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特長 STRONG POINT

msRepeatFinder ポリマー解析用ソフトウェア

ポリマー解析ソフトウェアの決定版!!

複雑なマススペクトルを可視化し、情報共有を加速します!

ケンドリックマスディフェクト (KMD) 解析とポリマーへの応用

ケンドリックマスディフェクト (KMD) 解析は、Edward Kendrickにより1963年に提案された手法[1]で、石油化学分野において今日でも使用されています。質量分析法では、高質量分解能質量分析計で得られる精密質量は、12Cの質量を12.0000 uとする単位系が用いられますが、ケンドリック質量 (KM) はCH2 = 14.00000とする単位系です。原油のような、炭化水素を主成分とする極めて複雑な混合物のマススペクトルピークを、炭化水素の不飽和度や、ヘテロ元素の有無によって分類することが可能です。
産業技術総合研究所と日本電子株式会社は、このケンドリックマスディフェクト法の原理をポリマーの高質量分解能マススペクトルの解析へ応用することに成功しました[2]。この場合は繰り返し単位であるモノマーの精密質量が整数質量になるようにKMを定義します。ケンドリックマスディフェクト (KMD) プロットを作成すると、複雑なマススペクトルに含まれるポリマーの種類・数を、個々のマススペクトルピークをアサインすることなく可視化できます。最近ではFraction Base KMD法、Remainder of KM法などが関連技術として提案され、幅広い質領域に渡るポリマーの解析や、MS/MSによるポリマーの構造解析への応用も可能となっています。これらKMD技術によりポリマー解析の時間短縮はもちろん、情報共有も容易となります。

  • [1] E. Kendrick, Anal. Chem. (1963) 35, 2146–2154.
  • [2] H. Sato et. al, J. Am. Soc. Mass Spectrom. (2014) 25, 1346-1355

KMDプロットでのポリマーの見え方

KMD, KMRプロット上でのポリマーの見え方を理解しておくと解析をスムーズに行うことができます。KMDプロットの横軸は整数KMであり、縦軸は整数KMとKMの差であるKMDです。KMD解析ではまずモノマーを1つ設定します。そのモノマーから構成されたポリマーのマススペクトルピークは、KMDプロット上では横軸と平行に一直線に並びます。KMD値は末端基に依存するため、末端基の異なるホモポリマーの混合試料の場合、横軸に水平に並ぶシリーズが複数観測されます。KMRプロットは末端基のことなる同種ポリマーの混合物に使用可能です。整数KMをモノマーの整数質量で除した余りを横軸にしており、同一末端基のポリマーは1点に集約され、KMDプロットでは識別しにくい、末端基が異なるホモポリマーも容易に識別可能です。

KMDプロット

指定したモノマーからなるシリーズは横軸と平行に並ぶ
ポリマーの種類/分子量分布の可視化

KMDプロット

KMRプロット

同じモノマーと末端基からなるシリーズが1点に集約される
KMDプロットで分離しにくくても識別が可能
分子量分布は可視化できないのでKMDと合わせて使用

KMRプロット

また指定したモノマーと異なるモノマーによって構成されたポリマーはKMDプロットで斜めの直線上に並ぶので容易に識別できます。コポリマー (たとえば二元系) は、2つのモノマーが構成単位となります。その1つを指定するとその分布は横軸と平行に、他方のモノマーの分布は斜めに並ぶことになります。それぞれが分布をもつためにKMDプロットでは格子状の並びとして可視化されます。

異なるポリマー種が混合している場合

あるモノマーを指定すると、そのモノマーをもつポリマーは横軸に平行に、それ以外のポリマーは斜めに並ぶ

異なるポリマー種が混合している場合

二元系コポリマーの場合

2つのモノマーがそれぞれ分布を持つため格子状のパターンになる

共重合ポリマーの場合

高分解能MALDI-TOFMSを用いたポリマーの末端基分析

超高質量分解能MALDI-TOFMS JMS-S3000 SpiralTOF™シリーズで測定されたマススペクトルに、msRepeatFinderによる解析を適用することで、末端基が異なる複数のホモポリマーの混合物を視覚化しグループ化することができます。各グループについては分子量分布の指標値 (数平均分子量、重量平均分子量、多分散度) が計算可能です。下記の例ではKMDプロットによって少なくとも4つの末端基が異なるシリーズが存在することが分かりますが、更にKMR (Kendrick Mass Remainder) プロットを用いることで実際には5つのシリーズが存在することが確認されました。

末端基の異なるポリエチレンオキシドの混合物MALDIマススペクトル

末端基の異なるポリエチレンオキシドの混合物マススペクトル
全イオン強度 KMD値の重心 NKM値の重心 数平均分子量 重量平均分子量 多分散度
826378 0.0245 1092.1 1092.8 1109.3 1.015
239802 -0.0635 1433.7 1434.5 1453.0 1.013
175311 -0.0920 1347.5 1348.3 1366.1 1.013
90119 -0.1060 1371.1 1371.9 1387.5 1.011
17689 0.0912 1279.8 1280.5 1291.2 1.008

高分解能MALDI-TOFMSを用いた精密質量測定とMS/MS測定 (プロダクトイオンマススペクトル) からの末端基構造の推定

msRepeatFinderでは測定精密質量からイオンの元素組成を推定することができます。グループ④の末端基の組成推定結果を示します。4つの候補はすべて同じ元素組成で重合度が異なるものです。プロダクトイオンマススペクトルから得られる情報から更に候補を絞り込みました。プロダクトイオンマススペクトルにm/z 23のピークが観測されているので、プリカーサーイオンはナトリウム付加イオンであることがわかります。プロダクトイオンマススペクトルのRKM (Remainder of Kendrick Mass) プロットを作成すると、特徴的なニュートラルロスから1つの末端基の大きさが254 u程度、もう一方は小さいことがわかります。その結果、末端基C18H37 / OH をもつポリエチレンオキシドであると推定することができました。

番号 末端基組成式 モノマー n 付加イオン 質量 DBE 質量誤差
(絶対値)
質量誤差
(mDa)
質量誤差
(絶対値)
質量誤差
(ppm)
C16H34 C2H4O 22 Na 1217.83200 -0.5 2.2767 -2.2767 1.8695 -1.8695
C18H38O C2H4O 21 Na 1217.83200 -0.5 2.2767 -2.2767 1.8695 -1.8695
C20H42O2 C2H4O 20 Na 1217.83200 -0.5 2.2767 -2.2767 1.8695 -1.8695
C22H46O3 C2H4O 19 Na 1217.83200 -0.5 2.2767 -2.2767 1.8695 -1.8695

グループ④のプロダクトイオンマススペクトルとRKMプロット

高分解能MALDI-TOFMSを用いたコポリマー (共重合ポリマー) の解析

2つ以上のモノマーで構成されるコポリマーには、高質量分解能による分析が必要です。超高質量分解能MALDI-TOFMSを用いれば、マススペクトルに現れる多くの同重体ピーク (整数質量は同じで精密質量が異なる) を分離することができます。コポリマーのマススペクトルは複雑なため、1つ1つのピークをアサインしていくことは現実的ではありません。msRepeatFinderを用いてKMD解析により分布の様子を可視化することができます。下図はEO-POのブロックコポリマーの分析例です。マススペクトルを拡大していくと高い分解能により0.03 u以下の分離を実現できていることが分かります。このスペクトルをKMDプロットで可視化すると (base unit: PO)、水平方向にPOの分布、斜め方向にEOの分布を反映した格子が見えます。更にFraction Base KMDプロットを使用することで、従来のKMDプロットよりも明確にポリマーのシリーズを可視化することができます。

EO-POブロック共重合体のマススペクトル

EO-POブロック共重合体のマススペクトル

KMDプロット(左) / Fraction baseKMDプロット(右)

EO-POブロック共重合体のマススペクトル

KMDプロット上でのパターンから二元系コポリマーに含まれる2種類のモノマーの比率、あるいは合成プロセスの差異を知ることができます。下記に、平均分子量はほぼ等しい2種類のEO-POコポリマーのマススペクトルとKMDプロット (base unit: PO) を示します。
PO-EO-POブロックコポリマーのマススペクトル・KMDプロット上には、微量ですがPOホモポリマーが検出されました。ランダム重合された EO-POコポリマーにEOあるいはPOのホモポリマーが残留することは合成プロセス上考えにくいので、この試料がブロックコポリマーである傍証の一つと考えられます。

一方EO-POランダムコポリマーに関しては、EOモノマーの個数分布の範囲が広いことがKMDプロットからわかります。EO/PO比率は非公開ですが、EO比率が40% (重量比) であるPO-EO-POブロックコポリマーのKMDプロットと比較すると、EO比率が40%を大きく超えていることが分かります。

EO-POランダムコポリマーとPO-EO-POブロックコポリマーのマススペクトル


EO-POランダムコポリマーとPO-EO-POブロックコポリマーのマススペクトル

EO-POランダムコポリマーとPO-EO-POブロックコポリマーのKMDプロットの重ね書き


EO-POランダムコポリマーとPO-EO-POブロックコポリマーのKMDプロットの重ね書き

ゲル浸透クロマトグラフィー (GPC) と高精度MALDI-TOFMSを組み合わせた解析

多分散度の大きいポリマーの分析には、GPCによる分画と高精度MALDI-TOFMSを組み合わせた分析が有効です。超高質量分解能MALDI-TOFMSで各フラクションのマススペクトルを取得し、Remainder of Kendrick Mass (RKM) プロット上に同時に表示することで、組成分布を可視化することができます。

多分散度の大きいポリカプロラクトンのGPC分取後の
マススペクトル

多分散度の大きいポリカプロラクトンのGPC分取後のマススペクトル

全フラクションのマススペクトルのRKMプロットの重ね書き

全フラクションのマススペクトルのRKMプロットの重ね書き

*本データは、国立研究開発法人産業技術総合研究所との共同研究の成果です。

ポリマーの差異分析

試料の劣化、ロット間差、合成過程の違いなど、ポリマーの末端基や分子量分布の差異分析は非常に重要です。msRepeatFinderでは2検体間の差異分析を行うことができます。以下は、ポリエチレンテレフタレートの劣化解析に応用した事例です。下段左に劣化前後のマススペクトルを示します。劣化前は環状オリゴマーが、劣化後にはCOOH/COOH末端をもつシリーズが主成分として観測されました。それぞれのマススペクトルを3回取得し差異分析を実施しました。下段右は差異分析結果をKMDプロットにしたものです。赤は劣化前に優位、緑は劣化後に優位なピークです。またボルケーノプロットも作成でき、統計的に有意差がある成分を確認することができます。

劣化前後のマススペクトル

劣化前後のマススペクトル

差異分析結果のKMDプロット

差異分析結果のKMDプロット

差異分析結果のKMDプロット

差異分析結果のKMDプロット

FD法によるポリマーの測定とKMD解析

msRepeatFinderは超高質量分解能MALDI-TOFMSで測定したマススペクトルのみでなく、他の適切なソフトイオン化法で測定された高分解能マススペクトルにも適用できます。以下は、EI/FI/FD共用イオンを装着した高分解能GC-TOFMS、JMS-T2000GC AccuTOF™ GC-Alphaを使用して、ポリスチレン (PS) とポリプロピレンオキシド (PPO) の混合物をFD (Field Desorption: 電解脱離) 法で分析したデータへの適用例です。

FD法による原油の測定とKMD解析・タイプ分析

msRepeatFinderは炭化水素のKMD解析とタイプ分析にも適用可能です。以下にEI/FI/FD共用イオンを装着した高分解能GC-TOFMS、JMS-T2000GC AccuTOF™ GC-Alphaを用いて測定した原油のFDマススペクトルと、そのKMDプロットを示します。不飽和度が異なる炭化水素のシリーズを可視化することで、各シリーズを容易にグルーピング可能で、各シリーズの

  • 強度の合算値
  • 数平均分子量
  • 重量平均分子量

などのタイプ分析結果がグループ毎に自動で計算されます。
KMDプロットでスペクトルを可視化した後、詳細なタイプ分析を行うことが可能です。

劣化前後のマススペクトル
差異分析結果のKMDプロット
No. Formura DBE Sum of Intensities Weighted
Average of
KMD
Weighted
Average of
NKM
Number Average of molecular
weitht (Mn)
Weight Average of molecular
weitht (Mw)
Poly dispersity
1 CnH2n+2 0 2135838 -0.013 309.9 310.2 318.7 1.03
2 CnH2n 1 1627964 0.001 333.9 334.2 349.6 1.05
3 CnH2n-2 2 1070976 0.014 351.4 351.8 371.5 1.06
4 CnH2n-4 3 677938 0.027 376.5 376.5 401.3 1.07
5 CnH2n-6 4 943169 0.041 380.0 380.0 412.4 1.09
6 CnH2n-8 5 870604 0.054 391.2 391.2 429.7 1.10
7 CnH2n-10 6 706070 0.067 410.3 410.3 456.5 1.11
8 CnH2n-12 7 694475 0.081 410.2 410.2 466.4 1.14
9 CnH2n-14 8 764486 0.094 403.4 403.4 473.3 1.17
10 CnH2n-16 9 710217 0.108 388.7 388.7 449.2 1.16

機能

  • ピークリストの入力(最大10まで重ね合わせ可能)
  • KMD/KMRプロット作成
  • Fraction base KMDプロット作成
  • Remainder of KM(RKM) プロット作成
  • ホモポリマーの末端基予測円の作成(KMRプロット上)のみ
  • グループ化
    • グループ化による色づけ
    • グループ化したシリーズの表示/非表示切り替え
    • グループの平均分子量・多分散度計算
    • グループ化したポリマーシリーズのエクスポート
  • 組成推定機能

特記事項

  • 入力形式は、m/z,イオン強度の2列のピークリストです。
  • 処理結果の有用性は、与えたピークリストの測定質量精度に強く依存します。

本製品は、Microsoft® Windows® 10 Pro (64bit) がインストールされたPC上で動作します。
本製品の動作には、MS-57060PCJ 同等以上の性能のPCが推奨です。
Microsoft、Windows、PowerPoint、Microsoft Officeは、米国Microsoft Corporationの米国およびその他の国における登録商標または商標です。
Microsoft Wordは、米国Microsoft Corporationの商品名称です。

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