UPC²/MS鑒定復(fù)雜低聚物材料

Baiba Cabovska和Michael O’Leary

沃特世公司(美國馬薩諸塞州米爾福德)

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■與GC相比，ACQUITY UPC^2™可以分析具有更高分子量的熱不穩(wěn)定聚合物。

■ACQUITY UPC²能夠分析極性和非極性聚合物。

■超臨界流體流動相和亞2µ­m顆粒度固定相能縮短大分子量化合物的保留時間。

■與正相LC相比，ACQUITY UPC²有毒溶劑使用量更少。

■MS能夠?yàn)閁V數(shù)據(jù)提供補(bǔ)充信息，可用于單個低聚物的鑒定、雜質(zhì)測定和配方分析。

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ACQUITY UPC²，配有PDA和ACQUITY^® SQD
ACQUITY UPLC^® HSS色譜柱

ACQUITY UPC² BEH色譜柱

Empower^® 3 CDS

 

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聚合物，UPC²，超臨界流體，SFC，聚苯乙烯，PMMA，合相色譜，低聚物

 

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最常見的聚合物分析是使用凝膠滲透色譜(GPC)來測定平均分子量和多分散性。然而，當(dāng)需要對各種低聚物進(jìn)行高分離度分離以評估材料性能或了解聚合物結(jié)構(gòu)時，將用到其它分析技術(shù)1-4。低分子量聚合物可以通過液相色譜(LC)、氣相色譜(GC)和超臨界流體色譜(SFC)進(jìn)行分析。分離技術(shù)的選擇通常根據(jù)溶解度、平均分子量和聚合物熱穩(wěn)定性而定。沃特世(Waters^®)超高效合相色譜(UltraPerformance Convergence Chromatography™, UPC2^®)是SFC技術(shù)的革新，在復(fù)雜低聚物材料的分離中可提供多種優(yōu)勢。由于超臨界二氧化碳與液體相比粘度較低，因此能達(dá)到更高的流速，從而實(shí)現(xiàn)比LC更短的分析時間。而合相色譜的操作溫度比GC低，可用于分析熱不穩(wěn)定材料。此外，與GC相比，UPC²能分離出質(zhì)量數(shù)更高的非揮發(fā)性低聚物。還有一個優(yōu)勢是可以使用亞2µ­m顆粒色譜柱，得到比傳統(tǒng)SFC更高的理論塔板數(shù)和更好的分離度。當(dāng)聚合物帶有發(fā)色基團(tuán)時，則可使用UV檢測。如果需要有關(guān)異構(gòu)體分子量的信息，可以使用質(zhì)譜儀(MS)進(jìn)行檢測。UPC²可以與UV和MS檢測器串聯(lián)使用。

最簡單的聚合物類型是加聚物。加聚物通過單體單元的順序加和而形成，不會丟失任何分子�？s聚聚合物由兩種或多種不同單體發(fā)生縮聚反應(yīng)形成，在該反應(yīng)中單個分子結(jié)合在一起并生成諸如水的副產(chǎn)物。在聚合反應(yīng)中，單個分子不僅能彼此直線結(jié)合，還能形成支化異構(gòu)體。由于聚合物可形成多種異構(gòu)體，因此它們的分離和鑒定會特別困難。此外，在聚合條件下還會形成降解產(chǎn)物和副產(chǎn)物，同樣也需要對其進(jìn)行鑒定。聚合物材料的性能會受到異構(gòu)體和低聚物分布的影響。

在本應(yīng)用紀(jì)要中，我們研究了多種加聚物，如聚苯乙烯(PS)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，以評估UPC²的分離范圍。然后將得到的信息用于通過MS和UV檢測分析的縮聚共聚物，如雙酚A甲醛縮聚聚合物(PBAA)和聚[(苯基縮水甘油基醚)-共-甲醛](PGEF)。

 

將所有聚合物樣品溶解于四氫呋喃(THF)中，濃度為10 mg/mL。  

 

UPC²條件

系統(tǒng)：   配備PDA和ACQUITY SQD的ACQUITY UPC²

流動相A：CO₂ (食品級)

流動相B：0.3%氫氧化銨甲醇溶液

柱溫：   60 °C

進(jìn)樣體積：1.0 µL

MS電離模式：ESI (+或-，具體取決于樣品)

 

MS掃描范圍：150 to 2000 m/z

毛細(xì)管電壓:1 kV

錐孔電壓： 25 V

補(bǔ)償溶劑： 0.3%氫氧化銨甲醇溶液

ABPR:      參見具體樣品

流速：     參見具體樣品

樣品瓶：   12 x 32 mm透明玻璃螺紋頸口樣品瓶，容積為2 mL

數(shù)據(jù)管理： Empower 3 CDS

 

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使用帶亞2µm顆粒度色譜柱的UPC²對多種分子量的聚苯乙烯和PMMA(圖1)進(jìn)行評估。圖2顯示了三種不同聚苯乙烯的分離。所有PS-1000和PS-1300低聚物的分離都在2.5分鐘內(nèi)完成。但是，PS-2500僅實(shí)現(xiàn)了部分分離。隨著分子量增大，聚合物的復(fù)雜程度也相應(yīng)增加，以致無法達(dá)到基線分離。

如圖3所示，與聚苯乙烯相比，PMMA低聚物可以在更高的質(zhì)量數(shù)下得到分離。隨著聚合物的平均分子量增加，完全洗脫所需的保留時間也相應(yīng)增加。UPC²可以分析的聚合物分子量范圍取決于樣品在CO₂中的溶解度、聚合物種類和分析人員能接受的實(shí)現(xiàn)分離所需運(yùn)行時間的長短。高分子量聚合物通常需要使用更高濃度的有機(jī)助溶劑來對色譜柱進(jìn)行洗脫。但是，增加有機(jī)助溶劑的濃度也會導(dǎo)致反壓的增加。要使反壓保持在可接受的范圍內(nèi)需要降低流速，而最終則會造成運(yùn)行時間的延長。

案例研究1

UPC²在聚合物分析中的作用將在以下兩個案例研究中得到體現(xiàn)。第一個案例涉及對雙酚A甲醛縮聚共聚物(PBAA)的分析，如圖4所示。該共聚物通過將聚雙酚A加成到甲醛上而形成，在此過程中會生成水。對PBAA進(jìn)行分析，觀察到預(yù)期的二聚體、三聚體以及之后的低聚物峰。然而，在保留時間0.7 min處觀察到m/z 227的明顯峰形(圖5)。聚合物的初始化合物為雙酚A和甲醛。m/z 227 (ESI-)對應(yīng)的是雙酚A分子離子[M-H]-。

 

 

使用確證標(biāo)準(zhǔn)品通過UV和MS檢測對未反應(yīng)的雙酚A進(jìn)行確證(圖6)。雙酚A標(biāo)準(zhǔn)品的保留時間與聚合物樣品中的未知峰相一致。而且，雙酚A的MS譜圖也與目標(biāo)峰的譜圖匹配。而甲酸加合物同樣出現(xiàn)在質(zhì)譜圖中，也為此提供了額外的佐證。

在本案例中，MS為聚合反應(yīng)中未參與反應(yīng)的初始物質(zhì)提供了有價值的信息。此分析方法可用于反應(yīng)監(jiān)測，以確保初始物質(zhì)的完全利用。

第二個案例涉及對聚[(苯基縮水甘油基醚)-共-甲醛]的分析(圖7)。如圖8所示，二聚體的各個異構(gòu)體輕松實(shí)現(xiàn)分離。根據(jù)起始分子的結(jié)構(gòu)，下一個單元與之結(jié)合的可能位置有三個。對于二聚體而言，這意味著樣品中可能會存在六種不同的異構(gòu)體，但只觀察到了三種。對于三聚體和之后的低聚物而言，可能的結(jié)構(gòu)則呈指數(shù)級增長。本次分離中，一共分離出了七種三聚體。

當(dāng)查看同一分離的總離子色譜圖(TIC)時(圖9)，在二聚體和三聚體之間觀察到額外的峰。觀察到的離子簇的m/z比率為404和402。這些質(zhì)量數(shù)可能源于苯基縮水甘油基醚結(jié)構(gòu)的改變，可能是其丟失了一條縮水甘油基醚鏈抑或醚環(huán)發(fā)生了開環(huán)(圖10)。之后包含所述降解單元的低聚物也出現(xiàn)在三聚體和四聚體之間。

由于這些降解異構(gòu)體在樣品中的濃度遠(yuǎn)低于二聚體和三聚體，因此會被UV檢測器忽略。

在本案例中，配備MS檢測器的UPC²提供了有關(guān)聚合物樣品中存在的異構(gòu)體的詳細(xì)信息。關(guān)于樣品中降解產(chǎn)物的數(shù)據(jù)有助于調(diào)整聚合反應(yīng)條件，防止縮水甘油基醚鏈的丟失或改變。如有需要，分析人員可以將單個異構(gòu)體分離出來，并通過結(jié)構(gòu)鑒定方法(如NMR)進(jìn)行分析以確定鍵的確切位置。

UPC²/MS是用于鑒定復(fù)雜低聚物材料的強(qiáng)大工具。廣泛的選擇性范圍有利于相似化合物的分離，如低聚物的異構(gòu)體。其它優(yōu)勢還包括適用于極性和非極性聚合物、更低的分析溫度和比GC更大的質(zhì)量數(shù)范圍。與LC相比，超臨界流體流動相的使用可縮短大分子量化合物的保留時間。附加的MS檢測能為UV數(shù)據(jù)提供補(bǔ)充信息，可用于反應(yīng)監(jiān)測、單個低聚物的鑒定、雜質(zhì)測定和配方分析。

1.  Ibanez E, Senorans FJ. Tuning of mobile and stationary phase polarity for the 

separation of polar compounds by SFC. J Biochem Biophys Methods. 2000; 43: 25-43. 

2.  Hoffman BJ, Taylor LT, Rumbelow S, Goff L, Pinkston JD. Separation of 

derivatized alcohol ethoxylates and propoxylates by low temperature packed 

column supercritical fluid chromatography using ultraviolet absorbance 

detection. J Chromatogr A. 2004; 1034: 2007-212.

3.  Hanton SD. Mass Spectrometry of Polymers and Polymer Surfaces. Chem Rev. 

2001; 101: 527-569.

4.  Takahashi K. Polymer analysis by supercritical fluid chromatography.  

J Bioscience Bioeng. In press, available online 5 March 2013.