王大剛　賴春花　倪江鵬　王　雷　鄒繼兆

(深圳大學(xué)材料學(xué)院 深圳特種功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 深圳 518060))

MALDI-TOF MS在聚合物分析中的應(yīng)用研究進(jìn)展

王大剛賴春花倪江鵬王雷*鄒繼兆

(深圳大學(xué)材料學(xué)院 深圳特種功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 深圳 518060))

摘要：近年來，基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時(shí)間質(zhì)譜(MALDI-TOF-MS)作為一種新型的軟電離質(zhì)譜技術(shù)，具有有快速、準(zhǔn)確、靈敏度高、檢測(cè)范圍廣等特點(diǎn)，在化學(xué)、生物，醫(yī)療衛(wèi)生等眾多領(lǐng)域得到廣泛研究和應(yīng)用。本文著重介紹了MALDI-TOF-MS的工作原理，基質(zhì)的選擇，該技術(shù)在聚合物分析中的應(yīng)用進(jìn)展，以及存在的問題，并對(duì)其發(fā)展前景作出展望。

關(guān)鍵詞：基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時(shí)間質(zhì)譜基質(zhì)聚合物分析技術(shù)

1引言

基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時(shí)間質(zhì)譜(MALDI-TOF-MS)是20世紀(jì)80年代末發(fā)展起來的一種新型“軟電離”質(zhì)譜技術(shù)，它不產(chǎn)生或者產(chǎn)生很少的碎片離子，使得不揮發(fā)性與熱不穩(wěn)定性的生物大分子和高分子聚合物的檢測(cè)成為可能。MALDI-TOF-MS具有以下特點(diǎn)：(1)通量高，分析速度快；(2)化合物質(zhì)量范圍無限制，既能分析分子量小的化合物，也能分析分子量大的化合物，可測(cè)分子量已達(dá)1500000[1]；(3)能分析可溶性化合物，也能分析不溶于任何溶劑的化合物；(4)分析用量少(1μL)，準(zhǔn)確度高(可達(dá)0.1%～0.01%)[2]；(5)圖譜簡單，易于維護(hù)；(6)除基質(zhì)外，基本上無其他相關(guān)消耗品等。由于以上優(yōu)點(diǎn)，MALDI-TOF-MS廣泛應(yīng)用于多糖、蛋白質(zhì)、DNA/RNA等生物大分子以及高分子聚合物的檢測(cè)。2002年，MALDI-TOF-MS的發(fā)明人美國科學(xué)家約翰·芬恩和日本科學(xué)家田中耕一獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他們?cè)谒麄冊(cè)谏锎蠓肿友芯款I(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)。目前，MALDI-TOF-MS已在高分子化學(xué)[3]、生物制藥[4]，環(huán)境科學(xué)[5, 6]，臨床醫(yī)療[7-9]和食品衛(wèi)生[10]等眾多領(lǐng)域得到廣泛研究和應(yīng)用。

2MALDI-TOF-MS 基本原理

MALDI-TOF-MS主要由基質(zhì)輔助激光解吸電離的離子源、飛行時(shí)間質(zhì)量分析器和檢測(cè)器三部分部分組成。MALDI-TOF-MS的工作原理，如圖1所示?？梢院喴攀鰹椋簩⒈粶y(cè)樣品與過量的小分子基質(zhì)化合物的溶液相混合, 使所測(cè)樣品均勻的分散在基質(zhì)中。點(diǎn)于樣品靶上，自然結(jié)晶干燥后，放于離子源室內(nèi)。在高真空狀態(tài) (約10-7mbar) 下，

圖1　MALDI-TOF-MS 工作原理示意圖

脈沖激光射到靶樣品上，基質(zhì)從激光中吸收能量而激發(fā), 傳遞給樣品分子，基質(zhì)與樣品之間發(fā)生電荷

轉(zhuǎn)移，從而使樣品分子離子化。然后在電場(chǎng)作用下進(jìn)入飛行時(shí)間質(zhì)量分析器中加速，由到達(dá)檢測(cè)器的飛行時(shí)間可計(jì)算其質(zhì)荷比(m/z)，從而對(duì)樣品進(jìn)行定性或定量的分析。從質(zhì)譜上圖可獲得樣品中每一分子的分子量, 以及通過譜峰強(qiáng)度計(jì)算樣品的平均分子量與分子量分布寬度。

3基質(zhì)

選擇合適的基質(zhì)是影響MALDI-TOF-MS分析技術(shù)的關(guān)鍵因素之一。基質(zhì)的主要作用有：(1)吸收激光的能量，防止樣品被激光直接照射而分解，保護(hù)樣品；(2)受激光激發(fā)后，將質(zhì)子轉(zhuǎn)移給樣品分子，使其進(jìn)行離子化；(3)將樣品分子稀釋成單分子狀態(tài)，防止樣品分子締合成多聚體而影響分析，常見的基質(zhì)及適用范圍如表1所示[11]。

表1　幾種常見基質(zhì)的適用范圍

通常在選擇基質(zhì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)樣品的種類和分子結(jié)構(gòu)，優(yōu)先考慮與所測(cè)試樣品分子極性相近且相互作用小的基質(zhì)，這利于易于形成良好的共結(jié)晶體。另外，基質(zhì)要具有對(duì)目標(biāo)分子提供較高的效離子化的能力。

4在聚合物分析中的應(yīng)用進(jìn)展

在聚合物的分析中，MALDI-TOF-MS不僅可以分析聚合物分子的分子量及其分布，還可以提供分子的端基、嵌段分子結(jié)構(gòu)，以及混合物中的含量等信息，下面舉例說明。

4.1測(cè)定分子量及分布

MALDI-TOF-MS測(cè)定聚合物分子量具有以下特點(diǎn)[2]：測(cè)出的是聚合物的絕對(duì)分子量；可以測(cè)出全部分子量的分布；通過測(cè)定每一個(gè)多聚體的分子量，可為分析聚合物分子結(jié)構(gòu)提供支持。

盧小菊等[12]利用MALDI-TOF-MS和GPC表征了通過原子轉(zhuǎn)移自由基聚合法制備的聚乙烯吡咯烷(PNVP)的分子量和分子量分布。研究表明，MALDI-TOF-MS所測(cè)PNVP 的絕對(duì)分子量分布系數(shù)比GPC 所測(cè)分子量分布系數(shù)窄。MALDI-TOF-MS所測(cè)PNVP分子量與GPC 測(cè)定的分子量相比偏小。Fan Weiwei等[13]利用排阻色譜/多角度激光散射(SEC/MALS)和MALDI-TOF-MS分別測(cè)定了聚乙二醇-聚四氫呋喃-聚乙二醇(PEG-PTHF-PEG)三嵌段共聚物的分子量。與SEC/MALS的結(jié)果相比，MALDI-TOF-MS的結(jié)果相對(duì)較小，并有約9.75%的偏差，這主要是因?yàn)镸ALDI-TOF-MS對(duì)分子量的歧化效應(yīng)。Rashidzadeh等[14]以聚甲基丙烯酸甲酯的分子量測(cè)定為例，研究了幾個(gè)導(dǎo)致分子量歧化現(xiàn)象的因素。研究表明，基質(zhì)和低分子量齊聚物的強(qiáng)信號(hào)導(dǎo)致的檢測(cè)器溢出是主要的設(shè)備因素。另外，基質(zhì)的選擇不當(dāng)也是導(dǎo)致分子量歧化的因素之一。因此，在利用MALDI-TOF-MS測(cè)試聚合物，尤其是聚合度較高的聚合物的分子量及分布時(shí)，要注意以上因素。

4.2末端基分析

通過離子峰的質(zhì)量數(shù)還可推斷出高分子鏈的末端基結(jié)構(gòu)。LiYejia等[15]利用MALDI-TOF-MS 研究了不同端基修飾的聚己內(nèi)酯(PCL)和聚苯乙烯(PS)。他們提出了測(cè)試均聚物端基的一般公式；

Mobs=n(Mru) + Mend+ Mion

(1)

其中，Mobs為每一個(gè)觀察到的聚合物分子的質(zhì)量；Mru為聚合物重復(fù)單元的質(zhì)量；Mend為所有端基加和的總質(zhì)量；Mion為離子化過程導(dǎo)致的質(zhì)量變化。研究表明，在分子量≤7500時(shí)，端基的分析精度可以在0.3以內(nèi)。

Kim等[16]通過ATRP法制備了Br基修飾的聚苯乙烯(PS),以三氟乙酸銀為離子化劑，THF為溶劑而制備的MALDI樣品有幾個(gè)特殊峰。研究表明，Ag+與Br端基的反應(yīng)是導(dǎo)致特有峰出現(xiàn)的原因。因此，在用MALDI-TOF-MS表征帶有Br端基的樣品時(shí)，要注意Ag+離子化劑的使用。

Chirowodza等[17]成功的用MALDI-TOF-MS研究了嫁接有聚丙烯酸叔丁酯的陶瓷納米顆粒的端基結(jié)構(gòu)。研究表明，利用靜電交互作用來分析附著在固體表面的聚合物是可行的，并且不會(huì)破壞樣品的結(jié)構(gòu)。

4.3嵌段聚合物的分析

除了分析聚合物的末端基結(jié)構(gòu)，MALDI-TOF-MS還可以分析嵌段共聚物中的嵌段分布和嵌段長度，以及共聚反應(yīng)中反應(yīng)速率等信息。

路顯鋒等[18]利用MALDI-TOF-MS結(jié)合源后分解(PSD)技術(shù)對(duì)甲氧基封端的聚乙二醇-b-聚己內(nèi)酯(mPEG-b-PCL)兩嵌段共聚物進(jìn)行了結(jié)構(gòu)研究。根據(jù)所得MALDI-TOF-MS譜圖和碎片信息確定了嵌段共聚物的嵌段分布和嵌段長度。Huijser等[19]的研究表明，結(jié)合蒙特卡洛模擬法或者一階馬爾科夫模型，MALDI-TOF-MS可以很好的給出內(nèi)酯和丙交酯的自由基聚合，開環(huán)聚合，以及酸酐和環(huán)氧化物的開環(huán)聚合中單體的反應(yīng)速率。Crecelius等[20]利用MALDI-TOF-MS測(cè)定了甲氧基封端的乙二醇-b-苯乙烯共聚物(mPEG-b-PS)的嵌段長度，研究表明，MALDI-TOF-MS可以得到mPEG-b-PS中每一個(gè)嵌段的碎片，通過計(jì)算它們的分子量可以得到共聚物中每個(gè)嵌段的長度。Wesdemiotis等[21]利用MALDI-TOF-MS 測(cè)得了氯代環(huán)氧丁烷和四氫呋喃共聚物的結(jié)構(gòu)信息。Weidner等[22]通過MALDI-TOF-MS分析乙二醇-氧化丙烯共聚物(PEG-b-PPO)中的丁內(nèi)酯的數(shù)量，準(zhǔn)確測(cè)出了共聚物中PEG和PPO嵌段的重復(fù)單元的數(shù)量。

5存在的問題及解決方案

MALDI-TOF-MS存在的主要問題有：

(1)要求聚合物的分散度<1.2。當(dāng)聚合物的分散度較高時(shí)，高分子量組分的信號(hào)會(huì)被忽視，產(chǎn)生質(zhì)量歧化現(xiàn)象[23]。因此,在制備MALDI-TOF-MS測(cè)試樣品前，應(yīng)將聚合物進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，降低測(cè)試樣品的分散度。

(2)由于聚合物在組成和結(jié)構(gòu)方面的多樣性，沒有一種基質(zhì)和方法可同時(shí)適用于所有試樣的質(zhì)譜分析[24]。所以在測(cè)試某一種聚合物時(shí)，應(yīng)結(jié)合聚合物自身的結(jié)構(gòu)，選擇合適的基質(zhì)以及設(shè)備參數(shù)。

6展望

近年來，MALDI-TOF-MS作為一種快速，準(zhǔn)確，靈敏度高，分析范圍廣的質(zhì)譜技術(shù)，在生物工程，化學(xué)，食品，材料，臨床醫(yī)療等眾多領(lǐng)域得到廣泛的研究和應(yīng)用。在聚合物的分析方面，MALDI-TOF-MS不僅可以準(zhǔn)確地測(cè)出分子質(zhì)量及分布范圍的信息，而且對(duì)于共聚物的組分，結(jié)構(gòu)及反應(yīng)機(jī)理作出分析。隨著科學(xué)研究的深入以及設(shè)備技術(shù)的提高，逐漸完善本身的不足，MALDI-TOF-MS作為一個(gè)強(qiáng)有力的研究工具，必將在各領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。

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Review of application of MALDI-TOF MS in analysis of polymers.

Wang Dagang, Lai Chunhua, Ni Jiangpeng, Wang Lei*, Zou Jizhao

(ShenzhenKeyLaboratoryofSpecialFunctionalMaterials,CollegeofMaterialsScienceandEngineering,ShenzhenUniversity,Shenzhen518060,China)

Abstract：In this paper, we mainly introduced the working principle, choice of matrix, the application and the limitations of MALDI-TOF MS in analysis of polymers. In addition, we prospected the development prospects of MALDI-TOF MS in the future.

Key word:matrix assisted laser desorption/ionization time of flight mass spectrometry, matrix, polymer, analytic technology

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(51003060，51171117 和 51101103);深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目(JC2011042 100070A, ZYC201105170225A)

作者簡介：王大剛，男，1985出生，實(shí)驗(yàn)師，主要從事實(shí)驗(yàn)室管理和儀器測(cè)試，以及功能高分子材料的研究，E-mail：wangdagang@szu.edu.cn。 通訊作者：王 雷，男，1977出生，教授，主要從事燃料電池膜材料和高分子熱電材料方面的研究，E-mail：wl@szu.edu.cn。

DOI:10.3936/j.issn.1001-232x.2016.03.016

收稿日期：2015-12-21