ฉันต้องการทำให้โพลีเมอร์มองเห็นได้
สัมภาษณ์ 11
ฮิโรอากิ ซาโตะ:
ปริญญาเอก รองผู้อำนวยการ สถาบันวิจัยเคมีที่ยั่งยืน สถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีอุตสาหกรรมขั้นสูงแห่งชาติ (AIST)
ฉันต้องการทำให้โพลีเมอร์มองเห็นได้
ดร.ซาโต้ได้ติดตามวิวัฒนาการของแมสสเปกโตรมิเตอร์อย่างใกล้ชิดมาเป็นเวลา 30 ปี ด้วยการใช้แมสสเปกโตรมิเตอร์อันล้ำสมัยอย่างเต็มที่ เขาได้ชี้แจงให้กระจ่างถึงสิ่งที่เกิดขึ้นในโลกของโพลีเมอร์ วิธีการประเมินด้วยความรู้ของเขากำลังจะเพิ่มความแข็งแกร่งให้กับอุตสาหกรรมเคมี
โพลีเมอร์นั้นน่าสนใจเพราะคุณไม่มีทางรู้ว่าจะเจออะไร
"การวิเคราะห์พอลิเมอร์เป็นเรื่องที่น่าสนใจเพราะมันเผยให้เห็นสิ่งต่างๆ มากมาย มันเหมือนกับการตกปลาประเภทหนึ่งที่คุณไม่มีทางรู้ว่าจะจับอะไร" ดร.ฮิโรอากิ ซาโตะ แห่งสถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีอุตสาหกรรมขั้นสูงแห่งชาติ ( AIST) เขาเชี่ยวชาญด้านเคมีวิเคราะห์
ตลอดระยะเวลาที่เป็นนักศึกษาและหลังปริญญาเอก เขาทำงานด้านแมสสเปกโตรเมตรี ซึ่งย้ายไปมาระหว่างสาขาวิทยาศาสตร์ วิศวกรรมศาสตร์ และเกษตรกรรม เขาได้วิเคราะห์วัสดุที่หลากหลาย รวมถึงวัสดุอุตสาหกรรมที่หน่วงการติดไฟ สารช่วยกำจัดศัตรูพืช วัสดุทางการเกษตรที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ โปรตีน และจุลินทรีย์
"ฉันต้องการทำให้พอลิเมอร์มองเห็นได้ นั่นคือสิ่งที่ฉันต้องการทำมาตลอด ฉันทำแบบเดียวกันเสมอแม้ว่าเป้าหมายของการวิเคราะห์จะเปลี่ยนไป ฉันพยายามคิดอยู่เสมอว่าสิ่งนี้คืออะไรและเราจะตรวจสอบได้อย่างไร มัน."
โดยเฉพาะอย่างยิ่งเขาให้ความสำคัญกับกระบวนการย่อยสลาย เขามีส่วนร่วมในการศึกษาชุดหนึ่งเกี่ยวกับการย่อยสลายด้วยความร้อนของพลาสติก การย่อยสลายทางชีวภาพของสารช่วยกำจัดศัตรูพืช และการเปลี่ยนแปลงของสิ่งแวดล้อมของสารอินทรีย์ เป็นเวลา 30 ปีที่เขาทำงานกับแมสสเปกโตรมิเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงที่สุดในยุคนั้น และผลักดันให้ไปถึงขีดจำกัด แมสสเปกโตรมิเตอร์เป็นเครื่องมือที่เขาคุ้นเคย
เขากล่าวว่า "ฉันคิดว่าฉันสามารถเข้าใจความหมายของการเปลี่ยนแปลงของมวลได้เพราะฉันทำงานในสาขาต่างๆ มากมาย คุณไม่สามารถมองเห็นโมเลกุลได้เอง แต่คุณสามารถเข้าใจปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นได้โดยการดู ที่การเปลี่ยนแปลงของมวล แมสสเปกโตรมิเตอร์เป็นเครื่องมือวิเศษที่สามารถบอกเราได้"
แมสสเปกโตรมิเตอร์เพื่อเปลี่ยนโลก
ในปี 2010 เขาได้รับเครื่องต้นแบบของแมสสเปกโตรมิเตอร์ มันถูกสร้างขึ้นโดย JEOL ประสบความสำเร็จในการขยายระยะการบินของไอออนที่ถูกดูดซับออกจากตัวอย่างโดยส่งไอออนวิถีโคจรซึ่งยาวกว่าเครื่องมือทั่วไปมาก ระยะทางบินของไอออนต่อหน่วยเวลาขึ้นอยู่กับมวลของไอออน ดังนั้นโดยการตรวจจับความแตกต่างในระยะทางการบิน (เวลาบิน) เราจึงสามารถบอกได้ทันทีว่าโมเลกุลใดบรรจุอยู่ในสถานะใด อย่างไรก็ตาม ไอออนที่มีมวลแตกต่างกันเล็กน้อยสามารถปรากฏร่วมกันเป็นพีคเดียวในสเปกตรัมมวล นี่เป็นปัญหาที่มีมายาวนานในแมสสเปกโตรเมตรี
เพื่อแก้ปัญหานี้ ผู้ผลิตจึงพยายามเพิ่มเวลาในการบิน เพื่อใช้การเปรียบเทียบกับลู่ในกรีฑา แม้ว่าความแตกต่างจะเล็กน้อยมากจนตรวจไม่พบที่ 50 เมตร หากคุณวิ่ง 100 เมตรหรือ 200 เมตรด้วยความเร็วเท่ากัน ความแตกต่างก็จะปรากฏให้เห็น วิธีการ "เพิ่มระยะทาง" โดยการทำให้ไอออนวิ่งไปมาหรือเป็นวงกลมในเส้นทางเดียวกัน ได้รับการกล่าวขานว่าเป็นการปฏิวัติเมื่อนำมาใช้ครั้งแรก เนื่องจากสามารถขยายระยะการบินได้แทบไม่มีขีดจำกัด แต่มันไม่สามารถเป็นวิธีแก้ปัญหาพื้นฐานได้เนื่องจากปัญหาการแซง ซึ่งจะมีการตรวจพบไอออนที่ล้าหลังในวงกลมของพวกมันก่อน
วิธีที่ JEOL พัฒนาขึ้นเพื่อบินไอออนในวิถีโคจรแบบก้นหอยช่วยแก้ปัญหาการแซง แม้ว่าระยะการบินจะมีจำกัด คาดว่าจะบรรลุลำดับของความละเอียดและความแม่นยำที่สูงขึ้น "ตัวอย่างเช่น แม้ว่าจะมีความแตกต่างระหว่าง CO และ C2H4 ในโครงสร้างของโมเลกุล 0.036 ชนิด จะมีมวลต่างกันเพียง XNUMX Da สำหรับแมสสเปกโตรมิเตอร์แบบเดิม พีคในสเปกตรัมมวลจะเท่ากัน อย่างไรก็ตาม ด้วย SpiralTOF™ (ต้นแบบของ JEOL) ยอดเขาจึงถูกแยกออกจากกันอย่างสวยงาม ทันทีที่ฉันใช้มัน ฉันรู้ว่าโลกใหม่ได้เปิดออกแล้ว ก่อนหน้านั้น ฉันคิดว่าการวิเคราะห์พอลิเมอร์ไม่ต้องการความละเอียดสูงขนาดนั้น แต่นั่นก็ต่อเมื่อคุณกำลังวัดพอลิเมอร์บริสุทธิ์เท่านั้น โพลีเมอร์อุตสาหกรรมมักเป็นส่วนผสมที่ซับซ้อน และผลิตภัณฑ์โพลีเมอร์ในท้องตลาดผลิตโดยการผสมโพลีเมอร์หลายตัว ดังนั้น ฉันคิดว่ามันน่าจะมีประโยชน์ในฉากที่ใช้งานได้จริง เช่น การประเมินผลิตภัณฑ์”
JMS-S3000 SpiralTOF™(ซ้าย) และ JMS-T200GC AccuTOF™ GCx-plus(ขวา) ของ JEOL Ltd. ที่ใช้โดย Polymer Chemistry Group
“รับประกัน” คุณภาพของโพลีเมอร์ในระดับโมเลกุล
ในช่วงเวลานั้น ดร.ซาโต้ ถูกย้ายไปสถาบันวิจัยเพื่อเคมีที่ยั่งยืน และได้รับแต่งตั้งให้เป็นหัวหน้ากลุ่มวิจัย ในฐานะความคิดริเริ่มใหม่ของเขา เขาได้กำหนดวิธีแก้ปัญหาเพื่อวินิจฉัยและประเมินวัสดุจากมุมมองต่างๆ
"เมื่อมองไปรอบๆ อุตสาหกรรมเคมี มีความพยายามอย่างมากในการพัฒนาวัสดุใหม่ และผลิตภัณฑ์ที่ยอดเยี่ยมก็ปรากฏขึ้นทีละตัว ในทางกลับกัน ยังไม่มีงานวิจัยมากนักเกี่ยวกับการประเมินวัสดุที่เป็นผลและ ในส่วน Functional Chemistry Research Division เรามีกลุ่มคนที่มีทักษะที่หลากหลายในด้านคุณสมบัติทางกายภาพและการวิเคราะห์ทางสเปกโตรสโกปีแล้ว ผมเสนอว่า ถ้าเราสามารถเพิ่มความรู้ในการดูและประเมินพอลิเมอร์ในระดับโมเลกุลได้ เราก็จะเป็น สามารถนำเสนอแพคเกจที่ครอบคลุมสำหรับการวินิจฉัยและประเมินผลพอลิเมอร์”
แน่นอนว่าการประเมินผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปนั้นทำโดยทุกบริษัท อย่างไรก็ตาม มักจำกัดอยู่ที่การประเมินคุณสมบัติทางกายภาพเท่านั้น ตัวอย่างเช่น หากมีข้อกำหนดที่ระบุว่า "ใช้โพลีเอสเตอร์เป็นวัสดุและสร้างผลิตภัณฑ์ที่มีความแข็งระดับนี้" และหากความแข็งตรงตามข้อกำหนด ผลิตภัณฑ์จะผ่านการตรวจสอบ อย่างไรก็ตาม ในสถานที่ผลิตวัสดุจริง หากความแข็งดูเหมือนจะเบี่ยงเบนไปจากข้อกำหนดในระหว่างกระบวนการผลิต วัสดุที่ไม่ต้องการบางอย่างจะถูกผสม หรือโพลีเอสเตอร์ที่มีโครงสร้างการทำซ้ำจำนวนต่างกันอาจผสมกันเพื่อปรับความแข็งให้ตรงตามข้อกำหนด นอกจากนี้ ผู้ผลิตชิ้นส่วนที่ใช้โพลีเอสเตอร์เป็นวัสดุจัดหาจากบริษัทผู้ผลิตโพลีเอสเตอร์หลายแห่ง รวมถึงบริษัทในต่างประเทศ แม้ว่าข้อมูลจำเพาะจะผ่าน แต่ "มีโครงสร้างโมเลกุลที่แตกต่างกันมากมายผสมอยู่" (ดร.ซาโต้)
ซึ่งหมายความว่าแม้ว่าผลิตภัณฑ์จะผ่านการตรวจสอบชั่วขณะหนึ่ง แต่อัตราผลตอบแทนอาจต่ำมากในกระบวนการผลิตชิ้นส่วน หรือเมื่อสินค้าออกสู่ตลาดอาจเสื่อมสภาพอย่างเห็นได้ชัดหลังจากใช้งานไประยะหนึ่ง
"แมสสเปกโตรมิเตอร์ที่มีความละเอียดสูงสามารถตรวจจับความแตกต่างเพียงเล็กน้อยในโครงสร้างที่เกิดซ้ำและกลุ่มสุดท้ายในพอลิเมอร์เดียวกัน กล่าวอีกนัยหนึ่ง ต้นกำเนิดสามารถกำหนดได้อย่างรวดเร็ว หากเราสามารถมีระบบการประเมินโครงสร้างโมเลกุลร่วมกัน ภาษาผู้ผลิตวัสดุจะสามารถส่งออกผลิตภัณฑ์ด้วยความมั่นใจและผู้ผลิตผลิตภัณฑ์จะสามารถใช้งานได้อย่างสบายใจซึ่งจะปรับปรุงความถูกต้องของการจัดการการผลิตและการควบคุมคุณภาพตลอดห่วงโซ่อุปทาน "เขาเน้นย้ำ
ซอฟต์แวร์สำหรับการวิเคราะห์พอลิเมอร์ด้วยวิธี KMD -msRepeatFinder
เขาได้พัฒนาวิธีการใหม่เพื่ออำนวยความสะดวกในการวิเคราะห์ เขาใช้วิธี Kendrick Mass Defect (KMD) ซึ่งใช้สำหรับประเมินกระบวนการผลิตปิโตรเลียมในการจำแนกลักษณะของโพลีเมอร์ พูดง่ายๆ วิธี KMD คือการพล็อตสองมิติของมวลวัสดุเป้าหมาย โดยที่ส่วนจำนวนเต็มของมวลโมเลกุลบนแกนนอนและส่วนที่เป็นเศษส่วนบนแกนตั้ง ในวิธีนี้ จุดข้อมูลของพอลิเมอร์ที่มีหน่วยการทำซ้ำเดียวกันจะถูกพล็อตในบรรทัดเดียว ในขณะที่โพลีเมอร์ที่มีโครงสร้างต่างกันจะสร้างบรรทัดที่ต่างกัน สารเติมแต่งไม่มีวงจรการทำซ้ำจึงลอยขึ้นบนกราฟ สารที่ไม่สามารถจำแนกความแตกต่างได้อย่างชัดเจนในมวลสารเนื่องจากการแจกแจงที่ทับซ้อนกันสามารถจำแนกความแตกต่างได้อย่างชัดเจนโดยใช้วิธี KMD
"ความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้นของแมสสเปกโตรมิเตอร์ได้เพิ่มมุมมองทางเคมีให้กับการควบคุมคุณภาพ เราสามารถเพิ่มความสามารถในการแข่งขันของเราได้โดยการออกแบบการออกแบบเชิงวิเคราะห์สำหรับวิธีการรวมสิ่งนี้เข้ากับวิธีการวิเคราะห์อื่นๆ แนวคิดนี้เกิดขึ้นเมื่อมีมวลที่เป็นต้นฉบับและมีประสิทธิภาพสูง สเปกโตรมิเตอร์และเมื่อฉันใช้มันถึงขีด จำกัด ฉันชอบที่จะเห็นมันแพร่กระจาย "
เพื่อตอบสนองต่อภาวะโลกร้อน การผลิตพลาสติกใหม่จากปิโตรเลียมจะยากขึ้น ซึ่งหมายความว่าเราจะต้องพึ่งพาวัสดุรีไซเคิลมากขึ้น และความเสี่ยงของส่วนผสมที่ไม่ต้องการจะสูงขึ้นไปอีก วิธีการประเมินพอลิเมอร์ที่กำหนดขึ้นโดยกลุ่มของ Dr. Sato อาจเป็นวิธีแก้ปัญหาที่สำคัญสำหรับยุค decarbonization
ดร.ซาโต้ และสมาชิกกลุ่มเคมีพอลิเมอร์
ฮิโรอากิ ซาโตะ: ปริญญาเอก
รองผู้อำนวยการ สถาบันวิจัยเพื่อเคมีที่ยั่งยืน สถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีอุตสาหกรรมขั้นสูงแห่งชาติ (AIST)
1998 ได้รับปริญญาเอก (วิศวกรรมศาสตร์) จาก Graduate School of Engineering, Nagoya University. ดำรงตำแหน่งหลังแพทย์ที่ Nagoya University, Meijo University, 2002 เข้าร่วม AIST,
2017 หัวหน้ากลุ่ม Polymer Chemistry Group สถาบันวิจัยเคมีที่ยั่งยืน (ISC)
2019 ผู้อำนวยการ สํานักงานแผนงาน
พ.ศ. 2021 รองผู้อำนวยการ สกส.
โพสต์:ตุลาคม 2021
ผลิตภัณฑ์
JMS-T200GC AccuTOF™ GCx-plus แก๊สโครมาโตกราฟีประสิทธิภาพสูง – แมสสเปกโตรมิเตอร์ตามเวลาของเที่ยวบิน