Pyrolysis-Gas Chromatography-High Resolution Mass Spectrometry with Soft Ionization for Increased Confidence of Polymer Characterization

Význam tématu

Vzrůstající tlak na recyklaci a rozvoj bioplastů uspokojuje potřebu udržitelnosti a nahrazení jednorázových plastů. Charakterizace polymerních materiálů je klíčová pro ověření jejich složení, přítomnosti přísad a možných kontaminantů. Konvenční pyrolytická GC-MS s elektronovou ionizací často vykazuje nadměrnou fragmentaci a omezenou citlivost, což komplikuje identifikaci. Alternativa v podobě měkké ionizace APGC spojená s vysokým rozlišením QToF MS nabízí vylepšenou detekci molekulových iontů a přesné určení hmotností, což podporuje jednoznačnou identifikaci sloučenin.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem bylo porovnat klasickou pyrolytickou GC-MS s EI na tandemovém kvadrupólu s pyrolytickou GC-APGC spojenou s QToF MS. Studie hodnotila analytické výhody měkké ionizace a vysokého rozlišení při analýze polymerních standardů a bioplastových vzorků. Dále byly představeny softwarové nástroje pro podporu identifikace.

Použitá metodika a instrumentace

• Vzorky: Polymerní standardy a komerční bioplastové pytlíky (BIOTEC GmbH & Co. KG), ~0,1 mg.
• Pyrolýza: CDS 5000 (CDS Analytical), 310 °C, rampou 20 °C/ms do 750 °C.
• GC: Rtx-5MS kolona (30 m × 0,25 mm × 0,25 µm), split 75:1, tok 1 mL/min, program 45 °C (5 min) → 300 °C (20 °C/min, 10 min), celkem 27,75 min.
• MS systémy:
  • Xevo TQ-GC (EI+, 70 eV, m/z 10–650, GC rozhraní 300 °C).
  • Xevo G2-XS QTof (APGC+, corona 3 µA, m/z 10–1500, MSE režim, nízká energie 6 V, vysoká 15–45 V, zdroj 150 °C).
• Softwarové zpracování: MassLynx 4.2, MassFragment pro putativní identifikaci.

Hlavní výsledky a diskuse

• Pyrolytická GC-APGC-QToF MS poskytuje bohatší pyrogramy než EI-TQ-GC, zachycuje více složek díky měkčí ionizaci.
• U polystyrenu bylo možné detekovat tetramer (m/z 416,2504) pouze při APGC, EI vedlo k fragmentaci.
• U Nylonu 6 APGC odhalilo protonovaný molekulový iont (m/z 194,2374, N-(5-cyanopentyl)pent-4-enamid), což EI neumožnilo.
• Režim MSE simultánně získává přesné hmotnosti prekurzorových i fragmentních iont, což usnadňuje strukturální elucidaci neznámých sloučenin.
• V bioplastových vzorcích (Bioplast 500) byla analyzována sloučenina erucamid, potvrzená přesným molekulovým iontem a fragmenty při MSE, identifikace podpořena MassFragment.

Přínosy a praktické využití metody

• Zrychlená a efektivní detekce molekulových iontů bez nutnosti výměny ionizačního zdroje či použití chemických činidel.
• Vysoká selektivita a citlivost při analýze komplexních polymerních směsí, recyklátů a bioplastů.
• Přesné určování elementární skladby a spolehlivé rozlišení izobarických složek.
• Podpora regulací a kontroly kvality v oblasti potravinářských obalů a environmentálních studií.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace dalších měkkých ionizačních technik pro rozšíření aplikačního rozsahu.
• Automatizace datové analýzy a využití umělé inteligence pro rychlejší identifikaci neznámých látek.
• Použití v průmyslovém výzkumu recyklovatelných a kompostovatelných materiálů.
• Rozvoj databází s HRMS spektry polymerů pro vyšší robustnost analytických metod.

Závěr

Pyrolytická GC-APGC-QToF MS představuje moderní přístup k charakterizaci polymerů a bioplastů, který překonává omezení tradiční EI-GC-MS. Měkká ionizace, vysoké rozlišení a MSE režim umožňují spolehlivou identifikaci molekulových iontů a fragmentů, což posiluje důvěru v analytická data a rozšiřuje možnosti aplikací v různých oborech.

Reference

1. Welle F., Franz R. Recycling of Post-Consumer Packaging Materials into New Food Packaging Applications—Critical Review of the European Approach and Future Perspectives. Sustainability 2022;14:824.
2. Tsuge S., Ohtani H., Watanabe C. Pyrolysis-GC/MS Data Book of Synthetic Polymers. 2011.
3. Peacock P. M., McEwen C. N. Mass Spectrometry of Synthetic Polymers. Anal. Chem. 2006;78(12):3957–3964.
4. Stevens D.M., Cabovska B., Bailey A.E. Detection and Identification of Extractable Compounds from Polymers. Waters Application Note 720004211, 2012.
5. Hill A.W., Mortishire-Smith R.J. Automated Assignment of High-Resolution Collisionally Activated Dissociation Mass Spectra Using a Systematic Bond Disconnection Approach. Rapid Commun. Mass Spectrom. 2005;19(21):3111–3118.