High throughput characterization of biopolyol using DART-MS with ultra-fast polarity switching

Význam tématu

Využití obnovitelných surovin ke vzniku chemických látek nahrazujících ropné produkty má zásadní význam z hlediska udržitelnosti a diverzifikace zdrojů. Rychlá a efektivní charakterizace složení biopolyolů, tedy produktů vzniklých alkalickým rozkladem biomasy s následným přídavkem epoxidů, napomáhá optimalizovat procesy výroby i vlastnosti finálních materiálů, například polyuretanových pěn.

Cíle a přehled studie

Cílem prezentované studie bylo ověřit schopnost technologie DART-MS (Direct Analysis in Real Time) s ultra-rychlým přepínáním polarity pro vietnamskou a rychlou analýzu biopolyolu získaného přídavkem oxidu propylenu (PO) k likvidaci škrobových matric a dalších složek. Autoři dále sledovali vliv teploty a parametrů přístroje na kvalitu spektroskopických dat a identifikovali charakteristické ionty klíčových složek.

Použitá metodika a instrumentace

Metoda DART-MS umožňuje ionizaci vzorku v atmosférickém tlaku bez potřeby složitého předúprav. Popis instrumentace:

• DART-SVP ion source (IonSense)
• Jednokvadrupólový spektrometr LCMS-2020 (Shimadzu)
• Hybridní iontová past-časově-of-flight spektrometr LCMS-IT-TOF (Shimadzu)
• Ultra-rychlé přepínání polarity až 15 ms, skenovací rychlost až 15000 u/s, rozsah m/z 50–1500 u

Hlavní výsledky a diskuse

Analýza čistého škrobu odhalila v pozitivním módu signály disacharidu ([M+NH4–H2O]+ m/z 342) a trisacharidu ([M+NH4–H2O]+ m/z 504). V negativním módu byly patrné fragmenty se ztrátou vodíku a vody.
Teplotní optimalizace DART ohřevu ukázala, že 500°C poskytuje nejintenzivnější a nejkompletnější spektrum pro škrob i biopolyol. Při analýze likvidovaného škrobu v přítomnosti glycerolu se v negativním módu objevily signály odpovídající kondenzátům glukózy s glycerolem (m/z 343, 269, 297, 371) vznikající dehydratací.
Spektra biopolyolů vykazovala pravidelný interval hmotnosti 58 u, odpovídající „grafting“ jednotkám oxidu propylenu. Tento interval silně koreloval s viskozitou vzorku – čím nižší viskozita, tím více signálů PO-intervalů. Analýza pěny A-400 ukázala zachování charakteristických fragmentů biopolyolu i ve finálním polyuretanovém produktu.

Přínosy a praktické využití metody

Metoda DART-MS s ultra-rychlým přepínáním polarity umožňuje:

• Minimální přípravu vzorku – není potřeba rozpouštění ani chromatografické separace
• Rychlou charakterizaci monomerů, oligomerů a modifikujících jednotek
• Vysoce průchodné testování parametrů produkce biopolyolů
• Kontrolu kvality a sledování chemické konzistence během optimalizace výroby

Budoucí trendy a možnosti využití

Rozšíření aplikace DART-MS na jiné typy biomasy (např. lignin, celulóza) a kompozitní materiály s využitím tandemové MS/MS spektrometrie může dále zpřesnit strukturální informace. Integrace s chromatografií a obrazovou analýzou povede k lepší kvantifikaci a lokalizaci chemických modifikací. Vývoj upravených ionizačních zdrojů pro teplotně citlivé sloučeniny otevře cestu k analýze rozšířené škály biopolymerů.

Závěr

DART-MS s ultra-rychlým přepínáním polarity se ukázala jako efektivní, rychlá a spolehlivá technika pro charakterizaci PO-modifikovaných biopolyolů a jejich polyuretanových pěn bez náročné přípravy vzorku. Identifikace charakteristických intervalů hmotnosti 58 u potvrdila přítomnost graftovaných PO jednotek, přičemž optimalizace teploty ionizačního plynu zlepšila citlivost i opakovatelnost měření.

Reference

1. Gilles C., Matsumoto K., Shiota T., Watanabe J., Yoshioka M., Shiraishi N. High throughput characterization of biopolyol using DART-MS with ultra-fast polarity switching. ASMS 2013 MP36-733.