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生命之旅三部曲丨探究高分子聚合材料之研发与生产

发布：SCIEX

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概述

高分子聚合材料是由单体分子通过聚合反应形成的大分子化合物，具有广泛的应用领域，涵盖了塑料、橡胶、纤维、涂料等各个行业，几乎无处不在、无人不用。目前，一方面随着各行业的快速发展，对高分子聚合材料的需求也将不断增加，尤其在新兴中的应用潜力巨大，例如新能源、电子信息等领域。另一方面作为一种可回收再利用的材料，高分子聚合材料在环保发展中扮演着重要角色，不仅可以减少对资源的消耗，还可以降低对环境的污染，广泛应用于可持续发展的领域。

因此从高分子聚合材料的生产过程控制及可降解新型材料研发到可萃取物与可浸出物 (E&L)研究再到降解及回收利用都是各领域重点研究方向。

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本系列汇总了针对高分子聚合材料研究的众多代表性特色方案，助力您采用液质联用技术实现对高分子聚合材料的研发、生产、使用、降解、回收等全生命流程研究。

本部分为第一个系列将介绍在高分子聚合材料研发或生产中合成产物确认以及杂质鉴定的研究思路和应用案例。

合成聚合物产物确认以及杂质鉴定的一般研究思路

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应用案例

1. 生产过程控制——高分辨液质系统在聚碳酸酯二元醇合成工艺改良中的应用

聚碳酸酯二元醇（ PCDL）是性能优异的多元醇品种，主要用于制备聚碳酸酯型聚氨酯（ PCU），与传统的多元醇聚氨酯相比，聚碳酸酯型聚氨酯具有良好的耐油性、耐磨性、抗氧化性和生物相容性。这些优良特性使 PCU 广泛用于生物医疗器械、新型环保涂料、薄膜和防护器材等领域。

聚碳酸（ 1,6-己二醇）酯二醇（聚六亚甲基碳酸酯二醇， PHCD）为一种常见的PCDL，通过X500R QTOF高分辨质谱系统结合 OS软件对不同合成工艺得到的PHCD原料（1号和2号）完成数据采集和数据分析工作，从而帮助判断合成是否成功产生目标聚酯的同时鉴定产生哪些杂质从而进行合成工艺改进。

a. 数据概览

两份不同合成工艺样品总离子流（ TIC）图叠加，初步得出结论：与1号相比2号合成样品中高聚合度的聚酯比例相对较低，并且能看到部分明显的杂质峰

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图1. 正模式下1号工艺得到PHCD和2号工艺得到PHCD的TIC图

b. 靶向分析—合成样本中目标聚酯确认及碎片归属

已知目标PHCD结构式如图2，最小聚合单元为碳酸(1,6-己二醇)酯二醇（ C13H26O5），可以得到不同聚合度分子式信息作为靶向列表。

图2. PHCD的结构式（n的数值代表不同聚合度）

利用 OS软件批量靶向提取目标峰并通过一级质量精度、同位素分布快速进行化合物一级确证。从PHCD（ n=1）二级谱图发现这类聚合物特征碎片C6H13O+ (m/z 101 Da)和C7H15O4+ （m/z 163 Da），它们分别对应己二醇部分结构和己二醇碳酸酯结构。从PHCD（ n=5）二级谱图中可以看出相差一个聚合单元C7H12O3（m/z 144 Da）的中性丢失碎片。

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图3. 红绿灯式筛查结果展示以及PHCD（ n=1）的色谱图、一级质谱图和二级质谱图

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图4. PHCD（ n=5） [M+H]+的二级质谱图及碎裂规律

c. 非靶向分析—杂质的发现和鉴定

利用 OS软件采用非靶向（ NonTarget）流程以溶剂四氢呋喃为对照进行非靶向分析。通过一级质谱信息拟合分子式，二级质谱信息验证分子式，同时结合Fragment Pane功能对碎片进行结构确证。三大标准确保非靶筛查结果准确可靠。由于杂质成分较多，按照峰面积排序从高到低后对这些差异化合物进行定性分析，优先鉴定出部分分子量较小的寡聚体，以此为基础推导出聚合度更高的相关化合物并验证。

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利用Formula Finder 功能确证分子式以及加和方式

利用Formula Finder 功能分析该杂质二级碎片元素组成

利用Fragment Pane功能进行实测二级碎片与推导的PHCD相关杂质结构式的匹配

2. 新型环保材料研发——高分辨在不同合成工艺的聚丁二酸丁二醇酯树脂中杂质定性分析的应用

聚丁二酸丁二醇酯（ PBS）是目前世界公认的综合性能最好的降解塑料品种，产品可完全生物降解为二氧化碳和水，属新型环保材料。由于PBS材料特性的优越性加之受到禁塑令的影响， PBS有非常广泛的应用和良好发展前景。生活中它即可以用作包装袋、婴儿尿布、农用材料等，也可用做餐具、药品瓶及一次性医疗用品等。

对于食品级和非食品级的PBS树脂，国标有着不同的杂质溶出量要求，通过杂质定性分析可以帮助判定杂质来源，从而调整工艺后满足国标要求。本文采用 QTOF系统对某食品级和非食品级的PBS树脂进行浸出物的定性鉴定，鉴定两种PBS树脂的主要差异杂质成分从而帮助改进新型环保材料的合成工艺。

a. 数据概览

通过两种PBS树脂的TIC图对比可以初步得出结论：大部分主要杂质成分在食品级和非食品级PBS中均含有，非食品级PBS浸出液中含量更高。

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图1. 正负模式下食品级PBS和非食品级PBS浸出液样品的TIC图

b. 靶向分析：已知可能的PBS相关成分定性分析

PBS的结构简式是H-[O(CH2)4OOC(CH2)2CO]n-OH，最小聚合单元为丁二酸丁二醇酯（ C8H12O4）。因此两种样品中均有可能检测到丁二酸丁二醇酯及二聚体三聚体等寡聚体，并且分子式相差一个聚合单元C8H12O4。利用 OS软件通过一级质量精度、同位素分布快速进行化合物一级鉴定，结合Fragment pane功能对其二级碎片进行解析，从而确证多数丁二酸丁二醇酯寡聚体。

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图2. 红绿灯式筛查结果展示以及丁二酸丁二醇酯二聚体的色谱图、一级质谱图和二级质谱图

c. 非靶向分析——更多杂质的发现和鉴定

利用 OS软件采用NonTarget模式进行非靶向分析，为了更好发现非食品级PBS样品中存在的区别于食品级PBS样品的杂质，以食品级PBS样品作为对照非靶向批量处理后，软件显示所有提峰结果并自动积分得到峰面积以及预测得到分子式，并自动进行数据库检索。以磷酸二苯酯为例，与食品级PBS样品相比非食品级PBS样品中有明显色谱峰，预测得到分子式C12H11O4P 并且实测二级质谱图（上）成功匹配到数据库中磷酸二苯酯二级质谱图（下），匹配得分100分。