このプロトコルは、マトリックス支援レーザー脱離/イオン化飛行時間型質量分析を使用して、さまざまな分散性と末端基を持つ合成ポリマーを特徴付けるためのサンプル調製、データ収集、およびデータ分析の詳細な手順と例を提供します。
方法論記事
このプロトコルは、マトリックス支援レーザー脱離/イオン化飛行時間型質量分析を使用して、さまざまな分散性と末端基を持つ合成ポリマーを特徴付けるためのサンプル調製、データ収集、およびデータ分析の詳細な手順と例を提供します。
マトリックス支援レーザー脱離/イオン化飛行時間型質量分析(MALDI-ToF MS)は、合成ポリマーの特性評価に効果的な分析ツールであり、正確な分子量測定と、繰り返し単位質量や末端基同定などの構造的洞察を提供します。このプロトコルでは、適切なマトリックスと陽イオンの選択によるサンプル調製、データ取得、正確な質量測定を保証するための校正方法など、ポリマー分析の手順を詳述します。単分散材料から高分散材料までのポリマーの分析におけるMALDI-ToF MSの汎用性を強調し、高分散サンプルの分離における限界を観察します。同位体パターンを含む理論質量と観測質量を比較することで、反復単位と末端基を確実に確認することができます。このプロトコルは、マトリックスの選択、分散範囲にわたるスペクトルの解釈、および独自の同位体特徴または準安定イオン形成を持つポリマーの特性評価に関する代表的なデータを提示することにより、新規ユーザーをサポートします。トラブルシューティング戦略には、マトリックスの干渉や、サンプル前処理中に陽イオンを追加せずにイオン化するサンプルなどの問題への対処が含まれます。全体として、このガイドは、ポリマー分析のための迅速かつ信頼性の高い技術として MALDI-ToF MS を使用するための基礎として機能します。
マトリックス支援レーザー脱離/イオン化飛行時間型質量分析(MALDI-ToF MS)は、合成ポリマー1,2,3,4を特性評価するための非常に効果的な分析技術です。多くのポリマーは、核磁気共鳴(NMR)によって特性評価され、繰り返し単位構造を確認できます。しかし、低分子量ポリマーであっても、末端基のほとんどはリピート単位ピークの一部であり、ポリマーの分子量が増加すると、末端基シグナルをNMRで定量化することは困難であるように思われます5。ただし、MALDI-ToF MS データは、高分子量であっても、これらが末端基であることが確認されています。この質量分析技術は、そのソフトイオン化能力で知られており、ほとんどがフラグメンテーションを最小限に抑えた単一荷電ポリマーイオンを生成します2。これにより、正確な分子量測定と詳細な構造分析が可能になり、迅速かつ正確な結果が得られ、繰り返し単位質量、末端基の同定、および低分散性ポリマーの場合は、数-平均分子量(Mn)、重量-平均分子量(Mw)、および分散度(Đ)6の決定などの貴重な情報が得られます。
MALDI-ToF MSは、分散度の異なるポリマーを分析できますが、分散度が高いと制限があります。デンドリマーなどの単分散ポリマーの場合、この方法は、その質量を確認し、末端基を同定するのに理想的です7。分散度の低いポリマー(1.01-1.09)および一部の中分散性ポリマー(Đ = 1.1-1.3)の場合、MALDI-ToF MSを使用して、ポリマーの繰り返し単位質量、末端基質量、Đ、Mn、およびMw8を測定することもできます。ただし、高度に分散したポリマー (Đ = 1.3-10) の場合、これは困難になります。広範囲に分散したポリマーの場合、低フラクションは高分子量のポリマーよりもはるかに高い強度を示し、サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)などの他の特性評価技術よりも人為的に分散性が低くなります。これは「低質量バイアス」と表現されます。平均リピート単位質量と末端基は、低分子量の結果から確認できますが、MALDI-ToF MS9から高分散性ポリマーの真のMn、Mw、およびĐを決定することは不可能です。したがって、真のMn、Mw、およびĐを決定するために、広範囲に分散したポリマーの特性評価手法としてSECを追加する必要があります。
サンプル前処理の最適化は、MALDI-ToF質量スペクトル2,10で高品質のピーク分離能を得るために不可欠です。最初のステップでは、ポリマーの極性に基づいて適切なマトリックスを選択します。非極性ポリマーの場合、trans-2-[3-tert-ブチルフェニル)-2-メチル-2-プロペニリデン](DCTB)、ガルビノキシルフリーラジカル(GFR)、9-ニトロアントラセン(9-NA)などのマトリックスが一般的に使用されます11。極性ポリマーは、α-シアノ-4-ヒドロキシ桂皮酸(CHCA)、ジトラノール、2-(4-ヒドロキシフェニルアゾ)安息香酸(HABA)、および2,5-ジヒドロキシ安息香酸(DHB)12,13,14などのマトリックスに適しています。このプロトコルでは、非極性ポリマーとの有効性からDCTBが一次マトリックスとして選択され、極性ポリマーにはCHCAが使用されました。ナトリウムやカリウムなどのアルカリ金属は酸素含有ポリマーを効果的にイオン化しますが、銀などの遷移金属は不飽和炭化水素に適しているため、陽イオンの選択も重要な役割を果たします10,14。
マトリックスと分析種を選択すると、サンプル溶液混合物の最適な陽イオン:分析種:マトリックスの比率が決定されます。このサンプル溶液混合物を 1 μL の量でターゲット プレートに加えます。陽イオン:分析種:マトリックスの選択の比率が1つ以上正しくないと、MALDI-ToF MSデータ取り込みの感度に影響を与える可能性があります。以下の代表的なデータについては、サンプル前処理が最良の分解能2,15に最適化されています。
サンプル溶液を調製し、MALDI-ToF MSターゲットプレートに加えた後、このサンプルをMALDI-ToF MS装置に挿入してデータ収集を開始します。この研究では、データは正イオンモードでのみ収集され、Payneらによる以前の研究に基づいて、新しいMALDI-ToF質量分析計が利用されました16。レーザー出力、レーザービーム径、検出器ゲイン、パルス抽出遅延時間などの重要なMALDI-ToF MSパラメータを調整して、取得中の分解能を向上させることができます。MALDI-ToF MSデータ取り込みには、リニアモードとリフレクトロンモードの2つのモードがあります。リフレクトロンモードは、リニアモード18,19と比較してより高い信号分解能を達成するために好ましい。リニアモードでは、加速されたイオンはフライトチューブを通って検出器に直接移動します。対照的に、リフレクトロン モードでは、飛行管を 1 回通過し、2 番目の検出器に到達する前にイオンを飛行管を通して 2 回反射して戻り、飛行経路が約 2 倍になります。このアプローチにより、質量は似ているが速度が異なるイオンの分化が可能になります20,21。レーザー出力は、S/N比を増加させたり、ポリマーのフラグメンテーションを減少させたりする要因にもなり得る22。サンプルをアブレーションするために可能な最低のレーザー出力は、信号対雑音比を改善し、断片化の可能性も減少させます22。信号分解能を最適化し、信号対雑音比を最大化した後、取り込みにより、選択したポリマー分析種の高品質のデータを提供できます。
MALDI-ToF MSの正確な質量測定には、校正が不可欠です。内部校正と外部校正の2つの主な方法が使用され、どちらも分析対象物の予想範囲をカバーする既知の質量を持つ校正液に依存しています6。代表データで分析されたポリマーについては、広い質量範囲にわたって校正するために単分散デンドリマーキャリブラントが選択されました23。校正液を陽イオン、分析種、およびマトリックスと混合する内部校正では、校正液と分析種の両方が同じ条件を経験し、校正質量シフトが等しく影響するため、質量精度が向上します。ただし、この方法は、結果として得られるポリマーシグナルとのピークの重複を引き起こし、分析を複雑にする可能性があり24。対照的に、このプロトコルで採用されている外部キャリブレーションは、ターゲットプレート上の陽イオン:分析物:マトリックスとは別に陽イオン:キャリブラント:マトリックスを調製してスポットすることにより、ピークのオーバーラップを回避します。ただし、サンプルの配置と局所的な機器応答のわずかな違い(ターゲット全体のレーザー強度またはイオン化効率の変化など)により、わずかな質量の不正確さが発生する可能性があるため、校正剤と分析種は互いに近接している必要があります24。代表的なデータでは、外部校正法で観測された質量差は理論値から0.100 Da未満でした。
最後に、すべてのポリマーについて、MALDI-ToF MSデータを分析して、繰り返し単位質量を決定し、ポリマーの末端基分析を実行できます。リピート単位質量は、ソフトウェアツールを使用して理論上のリピート単位質量をMALDI-ToF質量スペクトルで観測されたリピート単位質量と比較することで確認できます。それらが一致する場合、ポリマーは予想される繰り返し単位構造(または異性体)を持っている可能性があります。ポリマーの MALDI-ToF MS 末端基分析は、分析種の理論質量を計算することから始まります。これには、リピートユニット、末端基、およびサンプル前処理から選択された陽イオンの合計質量が含まれます。単分散高分子の場合、計算には、選択した陽イオンの質量とともに、1つの分析種の総質量が含まれます。化学構造を描画するためのソフトウェア ツールは、これらの計算に役立ちます。次に、ソフトウェアからの理論質量をMALDI-ToF質量スペクトルから観察された質量と比較して、ポリマーが予想される分子構造と一致するかどうかを検証します。ただし、観測された繰り返し単位質量が理論値とほぼ一致するが、末端基と陽イオンを含む特定のn-merの総質量が一致しない場合、その不一致は予期しない末端基の存在を示唆している可能性があります。未知の末端基を特定するために、反応条件を検討して、観察された末端基を形成するために反応した可能性のある代替分子または試薬を決定します。このステップは、ポリマーのすべての構造を正確に特性評価するために重要です。
このプロトコルは、合成ポリマーのMALDI-ToF MS分析のためのステップバイステップの方法を提供し、ユーザー、特に初心者のサンプル調製、装置メソッドの最適化、データ収集、およびデータ分析を支援するように設計されています。代表的なデータは、特定のポリマーのマトリックスの選択を示しています。単分散、中程度の分散、および高度に分散したサンプルを含む、さまざまな分散性を持つポリマーのスペクトルと分析。ポリマーの末端基分析には、異なる同位体分解パターンを持つもの(ハロゲン化など)と、準安定イオンが形成されやすいもの(アジド末端など)が含まれます。MALDI-ToF MSを使用したポリマーのデータ分析には、末端基と陽イオン付加物を含む繰り返し単位質量と総ポリマー質量を確認するための観察質量と理論質量の比較が含まれます。低質量ポリマーおよび自己イオン化ポリマーのマトリックス干渉のトラブルシューティングの例。
このプロトコルは、MALDI-ToF MSポリマーの特性評価の基礎を提供するだけでなく、サンプル調製、段階的な装置メソッドの最適化(図1)、および新しく合成された合成ポリマーと市販の合成ポリマーの両方のスペクトルの解釈に関するガイダンスを提供します。
注意: 使用前に、すべての化学物質の安全データシート(SDS)を確認してください。すべてのサンプル前処理と MALDI-ToF MS プレート前処理はヒュームフード内で行い、安全メガネ、白衣、手袋などの適切な個人用保護具(PPE)を着用してください。
1. サンプル調製
2. データ取得

図1:装置メソッド最適化の決定木。 このガイドは、初心者ユーザーが装置メソッドパラメータを体系的に最適化するのに役立つように設計されています。デフォルト設定または初期設定から始めて、観察された改善に基づいて増減して、一度に 1 つのパラメータを調整します。次に、(1)ピーク強度、(2)ベースライン品質(低ノイズ)、(3)狭いピークと同位体分解能を提供する方向に進みます。このアプローチは、信頼性の高い高品質のスペクトルのための最適な条件を特定するのに役立ちます。ポリマーサンプルがリフレクターモードでイオン化しない、または使用可能なスペクトルを生成しない場合は、リニアモードに切り替え、これと同じ決定木を使用してパラメータを最適化します。線形モードでは、多くの場合、ピークが広くなり、同位体分解能が制限されるか、まったく発生しませんが、質量の高いポリマーや、リフレクターモードでイオン化を失う可能性のあるポリマーには効果的である可能性があることに注意してください。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
3. データ分析と解釈
サンプル1:単分散トリス[G1](OH)6
1,1,1-トリス(ヒドロキシメチル)プロパンコアと3つのベンジリデン保護ビス(ヒドロキシメチル)プロピオン酸(Tris[G1]Bnz3)からなる単分散デンドリマーの第1世代を、1:1メタノール:クロロホルム中のPd/CおよびH2 ガスと反応させてベンジリデン基を除去し、6つのヒドロキシル基を持つデンドリマーを生成してトリス[G1](OH)6 を形成しました(図2A)。
Tris[G1](OH)6 は、カチオン剤として NaTFA、マトリックスとして CHCA を使用して分析しました。CHCAは、極性化合物に対して非常に効果的であり、Tris[G1](OH)6 のヒドロキシル基と相互作用してターゲットプレート上に均質な層を提供するため、CHCAが使用されました。MALDI-ToF MS サンプル前処理は、NaTFA(THF 中で 1 mg/mL)、分析種(THF 中で 5 mg/mL)、および CHCA(THF 中で 5 mg/mL)のストック溶液を作製することから開始されました。これらの溶液を作成したら、1 μL の Na+ カチオン溶液、5 μL の分析種溶液、および 20 μL のマトリックス溶液をマイクロ遠心チューブで結合し、ボルテックスしました(1:25:100 陽イオン:分析種:マトリックスの比率で合計 26 mL)。次に、この混合物の1 μLを微量遠心チューブから取り出し、MALDI-ToF MSターゲットプレート上で乾燥させました。このサンプルはリフレクターモードで分析され、理論値と観察値を比較することにより、MALDI-ToF MS スペクトルでピークを確認しました(図 2B、赤)。

図2:(A)Tris[G1](OH)6へのサンプル1修飾の反応スキーム。ベンジリデン基をPd/CおよびH2反応で除去し、Tris[G1](OH)6を形成した。MALDI-ToF MS を使用して、反応の完了を決定しました。(B)サンプル 1、Tris[G1](OH)6 の MALDI-ToF 質量スペクトルと、マトリックスと塩([CHCA + Na]+)を含むブランクマトリックススペクトルを重ね合わせました。完全な MALDI-ToF MS スペクトルと Tris[G1](OH)6 のズームインでは、[Tris[G1](OH)6 + Na+]+ の観測質量値は 505.239 Da であり、理論質量の 505.226 Da から +0.013 Da の差があることが示されています。ブランクの MALDI-ToF MS マトリックススペクトル(黒)と Tris[G1](OH)6 MALDI-ToF MS スペクトル(赤)を比較すると、505.26 Da 以外のすべてのピークを無視できます。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
Tris[G1](OH)6のNa+付加物が観察された。[Tris[G1](OH)6 + Na]+ の理論質量値は、Tris[G1](OH)6 のモノアイソトープ ピークの質量 (482.2362 Da) にナトリウム陽イオンの質量 (22.9892 Da) を加えたもので構成され、総質量は 505.226 Da になります。[Tris[G1](OH)6 + Na]+ の観測質量値は 505.239 Da で、理論値と一致し、差は +0.013 Da でした。
3 つのベンジリデン基すべてを完全に除去するために、MALDI-ToF MS スペクトルを 505-769 Da の間でさらに分析しました。この質量範囲により、検出されなかった周辺グループを検出できます。ピーク[Tris[G1]Bnz2(OH)2 + Na]+は、681.289 Da([Tris[G1]Bnz3 + Na]+ 769.3194 Da - 88.0313 Da)で1つのベンジリデンが除去されたことを示し、593.257 Daピーク([Tris[G1]Bnz1(OH)4 + Na]+で2つのベンジリデン基が除去されたことを示す[Tris[G1]Bnz1(OH)4 + Na]+)があり、2つのベンジリデン基がTris[G1]Bnz3から除去されたことを示します(図3)。これらのピークとTris[G1]Bnz3は存在しません。したがって、反応は完了し、トリス[G1](OH)6が合成されました。

図3:Tris[G1]Bnz3、Tris[G1]Bnz2(OH)2、Tris[G1]Bnz1(OH)4、およびサンプル1 Tris[G1](OH)6の中間体の構造と理論質量。黒い点は製品を示します。1つおよび2つのベンジリデン基が除去され、完全にヒドロキシル化されたトリス[G1](OH)6の構造と理論質量この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
900未満の低分子量領域では、Tris[G1](OH)6 単分散質量と整列しない複数のピークが存在します。ほとんどのマトリックスには1000未満の軽微なノイズの問題があるため、Tris[G1](OH)6 が純粋であることを確認するために、ブランクのMALDI-ToF MSスペクトルが含まれています。マトリックスブランクサンプルには、マトリックス(CHCA)およびカチオン(Na+)原液が含まれていました。Tris[G1]OH6 (1:100 mg/mL) からの同じ陽イオン:マトリックス濃度比の量を分析サンプル混合物に使用しました。次に、1 μLの混合物をサンプルプレートに加え、分析のために乾燥させました。
予備データ取得、キャリブレーション取得、およびデータ取得を完了して、ブランクの MALDI-ToF MS マトリックススペクトルを取得しました。 図 2B (黒)では、MALDI-ToF MS ブランクマトリックス(黒)とサンプル Tris[G1](OH)6 スペクトル(赤)をフレックス分析で重ね合わせ、どのピークが生成物に関連付けられていないかを比較して確認しました。ブランクの MALDI-ToF MS マトリックススペクトルと Tris[G1](OH)6 で同定されたピークは無視できるため、サンプル 2 に対応する 505.226 Da のピークのみとなります。たとえば、Tris[G1](OH)6 MALDI-ToF MS スペクトルの 445.016 Da および 656.141 Da ピーク(図 2B 赤)も、ブランクの MALDI-ToF MS マトリックススペクトル(図 2B 黒)の 445.017 Da と 656.144 Da に位置し、それぞれ +0.001 Da と +0.003 Da の差があります。これらのピークは、ブランクマトリックスおよびTris[G1](OH)6 MALDI-ToF MSスペクトルと一致し、同様の違いがあるため、分析には含まれません。したがって、Tris[G1](OH)6 の質量はMALDI-ToF MSで確認しますが、サンプルの純度を確認するにはSECやNMRなどの他の分析が必要になります。
サンプル2:塩化物とプロトン末端基を持つポリ(2,2-ジメチルプロパン酸)
3-クロロ-2,2-ジメチルプロパン酸を塩基として炭酸カリウムを使用して重合しました(図4A)。一方の端に塩化物、もう一方の端にプロトン(Mn = 980 Da)を含むポリ(2,2-ジメチルプロパン酸)(PDMP)のサンプルをMALDI-ToF MSでイオン化して、反応中に形成されるポリマー構造を決定し、さまざまな末端基を分析しました。MALDI-ToF MS サンプル前処理は、NaTFA(THF で 2 mg/mL)、分析種(THF で 5-7 mg/mL)、および DCTB(THF で 20 mg/mL)のストック溶液を作製することから開始しました。これらの溶液を作成したら、5 μL の Na+ カチオン溶液、5 μL の分析種溶液、および 10 μL のマトリックス溶液を微量遠心チューブで結合し、ボルテックスしました(10:25:200 陽イオン:分析種:マトリックスの比率で合計 20 mL)。次に、この混合物の1 μLを微量遠心チューブから取り出し、MALDI-ToF MSターゲットプレート上で乾燥させました。マトリックスには、他の多くのポリエステルと連動するため、DCTBが選択されましたが、CHCA、HABA、GFR、DHBなどの他のマトリックスが試されています。CHCA、HABA、およびGFRはサンプルをよくイオン化しましたが、DHBは成功しませんでした。NaTFAイオンは、エステル基の酸素とよりよく相互作用するため、トリフルオロ酢酸カリウム(KTFA)、トリフルオロ酢酸セシウム(CsTFA)、トリフルオロ酢酸リチウム(LiTFA)、およびトリフルオロ酢酸銀(AgTFA)と比較してよりよく機能しました。
MALDI-ToF MSスペクトル(図4B)により、サンプル3の塩化物末端基を持つPDMPの分子量分布が600 Da〜1600 Daの範囲にあることが確認されました。これは、サンプルの分散度が低いことを意味し、MALDI-Tof MS 分析ソフトウェアを使用した場合、Mn、Mw、Đ 値はそれぞれ 980 Da、1070 Da、1.09 でした。モノアイソトープピークはリフレクトロンモードで十分に分離され、正確な質量同定を使用することができました。

図4:サンプル2の反応スキームとMALDI-ToF MS質量スペクトル。 3-クロロ-2,2-ジメチルプロパン酸を用いたPDMP合成の反応スキーム(B)サンプル2のMALDI-ToF MS質量スペクトル。この完全なMALDI-ToF MSスペクトルは、Na+でイオン化された塩化物末端基(Mn = 980 Da)を持つPDMPサンプルの全体的な分布を示しています。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
ポリマーの繰り返し単位質量を確認するために、隣接する2つのピーク間の質量差を計算しました。ポリマーの繰り返し単位は100.056 Daの平均分子量が観察されており、これは600 Daから1300 Daの範囲の8つのピーク(主分布)の平均質量をとることによって確認されましたが、これはPDMPの理論上の繰り返し単位(100.052 Da)よりわずか+0.004 Da下にあり、さらに、1つの水素(前端)と1つの塩化物(背面)に対応する末端基質量を持っています終わり)。
MALDI-ToF MS スペクトルにより、3 つの異なる分布が明らかになり、それぞれが異なる末端基を持つ得られたポリマーに対応しました。これらの末端基は、理論質量を計算し、MALDI-ToF MSスペクトルで観察された質量と比較することによって同定され、確認されました。末端グループをさらに同定するために、個々のn-merを分析用に選択しました(図5)。
PDMPの主な分布は、ポリマーが1つの水素(フロントエンド)と1つの塩化物(後端、青)を有することを示しました。PDMPの8-merの理論質量値(図5)は、リピートユニットの質量(100.0524 Da x 8)にCl末端基の質量(+ 34.9689 Da)と水素末端基の質量(+ 1.0078 Da)を加えたナトリウムカチオンの質量(+ 22.9892 Da)で構成され、合計8mer質量は859.385 Daになります。8-mer [H-PDMP8-Cl + Na]+ の観測質量値は 859.426 Da で、理論値とわずか +0.041 Da の差です。
次の分布(オレンジ色)は、ポリマーが前端のプロトンを後端のナトリウムと塩化物に置き換えていることを示しました。脱プロトン化されたPDMPの8-merの理論質量値は、繰り返し単位の質量(100.0524 Da x 8)にCl末端基の質量(+ 34.9689 Da)と2つのナトリウム基の質量(+(22.9892 Da x 2))で構成され、合計8mer質量は881.367 Daになります。8-mer [Na-PDMP8-Cl + Na]+ の観測質量値は 881.413 Da で、理論値とわずか +0.046 Da の差です。
最後に、PDMPの3番目の分布(緑)は、環状オリゴマー種の存在を確認しました。環状PDMPの8-merの理論質量値は、リピートユニットの質量(100.0524 Da × 8)に1つのナトリウム基の質量(+ 22.9892 Da)を加えたもので構成され、合計8-mer質量は823.409 Daになります。環状8-mer [PDMP8 + Na]+の観測質量値は823.448 Daで、理論値とは+0.039 Daしか差がありません。
ポリマー上のハロゲンの存在は、MALDI-ToF MSによって識別できます。直鎖状ポリマーの末端基には Cl が 1 つあり、[M+] ピークと [M+2]+ ピークの比率が約 3:1 で示されます。観測されたピークと理論上の[M+]および[M+2]+ ピークの差を 表1に示します。761.3 Da [M+2]+ での 2 番目のピークの理論的および観察された存在量の割合は、それぞれ 42.3 % と 42.2 % であり (最初のピークは 100 %) であり、これはポリマー末端基に 1 つの Cl 基が存在することを確認します。環状種は、直鎖状のナトリ化化合物より36 Da下、二酸化化合物より58 Da下にあることがわかりました。さらに、この環状化合物は、一塩化種が持つ3:1の比率を持っていませんでした。この塩化物は、カルボン酸塩を反対側の端に置いて SN2 攻撃によって除去され、環が閉じられる可能性があります。

図 5:サンプル 2 の個々のリピートの MALDI-ToF MS 質量スペクトル。 この MALDI-ToF MS スペクトルは、Na+ でイオン化された水素末端基と塩化物末端基(Mn = 980 Da)を持つ PDMP として主要ピークを示しています。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
表1:MALDI-ToF MSの水素および塩化物末端基(Mn = 980 Da)を持つ線形PDMPの[M+]および[M+2]+ピーク([M+] = 100%)の観察されたピークパーセンテージ存在量とピーク同位体強度の比較。 直鎖状ポリマーの末端基には 1 つの Cl があり、[M+] ピークと [M+2]+ ピークの比率が約 3:1 であることが示されます。この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
サンプル3:第四級アンモニウムとプロトン末端基を持つポリ(2,2-ジメチルプロパン酸)。
3-ブロモ-2,2-ジメチルプロパン酸は、トリエチルアミン(TEA)をベースとして重合しましたが、TEAが末端グループのBrに取って代わっていることが判明しました(図6A)。片側に第四級アンモニウム、もう一方の端にプロトン(Mn = 1410 Da)を持つPDMPのサンプルを使用して、同位体分布をCl末端基を持つものと比較しました。MALDI-ToF MS サンプル前処理は、KTFA(THF で 2 mg/mL)、分析種(THF で 5-7 mg/mL)、および DCTB(THF で 20 mg/mL)のストック溶液を調製することから開始されました。これらの溶液を作成したら、5 μLのK+ カチオン溶液、5 μLの分析種溶液、および10 μLのマトリックス溶液を微量遠心チューブで混合し、ボルテックスします(10:25:200の陽イオン:分析種:マトリックスの比率で合計20 mL)。次に、この混合物の1 μLを微量遠心チューブから取り出し、MALDI-ToF MSターゲットプレート上で乾燥させました。マトリックスには、他の多くのポリエステルと連動するため、DCTBが選択されました。カリウムカチオンを添加して、サンプルが自己イオン化しているかどうかを確認しました。
ポリマーは、自己イオン化できる末端基に第四級窒素(正電荷を帯びた)を含んでいます。これは、サンプル前処理に K+ と Na+ のどちらを使用しても質量電荷比(m/z)が変化しなかったため、MALDI-ToF MS スペクトルによって確認されました。さらに、MALDI-ToF MSスペクトルでは、Brが良好な離脱基であるため、末端グループに正に帯電した第四級アンモニウムが存在することが確認されました。
MALDI-ToF MSスペクトルにより、第四級アンモニウム末端基を持つPDMPの分子量分布が600 Da〜2200 Daの範囲内にあることが確認されました(図6B)。これは、サンプルの分散性が低いことを意味し、MALDI-Tof MS 分析ソフトウェアを使用した場合、Mn、Mw、Đ の値はそれぞれ 1410 Da、1540 Da、1.08 でした。

図6:サンプル3の反応スキームとMALDI-ToF MS質量スペクトル。(A) サンプル3の反応スキーム。 トリエチルアミンをベースとする3‐ブロモ2,2‐ジメチルプロパン酸を用いたPDMP合成の反応方式 (B) この完全なMALDI-ToF MSスペクトルは、第四級アンモニウム末端基(Mn = 1410 Da)を持つ線形PDMPの全体的な分布を示しています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
ポリマーが同じリピート単位(モノマー)を持っているかどうかを確認するために、隣接する2つのピーク間の差を計算しました。ポリマーの繰り返し単位は、100.0535 Da の平均分子量が観察されています。これは、900 Daから2300 Daの範囲の12のピーク(主分布)の平均を見ることで確認されましたが、これは理論上の繰り返し単位(100.0524 Da)より+0.0011 Daしか上回っていません。
MALDI-ToF MS スペクトルは 2 つの異なる分布を示しました。分布の1つは、ポリマーが末端基としてカルボン酸と正に帯電した第四級アンモニウムを持っていることを示し、もう1つの分布(紫色)は、カルボン酸からのプロトンの損失とカリウムイオンの付加を示しました。末端グループをさらに同定するために、個々のn-merを分析用に選択しました(図7)。
第四級アンモニウム末端基を持つPDMPの12-merの理論質量値は、繰り返し単位の質量(100.0524 x 12)に第四級アンモニウム末端基の質量(+ 101.1199)と水素末端基の質量(+ 1.0078)で構成され、合計12mer質量は1302.757 Daになります。12-mer [H-PDMP12-TEA]+ の観測質量値は 1302.730 Da で、理論値よりわずか -0.027 Da 低くなっています。
片側に第四級アンモニウム末端基があり、陽子を別のカリウムイオンに置換したPDMPの12merの理論質量値は、繰り返し単位の質量(100.0524×12)に第四級アンモニウム末端基の質量(+ 101.1199)とカリウム末端基の質量(+ 38.9637)で構成され、合計12mer質量は1340.713 Daになります。12-mer [K-PDMP12-TEA]+ の観測質量値は 1340.700 Da で、理論値よりわずか -0.013 Da 低いです。

図 7:サンプル 3 の個々のリピートの MALDI-ToF MS 質量スペクトル。 この MALDI-ToF MS スペクトルは、第四級アンモニウム末端基(Mn = 1410 Da)を持つ線形 PDMP の一次分布を示しています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
サンプル4:直鎖状ポリ(エチレンブラッシル酸エチレン)
MALDI-ToF MS によって特徴付けられる次のポリマーサンプルは、直鎖状ポリ(エチレンブラッシル酸塩)(l-PEB)です。これは、2つのエステル基を含む17員環を持つ大環式モノマーエチレンブラッシレートから合成されました(図8A)。高分子構造内の官能基と構造変化を理解するために、MALDI-ToF MS、1H-NMR、SEC、およびフーリエ変換赤外分光法(FTIR)の4つの異なる特性評価技術が調査されました。1H-NMR、SEC、およびFTIRは、環状ジエステルの除去とα-プロパルギル-ω-ヒドロキシ-PEBの形成を確認します。しかし、これらの技術では、いかなる種類の副産物の形成も検出されませんでした。一方、l-PEB の MALDI-ToF MS スペクトル(図 8B)は、それぞれ α-ヒドロキシ-ω-ヒドロキシ-PEB (1)、α-プロパルギル-ω-プロパルギル-PEB (2)、および α-プロパルギル-ω-ヒドロキシ-PEB (3) の 3 つの異なる PEB の形成を示す 3 つの異なる質量分布を示します(図 8B)。

図8:Na+を含むl-PEBのMALDI-TOFスペクトル。 (A)直鎖状ポリ(エチレンブラッシル酸)構造。(1)α-ヒドロキシ-ω-ヒドロキシ-PEB (2)α-プロパルギル-ω-プロパルギル-PEB (3)α-プロパルギル-ω-ヒドロキシ-PEB。(B)α-ヒドロキシ-ω-ヒドロキシ-PEB(1)、α-プロパルギル-ω-プロパルギル-PEB(2)、α-プロパルギル-ω-ヒドロキシ-PEB(3)の3つの分布が同定された。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
l-PEB サンプルは、DCTB を非極性ポリマーのマトリックスとして使用して、MALDI-ToF MS で分析しました。MALDI-ToF MS サンプル前処理は、NaTFA(THF で 1 mg/mL)、分析種(THF で 5 mg/mL)、および DCTB(THF で 20 mg/mL)のストック溶液を調製することから開始しました。これらの溶液を作製したら、1 μL の Na+ カチオン溶液、5 μL の分析種溶液、および 20 μL の (4) マトリックス溶液を微量遠心チューブで結合し、ボルテックスします(1:25:400 陽イオン:分析種:マトリックスの比率で合計 26 mL)。次に、この混合物の1 μLを微量遠心チューブから取り出し、MALDI-ToF MSターゲットプレート上で乾燥させました。各分布で観測されたMWは、[M + Na]+イオンの正確な分子量から0.03 Daの偏差以内でした。
α-ヒドロキシ-ω-ヒドロキシ-PEB(1)の6-merの理論質量値は、リピートユニットの質量(270.1831 Da x 6)に、2-ヒドロキシエトキシ末端基の質量(+ 61.0290 Da)、水素末端基の質量(+ 1.008 Da)、およびナトリウムカチオン(+ 22.9892 Da)を加え、合計1706.124 Daになります。α-ヒドロキシ-ω-ヒドロキシ-PEB(1)の6-merの観測質量値は1706.133 Daで、理論値より+0.009 Daしか上回っていませんでした。
α-プロパルギル-ω-プロパルギル-PEB(2)の5-merの理論質量値は、リピートユニットの質量(270.1831 Da x 5)に、ブラシ酸エチレンの質量からOCH2CH2O(+ 210.1620 Da)を差し引いたもの、および2つのプロパーギルエーテル末端基の質量(+ 55.0184 Da x 2)、およびナトリウムカチオン(+ 22.9892 Da)で構成され、合計1694.103 Daが得られます。α-プロパルギル-ω-プロパルギル-PEB(2)の5-merの観測質量値は1694.127 Daで、理論値より+0.024 Daしか上回っていませんでした。
α-プロパルギル-ω-ヒドロキシ-PEB(3)の6-merの理論質量値は、繰り返し単位の質量(270.1831 Da x 6)、プロパルギルエーテル末端基の質量(+ 55.0184 Da)、水素末端基の質量(+ 1.008 Da)、およびナトリウムカチオン(+ 22.9892 Da)で構成され、合計1700.113 Daになります。α-プロパルギル-ω-ヒドロキシ-PEB(3)の6-merの観測質量値は1700.139 Daで、理論値より+0.026しか上回っていませんでした。
サンプル5:アジド化直鎖状ポリ(エチレンブラシル酸エチレン)
さらに、I-PEB(サンプル6)は、そのアルコール末端基のエステル化によって6-アジドヘキサン酸で官能基化され(図9)、アジジ化l-PEB(サンプル7)が得られました。得られた生成物は、サンプル前処理技術を親ポリマー(サンプル6)として使用して、MALDI-ToF MS(図10)でも分析しました。各分布で観測されたMWは、[M + Na]+イオンの正確な分子量から0.04 Daの偏差以内でした。エステル化後、2つのヒドロキシ末端基を持つl-PEBの[M + Na]+イオン(1)は、(1)からα-アジド-ω-アジド-PEB(4)への変換により、質量のシフトを示します。さらに、1つのヒドロキシ末端基と1つのプロパルギル末端基(3)を持つl-PEBをα-プロパルギル-ω-アジド-PEBに変換しました(5)。ただし、(2)は両方のアルキン末端基のために無反応のままです。

図9:6-アジドヘキサン酸反応スキームによるアルコール末端基を持つ直鎖状ポリ(エチレンブラッシル酸)のエステル化。 α-ヒドロキシ-ω-ヒドロキシ-PEB(1)はα-アジド-ω-アジド-PEB(4)に変換し、α-プロパルギル-ω-ヒドロキシ-PEBは(3)α-プロパルギル-ω-アジド-PEB(5)に変換します。α-プロパルギル-ω-プロパルギル-PEB(2)は、エステル化反応を起こさないアルキン末端基のために未反応のままです。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
α-プロパルギル-ω-アジド-PEB(5)の6-merの理論質量値は、リピートユニットの質量(270.1831 Da × 6)、プロパーギルエーテル末端基の質量(+ 55.0184 Da)、およびアジドヘキサン酸末端基の質量(+ 140.0824 Da)、およびナトリウムカチオン(+ 22.9892 Da)で構成され、合計1839.188 Daになります。α-プロパルギル-ω-アジド-PEB(5)の6-merの観測質量値は1839.184 Daで、理論値よりわずか-0.004 Da低いです。さらに、(5)の準安定イオン(5-N2)ピークの存在は、分子内にアジドが存在する場合にのみ形成されるため、アジド官能基化の別の兆候です。
準安定ピーク(5-N2 + Na+)の6-merの理論質量値は1815.126 Daであり、これは準安定ピークとα-アジド-ω-ヒドロキシ-PEGピークの質量差のプロットの式を使用して決定されました(図11)。準安定ピークの6-merの観測質量値は1815.089 Daで、理論値よりわずか-0.031 Da低いです。プロットは、1000〜2000 Daの質量範囲内で、準安定ピークの理論質量値が(5)よりも24〜24.1 Da低いことを示しています。
α-アジド-ω-アジド-PEB (4) の 6-mer の理論質量値は、リピート単位の質量 (270.1831 Da × 6)、および 6-アジドヘキサン酸末端基の質量 (+ 140.0824 Da)、および 2-オキシエチル-6-アジドヘキサン酸末端基の質量 (+ 200.1035 Da)、およびナトリウムカチオン (+ 22.9892 Da) で構成され、合計 1994.273 Da になります。α-アジド-ω-アジド-PEB(4)の6-merの観測質量値は1994.296 Daで、理論値より+0.023 Da高くなっています。

図10:Na+を含むアジ化l-PEBのMALDI-ToFスペクトル。 これらには、α-プロパルギル-ω-プロパルギル-PEB(2)、α-アジド-ω-アジド-PEB(4)、およびα-プロパルギル-ω-アジド-PEB(5)の3つの分布が含まれます。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図11:α-アジド-ω-ヒドロキシ-PEGの質量(平均質量1700 Da)に対するα-アジド-ω-ヒドロキシ-PEGとその準安定化合物の質量差のグラフィカルな図。 このグラフは、α-アジド-ω-ヒドロキシ-PEGのMALDI-ToFスペクトルから導き出されます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
サンプル6:広く分散したコームポリマー
最終的な反応スキームは、ポリ(エチレングリコール)側鎖9を持つチオエーテル反復ユニットを有するコームポリマーである。400 Mn メチル エーテル-PEG-プロパルギルと 1,6-ヘキサンジチオール (CP MeO-PEG-400 HDT; 図12A)NaTFAを用いて分析した。ナトリウムが対イオンとして選択されたのは、エーテルとチオエーテルがセシウムなどの高アルカリ土類金属よりもナトリウム、リチウム、カリウムでイオン化しやすいためです。これらのサンプルは非極性マトリックスであるDCTBで実行されましたが、追加のマトリックス(CHCAおよびDT)もテストされましたが、結果は不十分でした。MALDI-ToF MS サンプル前処理は、NaTFA(THF で 1 mg/mL)、分析種(THF で 5 mg/mL)、および DCTB(THF で 20 mg/mL)のストック溶液を調製することから開始しました。これらの溶液を作成したら、1 mLの陽イオン溶液、5 mLの分析種溶液、および20 mLのマトリックス溶液を微量遠心チューブで結合し、ボルテックスしました(1:25:400の陽イオン:分析種:マトリックスの比率で合計26 mL)。次に、この混合物の1 mLを微量遠心チューブから取り出し、MALDI-ToF MSターゲットプレート上で乾燥させました。NaTFAは対イオンとしてサンプルに添加されたため、MALDI-ToF MS質量スペクトルは、既知のサンプルの予想されるNa+ 付加物を示しました。さらに、これらのピークから約16 Da、32 Da、および48 Daの増加も観察され、この論文の後半で説明します。

図12:サンプル6の反応スキームとサンプル6のMALDI-ToF質量スペクトル(A) 複数のHDTスペーサーと400 Mn PEG側鎖を備えたジチオール-インベースのコームポリマーの化学構造と反応条件。(B)サンプル6、CP MeO-PEG-400 HDTのMALDI-ToF質量スペクトル。メジャーリピート単位 = 550.30 Da、マイナーリピートユニット = 44.02 Da この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
MALDI-ToF MS は、広い分布を確認しました (SEC による分散度 = 2.88; 図12B)CP MeO-PEG-400 HDTの。モノアイソトープピーク(最も豊富な元素同位体、すなわち 12C、 1H、 16O、 および32Sのみを含む)は十分に分離され、正確な質量同定の使用が可能になりました。すべての理論質量計算は、各元素のモノアイソトープ質量を使用して決定されました。サンプルの分散度が広いため(SEC で 2.88)、MALDI-ToF 質量スペクトルを使用して Mn、Mw、または Đ を計算できませんでした。MALDI-ToF MSは、狭く分散したポリマー(Đ < 1.3)の特性評価に優れていますが、広く分散したポリマーの完全な特性評価には苦労する可能性があります。分散性の広いポリマーを記述する場合、MALDI-ToF MSでは、高分子量種を除き、質量スペクトルの低分子量端のみが十分に分離され、可視になります。この現象は、低質量バイアスと呼ばれます。この発生により、MALDI-ToF MS だけではコームポリマーの完全な特性評価は達成できません。このため、SEC を MALDI-ToF MS と組み合わせて使用して、正確な Mn、Mw、および Đ 値を取得しました。
コームポリマーの存在を確認するために、標準的な直鎖状または環状ポリマーに対して同様のアプローチが採用されました。コームポリマーの各リピートユニットには、Mn = 400 PEG側鎖の狭い分布が含まれているため、コームポリマーリピートユニットを調査して、それぞれに意図した生成物が存在するかどうかを決定しました。さらに、反応溶液(300〜700 Da)に残った重合からの出発物質が少量あり、これも特徴付けられました。
MALDI-ToF MSの全スペクトルでは、MeO-PEG-OH の 6 から 15 mer の MW の低MWと高MWが見られます。もともと、MeO-PEG-プロパーギル出発物質の MALDI-ToF MS スペクトルでは、これらの MeO-PEG-OH は見えませんでした(図 13、上部スペクトル)。これらのピークの出現は、MeO-PEG-プロパルギルとMeO-PEG-OHの相対濃度によるものです。コームポリマー反応が進むにつれて、MeO-PEG-プロパルギルが生成物に組み込まれます。このため、MeO-PEG-OH と比較したアルキン出発物質の比率が減少し始め、MALDI-ToF MS スペクトルで非官能化 MeO-PEG-OH が示されます(図 13、下部スペクトル)。
製品の質量分布に関しては、正確な質量値が後続のすべての計算に使用されました。出発物質の1リピート単位[MeO-(PEG10)-CH2CCH + Na]+ の理論質量値は44.0262 Daです。この反復単位の質量に、各側鎖で10となる繰り返し単位の数(44.0262 Da x 10)に、α-メトキシ末端基の質量(+ 31.0183 Da)とω-プロパルギル末端基の質量(+ 39.0235 Da)を加えたナトリウムカチオンの質量(+ 22.9892 Da)を掛けたものは、合計533.2932 Daの10mer質量になります。10 mer PEG + Na+ の観測質量値は 533.239 Da で、理論値より -0.054 Da 低くなっています (図 13)。MALDI-ToF MSのフルスペクトルでは、このシリーズでは、以下の6〜9マー、上の11〜15マーがあります。低分子量スペクトルにおけるより小さなオフセットピークのシーケンスは、非官能化MeO-PEG-OH 出発物質に対応し、11-merの理論質量値は、リピートユニットの質量(44.0262 Da x 11)にα-メトキシ末端基の質量(+ 31.0184 Da)とω-水素末端基の質量(+ 1.008 Da)とナトリウムカチオンの質量(+ 22.9892 Da)で構成され、合計11-merが得られます539.304の質量。11-mer + Na+ の観測質量値は 539.252 Da で、理論値よりわずか -0.052 Da 低いです。

図13:サンプル8(下)の出発物質(上)および低分子量種のMALDI-ToF質量スペクトル(530-615 Daから拡大)、CP MeO-PEG-400 HDT。 MeO-PEG-OH(上部スペクトルと赤)と比較したアルキン出発物質の比率は減少し始め、CP MeO-PEG-400 HDT MALDI-ToF質量スペクトル(下部スペクトル)では非官能基化MeO-PEG-OH(下部スペクトルと青)が示されます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
環状コームポリマーに関しては、重合度の異なるそれらの質量に、目的のn-merの個々の部分を掛けることができます。2-mer [CP-MeO-PEG16 HDT + Na]+ の理論質量は、各 PEG 鎖の繰り返し単位の質量 (鎖ごとに約 8 個) (44.0262 Da x 16) と各 PEG 鎖の末端メチル末端基の質量 (+ 15.0235 Da x 2) と、かつてプロパーギル基であり、現在はチオールと反応している炭素の質量 (+ 41.0391 Dax 2)にアルキンと反応したHDTの質量(+ 148.0380 Da x 2)とナトリウムカチオンの質量(+ 22.9892 Da)を加えたもので、合計2mer質量は1167.599 Daになります。2-mer [CP-MeO-PEG16 HDT + Na]+ の観測質量値は 1167.626 Da で、理論値より +0.027 Da 高くなっています(図 14)。低分子量の環状構造は観察されましたが、両端にチオールまたは両端に二重結合を持つ線状化合物は観察できませんでした。
これらのチオエーテル含有ポリマーは酸化を受け、チオエーテルをスルホキシドに変換することもできます9。これは、酸化の程度に応じて複数の酸素(+ 15.9949 Da x n)の添加を説明します。これは、Na+ 付加物から +15.9739 Da の差がある K+ 付加物とは異なります。2-mer [CP-MeO-PEG16 HDT + Na]+ の単一酸化の場合、理論質量値は 1183.594 Da ですが、観測質量値は 1183.620 Da で、理論値から +0.026 Da 増加しただけです。2-mer [CP-MeO-PEG16 HDT + Na]+ の二重酸化の場合、理論質量値は 1199.590 Da ですが、観測質量値は 1199.613 Da で、理論値から +0.023 Da しか増加していません。最後に、2-mer [CP-MeO-PEG16 HDT + Na]+ の三重酸化の場合、理論質量値は 1215.585 Da ですが、観測質量値は 1215.617 Da で、理論値から +0.032 Da しか増加していません。

図14:サンプル8、CP MeO-PEG-400 HDTのMALDI-ToF質量スペクトル。 1165-1254 Da から拡大すると、さまざまな量の PEG 繰り返しユニットが結合し、さまざまな程度のチオエーテル酸化を備えた環状 2 マー コーム ポリマー製品が表示されます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
酸化は、対イオン研究を行うことでさらに確認できます。これには、K+などの異なるイオン化カチオンを使用し、MALDI-ToF MSスペクトルのピークのシフトを比較する必要があります。CP MeO-PEG-400 HDTのサンプルは、NaTFAではなくKTFAを使用してMALDI-ToF MSで実行されました(図15)。これにより、Na+ とK+の質量差により、ピークのすべての質量が+15.9739 Da上にシフトします。K+ 付加物を使用した分析では、MALDI-ToF MS スペクトルに未酸化ポリマー(1183.574 DaTheo)は存在しませんでした。2-mer [CP-MeO-PEG16 HDT + K]+ の単一酸化では、理論質量値は 1199.569 Da であるのに対し、観測質量値は 1199.567 Da (わずか -0.002 Da) であり、2 mer [CP-MeO-PEG16 HDT + K]+ の二重酸化では、理論質量値は 1215.564 Da であるのに対し、観測質量値は 1215.572 Da で、差は +0.008 Da のみです。 2-mer [CP-MeO-PEG16 HDT + K]+ の三重酸化では、理論質量値は 1231.558 Da であるのに対し、観測質量値は 1231.563 Da (わずか +0.005 Da) であり、新たに形成された 2 mer [CP-MeO-PEG16 HDT + K]+ の四重酸化では、理論質量値は 1247.553 Da であり、観測質量値は 1247.551 Da (わずか -0.002 Da) でした。Na+ とK+ の付加物を流す間にポリマーがさらに酸化し、その結果、未酸化生成物が失われ、CP MeO-PEG-400 HDTの4重酸化が形成されることに注意する必要があります。また、ポリマーは確かにNa+ とK+ の両方の付加物で飛行しますが、Na+ 付加物のS/N比は大幅に高く、主要な特性評価にNa+ を使用するオプションが強調されています。

図15:サンプル8、CP MeO-PEG-400 HDTのMALDI-ToF質量スペクトル。 1195-1254 Da からのズームインは、異なる量の PEG リピートユニットが結合し、さまざまな程度のチオエーテル酸化を備えた環状 2 マー コーム ポリマー製品を示しています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
MALDI-ToF MSは、合成ポリマーの特性評価に非常に効果的な技術であり、そのソフトイオン化メカニズムにより、断片化を最小限に抑えた正確な測定を提供します。この方法では、マトリックスはレーザーからエネルギーを吸収し、それを分析物26に伝達します。このエネルギーにより、ポリマーは気化し、カチオン化剤との相互作用によってイオン化し、真空中に脱着します。イオン化された分析物は飛行管を通って移動し、そこで質量電荷比(m / z)26,27に基づいて検出されます。この方法は、単分散分子の質量を決定するのに適しており、繰り返し単位質量と末端基を決定できる中程度の分散(Đ = 1.1-1.3)および高度に分散するポリマーにも同様に効果的です。中程度に分散したポリマーの場合、MALDI-ToF MSは分散度(Ð)、数平均分子量(Mn)、および重量平均分子量(Mw)も提供します。
ただし、この手法にはいくつかの制限に注意する必要があります。MALDI-ToF MS は、分散度が高いポリマー(Đ > 1.3)を分析すると、低質量バイアスを示し、分布中の低質量ポリマーがスペクトルを支配し、質量の高い種は低強度のピークであるか、存在しないことを意味します28,29。さらに、10,000 Daを超えるポリマーでは分離度が大幅に低下し、15,000 Daを超えるポリマーはリニアモードでより適切に分析できます。ただし、リニアモードは、リフレクターモードと比較して同位体ピーク分解能を犠牲にします。さらに、MALDI-ToF MSは、ポリマーが効果的にイオン化する能力に依存しています。共役系またはヘテロ原子を持つポリマーは、ポリエチレンやポリプロピレンなどの飽和炭化水素よりも容易にイオン化します30,31。
サンプル前処理は、成功した結果を達成するための重要なステップです。最も重要な側面の1つは、ポリマー分析物11,32に適切なマトリックスを選択することです。たとえば、DCTB や GFR などのマトリックスは非極性ポリマーに適していますが、DHB や CHCA は極性ポリマーで比較して、どのマトリックスが最も分離されたピークを提供するかを特定できます。さらに、マトリックスと分析種の両方を溶解するための適切な溶媒を選択すると、適切な共結晶化が保証され、レーザーアブレーションが強化され、得られたMALDI-ToF MSスペクトル33,34,35の分解能が向上します。同様に、イオン化効率を最大化し、明確で区別可能なピークを生成するには、適切な陽イオン化剤を選択することが不可欠です。
マトリックスとカチオン化剤を選択すると、マトリックス:分析種:カチオンの比率を最適化できます。まず、選択した陽イオン(THFで1 mg/mL)、分析種(THFで5 mg/mL)、およびマトリックス(THFで20 mg/mL)のストック溶液を調製します。開始体積比は1:5:20 μL(陽イオン:分析種:マトリックス)が推奨され、総容量26 μLで約1:25:400 mg/mLの濃度比に対応します。この初期混合が十分に分解されたスペクトルを得られない場合は、グリッドベースのアプローチを使用して体系的な最適化を実行できます(表2)10,16。このセットアップでは、分析種の体積は固定され、マトリックス体積はカラム全体で 4 ずつ増分され、陽イオン体積は行の上に 4 倍になります。このグリッドにより、ユーザーはイオン化と分解能の最適な比率を特定できます。外側のグリッド条件の 1 つでパフォーマンスが向上する場合は、その比率を中心に新しいグリッドを生成し、4 つの調整の倍数を継続してさらに改良することができます。スペクトルに高輝度のピーク、低いベースラインノイズ、および十分に分解された同位体分解能が含まれているかどうかを評価することが良い出発点です。このプロセスは、特に3 x 3の調製グリッドで複数のマトリックスと陽イオンをテストする必要がある新規または複雑なポリマーの場合、時間がかかる場合があります。
表2:実験比の体系的なグリッドを作成してテストできます。 それぞれ 1:5:20 μL の比率の陽イオン、分析種、およびマトリックスを使用して、合計 26 mL の陽イオン:分析種:マトリックスを開始します (1:25:400 mg/mL)。分析種の容量は5 μL(25 mg/mL)に固定されています。マトリックスと陽イオンの比率は、列全体と行をそれぞれ上に4ずつ増分して乗算されます。 この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
MALDI-ToF MS ターゲットプレートにサンプルを塗布した後、乾燥液滴法を使用して、MALDI-ToF MS プレートを MALDI-ToF MS 装置にロードします。レーザー出力、レーザービーム直径、検出器ゲイン、パルスイオン抽出などのMALDI-ToF MSデータ収集パラメータを微調整して、より高い分解能とより明確なピーク分離を実現できます。これらを体系的に変更して、ピーク強度を決定し、ベースラインノイズを低減し、ピーク分解能を向上させることができます(図1)。
機器パラメータとサンプル前処理比率の最適化は、厳密に直線的なワークフローに従っていません。オペレーターは、好ましいサンプル前処理方法から始めて、ポリマーがイオン化するかどうかをリニアモードでスクリーニングするか、3 x 3前処理グリッドを使用してサンプル混合比を変更する前に、最初に機器方法(レーザー出力、パルス抽出など)を微調整することができます。ワークフローの柔軟性は、特に新しい材料、未知の材料、または特性評価が不十分な材料を分析する場合に必要になることがよくあります。
最適化が完了すると、サンプル前処理プロトコルを再利用できますが、オペレーター間または日間のわずかなばらつきが発生する可能性があります。各アクイジション実行でキャリブレーションを実行するとばらつきが最小限に抑えられ、一貫したプロトコルに従えば、ピーク質量の差は通常0.1 Da未満にとどまります。したがって、装置の方法とサンプル前処理の両方が同じままであれば、ユーザーや日数を超えて再現性を達成できます。問題が引き続き解決する場合は、ユーザーが経験する可能性のある一般的な問題と解決策を示す表を 表 3 に示します。
表 3: 一般的な問題と実際の経験に基づくトラブルシューティング戦略。 この表は、サンプル調製、データ収集、およびデータ分析中に発生する問題を支援します。装置固有のトラブルシューティングについては、MALDI-ToF MS の製造元マニュアルまたは資格のある技術者を参照してください。 この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
校正は、質量測定の精度を確保するための重要なステップです。外部校正と内部校正の両方を使用できますが、使用する校正剤がポリマー分析物の質量範囲内に収まることが重要です。適切な校正により、分析種の質量が正しく測定されます。
データ分析は、MALDI-ToF MS 質量スペクトルが開かれている場所で実行され、ピークピッキングを選択してさらに分析することができます。単分散高分子の質量、および特定のn-merの低分散、中、高分散ポリマーの質量は、観測質量と化学描画ソフトウェアを使用して計算された理論値を比較することで確認できます。これらの比較は、単分散高分子の総質量を検証するのに役立ち、特定のn-merの低、中、および高分散ポリマーの場合、末端基が同定され、繰り返し単位質量が確認されます。
要約すると、マトリックス、陽イオン化条件、実験比を最適化することは、高分解能の MALDI-ToF MS データを得るために重要です。校正により、正確な質量測定が保証されます。ピークピッキングと理論質量比較を使用したデータ解析により、末端基や繰り返し単位質量の同定など、ポリマーの徹底的な特性評価が可能になります。この手法は、単分散高分子に加えて、低分散、中程度分散、および高分散の合成ポリマーに使用できます。将来の方向性には、無溶媒サンプル前処理法およびタンデム質量分析(MS / MS)36,37,38を通じて、ポリマー薄膜ブレンド、環状ポリマー、および超分岐ポリマーなどの複雑なポリマー構造の特性評価を拡大することが含まれます。サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)を使用してサンプルを分画し、続いて構造分析にMALDI-ToF MSを使用するなどの機器の組み合わせを使用して、低質量構造を同定し、フラクショナル分散を決定し、高度に分散したポリマーサンプルの末端基を特徴付けることができます39,40,41。さらに、ケンドリック質量欠陥プロットの手動入力またはソフトウェア支援生成を含む新しいデータ分析アプローチにより、質量スペクトルを2次元マップに変換することができ、サンプル内の複数の末端グループの同定が容易になります2,42。
著者らは、この研究で使用された樹状突起キャリブラントに金銭的利害関係を持っています。
ACS-石油研究基金 66398-ND7、ボイヤー教授職、チューレーン大学の支援に感謝します。さらに、NSF MRI 2319960を通じて新しい MALDI-ToF MS を受け取りました。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 1-(3-ジメチルアミノプロピル)-3-エチルカルボジイミド塩酸塩 | TCIケミカル | D1601 | https://www.tcichemicals.com/US/en/p/D1601 |
| 1,1,1-トリス(ヒドロキシメチル)プロパン | ミリポアシグマ | 148083 | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/aldrich/148083?srsltid=AfmBOoqaMzcy1xravp1h2QE 0myfY5gjuEBfOIv2o882Wb _xcB4Ol4CMW |
| 1,5,7-トリアザビシクロ[4.4.0]dec-5-エン | ミリポアシグマ | 345571 | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/aldrich/345571?srsltid=AfmBOooLQXIhWaMnO63nE xu-Y5MJoJID6RJiby0NXyu DHOxXYjle_kMT |
| 1,6-ヘキサンジチオール 98% (HDT) | TCIの | H0334 | https://www.tcichemicals.com/US/en/p/H0334 |
| 2-(4-ヒドロキシフェニルアゾ)安息香酸)(HABA) | ミリポアシグマ | H5126 | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/aldrich/h5126 |
| 2,2-ビス(ヒドロキシメチル)プロピオン酸 | ミリポアシグマ | 106615 | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/aldrich/106615?srsltid=AfmBOopCRoa1N_UiDK 56NKhDKdlAN8feUrMxVYhul Muz2en6NYEGIh4b |
| 2,2-ジメトキシ-2-フェニルアセトフェノン 99% (DMPA) | シグマ・アルドリッチ | 196118 | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/aldrich/196118?srsltid=AfmBOoqVTif6KNwIr6A -bIgnXbkrvWKIUNH6qOsc RseQLNVKi0DMWPb- |
| 2,5-ジヒドロキシ安息香酸(DHB) | ミリポアシグマ | 149357 | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/aldrich/149357 |
| 4-(ジメチルアミノ)ピリジン | ミリポアシグマ | 522821 | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/search/522821?focus=products&page=1&perpage= 30&sort=relevance&用語=522821 &タイプ=製品 |
| 6-ブロモヘキサン酸 | ミリポアシグマ | 150452 | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/search/6-bromohexanoic-acid?focus=products&page=1 &perpage=30&sort=relevance&用語= 6-ブロモヘキサン酸%20酸&タイプ=製品 |
| ベンズアルデヒドジメチルアセタール | ミリポアシグマ | 226076 | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/aldrich/226076?srsltid= AfmBOorbjP7zD9MO3g5Xk LL3rNZ02PhfkXoRfe3EjRK7 TrqJ-kEOrTCN |
| 安息香酸 | ミリポアシグマ | 242381 | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/sial/242381?srsltid=AfmBOook_iIcMnwuB3e _j-KetQyyHJ6Qq86jSK8 ZVxC3BorQgkO8Xg5I |
| ブルカー ウルトラフレクストリーム | ブルカーダルトニックス | https://www.bruker.com/en/products-and-solutions/mass-spectrometry/maldi-tof/ultraflextreme.html | |
| クロロホルム | フィッシャーサイエンティフィック | AA32614K7 | https://www.fishersci.com/shop/products/chloroform-acs-99-8-thermo-scientific/AA32614K7 ?searchHijack=true&searchTerm= クロロホルム-acs-99-8-thermo-scientific &searchType=Rapid&matchedCatNo =AA32614M6 |
| ジスラノール、BP、98.5-101% (DT) | フィッシャーサイエンティフィック | 18-602-270 | https://www.fishersci.com/shop/products/dithranol-bp-98-5-101-spectrum-chemical/18602270 |
| エチレンブラッシル酸塩 | ミリポアシグマ | W354309 | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/aldrich/w354309?utm_source=google&utm_medium= CPC&utm_campaign=8692675663&utm _content=86098110623&gad_source= 1&gclid=CjwKCAiApY-7BhBjEiwAQMr rEdJTcKN5TEFkP1uHvRlVign3lwg2cj5 _spBUCrfi6exZ3Ur5sJkARxoCfWsQ AvD_BwE |
| ガルビノキシル、フリーラジカル | ミリポアシグマ | G307型 | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/aldrich/g307?srsltid= AfmBOopoWGDMXtLk5Erf0rVyl 7j442uyg8rIWkfBjhHZ2z0dDktH3y8- |
| メタノール | フィッシャーサイエンティフィック | A456 | https://www.fishersci.com/shop/products/methanol-optima-lc-ms-grade-thermo-scientific/A4564 |
| パラジウム、カーボンに10%、タイプ487、乾燥 | フィッシャーサイエンティフィック | AAA1201206 | https://www.fishersci.com/shop/products/palladium-10-carbon-type-487-dry-thermo-scientific-1/AAA1201206#?keyword=palladium%20on%20carbon |
| ポリ(エチレン グリコール)モノメチルエーテル350&NBSP;Mn (MeO-PEG-OH 360) | フィッシャーサイエンティフィック | AA4156022 | https://www.fishersci.com/shop/products/polyethylene-glycol-monomethylether-350-thermo-scientific/AA4156022 |
| トリフルオロ酢酸カリウム (KTFA) | ミリポアシグマ | 281883 | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/aldrich/281883 |
| プロパーギルアルコール | フィッシャーサイエンティフィック | A10295.0F | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/A10295.0F?SID=srch-hj-A10295.0F |
| 臭化プロパーギル 97% (MgO で安定化したトルエン中 80% w/w) | フィッシャーサイエンティフィック | AAL1059514 | https://www.fishersci.com/shop/products/propargyl-bromide-97-80-w-w-toluene-stab-magnesium-oxide-thermo-scientific/AAL1059514#?keyword=Propargyl%20bromide%2097%%20(80%%20w/w%20in%20トルエン%20安定化%20with%20MgO) |
| アジ化ナトリウム | ミリポアシグマ | S2002 | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/sial/s2002 |
| 水素化ナトリウム鉱物油に60%分散 | ミリポアシグマ | 452912 | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/aldrich/452912?srsltid= AfmBOooZhbCm_qtgKU99922Y91zI qEOWONlEGxjZn0mdSJF2L5hW1uVn |
| トリフルオロ酢酸ナトリウム(NaTFA) | オークウッド | MFCD00013217 | https://www.oakwoodchemical.com/ProductsList.aspx?CategoryID=-2&txt 検索=1549&ExtHyperLink=1 |
| SpheriCal ニート ローレンジキット (250 - 7,500 Da) | ポリマーファクトリー | PFS-104 | https://www.polymerfactory.com/product-page/spherical-low-range-kit-500-7-500-da |
| テトラヒドロフラン(THF) | フィッシャーサイエンティフィック | T427 | https://www.fishersci.com/shop/products/tetrahydrofuran-optima-fisher-chemical-3/T4274#?keyword=tetrahydrofuran%20optima |
| トランス-2-[3-(4-tert-ブチルフェニル)-2-メチル-2-プロペニリデン]マロノニトリル(DCTB) | TCIの | B3635 | https://www.tcichemicals.com/US/en/p/B3635 |
| &α;-シアノ-4-ヒドロキシ桂皮酸(CHCA) | TCIの | 1768年頃 | https://www.tcichemicals.com/US/en/p/C1768 |
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