MALDI-TOF MS在聚合物分析中的应用研究进展

王大刚　赖春花　倪江鹏　王　雷　邹继兆

(深圳大学材料学院 深圳特种功能材料重点实验室, 深圳 518060))

MALDI-TOF MS在聚合物分析中的应用研究进展

王大刚赖春花倪江鹏王雷*邹继兆

(深圳大学材料学院 深圳特种功能材料重点实验室, 深圳 518060))

摘要：近年来，基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)作为一种新型的软电离质谱技术，具有有快速、准确、灵敏度高、检测范围广等特点，在化学、生物，医疗卫生等众多领域得到广泛研究和应用。本文着重介绍了MALDI-TOF-MS的工作原理，基质的选择，该技术在聚合物分析中的应用进展，以及存在的问题，并对其发展前景作出展望。

关键词：基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱基质聚合物分析技术

1引言

基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)是20世纪80年代末发展起来的一种新型“软电离”质谱技术，它不产生或者产生很少的碎片离子，使得不挥发性与热不稳定性的生物大分子和高分子聚合物的检测成为可能。MALDI-TOF-MS具有以下特点：(1)通量高，分析速度快；(2)化合物质量范围无限制，既能分析分子量小的化合物，也能分析分子量大的化合物，可测分子量已达1500000[1]；(3)能分析可溶性化合物，也能分析不溶于任何溶剂的化合物；(4)分析用量少(1μL)，准确度高(可达0.1%～0.01%)[2]；(5)图谱简单，易于维护；(6)除基质外，基本上无其他相关消耗品等。由于以上优点，MALDI-TOF-MS广泛应用于多糖、蛋白质、DNA/RNA等生物大分子以及高分子聚合物的检测。2002年，MALDI-TOF-MS的发明人美国科学家约翰·芬恩和日本科学家田中耕一获得了诺贝尔化学奖，以表彰他们在他们在生物大分子研究领域的突出贡献。目前，MALDI-TOF-MS已在高分子化学[3]、生物制药[4]，环境科学[5, 6]，临床医疗[7-9]和食品卫生[10]等众多领域得到广泛研究和应用。

2MALDI-TOF-MS 基本原理

MALDI-TOF-MS主要由基质辅助激光解吸电离的离子源、飞行时间质量分析器和检测器三部分部分组成。MALDI-TOF-MS的工作原理，如图1所示。可以简要概述为：将被测样品与过量的小分子基质化合物的溶液相混合, 使所测样品均匀的分散在基质中。点于样品靶上，自然结晶干燥后，放于离子源室内。在高真空状态 (约10-7mbar) 下，

图1　MALDI-TOF-MS 工作原理示意图

脉冲激光射到靶样品上，基质从激光中吸收能量而激发, 传递给样品分子，基质与样品之间发生电荷

转移，从而使样品分子离子化。然后在电场作用下进入飞行时间质量分析器中加速，由到达检测器的飞行时间可计算其质荷比(m/z)，从而对样品进行定性或定量的分析。从质谱上图可获得样品中每一分子的分子量, 以及通过谱峰强度计算样品的平均分子量与分子量分布宽度。

3基质

选择合适的基质是影响MALDI-TOF-MS分析技术的关键因素之一。基质的主要作用有：(1)吸收激光的能量，防止样品被激光直接照射而分解，保护样品；(2)受激光激发后，将质子转移给样品分子，使其进行离子化；(3)将样品分子稀释成单分子状态，防止样品分子缔合成多聚体而影响分析，常见的基质及适用范围如表1所示[11]。

表1　几种常见基质的适用范围

通常在选择基质时，应根据样品的种类和分子结构，优先考虑与所测试样品分子极性相近且相互作用小的基质，这利于易于形成良好的共结晶体。另外，基质要具有对目标分子提供较高的效离子化的能力。

4在聚合物分析中的应用进展

在聚合物的分析中，MALDI-TOF-MS不仅可以分析聚合物分子的分子量及其分布，还可以提供分子的端基、嵌段分子结构，以及混合物中的含量等信息，下面举例说明。

4.1测定分子量及分布

MALDI-TOF-MS测定聚合物分子量具有以下特点[2]：测出的是聚合物的绝对分子量；可以测出全部分子量的分布；通过测定每一个多聚体的分子量，可为分析聚合物分子结构提供支持。

卢小菊等[12]利用MALDI-TOF-MS和GPC表征了通过原子转移自由基聚合法制备的聚乙烯吡咯烷(PNVP)的分子量和分子量分布。研究表明，MALDI-TOF-MS所测PNVP 的绝对分子量分布系数比GPC 所测分子量分布系数窄。MALDI-TOF-MS所测PNVP分子量与GPC 测定的分子量相比偏小。Fan Weiwei等[13]利用排阻色谱/多角度激光散射(SEC/MALS)和MALDI-TOF-MS分别测定了聚乙二醇-聚四氢呋喃-聚乙二醇(PEG-PTHF-PEG)三嵌段共聚物的分子量。与SEC/MALS的结果相比，MALDI-TOF-MS的结果相对较小，并有约9.75%的偏差，这主要是因为MALDI-TOF-MS对分子量的歧化效应。Rashidzadeh等[14]以聚甲基丙烯酸甲酯的分子量测定为例，研究了几个导致分子量歧化现象的因素。研究表明，基质和低分子量齐聚物的强信号导致的检测器溢出是主要的设备因素。另外，基质的选择不当也是导致分子量歧化的因素之一。因此，在利用MALDI-TOF-MS测试聚合物，尤其是聚合度较高的聚合物的分子量及分布时，要注意以上因素。

4.2末端基分析

通过离子峰的质量数还可推断出高分子链的末端基结构。LiYejia等[15]利用MALDI-TOF-MS 研究了不同端基修饰的聚己内酯(PCL)和聚苯乙烯(PS)。他们提出了测试均聚物端基的一般公式；

Mobs=n(Mru) + Mend+ Mion

(1)

其中，Mobs为每一个观察到的聚合物分子的质量；Mru为聚合物重复单元的质量；Mend为所有端基加和的总质量；Mion为离子化过程导致的质量变化。研究表明，在分子量≤7500时，端基的分析精度可以在0.3以内。

Kim等[16]通过ATRP法制备了Br基修饰的聚苯乙烯(PS),以三氟乙酸银为离子化剂，THF为溶剂而制备的MALDI样品有几个特殊峰。研究表明，Ag+与Br端基的反应是导致特有峰出现的原因。因此，在用MALDI-TOF-MS表征带有Br端基的样品时，要注意Ag+离子化剂的使用。

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纳米颗粒的端基结构。研究表明，利用静电交互作用来分析附着在固体表面的聚合物是可行的，并且不会破坏样品的结构。

4.3嵌段聚合物的分析

除了分析聚合物的末端基结构，MALDI-TOF-MS还可以分析嵌段共聚物中的嵌段分布和嵌段长度，以及共聚反应中反应速率等信息。

路显锋等[18]利用MALDI-TOF-MS结合源后分解(PSD)技术对甲氧基封端的聚乙二醇-b-聚己内酯(mPEG-b-PCL)两嵌段共聚物进行了结构研究。根据所得MALDI-TOF-MS谱图和碎片信息确定了嵌段共聚物的嵌段分布和嵌段长度。Huijser等[19]的研究表明，结合蒙特卡洛模拟法或者一阶马尔科夫模型，MALDI-TOF-MS可以很好的给出内酯和丙交酯的自由基聚合，开环聚合，以及酸酐和环氧化物的开环聚合中单体的反应速率。Crecelius等[20]利用MALDI-TOF-MS测定了甲氧基封端的乙二醇-b-苯乙烯共聚物(mPEG-b-PS)的嵌段长度，研究表明，MALDI-TOF-MS可以得到mPEG-b-PS中每一个嵌段的碎片，通过计算它们的分子量可以得到共聚物中每个嵌段的长度。Wesdemiotis等[21]利用MALDI-TOF-MS 测得了氯代环氧丁烷和四氢呋喃共聚物的结构信息。Weidner等[22]通过MALDI-TOF-MS分析乙二醇-氧化丙烯共聚物(PEG-b-PPO)中的丁内酯的数量，准确测出了共聚物中PEG和PPO嵌段的重复单元的数量。

5存在的问题及解决方案

MALDI-TOF-MS存在的主要问题有：

(1)要求聚合物的分散度<1.2。当聚合物的分散度较高时，高分子量组分的信号会被忽视，产生质量歧化现象[23]。因此,在制备MALDI-TOF-MS测试样品前，应将聚合物进行适当的预处理，降低测试样品的分散度。

(2)由于聚合物在组成和结构方面的多样性，没有一种基质和方法可同时适用于所有试样的质谱分析[24]。所以在测试某一种聚合物时，应结合聚合物自身的结构，选择合适的基质以及设备参数。

6展望

近年来，MALDI-TOF-MS作为一种快速，准确，灵敏度高，分析范围广的质谱技术，在生物工程，化学，食品，材料，临床医疗等众多领域得到广泛的研究和应用。在聚合物的分析方面，MALDI-TOF-MS不仅可以准确地测出分子质量及分布范围的信息，而且对于共聚物的组分，结构及反应机理作出分析。随着科学研究的深入以及设备技术的提高，逐渐完善本身的不足，MALDI-TOF-MS作为一个强有力的研究工具，必将在各领域得到更加广泛的应用。

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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

基金项目:国家自然科学基金(51003060，51171117 和 51101103);深圳市科技计划项目(JC2011042 100070A, ZYC201105170225A)

作者简介：王大刚，男，1985出生，实验师，主要从事实验室管理和仪器测试，以及功能高分子材料的研究，E-mail：wangdagang@szu.edu.cn。 通讯作者：王 雷，男，1977出生，教授，主要从事燃料电池膜材料和高分子热电材料方面的研究，E-mail：wl@szu.edu.cn。

DOI:10.3936/j.issn.1001-232x.2016.03.016

收稿日期：2015-12-21