect analysis // Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 2014. V. 25. P. 1346–1355.
Отзывы читателей
