วิธีการถ่ายภาพแมสสเปกโตรเมทรีสำหรับการแสดงภาพโพลีเมอร์สังเคราะห์โดยใช้น้ำหนักโมเลกุลเฉลี่ยและการกระจายตัวของโพลีเป็นดัชนี [ใบสมัครมัลดี]

บทนำ

Matrix Assisted Laser Desorption/ionization Mass Spectrometry (MALDI) เป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพสำหรับการวิเคราะห์โพลิเมอร์สังเคราะห์
เทคนิคนี้เมื่อใช้ร่วมกับแมสสเปกโตรมิเตอร์แบบ time-of-flight ที่มีความละเอียดสูง สามารถใช้ระบุความแตกต่างของโมโนเมอร์ กลุ่มปลายโพลิเมอร์ และการกระจายน้ำหนักโมเลกุลได้ การกระจายน้ำหนักโมเลกุลมักแสดงเป็นตัวเลขน้ำหนักโมเลกุลเฉลี่ย (M_n) น้ำหนักโมเลกุลเฉลี่ย (M_w) และการกระจายตัว (D) เมื่อเร็ว ๆ นี้ MALDI Mass Spectrometry Imaging (MALDI-MSI) ถูกนำมาใช้เพื่อให้เห็นภาพตำแหน่งของสารประกอบบนพื้นผิวตัวอย่าง
ข้อมูลดิบของ MALDI-MSI ประกอบด้วยข้อมูลตำแหน่ง (X และ Y) รวมทั้งข้อมูลสเปกตรัม (ม./ซ และความเข้ม) สำหรับแต่ละตำแหน่ง จากนั้นสามารถระบุจุดสูงสุดของสารประกอบเป้าหมายเพื่อคำนวณความเข้มของไอออนสำหรับแต่ละพิกเซลเพื่อวาดภาพมวล MALDI-MSI ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อแสดงการแปลโปรตีน เปปไทด์ ไขมัน และยาในส่วนเนื้อเยื่อแช่แข็ง
อย่างไรก็ตาม เทคนิคนี้ไม่ได้ใช้อย่างแพร่หลายในการวิเคราะห์พอลิเมอร์ เหตุผลประการหนึ่งคือโพลิเมอร์มีการกระจายตัวของน้ำหนักโมเลกุล ซึ่งหมายความว่าภาพมวลตามระดับเฉพาะของการเกิดพอลิเมอร์ (เฉพาะ ม./ซ ค่าที่มักใช้โดยวิธีทั่วไป) ไม่จำเป็นต้องแสดงภาพที่ชัดเจนสำหรับการแปลโพลิเมอร์แบบเต็ม ในรายงานนี้ เราตรวจสอบวิธีการแสดงภาพ MSI สำหรับโพลิเมอร์สังเคราะห์ที่ใช้ M_n, M_w และ D เป็นดัชนีสำหรับการแสดงภาพ

กระบวนการทำงาน

ขั้นตอนการทำงานสำหรับการแสดงภาพโพลิเมอร์แสดงในรูปที่ 1 ฟังก์ชันนี้ถูกนำมาใช้ในซอฟต์แวร์ JEOL msMicroImager™ V2

• รับข้อมูล MALDI-MSI โดยใช้ JMS-S3000
• โหลดข้อมูลดิบลงใน msMicroImager™ และสร้างสเปกตรัมมวลเฉลี่ยหรือภูมิภาคที่น่าสนใจ (ROI)
• ทำรายการโพลิเมอร์พีคสำหรับสเปกตรัมมวลที่ทำในขั้นตอนที่ 2
  รายการโพลิเมอร์พีคยังสามารถคำนวณได้จากข้อมูลโมโนเมอร์และกลุ่มสุดท้าย
• ภาพมวลทั้งหมดที่สอดคล้องกับพีคในรายการพีคของโพลิเมอร์จะถูกดึงออกมา
• The M_n, M_w, และ D คำนวณสำหรับแต่ละพิกเซลโดยใช้สมการต่อไปนี้
  

  M_n,_p, M_w,_pและ D_p เป็นตัวแทนของ ม_n, M_w และ D สำหรับแต่ละพิกเซลตามลำดับ ในสมการ p คือจำนวนพิกเซล, i คือจำนวนมวลของภาพ, k คือจำนวนรวมของโพลิเมอร์พีค ม_i คือมวลของเลขภาพมวล i, I_p,_i คือความเข้มของจำนวนพิกเซล p ในมวลรูปภาพหมายเลข i

• สร้างภาพสำหรับ M_n, M_w และ D.

รูป 1 ขั้นตอนการสร้างภาพ M_n, M_w,และดี.

การทดลอง

เพื่อตรวจสอบวิธีการแสดงภาพสำหรับโพลิเมอร์สังเคราะห์ ตัวอย่างแบบจำลองถูกเตรียมโดยใช้น้ำหนักโมเลกุลของโพลิเอทิลีนไกลคอล 600 และ 1000 (PEG600 และ PEG1000 ตามลำดับ)
รีเอเจนต์ที่ใช้แสดงในตารางที่ 1 พบสารละลายผสมของ PEG1000, α-CHCA และ NaTFA 5/10/1 (v/v/v) ที่ด้านซ้ายมือ และสารละลายผสมของ PEG600, PEG1000 , α-CHCA และ NaTFA 5/5/10/1 (v/v/v/v) ถูกพบที่จุดขวามือ (รูปที่ 2)
ข้อมูล MALDI-MSI วัดโดยใช้โหมดไอออนบวก SpiralTOF บน JMS-S3000 ขนาดพิกเซลคือ 50 μm และความถี่ในการฉายรังสีเลเซอร์คือ 50 เท่าสำหรับแต่ละพิกเซล การวิเคราะห์และการสร้างภาพข้อมูลของ MSI ดำเนินการโดยใช้ซอฟต์แวร์ JEOL msMicroImager™

พอลิเมอ	PEG600 และ PEG1000 1 มก./มล. (ใน MeOH)
มดลูก	α-CHCA 10 มก./มล. (ใน MeOH)
ตัวแทนประจุบวก	NaTFA 1mgmL (ใน MeOH)

1 ตาราง ตัวอย่าง เมทริกซ์ และตัวแทนไอออนบวก

รูป 2 แผนผังของตัวอย่างโมเดล

ผลสอบ

สเปกตรัมมวลเฉลี่ยสำหรับบริเวณตัวอย่างทั้งหมด (จุดขวามือและซ้ายมือ) แสดงไว้ในรูปที่ 3 ชุด PEG ที่สังเกตได้คือ H O(C₂H₄O)nH + นา+ ภาพหมู่สำหรับ ม./ซ 569.3 (n=12), 1009.6 (n=23) และ 1361.8 (n=30) ยังแสดงในรูปที่ 3
ไอออนทั้งสามถูกสังเกตในภาพด้านขวามือ (ส่วนผสมของ PEG600 และ PEG1000) อย่างไรก็ตาม ม./ซ ภาพมวล 569.3 ไม่แสดงสัญญาณที่มีนัยสำคัญใดๆ ที่จุดซ้ายมือ เนื่องจากมีเพียง PEG1000 ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงกว่าเท่านั้น
โดยรวมแล้วมีแปดสิบพีคที่สังเกตได้ในสเปกตรัมมวลของซีรีส์ PEG เฉลี่ย หากพิจารณาภาพมวล XNUMX ภาพที่เกี่ยวข้องกับไอออนเหล่านี้อย่างถี่ถ้วน อาจเป็นไปได้ที่จะเข้าใจได้ว่าจุดด้านขวามือมีการกระจายตัวของโพลิเมอร์ที่กว้างกว่าจุดด้านซ้ายมือ
อย่างไรก็ตาม เป็นการยากที่จะระบุผลลัพธ์เหล่านี้ในเชิงสัญชาตญาณและเชิงปริมาณ

รูป 3 สเปกตรัมมวลเฉลี่ยของพื้นที่ตัวอย่างทั้งหมด ซีรีย์พอลิเมอร์ที่มีหน่วยทำซ้ำ 44 u (C₂H₄O) ถูกสังเกต
ภาพมวลทั้งสามของ PEG ม./ซ 569.3 (n = 12), 1009.6 (n = 23) และ 1361.8 (n = 30) ก็แสดงเช่นกัน

เพื่อแก้ปัญหานี้ M_n, M_w และภาพ D ถูกคำนวณโดยซอฟต์แวร์ msMicroImager™ โดยใช้ภาพจำนวนมาก PEG ซีรีส์ทั้งแปดสิบภาพ (ภาพที่ 4)
The M_n, M_w และค่า D สามารถเข้าใจได้ง่ายโดยใช้โทนสีของแต่ละพิกเซล สำหรับภาพลักษณ์ของ Mn และ M_w ค่าของจุดทางซ้ายมือมีค่ามากกว่าค่าของจุดทางขวามือซึ่งเป็นตรรกะ เนื่องจากมีเพียง PEG1000 ที่มีน้ำหนักโมเลกุลมากกว่าเท่านั้นที่มีอยู่ในจุดนั้น ในทางตรงกันข้าม ภาพ D สำหรับจุดด้านขวามือมีขนาดใหญ่กว่าจุดด้านซ้ายเนื่องจากการกระจายน้ำหนักโมเลกุลที่กว้างขึ้นในจุดด้านขวาซึ่งมีทั้ง PEG600 และ PEG1000
นอกจากนี้ ภาพสปอตด้านขวายังแสดงให้เห็น 2 บริเวณ (A, B) ซึ่ง M_n, M_w และ D แตกต่างกัน ภูมิภาค A แสดง M ที่สูงขึ้น_n และม_w และค่า D ที่ต่ำกว่า ซึ่งบ่งชี้ว่ามีน้ำหนักโมเลกุลเฉลี่ยสูงกว่า ซึ่งเป็นโพลิเมอร์ที่มีการกระจายตัวน้อยกว่าในบริเวณนั้น สเปกตรัมมวลที่น่าสนใจของภูมิภาค (ROI) สำหรับพื้นที่ทั้งสองนี้ (รูปที่ 5) ยังแสดงจุดสูงสุดของความเข้มที่สูงขึ้นสำหรับ ม./ซ < 800 สำหรับภูมิภาค B มากกว่าสำหรับภูมิภาค A สเปกตรัมมวลเหล่านี้สนับสนุนการสังเกตว่าภูมิภาค B มี M ที่เล็กกว่า_n และม_w เช่นเดียวกับ D ที่ใหญ่ขึ้น ซึ่งแสดงถึงการกระจายมวลที่กว้างขึ้นในภูมิภาคนี้
นอกจากนี้ ผลการค้นหารูปภาพเหล่านี้บ่งชี้ว่า PEG600 และ PEG 1000 ไม่ได้วางในตำแหน่งด้านขวาอย่างสม่ำเสมอ เป็นที่น่าสังเกตว่าการเปลี่ยนแปลงนี้จะยากมาก (หากไม่ใช่เป็นไปไม่ได้) ในการระบุโดยใช้วิธีการแบบดั้งเดิมของ MSI ในการสร้างอิมเมจไอออนแต่ละตัวแยกกัน (รูปที่ 3) และเปรียบเทียบแต่ละอิมเมจ

สรุป

ในรายงานนี้ ได้แนะนำวิธีการแสดงภาพ MALDI-MSI สำหรับโพลิเมอร์สังเคราะห์
การใช้วิธีนี้ สามารถสรุปภาพมวลสำหรับชุดพอลิเมอร์ (รวมถึงมวลประมาณ 100 ภาพ) เป็นภาพสามภาพ ได้แก่ น้ำหนักโมเลกุลเฉลี่ยของตัวเลข (M_n) น้ำหนักโมเลกุลเฉลี่ย (M_w) และดัชนีการกระจายตัวหลายจุด (D) – ซึ่งเป็นดัชนีที่ใช้กันทั่วไปสำหรับการวิเคราะห์พอลิเมอร์ เนื่องจากดัชนีทั้งสามนี้เป็นตัวแทนของโพลิเมอร์สังเคราะห์โดยรวม จึงสามารถเข้าใจการกระจายเชิงพื้นที่ของโพลิเมอร์สังเคราะห์ได้ง่ายขึ้น

รูป 4 สามภาพของเอ็ม_n, M_w และ D สรุปอิมเมจมวลแปดสิบรูปที่รวมอยู่ในรายการสูงสุดของ PEG

รูป 5 ROI แมสสเปกตรัมที่ (A) ด้านซ้ายและ (B) ด้านขวาของจุดขวามือ การกระจายตัวของพอลิเมอร์นั้นกว้างกว่าในมือขวาซึ่งไม่สามารถระบุได้ด้วยวิธีการทั่วไป