第五章:质谱法测定分子结构 有机质谱原理及应用 第五章:质谱法测定分子结 构(I,大分子
第五章：质谱法测定分子结构 1 有机质谱原理及应用 第五章：质谱法测定分子结 构(II), 大分子
第五章:质谱法测定分子结构 §51高聚物质谱分析 方法:ESI和MALD两种电离方法 ⑦对象:带有官能团的可溶解高分子。 1988年, Tanaka,最早报道聚乙烯醺(PEG),~22,000 1992年, Danis,MALD,聚丙烯酸和聚苯乙烯磺酸,~30,000 M. Karas& F Hillenkamp MalDI,聚苯乙烯~70ku,PEG~40ku 1996年, C. Fenselau,聚苯乙烯~1500ku
第五章：质谱法测定分子结构 2 方法：ESI和MALDI两种电离方法。 对象：带有官能团的可溶解高分子。 1988年，Tanaka，最早报道聚乙烯醇(PEG)，~22,000。 1992年，Danis， MALDI， 聚丙烯酸和聚苯乙烯磺酸，~30,000。 M. Karas & F.Hillenkamp MALDI，聚苯乙烯 ~70ku，PEG ~40ku。 1996年，C. Fenselau，聚苯乙烯~1500ku。 §5.1 高聚物质谱分析
第五章:质谱法测定分子结构 质谱方法分析高聚物的特点 1、人工合成高聚物的复杂性 合成高分子是混合物,分子量是一种分布。 >不同的引发和终止反应所得的高分子有不同的端基。 在随机共聚物中,高分子链的组成呈现某种化学分布。 在嵌段共聚物中存在着不同的嵌段长度和顺序。 非线性高分子,如环状、支链和树枝状髙聚物 2、质谱分析高聚物的特色 样品用量少、耗时短、速度快 仪器分辨率高.使单体分析和端基分析成为可能。 直接测定绝对分子量,而不是相对分子量,精度髙于光散射和膜渗透方法 测定分子量时,不需要标准品或Mark- Houwink常数。 由分子量分布可获得聚合反应的链增长常数
第五章：质谱法测定分子结构 3 一、质谱方法分析高聚物的特点 1、人工合成高聚物的复杂性 ➢ 合成高分子是混合物，分子量是一种分布。 ➢ 不同的引发和终止反应所得的高分子有不同的端基。 ➢ 在随机共聚物中，高分子链的组成呈现某种化学分布。 ➢ 在嵌段共聚物中存在着不同的嵌段长度和顺序。 ➢ 非线性高分子，如环状、支链和树枝状高聚物。 2、质谱分析高聚物的特色 ➢ 样品用量少、耗时短、速度快。 ➢ 仪器分辨率高．使单体分析和端基分析成为可能。 ➢ 直接测定绝对分子量，而不是相对分子量，精度高于光散射和膜渗透方法。 ➢ 测定分子量时，不需要标准品或Mark-Houwink常数。 ➢ 由分子量分布可获得聚合反应的链增长常数
第五章:质谱法测定分子结构 二、MALD-TOF方法测定高聚物影响因素 1、基质 基质的作用 ·从激光脉冲中吸收能量。要求:基质对激光光源必须有很强的吸收。 使被测分子分离成单分子状态。要求:基质和被测高分子具有很好的 相容性,同时不能有强的分于间的相互作用。 使用不同种类的激光(R,UV电离,需要用不同类型的基质。 ⑦紫外激光解离的基质 蒽三酚和银盐的混合是分析聚苯乙烯的首选,但是这个混台物不稳定, 见表格。 ⑦红外激光解离的基质 YAG激光(327μm,相当于3050cm)激发C-H的伸缩振动。应用于UV MALD的基质也可用于 IR-MALD
第五章：质谱法测定分子结构 4 二、MALDI-TOF方法测定高聚物影响因素 1、基质 基质的作用： • 从激光脉冲中吸收能量。要求：基质对激光光源必须有很强的吸收。 • 使被测分子分离成单分子状态。要求：基质和被测高分子具有很好的 相容性，同时不能有强的分于间的相互作用。 • 使用不同种类的激光(IR，UV)电离，需要用不同类型的基质。 紫外激光解离的基质 蒽三酚和银盐的混合是分析聚苯乙烯的首选，但是这个混合物不稳定， 见表格。 红外激光解离的基质 YAG激光(3.27m，相当于 3050 cm-1 ) 激发C-H的伸缩振动。应用于UVMALDI的基质也可用于IR-MALDI
第五章:质谱法测定分子结构 基质的选取:极性相似原则 常见基质的极性比较 Matrices Polymers Hydrophilic 2, 5-dihydroxybenzoic acid Polypropylene glycol a-Cyano-hydroxyc innamic acid Polyvinyl acetate Ferulic acid Polytetramethylene glycol Indoleacrylic acid Polymethy late Dithranol Polystyrene all trans-Retinoic acid Polybutadiene Diphenylbutadiene Polydimethylsiloxane Hydrophobic 红外激光与紫外激光电离的比较: 红外激光有较强的穿透能力,一次红外激光照射能够解吸更多的样品,因此 在一个样品点上获得的质谱图较少,要经常更换激光照射点。 红外激光的脉冲较长。一般在10~20μs,而通常的紫外激光的脉冲约在 3~5μs,这导致了 IR-MALD的分辨率较差。一般来讲,紫外激光器更适于分 析合成高分子,红外激光器可用于一些卤代高分予的分析
第五章：质谱法测定分子结构 5 Matrices Polymers Hydrophilic 2,5-dihydroxybenzoic acid Polypropylene glycol -Cyano-hydroxycinnamic acid Polyvinyl acetate Ferulic acid Polytetramethylene glycol Indoleacrylic acid Polymethylmethacrylate Dithranol Polystyrene all trans-Retinoic acid Polybutadiene Diphenylbutadiene Polydimethylsiloxane Hydrophobic 红外激光与紫外激光电离的比较： 红外激光有较强的穿透能力，一次红外激光照射能够解吸更多的样品，因此 在一个样品点上获得的质谱图较少，要经常更换激光照射点。 红外激光的脉冲较长。一般在 10～20 s，而通常的紫外激光的脉冲约在 3～5 s，这导致了IR-MALDI的分辨率较差。一般来讲，紫外激光器更适于分 析合成高分子，红外激光器可用于一些卤代高分予的分析。 基质的选取：极性相似原则！ 常见基质的极性比较
第五章:质谱法测定分子结构 UV-MALD基质的理化性质 1~866 2.5-DHB 0.79×105 CHCA 0.79×10 933±9 766±8 芥子酸(SA 224 1.10×10 887 894±13 IAA 187 43 HABA 766±8
第五章：质谱法测定分子结构 6 基质 Mr /cm-1 (at 337nm) PA(kJ/mol) 2,5-DHB 154 0.79105 - 841~866 854 ± 14 854 ± 16 -CHCA 189 0.79 105 - 841 933 ± 9 766 ± 8 芥子酸(SA) 224 1.10 105 - 887 894 ± 13 蒽三酚 226 - 874 ± 8 IAA 187 - 900 ± 16 HABA 242 - 943 766 ± 8 UV-MALDI基质的理化性质
第五章:质谱法测定分子结构 2、盐效应 高分子测定过程中的阳离子化不是质子转移反应,而是金属离子与高分子发 生阳离子化反应,形成加合的高分子正离子。一般用Na+、K+等作为加合离子。有 时不需要特别加入这些金属,亦可以得到加合的正离子,这是由于容器上的Na或 K+所致 具有杂原子的合成高分子,在加钠盐、钾盐后产生加合金属阳离子的正离 子。聚醚、聚酯、聚丙烯酸酯、聚酷胺等。 没有杂原子的非极性合成高分子,如聚苯乙烯、聚丁二烯、聚异戊二烯在 加入银盐或铜盐后能够成功的离子化,这些金属阳离于与高分子中的双键 发生了作用 没有杂原子和双键的合成高分子.如聚乙烯和聚丙烯目前仍较难被 MAIDI 分析,因为它们的金属阳离子结合能极低
第五章：质谱法测定分子结构 7 2、盐效应 高分子测定过程中的阳离子化不是质子转移反应，而是金属离子与高分子发 生阳离子化反应，形成加合的高分子正离子。一般用Na+、K+等作为加合离子。有 时不需要特别加入这些金属，亦可以得到加合的正离子，这是由于容器上的Na+或 K+所致。 ➢ 具有杂原子的合成高分子，在加钠盐、钾盐后产生加合金属阳离子的正离 子。聚醚、聚酯、聚丙烯酸酯、聚酷胺等。 ➢ 没有杂原子的非极性合成高分子，如聚苯乙烯、聚丁二烯、聚异戊二烯在 加入银盐或铜盐后能够成功的离子化，这些金属阳离于与高分子中的双键 发生了作用。 ➢ 没有杂原子和双键的合成高分子．如聚乙烯和聚丙烯目前仍较难被MAIDI 分析，因为它们的金属阳离子结合能极低
第五章:质谱法测定分子结构 3、样品制备 简单混合法 在使用一个特定的样品制备方法时,必须先选择适用于基质、样品和阳离子 化盐的溶剂,最理想的情况是使用一种溶剂.这样可以减少样品在靶上结晶时分 层的危险。然而,盐类几乎不溶于用于非极性合成高分子的有机溶剂。一般来讲, 盐可以先溶亍一个中间溶剂.如丙醇中,然后再用用于基质和样品的溶剂稀释。 制备样品时,应选择适当的溶剂、合适的浓度及配比,才能获得较好的结果。 电喷雾法 一个很有前途的样品制备方法是电喷雾沉积法,比起传统的干点甚或薄层法, 电喷雾法的优点在于它可以形成小而均匀的结晶体。电喷雾沉积法制得样品的点 点之间重复性好,并且信号强度较大,层式的电喷雾效果更好一些 压片法 对于不溶的高分子样品,如聚氨酯和大的多环芳香化台物,发展了一砷新的 制样方法压片法.即将样品和基质按一定比例混合后用球磨机硏磨均匀,压成 薄片进行MALD- TOF-MS分析
第五章：质谱法测定分子结构 8 3、样品制备 ➢ 简单混合法： 在使用一个特定的样品制备方法时，必须先选择适用于基质、样品和阳离子 化盐的溶剂，最理想的情况是使用一种溶剂．这样可以减少样品在靶上结晶时分 层的危险。然而，盐类几乎不溶于用于非极性合成高分子的有机溶剂。一般来讲， 盐可以先溶于一个中间溶剂．如丙醇中，然后再用用于基质和样品的溶剂稀释。 制备样品时，应选择适当的溶剂、合适的浓度及配比，才能获得较好的结果。 ➢ 电喷雾法 一个很有前途的样品制备方法是电喷雾沉积法，比起传统的干点甚或薄层法， 电喷雾法的优点在于它可以形成小而均匀的结晶体。电喷雾沉积法制得样品的点 点之间重复性好，并且信号强度较大，层式的电喷雾效果更好一些。 ➢ 压片法 对于不溶的高分子样品，如聚氨酯和大的多环芳香化台物，发展了一砷新的 制样方法—压片法．即将样品和基质按一定比例混合后用球磨机研磨均匀，压成 薄片进行MALDI-TOF-MS分析
第五章:质谱法测定分子结构 三、MALD-TOF方法测定高聚物的应用 1、分子量的测定及分子量的分布 计算公式 Mn:数均分子量 ∑n Mn:重均分子量 nM PD:分布常数 M ∑nM,n:第个寡聚物的相对丰度 PD=M/M M:第个寡聚物的质量 当分子量的分散度小于12时.可获得符合 Poisson分布的质谱图,与GPC的 结果一致 PS2800的 MALDI-TOF质谱图 PEG2000的 MALDI-TOF质谱图
第五章：质谱法测定分子结构 9 三、MALDI-TOF方法测定高聚物的应用 1、分子量的测定及分子量的分布 计算公式： w n i i i i w i i i n PD M M n M n M M n n M M / 2 = = = 当分子量的分散度小于1.2时．可获得符合Poisson分布的质谱图，与GPC的 结果一致。 Mn： 数均分子量 Mw： 重均分子量 PD： 分布常数 ni： 第i个寡聚物的相对丰度 Mi： 第i个寡聚物的质量 PS 2800的MALDI-TOF质谱图 PEG 2000的MALDI-TOF质谱图
第五章:质谱法测定分子结构 PEG3100的MALD-TOF质谱图 PS29ku的 MALDI-TOF质谱图 MALD-TOF-MS方法与GPC方法所测分予量的比较 聚合物 数均分子量重均分子量分子量分布 测定方法 PD PS46000 46760 47319 1.01 MALDI-TOF 42000 43500 GPC PS70000 73914 74518 1.01 MALDI-TOF 66000 67500 GPC PEG 12600 12426 12492 1.01 MALDI-TOF l1843 12320 GPC PEG230200 22115 22105 1.01 MALDI-TOF 20240 21228 GPC
第五章：质谱法测定分子结构 10 PEG 3100的MALDI-TOF质谱图 PS 29ku 的MALDI-TOF质谱图 聚合物 数均分子量 Mn 重均分子量 Mw 分子量分布 PD 测定方法 PS46000 46760 47319 1.01 MALDI-TOF 42000 43500 1.03 GPC PS70000 73914 74518 1.01 MALDI-TOF 66000 67500 1.03 GPC PEG12600 12426 12492 1.01 MALDI-TOF 11843 12320 1.04 GPC PEG230200 22115 22105 1.01 MALDI-TOF 20240 21228 1.06 GPC MALDI-TOF-MS方法与GPC方法所测分予量的比较