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能夠為UV數據提供補充信息，可用于單個低聚物的鑒定、雜質測定和配方分析。

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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，當需要對各種低聚物進行高分離度分離以評估材料性能或了解聚合物結構時，將用到其它分析技術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)進行分析。分離技術的選擇通常根據溶解度、平均分子量和聚合物熱穩定性而定。沃特世(Waters^®)超高效合相色譜(UltraPerformance Convergence Chromatography™, UPC2^®)是SFC技術的革新，在復雜低聚物材料的分離中可提供多種優勢。由于超臨界二氧化碳與液體相比粘度較低，因此能達到更高的流速，從而實現比LC更短的分析時間。而合相色譜的操作溫度比GC低，可用于分析熱不穩定材料。此外，與GC相比，UPC²能分離出質量數更高的非揮發性低聚物。還有一個優勢是可以使用亞2µ­m顆粒色譜柱，得到比傳統SFC更高的理論塔板數和更好的分離度。當聚合物帶有發色基團時，則可使用UV檢測。如果需要有關異構體分子量的信息，可以使用質譜儀(MS)進行檢測。UPC²可以與UV和MS檢測器串聯使用。

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。縮聚聚合物由兩種或多種不同單體發生縮聚反應形成，在該反應中單個分子結合在一起并生成諸如水的副產物。在聚合反應中，單個分子不僅能彼此直線結合，還能形成支化異構體。由于聚合物可形成多種異構體，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物和副產物，同樣也需要對其進行鑒定。聚合物材料的性能會受到異構體和低聚物分布的影響。

在本應用紀要中，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：   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

毛細管電壓:1 kV

錐孔電壓： 25 V

補償溶劑： 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

數據管理： 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分鐘內完成。但是，PS-2500僅實現了部分分離。隨著分子量增大，聚合物的復雜程度也相應增加，以致無法達到基線分離。

如圖3所示，與聚苯乙烯相比，PMMA低聚物可以在更高的質量數下得到分離。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現分離所需運行時間的長短。高分子量聚合物通常需要使用更高濃度的有機助溶劑來對色譜柱進行洗脫。但是，增加有機助溶劑的濃度也會導致反壓的增加。要使反壓保持在可接受的范圍內需要降低流速，而最終則會造成運行時間的延長。

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。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進行分析，觀察到預期的二聚體、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-)對應的是雙酚A分子離子[M-H]-。

 

 

使用確證標準品通過UV和MS檢測對未反應的雙酚A進行確證(圖6)。雙酚A標準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譜圖也與目標峰的譜圖匹配。而甲酸加合物同樣出現在質譜圖中，也為此提供了額外的佐證。

在本案例中，MS為聚合反應中未參與反應的初始物質提供了有價值的信息。此分析方法可用于反應監測，以確保初始物質的完全利用。

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，二聚體的各個異構體輕松實現分離。根據起始分子的結構，下一個單元與之結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，可能的結構則呈指數級增長。本次分離中，一共分離出了七種三聚體。

當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。這些質量數可能源于苯基縮水甘油基醚結構的改變，可能是其丟失了一條縮水甘油基醚鏈抑或醚環發生了開環(圖10)。之后包含所述降解單元的低聚物也出現在三聚體和四聚體之間。

由于這些降解異構體在樣品中的濃度遠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提供了有關聚合物樣品中存在的異構體的詳細信息。關于樣品中降解產物的數據有助于調整聚合反應條件，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體分離出來，并通過結構鑒定方法(如NMR)進行分析以確定鍵的確切位置。

UPC²/MS是用于鑒定復雜低聚物材料的強大工具。廣泛的選擇性范圍有利于相似化合物的分離，如低聚物的異構體。其它優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更大的質量數范圍。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數據提供補充信息，可用于反應監測、單個低聚物的鑒定、雜質測定和配方分析。

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.