Kaedah pengimejan spektrometri jisim untuk menggambarkan polimer sintetik dengan menggunakan purata berat molekul dan polidispersi sebagai indeks. [Aplikasi MALDI]

Pengenalan

Spektrometri jisim desorpsi/pengionan laser berbantu matriks (MALDI) ialah alat yang berkuasa untuk analisis polimer sintetik.
Teknik ini, apabila digabungkan dengan spektrometer jisim masa penerbangan resolusi tinggi, boleh digunakan untuk mengenal pasti perbezaan dalam monomer, kumpulan akhir polimer, dan taburan berat molekulnya. Taburan berat molekul sering dinyatakan sebagai berat molekul purata nombor (M_n), berat purata berat molekul (M_w), dan serakan (D). Baru-baru ini, pengimejan spektrometri jisim MALDI (MALDI-MSI) telah digunakan untuk menggambarkan lokasi sebatian pada permukaan sampel.
Data mentah MALDI-MSI termasuk maklumat kedudukan (X dan Y) serta maklumat spektrum jisim (m/z dan intensiti) untuk setiap kedudukan. Puncak kompaun sasaran kemudiannya boleh ditentukan untuk mengira keamatan ion bagi setiap piksel untuk melukis imej jisim. MALDI-MSI telah digunakan secara meluas untuk menunjukkan penyetempatan protein, peptida, lipid, dan ubat pada bahagian tisu beku.
Walau bagaimanapun, teknik ini tidak digunakan secara meluas untuk analisis polimer.Satu sebab untuk ini ialah polimer mempunyai taburan berat molekul yang bermaksud imej jisim berdasarkan darjah pempolimeran tertentu (spesifik m/z nilai yang biasanya digunakan oleh kaedah konvensional) tidak semestinya menyatakan gambaran yang jelas untuk penyetempatan polimer penuh. Dalam laporan ini, kami menyiasat kaedah visualisasi MSI untuk polimer sintetik yang menggunakan M_n, M_w dan D sebagai indeks untuk visualisasi.

Aliran kerja

Aliran kerja untuk memvisualisasikan polimer ditunjukkan dalam Rajah 1. Fungsi ini dilaksanakan dalam perisian JEOL msMicroImager™ V2.

• Dapatkan data MALDI-MSI menggunakan JMS-S3000.
• Muatkan data mentah ke dalam msMicroImager™ dan buat spektrum jisim purata atau kawasan minat (ROI).
• Buat senarai puncak polimer untuk spektrum jisim yang dibuat dalam Langkah 2.
  Senarai puncak polimer juga boleh dikira daripada monomer dan maklumat kumpulan akhir.
• Semua imej jisim yang sepadan dengan puncak dalam senarai puncak polimer diekstrak.
• Mereka_n, M_w, dan D dikira untuk setiap piksel menggunakan persamaan berikut.
  

  M_n,_p, M_w,_p, dan D_p mewakili M_n, M_w dan D untuk setiap piksel, masing-masing. Dalam persamaan, p ialah nombor piksel, i ialah nombor imej jisim, k ialah jumlah bilangan puncak polimer. M_i ialah jisim bagi nombor imej jisim i, I_p,_i ialah keamatan untuk nombor piksel p dalam nombor imej jisim i.

• Buat imej untuk M_n, M_w dan D.

Rajah 1 Prosedur untuk membuat imej M_n, M_w, dan D.

Eksperimen

Untuk mengesahkan kaedah visualisasi bagi polimer sintetik, sampel model telah disediakan menggunakan berat molekul polietilena glikol 600 dan 1000 (PEG600 dan PEG1000, masing-masing).
Reagen yang digunakan ditunjukkan dalam Jadual 1. Larutan campuran PEG1000, α-CHCA, dan NaTFA 5/10/1 (v/v/v) dikesan di bahagian kiri, dan larutan campuran PEG600, PEG1000 , α-CHCA dan NaTFA 5/5/10/1 (v/v/v/v) dikesan di bahagian kanan (Rajah 2).
Data MALDI-MSI diukur dengan menggunakan mod ion positif SpiralTOF pada JMS-S3000. Saiz piksel ialah 50 μm, dan kekerapan penyinaran laser adalah 50 kali untuk setiap piksel. Analisis dan visualisasi MSI dilakukan dengan menggunakan perisian JEOL msMicroImager™.

Polimer	PEG600 dan PEG1000 1mg/mL (dalam MeOH)
Matrix	α-CHCA 10mg/mL (dalam MeOH)
Ejen kationisasi	NaTFA 1mgmL (dalam MeOH)

Jadual 1 Sampel, matriks dan agen kationisasi.

Rajah 2 Skema sampel model.

Hasil

Purata spektrum jisim bagi keseluruhan kawasan sampel (titik kanan dan kiri) ditunjukkan dalam Rajah 3. Siri PEG yang diperhatikan ialah HO(C₂H₄O)nH + Na+. Imej jisim untuk m/z 569.3 (n=12), 1009.6 (n=23) dan 1361.8 (n=30) juga ditunjukkan dalam Rajah 3.
Ketiga-tiga ion telah diperhatikan dalam imej tempat sebelah kanan (campuran PEG600 dan PEG1000). Walau bagaimanapun m/z Imej jisim 569.3 tidak menunjukkan sebarang isyarat penting di tempat kiri kerana kehadiran hanya PEG1000 yang lebih tinggi berat molekul.
Secara keseluruhannya terdapat lapan puluh puncak yang diperhatikan dalam purata spektrum jisim siri PEG. Jika seseorang menyemak dengan teliti lapan puluh imej jisim yang dikaitkan dengan ion-ion ini, adalah mungkin untuk memahami bahawa tempat di sebelah kanan mempunyai taburan polimer yang lebih luas daripada tempat di sebelah kiri.
Walau bagaimanapun, sukar untuk menentukan keputusan ini secara intuitif dan kuantitatif.

Rajah 3 Purata spektrum jisim keseluruhan kawasan sampel. Siri polimer dengan unit ulangan 44 u (C₂H₄O) diperhatikan.
Tiga imej jisim PEG, m/z 569.3 (n = 12), 1009.6 (n = 23) dan 1361.8 (n = 30), turut ditunjukkan.

Untuk menyelesaikan masalah ini, M_n, M_w dan imej D dikira oleh perisian msMicroImager™ menggunakan kesemua lapan puluh imej jisim siri PEG (Rajah 4).
Mereka_n, M_w dan nilai D boleh difahami dengan mudah dengan menggunakan ton warna setiap piksel. Untuk imej Mn dan M_w nilai untuk titik sebelah kiri adalah lebih besar daripada nilai untuk titik sebelah kanan yang logik kerana hanya PEG1000 berat molekul yang lebih besar terdapat di tempat itu. Sebaliknya, imej D untuk tempat sebelah kanan adalah lebih besar daripada tempat sebelah kiri kerana taburan berat molekul yang lebih luas yang terdapat di tempat sebelah kanan yang mengandungi kedua-dua PEG600 dan PEG1000.
Selain itu, imej tempat sebelah kanan menunjukkan 2 kawasan (A, B) di mana M_n, M_w dan D adalah berbeza. Wilayah A menunjukkan M yang lebih tinggi_n dan M_w dan D yang lebih rendah, dengan itu menunjukkan kehadiran purata berat molekul yang lebih tinggi, polimer tersurai yang kurang di rantau itu. Spektrum jisim rantau kepentingan (ROI) untuk kedua-dua kawasan ini (Rajah 5) juga menunjukkan puncak keamatan yang lebih tinggi untuk m/z < 800 untuk Wilayah B berbanding untuk Wilayah A. Spektrum jisim ini seterusnya menyokong pemerhatian bahawa Wilayah B mempunyai M yang lebih kecil_n dan M_w serta D yang lebih besar, sekali gus menunjukkan taburan jisim yang lebih luas di rantau ini.
Selain itu, keputusan imej ini menunjukkan bahawa PEG600 dan PEG 1000 tidak disimpan secara seragam di tempat sebelah kanan. Perlu diperhatikan bahawa variasi ini akan menjadi sangat sukar (jika tidak mustahil) untuk ditentukan dengan menggunakan kaedah MSI konvensional untuk mencipta setiap imej ion secara berasingan (Rajah 3) dan membandingkannya secara individu antara satu sama lain.

kesimpulan

Dalam laporan ini, kaedah visualisasi MALDI-MSI telah diperkenalkan untuk polimer sintetik.
Menggunakan kaedah ini, imej jisim untuk siri polimer (termasuk ~100 imej jisim) boleh diringkaskan kepada tiga imej - nombor purata berat molekul (M_n), berat purata berat molekul (M_w) dan indeks polidispersiti (D) – yang kesemuanya merupakan indeks yang biasa digunakan untuk analisis polimer. Memandangkan ketiga-tiga indeks ini mewakili polimer sintetik secara keseluruhan, taburan spatial polimer sintetik boleh difahami dengan lebih intuitif.

Rajah 4 Tiga imej M_n, M_w dan D meringkaskan lapan puluh imej jisim yang termasuk dalam senarai puncak PEG.

Rajah 5 Spektrum jisim ROI di (A) kiri dan (B) sebelah kanan tempat sebelah kanan. Taburan polimer adalah lebih luas di tangan kanan yang tidak dapat dikenal pasti dalam kaedah konvensional.