MALDI Application: JMS-S3000 "SpiralTOF™"によるポリマーの構造解析 ~Kendrick Mass Defectプロット法の適用~

  • 概要

MSTips No.210

はじめに

JMS-S3000 "SpiralTOF"は、質量分解能が高く、例えばCOとC2H4のように質量差がわずか0.036 Daの成分由来のピークでも明瞭に分離できるため、レジスト材料など高機能性ポリマーの構造解析等に利用され始めている。しかし、原材料や合成条件などの情報がない場合、質量分析だけで詳細な構造解析を行うことは容易ではなく、末端基に関わる情報を複雑なマススペクトルから読み取るにはピーク1本々々の精密質量を算出したうえで、それらの相互関係を読み解くという非常に時間のかかる作業が要求される。一方、Kendrick mass defect (KMD)プロット法1, 2)は、高分解能質量分析で観測される精密質量に基づいて、構成成分の元素分布を解析する方法である。もともとは、飽和炭化水素からの精密質量のずれ(mass defect)を用いて有機化合物の元素組成解析を行うために考案されたものである。この手法では、CH2単位の精密質量(14.01565)をKendrick 質量(KM)=14と定義して、観測質量をKMに変換する。仮に試料化合物中に基準とした化学組成とは異なる部位が含まれていた場合、その化合物のKMは、整数値からのずれが生じる。このずれをKMDと呼び、このKMを四捨五入した整数KM (Nominal KM; NKM) に対してプロットすることにより、試料中に含まれる様々な化合物の化学組成の分布を散布図として表現できる。また、ポリマーでは、KMを算出ための基準となる化学組成をCH2ではなく、対象としているモノマー由来の異なった繰り返し単位を基準にしても同様の解析が可能となる。本法は、精密質量の測定が必要であるため、従来はフーリエ変換イオンサイクロトロン質量分析装置(FT-ICRMS)により得られたマススペクトルの解析に、主に使われていたが、質量分解能が高いSpiralTOFを用いればMALDI-TOFMSによる測定でもKMD解析が可能なレベルでの精密質量分析が可能となった3)。これにより、分子量が大きく、分子量分布が広い合成ポリマー分析にKMDプロット法を適用できるようになった。KMDプロット法では、多数のピークが観測される複雑なマススペクトル上のピークを1本ずつ解析することなく、迅速簡便かつ詳細にポリマーをキャラクタリゼーションできる。ここでは、KMDプロット法をポリマー標準品をブレンドした試料の分析に適用した例3)を解説する。

材料と方法

  • ポリマー試料
    和光純薬製のPoly(ethylene oxide)(PEO)と、シグマアルドリッチ社製のdiolおよびtriolタイプのPoly(propylene oxide)をそれぞれ1 μl/mlとなるようにテトラヒドロフラン(tetrahydrofuran, THF)に溶解して、1/1/1 (v/v/v)となるように混合した。
  • SpiralTOFによる測定
    マトリックス試薬として2,5-dihydroxybenzoic acid (DHB)を10 mg/mlとなるようにTHFを用いて溶解した。上述のポリマー試料混合溶液とマトリックス溶液の 1:10 (v/v) 混合溶液をステンレス製の試料プレートに滴下し、室温で乾燥させた。SpiralTOFはm/z 800 - 3000の範囲において,ピーク幅が約0.03 Daより小さくなるようにチューニングした.質量校正は、Polymer Laboratories (Church Stretton, UK)製のpoly(methyl methacrylate) (PMMA)の標準品(Mp=1310)を用いた。
  • Kendrick mass defect plot作成
    マススペクトルを取得した後、装置付属の解析ソフトウェア"msTornado Analysis"を用いて、得られたピークの観測質量とピーク強度を抽出した。次に、"msRepeatFinder"(JEOL)を用いてKMDプロットを作成した。なお、以下の計算式により、KM、NKM、およびKMDを計算した。相対ピーク強度5%以上のピークを対象として、x軸にNKM、y軸にKMDをとり、KMD-NKMプロットを作成した。

結果と考察

Fig1.MALDI mass spectrum of the blend sample of PEO, PPO-diol and PPO-triol (a) and KMD plot of the blended sample using a mass scale based on PO unit (b). The size of each dot indicates peal intensity.

ここでは、PO単位を基本単位として選択して、KMを計算した(C3H6O = 58.04187 Daが58と換算されるよう計算した)。Fig.1aに示したマスペクトルでは、PPO-triolおよびPPO-diolとPEO由来のピーク群が観測された。Fig.1aでは、質量分解能46100 (m/z 1450, FWHM)および71500 (m/z 2130, FWHM)が得られており、測定領域にわたり、ピーク幅 約0.03 Da (FWHM)のピークが観測されている。KMD-NKMプロット(Fig.1b)により、マススペクトルでは分子量分布が重複するためにピーク分布を明瞭に識別できなかったPPO-diolとPEOも明瞭に分離された。
KMDプロット法により、共通の繰り返し構造をもつ成分およびそれ以外の成分を迅速簡便にビジュアル化できる。本法は、迅速簡便にポリマー製品を特徴付ける手法として、生産管理などに利用できると期待される。

謝辞

本資料は国立研究開発法人産業技術総合研究所 環境管理研究部門 佐藤浩昭 研究グループ長のご協力により作成したものです。

参考文献

  • Kendrick, E. et al., A mass scale based on CH2=14.0000 for high resolution mass spectrometry of organic compounds, Ana. Chem. 35, 2146 (1963).
  • Hughey, C. A. et al., A compact visual analysis for ultrahigh-resolution broadband mass spectra, Anal. Chem. 73, 4676-4681 (2001)
  • Sato,H. et al., Structural characterization of polymers by MALDI spiral-TOFMS combined with Kendrick mass defect analysis, J. Am. Soc. Mass Spectrom., 25, 1346 (2014).
    (Open access:http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs13361-014-0915-y )
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