MALDI-TOF MS在聚合物分析中的應用研究進展

王大剛　賴春花　倪江鵬　王　雷　鄒繼兆

(深圳大學材料學院 深圳特種功能材料重點實驗室, 深圳 518060))

MALDI-TOF MS在聚合物分析中的應用研究進展

王大剛賴春花倪江鵬王雷*鄒繼兆

(深圳大學材料學院 深圳特種功能材料重點實驗室, 深圳 518060))

摘要：近年來，基質輔助激光解吸電離飛行時間質譜(MALDI-TOF-MS)作為一種新型的軟電離質譜技術，具有有快速、準確、靈敏度高、檢測范圍廣等特點，在化學、生物，醫療衛生等眾多領域得到廣泛研究和應用。本文著重介紹了MALDI-TOF-MS的工作原理，基質的選擇，該技術在聚合物分析中的應用進展，以及存在的問題，并對其發展前景作出展望。

關鍵詞：基質輔助激光解吸電離飛行時間質譜基質聚合物分析技術

1引言

基質輔助激光解吸電離飛行時間質譜(MALDI-TOF-MS)是20世紀80年代末發展起來的一種新型“軟電離”質譜技術，它不產生或者產生很少的碎片離子，使得不揮發性與熱不穩定性的生物大分子和高分子聚合物的檢測成為可能。MALDI-TOF-MS具有以下特點：(1)通量高，分析速度快；(2)化合物質量范圍無限制，既能分析分子量小的化合物，也能分析分子量大的化合物，可測分子量已達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)，準確度高(可達0.1%～0.01%)[2]；(5)圖譜簡單，易于維護；(6)除基質外，基本上無其他相關消耗品等。由于以上優點，MALDI-TOF-MS廣泛應用于多糖、蛋白質、DNA/RNA等生物大分子以及高分子聚合物的檢測。2002年，MALDI-TOF-MS的發明人美國科學家約翰·芬恩和日本科學家田中耕一獲得了諾貝爾化學獎，以表彰他們在他們在生物大分子研究領域的突出貢獻。目前，MALDI-TOF-MS已在高分子化學[3]、生物制藥[4]，環境科學[5, 6]，臨床醫療[7-9]和食品衛生[10]等眾多領域得到廣泛研究和應用。

2MALDI-TOF-MS 基本原理

MALDI-TOF-MS主要由基質輔助激光解吸電離的離子源、飛行時間質量分析器和檢測器三部分部分組成。MALDI-TOF-MS的工作原理，如圖1所示。可以簡要概述為：將被測樣品與過量的小分子基質化合物的溶液相混合, 使所測樣品均勻的分散在基質中。點于樣品靶上，自然結晶干燥后，放于離子源室內。在高真空狀態 (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，基質從激光中吸收能量而激發, 傳遞給樣品分子，基質與樣品之間發生電荷

轉移，從而使樣品分子離子化。然后在電場作用下進入飛行時間質量分析器中加速，由到達檢測器的飛行時間可計算其質荷比(m/z)，從而對樣品進行定性或定量的分析。從質譜上圖可獲得樣品中每一分子的分子量, 以及通過譜峰強度計算樣品的平均分子量與分子量分布寬度。

3基質

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

表1　幾種常見基質的適用范圍

通常在選擇基質時，應根據樣品的種類和分子結構，優先考慮與所測試樣品分子極性相近且相互作用小的基質，這利于易于形成良好的共結晶體。另外，基質要具有對目標分子提供較高的效離子化的能力。

4在聚合物分析中的應用進展

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、嵌段分子結構，以及混合物中的含量等信息，下面舉例說明。

4.1測定分子量及分布

MALDI-TOF-MS測定聚合物分子量具有以下特點[2]：測出的是聚合物的絕對分子量；可以測出全部分子量的分布；通過測定每一個多聚體的分子量，可為分析聚合物分子結構提供支持。

盧小菊等[12]利用MALDI-TOF-MS和GPC表征了通過原子轉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PNVP 的絕對分子量分布系數比GPC 所測分子量分布系數窄。MALDI-TOF-MS所測PNVP分子量與GPC 測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的結果相比，MALDI-TOF-MS的結果相對較小，并有約9.75%的偏差，這主要是因為MALDI-TOF-MS對分子量的歧化效應。Rashidzadeh等[14]以聚甲基丙烯酸甲酯的分子量測定為例，研究了幾個導致分子量歧化現象的因素。研究表明，基質和低分子量齊聚物的強信號導致的檢測器溢出是主要的設備因素。另外，基質的選擇不當也是導致分子量歧化的因素之一。因此，在利用MALDI-TOF-MS測試聚合物，尤其是聚合度較高的聚合物的分子量及分布時，要注意以上因素。

4.2末端基分析

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

Mobs=n(Mru) + Mend+ Mion

(1)

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

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樣品有幾個特殊峰。研究表明，Ag+與Br端基的反應是導致特有峰出現的原因。因此，在用MALDI-TOF-MS表征帶有Br端基的樣品時，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構。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，并且不會破壞樣品的結構。

4.3嵌段聚合物的分析

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

路顯鋒等[18]利用MALDI-TOF-MS結合源后分解(PSD)技術對甲氧基封端的聚乙二醇-b-聚己內酯(mPEG-b-PCL)兩嵌段共聚物進行了結構研究。根據所得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可以很好的給出內酯和丙交酯的自由基聚合，開環聚合，以及酸酐和環氧化物的開環聚合中單體的反應速率。Crecelius等[20]利用MALDI-TOF-MS測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中每一個嵌段的碎片，通過計算它們的分子量可以得到共聚物中每個嵌段的長度。Wesdemiotis等[21]利用MALDI-TOF-MS 測得了氯代環氧丁烷和四氫呋喃共聚物的結構信息。Weidner等[22]通過MALDI-TOF-MS分析乙二醇-氧化丙烯共聚物(PEG-b-PPO)中的丁內酯的數量，準確測出了共聚物中PEG和PPO嵌段的重復單元的數量。

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。當聚合物的分散度較高時，高分子量組分的信號會被忽視，產生質量歧化現象[23]。因此,在制備MALDI-TOF-MS測試樣品前，應將聚合物進行適當的預處理，降低測試樣品的分散度。

(2)由于聚合物在組成和結構方面的多樣性，沒有一種基質和方法可同時適用于所有試樣的質譜分析[24]。所以在測試某一種聚合物時，應結合聚合物自身的結構，選擇合適的基質以及設備參數。

6展望

近年來，MALDI-TOF-MS作為一種快速，準確，靈敏度高，分析范圍廣的質譜技術，在生物工程，化學，食品，材料，臨床醫療等眾多領域得到廣泛的研究和應用。在聚合物的分析方面，MALDI-TOF-MS不僅可以準確地測出分子質量及分布范圍的信息，而且對于共聚物的組分，結構及反應機理作出分析。隨著科學研究的深入以及設備技術的提高，逐漸完善本身的不足，MALDI-TOF-MS作為一個強有力的研究工具，必將在各領域得到更加廣泛的應用。

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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

基金項目:國家自然科學基金(51003060，51171117 和 51101103);深圳市科技計劃項目(JC2011042 100070A, ZYC201105170225A)

作者簡介：王大剛，男，1985出生，實驗師，主要從事實驗室管理和儀器測試，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