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！

特長

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 (Kendrick Mass Remainder) 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

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

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

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

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。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。また末端基の組成を指定することでKMDプロット上を探索しグループ化することが可能です。グループ化されたシリーズについては表のような相対イオン強度やポリマー指標値が計算されます。

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・KMDプロット・KMRプロット

	強度の合計	強度の合計(%)	数平均分子量	重量平均分子量	多分散度	モノマー	末端基α	末端基ω	付加イオン	価数	数平均重合度	重量平均重合度	多分散度 (重合度)
1	826378	61.26	1092.769	1109.324	1.015	C2H4O	H	OH	Na	1	23.89	24.28	1.016
2	239802	17.78	1434.544	1453.005	1.013	C2H4O	C12H25	OH	Na	1	27.832	28.323	1.018
3	174958	12.97	1347.449	1365.068	1.013	C2H4O	C16H33	OH	Na	1	24.581	25.079	1.02
4	90119	6.68	1371.922	1387.459	1.011	C2H4O	C18H37	OH	Na	1	24.5	24.949	1.018
5	17689	1.31	1280.546	1291.183	1.008	C2H4O	C18H35	OH	Na	1	22.47	22.783	1.014

超高質量分解能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)
①	C16H34	C2H4O	22	Na	1217.83200	-0.5	2.2767	-2.2767	1.8695	-1.8695
②	C18H38O	C2H4O	21	Na	1217.83200	-0.5	2.2767	-2.2767	1.869	-1.8695
③	C20H42O2	C2H4O	20	Na	1217.83200	-0.5	2.2767	-2.2767	1.8695	-1.8695
④	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

デアイソトープ機能

デアイソトープ機能を用いて同位体ピークのイオン強度をモノアイソトピックピークに集約することで、KMD プロット、KMR プロット、RKMプロットが単純化されます。さらにモノアイソトピックピークの位置にイオン強度が集約されるため、分子量に依存した同位体パターンの違いによる影響を排除し、分子量分布が直感的に理解しやすくなります。

PMMA 標準試料混合物の MALDI マススペクトル
（黄色：デアイソトープ前　青色：デアイソトープ後）

PMMA 標準試料混合物の KMD プロット
（上：デアイソトープ前　下：デアイソトープ後）

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

KMDプロット(左) / Fraction baseKMDプロット(右)

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。また末端基を指定することで構成するEO/POの重合度をプロットでき、そこからモル比と重量比の算出が可能です。PO-EO-POブロックコポリマーの重量比は、カタログ値とよく一致しています。このことからEO/PO比率は非公開のランダムコポリマーのEO/POの構成比も推定することが可能です。

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KMDプロットの重ね書き

EO-POランダムコポリマーの重合度プロット

モル比 %		重量比 %
EO	PO	EO	PO
79.8	20.2	75.0	25.0

EO-POブロックコポリマーの重合度プロット

モル比 %		重量比 %
EO	PO	EO	PO
46.8	53.2	40.1	59.9

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

差異分析結果のKMDプロット

FD法によるポリマー中の添加剤の同定

化合物リスト探索機能では事前に作成された化合物リストに収載された化合物由来のピークの存在を、精密質量と同位体パターンを用いて探索します。よく使用されているポリマー添加物約400種類のリストが標準で付属します。下記の例は、市販ポリプロピレン製品を溶媒抽出し JMS-T2000GC AccuTOF™ GC-Alpha を用いて FD 法で測定したマススペクトルに対してポリマー添加剤を探索した結果です。
難燃剤 (CAS No. 21850-44-2) と酸化防止剤 (CAS No. 6683-19-8) がヒットしました。
化合物リストは、探索したい化合物の分子式と何らかの ID（化合物名、CAS No.など）があればユーザーが自由に作成することが可能です。

番号	組成	コメント1	コメント2	計算質量	観測質量	質量誤差(mDa)	質量誤差(ppm)	同位体マッチング	判定
8	C21H20Br8O2	難燃剤 (21850-44-2)	Flame retardant (21850-44-2)	943.4845	943.4794	-5.1361	-5.4438	0.98026	Good
10	C73H108O12	酸化防止剤 (6683-19-8)	Antioxidant (6683-19-8)	1176.784	1176.781	-2.2204	-1.8868	0.80855	Good

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。

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個)
デアイソトープ機能
バー型マススペクトル表示
KMD・Fraction base KMD プロット作成
KMR 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)
ポリマー探索機能
- ホモポリマーの探索と平均分子量 (質量/重合度)・多分散度 (質量/重合度) の計算
- 2元系コポリマーの探索と重合度プロット作成、2つのモノマーの構成比/重量比計算
グループ化
- グループ毎の色分け
- グループ化したシリーズの表示/ 非表示切り替え
- 各グループの平均分子量・多分散度計算
- 全グループのイオン強度総和に対する各グループのイオン
- 強度の相対値
組成推定機能
- モノマー・末端基の組成推定
- 組成推定履歴の保存
2検体間差異分析
化合物リスト探索機能、組成式指定探索リスト、組成推定
機械学習によるノイズ除去 (JMS-S3000 専用)

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) あるいはWindows® 11 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。