Если вы прочитали страницу о молекулярной массе, (а если вы этого еще не сделали, отправляйтесь на ту страницу и прочитайте ее, нажав сюда,) то вы помните, что разные молекулы в образце полимера не будут обладать одинаковой молекулярной массой. Вместо этого мы получим некое распределение по молярным массам. Существует средняя молекулярная масса (которая часто совпадает с максимумом распределения), которую мы называем среднечисловой M_n (здесь (а может быть, все-таки здесь?) находится пример расчета молекулярных масс полимеров). Конечно же, в полимере всегда будут присутствовать макромолекулы, масса которых будет больше или меньше средней молекулярной массы. Если мы построим график, на котором по оси x будет отложена молекулярная масса полимера, а по оси y - количество молекул, обладающих такой молекулярной массой, то этот график будет выглядеть примерно вот так: (Да, я знаю, что графики такого типа обычно рисуют таким образом, что молекулярная масса возрастает справа налево. Я специально нарисовал свой график так, что молекулярная масса увеличивается слева направо. Мы к этому еще вернемся через минуту.)

Одним из способов получения такого графика является использование гель-проникающая хроматография, или сокращенно ГПХ. Но на самом деле ГПХ измеряет не молекулярную массу. Она измеряет гидродинамический объем, то есть размер молекулы, скрученной в клубок, в растворе. Это помогает получить относительную оценку молекулярной массы, поскольку, чем выше молекулярная масса полимера, тем больше его гидродинамический объем.

Но иногда вам нужно точно знать, каково распределение по молекулярным массам. Так что пришлось нескольким изобретательным ученым придумать нечто, что мы называем лазерной десорбционно-ионизационной масс-спектроскопией с участием матрицы. Английская аббревиатура этого названия (matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectroscopy) звучит MALDI. Если нам будет слишком лениво писать это сложное название полностью, то и мы будем пользоваться сокращением MALDI.

Так что же это за фантастическое изобретение, называемое MALDI? Чтобы объяснить это, мы с вами пройдем по всем стадиям процесса MALDI, чтобы просто увидеть, как это делается. Сначала мы берем полимер и растворяем его в растворителе. В растворителе какого типа? Ну, это от многого зависит. Первые эксперименты по MALDI были выполнены с белками. А поскольку белки, или как их еще называют, протеины, склонны растворяться в воде, то сначала основным растворителем была вода. Было принято использовать смесь воды и ацетонитрила в соотношении 70:30 (нажмите на него, чтобы посмотреть на трехмерную модель). Так что выбор растворителя на самом деле зависит от того, какой из них сможет растворить изучаемый вами полимер.

Еще мы возьмем особую добавку. Этой особой добавкой является соединение типа транс-коричной (то есть В-фенилакриловой) кислоты или 2,5-диоксибензойной кислоты. Это тоже может меняться от полимера к полимеру, но важно то, что эта особая добавка должна поглощать ультрафиолетовый свет. Обычно мы добавляем примерно в 10⁴ раз больше УФ-поглотителя, чем полимера.

Опять-таки вы можете нажать на них, чтобы увидеть их трехмерные модели. Когда все эти компоненты перемешаны, образец помещают в вакуумную камеру на конце специального держателя (посмотрите на картинку внизу). Затем, при помощи вакуумного насоса мы откачиваем весь воздух (ну, или почти весь) из нашей вакуумной камеры. Когда же мы это сделали, растворитель испаряется, и у нас остается слой химического соединения, поглощающего ультрафиолет, с небольшой добавкой полимера. Мы любим говорить, применяя умные слова, что полимер теперь рассредоточен в матрице из вещества, поглощающего ультрафиолет. Вот почему мы называем этот метод лазерной десорбционно-ионизационной масс-спектрометрией с участием матрицы.

Кто-то сказал лазер? Да, совершенно верно, теперь мы начинаем стрелять лазером по нашему образцу. Для вас, молодежь, это может звучать и не слишком захватывающе, но для нас, людей постарше, которые выросли раньше, чем лазеры получили повсеместное распространение, это выглядит довольно удивительно. Мы обычно используем ультрафиолетовый лазер длиной волны в диапазоне 330-360 нм. Как вы помните, наш образец просто полон материалом, поглощающим ультрафиолет. Это материал любит ультрафиолетовый свет, и сколько ему не дай - все ему мало. Он поглощает всю энергию лазера, которую только может. Конечно, при этом он передает часть энергии молекулам полимера.

Материал матрицы к тому же взаимодействует с полимерами таким образом, что полимеры становятся ионами. Никто на самом деле не знает точно, как это происходит. Тот факт, что полимеры становятся заряженными частицами, скоро будет очень важным.

Но давайте сперва вернемся к той энергии, которую полимеры поглощают из материала матрицы. Когда они поглощают всю эту энергию, то некоторые молекулы полимера начинают делать то, что полимеры почти никогда не делают. Они испаряются. Обычно макромолекулы слишком большие и тяжелые, чтобы испаряться, но при таких высоких температурах и низких давлениях они все-таки могут это сделать. Вот откуда происходит слово десорбция в названии нашего метода.

Теперь, когда вы получили полимеры, летающие вокруг в газообразном состоянии, самое время рассказать вам нечто важное о нашей вакуумной камере. В том конце камеры, в котором мы испаряем наши молекулы полимера, у нас есть два электрода, положительный катод и отрицательный анод. В зависимости от того, какой полимер и какой материал для матрицы вы используете, полимеры могут быть либо катионами, либо анионами. Для большей определенности нашего объяснения мы будем считать, что исследуемый нами полимер образует положительные катионы.

Теперь, когда мы испаряем наш полимер, мы делаем это непосредственно между этими двумя элктродами. Когда наш полимер образует катионы, то мы помещаем положительный катод сразу за образцом, а отрицательный анод - перед образцом. (Еще раз посмотрите на рисунок.) Конечно же, положительно заряженные полимеры будут двигаться в направлении анода, притягиваемые его отрицательным зарядом. Если мы все будем делать правильно, то мы можем использовать это ускорение, чтобы направлять полимеры на детектор в дальнем конце камеры.

В большинстве случаев на каждой молекуле полимера будет только один положительный заряд. Это означает, что к каждой макромолекуле, когда она ускоряется электрическим полем между электродами, приложена одна и та же электрическая сила. Но, как вы помните, молекулы полимера обладают разными массами.

А что говорил сэр Исаак Ньютон о массе, силе и ускорении? Я думаю, что это звучало примерно так:

F = ma

,то есть, сила равняется ускорению, умноженному на массу. Мы можем переписать это уравнение в виде: Так что, если вы еще не сообразили, знайте,что при заданной одинаковой силе, действующей на молекулы, чем больше масса, тем меньше ускорение. Для нас это означает то, что большим и тяжелым макромолекулам потребуется больше времени на то, чтобы достичь детектора в конце вакуумной камеры.

Поэтому полимеры попадут на детектор сначала меленькие, а потом большие. Они будут приходить туда в точности в порядке их масс. Все макромолекулы с одинаковой молекулярной массой будут попадать на детектор одновременно. Когда это происходит, детектор регистрирует всплеск. Амплитуда этого всплеска зависит от числа молекул, которые одновременно попадают на детектор. Так что в конце концов мы получаем серию всплесков, которая выглядит вот так:

Поскольку время, которое требуется молекуле, чтобы достичь детектора, возрастает с массой молекулы, то мы на самом деле получили график, на котором по оси x отложена молекулярная масса, а по оси y - число молекул, обладающих такой молекулярной массой. Так что мы получили распределение по молекулярным массам. Соедините верхние точки всплесков одной кривой, и вы получите график, который выглядит очень похожим на тот, что мы видели в начале этой страницы.

Я не знаю как вам, но мне MALDI - спектр всегда напоминает гигантский спинной плавник диметредона, ископаемой рептилии, которая жила миллионы лет назад.

MALDI и ГПХ

Небольшой деталью, которую вы можете заметить, является то, что молекулярная масса на этом графике увеличивается слева направо. На графике, полученном методом ГПХ, который вам встречается чаще, молекулярная масса возрастает справа налево. (Вы можете сообразить, почему?) Это иногда приводит к некоторой путанице, так что всегда помните об этом различии.

Но между ГПХ и MALDI существуют и более существенные отличия. ГПХ дает вам приблизительное распределение по молекулярным массам. Ведь ГПХ измеряет гидродинамический объем, а не молекулярную массу. Мы затем можем приблизительно вычислить молеулярную массу, сравнивая гидродинамический объем исследуемого образца с неким стандартом. В качестве такого стандарта обычно берется полистирол, для которого мы знаем точное соотношение между гидродинамическим объемом и молекулярной массой. Это дает только относительный результат, поскольку соотношение между молекулярной массой и гидродинамическим объемом для различных полимеров не всегда одинаково.

Но MALDI измеряет массу более точно, поскольку этот метод ни с чем не сравнивает измеряемый вами образец. Он дает вам обсолютное измерение массы. Со временем MALDI, возможно, заменит ГПХ в большинстве лабораторий.

Литература

Creel, Howard, Trends in Polymer Science, Elsevier, 1993, vol.1, no.11, pp.336-342 "Prospects for the Analysis of High Molar Mass Polymers Using MALDI Mass Spectrometry".

Вернуться в директорию Пятого Уровня

Вернуться в основную директорию Макрогалереи