Я хочу сделать полимер видимым
ИНТЕРВЬЮ 11
Хироаки Сато:
Кандидат технических наук, заместитель директора, Научно-исследовательский институт устойчивой химии, Национальный институт передовых промышленных наук и технологий (AIST)
Я хочу сделать полимер видимым.
Доктор Сато внимательно следит за эволюцией масс-спектрометров в течение 30 лет. Полностью используя современные масс-спектрометры, он проясняет, что происходит в мире полимеров. Методы оценки с его знаниями вот-вот придадут новую силу химической промышленности.
Полимеры интересны тем, что никогда не знаешь, что найдешь
«Анализ полимеров интересен, потому что он показывает много разных вещей. Это похоже на рыбалку, когда никогда не знаешь, что поймаешь», — смеется доктор Хироаки Сато из Национального института передовых промышленных наук и технологий ( АИСТ), специалист по аналитической химии.
На протяжении всех своих студенческих и постдокторских лет он занимался масс-спектрометрией, перемещаясь между наукой, инженерией и сельским хозяйством. Он проанализировал широкий спектр материалов, включая огнестойкие промышленные материалы, вспомогательные вещества для пестицидов, биоразлагаемые сельскохозяйственные материалы, белки и микроорганизмы.
«Я хочу сделать полимер видимым. Это то, что я всегда хотел сделать. Я всегда делаю то же самое, даже когда объект анализа меняется. Я всегда пытался придумать, что это такое и как мы можем исследовать Это."
В частности, он сосредоточился на процессе разложения. Он принимал участие в серии исследований термического разложения пластмасс, биоразложения вспомогательных веществ пестицидов и динамики органических веществ в окружающей среде. В течение 30 лет он работал с самыми мощными масс-спектрометрами того времени и доводил их до предела. Масс-спектрометр — это инструмент, с которым он знаком.
Он говорит: «Я думаю, что смог понять, что означает изменение массы, потому что я работал во многих разных областях. Вы не можете увидеть саму молекулу, но вы можете понять протекающую реакцию, взглянув на нее. при изменении его массы. Масс-спектрометр — волшебный инструмент, который может нам это сказать».
Масс-спектрометр изменит мир
В 2010 году он получил прототип масс-спектрометра. Это было сделано JEOL. Удалось увеличить дальность полета десорбированных из образца ионов, направив их по спиральной траектории, которая была намного длиннее, чем у обычных приборов. Расстояние полета ионов в единицу времени зависит от массы ионов. Поэтому, определяя разницу в расстоянии полета (времени полета), мы можем с первого взгляда сказать, какие молекулы содержатся и в каком состоянии. Тем не менее, ионы с очень небольшими различиями в массе могут появляться вместе в виде одного пика в масс-спектре. Это давняя проблема масс-спектрометрии.
Чтобы решить эту проблему, производители работают над увеличением времени полета. Если использовать аналогию с беговой дорожкой в легкой атлетике, даже если разница настолько мала, что ее невозможно обнаружить на 50 м, если вы пробежите 100 м или 200 м с одинаковой скоростью, разница станет очевидной. Метод «увеличения расстояния», заставляя ионы бегать вперед и назад или по кругу по одному и тому же курсу, считался революционным, когда он был впервые представлен, поскольку он мог увеличивать расстояние полета практически без ограничений. Но оно не могло быть принципиальным решением из-за проблемы догоняющих, при которой ионы, отстающие по своим кругам, обнаруживаются первыми.
Разработанный JEOL метод полета ионов по спиральной траектории решил проблему обгона, хотя дальность полета конечна. Ожидалось достижение на порядок более высокого разрешения и точности. «Например, даже если есть разница между CO и C2H4 в структурах двух видов молекул разница масс составляет всего 0.036 Да. С обычными масс-спектрометрами пики в масс-спектре были бы такими же. Однако с помощью SpiralTOF™ (прототип JEOL) пики прекрасно разделены. Как только я использовал его, я понял, что открылся новый мир. До этого я думал, что анализ полимеров не требует такого высокого разрешения, но это только в том случае, если вы измеряете чистые полимеры. Промышленные полимеры часто представляют собой сложные смеси, а полимерные продукты на рынке производятся путем смешивания нескольких полимеров. Поэтому я подумал, что это должно быть полезно в практических сценах, таких как оценка продукта».
JMS-S3000 SpiralTOF™ (слева) и JMS-T200GC AccuTOF™ GCx-plus (справа) компании JEOL Ltd., используемые Polymer Chemistry Group
«Гарантия» качества полимеров на молекулярном уровне
Примерно в то же время доктор Сато был переведен в Научно-исследовательский институт устойчивой химии и назначен главой исследовательской группы. В качестве своей новой инициативы он создал решение для диагностики и оценки материалов с разных точек зрения.
«Оглядываясь на химическую промышленность, можно увидеть, что в разработку новых материалов вкладывается много усилий, и превосходные продукты появляются один за другим. С другой стороны, не так много исследований по оценке получаемых материалов и продуктов. В отделе исследований функциональной химии у нас уже была группа людей с различными навыками в области физических свойств и спектроскопического анализа. Я предложил, что если бы мы могли добавить мои знания о рассмотрении и оценке полимеров на молекулярном уровне, мы бы может предложить комплексный пакет для диагностики и оценки полимеров».
Конечно, оценку готового продукта делают все компании. Однако обычно он ограничивается оценкой физических свойств. Например, если есть спецификация, в которой говорится: «Используйте полиэстер в качестве материала и сделайте продукт с таким уровнем твердости», и если твердость соответствует спецификации, продукт пройдет проверку. Однако на фактическом участке производства материала, если кажется, что твердость отклоняется от спецификации в процессе производства, некоторые нежелательные материалы смешиваются или полиэстер с другим количеством повторяющихся структур может быть смешан, чтобы отрегулировать твердость в соответствии со спецификацией. Кроме того, производители деталей, использующих полиэстер в качестве материала, закупают его у нескольких компаний-производителей полиэстера, в том числе зарубежных. Хотя спецификации переданы, «в них смешано множество различных молекулярных структур» (д-р Сато).
Это означает, что даже если продукт на какое-то время проходит проверку, выход продукции в процессе производства деталей может быть крайне низким. Или когда продукт выпущен на рынок, он может значительно испортиться после использования в течение некоторого времени.
«Масс-спектрометр высокого разрешения может обнаружить даже малейшие различия в повторяющихся структурах и концевых группах в одном и том же полимере. Другими словами, происхождение можно определить с первого взгляда. Если бы мы могли иметь систему для оценки молекулярных структур как общего языком, производители материалов смогут с уверенностью отправлять продукцию, а производители продукции — спокойно ее использовать. Это повысит точность управления производством и контроля качества по всей цепочке поставок», — подчеркивает он.
Программное обеспечение для анализа полимеров методом КМД -msRepeatFinder
Он также разработал новый метод, облегчающий анализ. Он использовал метод дефекта массы Кендрика (KMD), который использовался для оценки переработки нефти при характеристике полимеров. Проще говоря, метод КМД представляет собой двумерное построение массы целевого материала, где целая часть молекулярной массы откладывается по горизонтальной оси, а дробная — по вертикальной. В этом методе точки данных полимеров с одним и тем же повторяющимся звеном наносятся на одну линию, а полимеры с другой структурой — на другую линию. У добавок нет повторяющегося цикла, поэтому они всплывают на графике. Вещества, которые невозможно четко различить в масс-спектрах из-за перекрывающихся распределений, можно четко различить с помощью метода КМД.
«Растущая сложность масс-спектрометров добавила элемент химии в контроль качества. Мы можем повысить нашу конкурентоспособность, разработав аналитические конструкции, позволяющие сочетать это с другими аналитическими методами. Эта идея возникла, когда появилась оригинальная и высокоэффективная масса. спектрометр, и когда я использовал его до предела. Я бы хотел, чтобы он распространился».
Ожидается, что в связи с глобальным потеплением станет сложнее производить новые пластмассы из нефти. Это означает, что нам придется больше полагаться на переработанные материалы, а риск нежелательного смешения будет еще выше. Метод оценки полимеров, созданный группой доктора Сато, может стать важным решением в эпоху обезуглероживания.
Доктор Сато и члены группы химии полимеров
Хироаки Сато: доктор философии.
Заместитель директора, Научно-исследовательский институт устойчивой химии, Национальный институт передовых промышленных наук и технологий (AIST)
1998 г. Получил степень доктора технических наук в Высшей инженерной школе Нагойского университета. Работал доктором наук в Университете Нагоя, Университете Мейдзё, 2002 г. Присоединился к AIST,
2017 Руководитель группы химии полимеров, Научно-исследовательский институт устойчивой химии (ISC),
2019 Директор Штаба планирования,
2021 Заместитель директора, ISC.
Размещено: октябрь 2021 г.
Каталог
JMS-T200GC Высокоэффективный газовый хроматограф AccuTOF™ GCx-plus – времяпролетный масс-спектрометр
Программное обеспечение для анализа полимеров msRepeatFinder