Хочу сделать полимер видимым
ИНТЕРВЬЮ 11
Хироаки Сато:
Доктор технических наук, заместитель директора, Научно-исследовательский институт устойчивой химии, Национальный институт передовых промышленных наук и технологий (AIST)
Я хочу сделать полимер видимым
Уже тридцать лет доктор Сато идет нога в ногу с эволюцией масс-спектрометра. По максимуму используя возможности этого инструмента, он проливает свет на то, что происходит в мире макромолекул. Методики измерений, созданные благодаря его знаниям, вот-вот дадут толчок химической промышленности.
Полимеры интересны, ведь никогда не знаешь, что выловишь
«Анализ полимеров интересен потому, что показывает множество различных вещей. В терминах рыбалки это как «гомэцури» — ловля наобум», — со смехом делится доктор Хироаки Сато из Национального института передовых промышленных наук и технологий (AIST), специалист по аналитической химии.
На протяжении всех своих студенческих лет и по окончанию докторантуры он занимался масс-спектрометрией, лавируя между естественными науками, инженерией и сельским хозяйством. Он успел проанализировать огромное количество образцов, в том числе огнестойкое промышленное сырье, вспомогательные вещества для пестицидов, биоразлагаемые сельскохозяйственные материалы, белки и микроорганизмы.
«Я хочу сделать полимер видимым. Всегда об этом мечтал. Со всеми образцами я поступаю одинаково. Постоянно пытался осознать, что образец по сути собой представляет, как его лучше исследовать».
Особо активно доктор Сато изучал процессы разложения. Исследовал термическое разложение пластмасс, биоразложение вспомогательных веществ пестицидов и влияние органических веществ на окружающую среду. На протяжении тридцати лет он работал с мощнейшими масс-спектрометрами своего времени, выходя на предел их возможностей. Так что о масс-спектрометре доктор знает не понаслышке.
«Шагая по разным областям, я, кажется, смог интуитивно понять, что значит изменение массы. Сама по себе молекула не видна, но можно вычислить, что за реакции в ней протекали, если отследить, как меняется масса. И это нам показывает волшебный инструмент — масс-спектрометр», — сказал он.
Масс-спектрометр изменит мир
В 2010 году доктор Сато получил прототип масс-спектрометра от JEOL. Направив отделившиеся от образца ионы по спиральной траектории, мы сумели значительно увеличить длину пролета в сравнению со спектрометрами предыдущих поколений. Длина пролета иона в единицу времени зависит от его массы. Потому за счет разницы в дистанциях пролета (времени пролета) можно сразу сказать, какие молекулы содержатся в образце и в каком состоянии. Тем не менее, ионы с очень небольшими различиями в массе могут появляться в масс-спектре вместе в виде одного пика. С давних пор это является проблемой масс-спектрометрии.
Чтобы разобраться с данной проблемой, производители стали работать над увеличением времени пролета. В качестве аналогии можно привести соревнования по бегу: разница между бегунами может быть настолько мала, что попросту не зафиксируется на дистанции 50 метров, но если растянуть беговую дорожку до 100 или 200 метров, то при тех же скоростях будет очевидно, кто финиширует первым. Когда метод т. н. «накрутки расстояния»: запускать ионы крутиться по кругу одним и тем же маршрутом, — только появился, то считался революционным, поскольку позволял практически неограниченно увеличивать длину пролета. Но он не был принципиальным решением, так как появилась проблема несанкционированного обгона: из-за круговой формы дистанции отстающие ионы обнаруживались первее.
Разработанный в JEOL метод запуска ионов по спиральной траектории решил проблему обгона, пусть дистанция пролета и перестала быть бесконечной. В результате появились ожидания, что разрешение и точность измерений вырастут на порядок. «В частности, хотя молекулы CO и C2H4 обладают разными структурами, разница их масс составляет всего 0.036 Да. Обычные масс-спектрометры выстроили бы для них одинаковые пики. Однако SpiralTOF™ (прототип JEOL) четко разделил пики. Этот спектрометр открыл для меня новый мир. Прежде 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
Как раз в то же время доктор Сато был переведен в Научно-исследовательский институт устойчивой химии и назначен главой исследовательской группы. По его инициативе родилось решение для всесторонней диагностики и оценивания материалов.
«Обозревая химическую промышленность, мы видим, как много усилий вкладывается в разработку новых материалов — один за другим появляются замечательные продукты. С другой стороны, исследований, направленных на диагностику этих материалов, продуктов, практически не проводится. В нашем институте собраны специалисты с самыми разными навыками в области физических свойств и спектроскопического анализа. Дополнив их компетенции моим опытом и знаниями в области исследований молекул, мы бы могли обеспечить полноценный пакет диагностики и оценки полимеров, — так я предложил».
Разумеется, все компании проводят оценку готового продукта. Однако, как правило, ограничиваются оцениванием физических свойств. К примеру, в спецификации указано: «Используя полиэстер в качестве материала, создайте продукт с таким-то уровнем твердости», и, если показатель твердости соответствует требованию, продукт пройдет проверку. Однако бывает и так, что в процессе реального производства твердость отклоняется от означенной в спецификации и тогда ради достижения нужного показателя в ход идут примеси из других материалов или полиэстер с не тем количеством повторяющихся структур. Кроме того, производители деталей закупают полиэстер у множества разных поставщиков, в том числе зарубежных. Хотя характеристики продукта соответствуют спецификации, «зачастую замешан материал с не той молекулярной структурой» (д-р Сато).
Это приводит к тому, что даже если на момент проверки материал признается удовлетворительным, соотношение фактически выпущенных деталей к объему ожидаемого выпуска может быть крайне низким. Или же готовый продукт сильно проседает в характеристиках после использования в течение некоторого срока.
«Масс-спектрометр высокого разрешения может обнаружить даже малейшие различия в повторяющихся структурах и концевых группах в одном и том же полимере. Иными словами, сразу заметно происхождение образца. Приняв систему оценивания материала с точки зрения молекулярной структуры, производители материалов смогут с уверенностью поставлять свою продукцию, а производители товаров — спокойно ее использовать. В результате должна повыситься точность управления производством и контроля качества на уровне всей цепочки поставок», — подчеркивает доктор Сато.
Программное обеспечение для анализа полимеров методом КМД -msRepeatFinder
Также доктор Сато разработал новый метод, упрощающий диагностику. Он предложил применить метод дефектов масс Кендрика (КМД), использующийся в нефтепереработке, для анализа полимеров. КМД предполагает описание массы нужного материала в формате двумерной диаграммы, где целая часть молекулярной массы откладывается по горизонтальной оси, а дробная — по вертикальной. Пики гомологичных молекул наносятся на одну линию, а полимеры с иной структурой — на другую. Добавочные вещества не имеют повторяющегося цикла и потому всплывают на графике. Таким образом КМД позволяет опознать материалы, которые невозможно четко различать в масс-спектрах из-за наложения пиков.
«Растущая сложность масс-спектрометров внесла в процедуры контроля качества элемент химии. Дополнив его другими аналитическими методиками, мы можем повысить конкурентоспособность. Эта мысль родилась во мне с появлением высокоэффективных масс-спектрометров, из которых я выжимал максимум. Мне очень хочется, чтобы эта идея распространилась».
Ожидается, что в связи с мерами против глобального потепления станет сложнее производить новые пластмассы из нефти. Это означает, что нам придется больше полагаться на переработанные материалы — соответственно, повысится риск попадания нежелательных примесей. В эпоху отказа от углеродов метод оценки полимеров, предложенный группой доктора Сато, может оказаться ключевым решением этой проблемы.
Доктор Сато и члены группы химии полимеров
Хироаки Сато: доктор технических наук
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 Университета Нагоя. В процессе прохождения постдокторантуры в Университете Нагоя, Университете Мейдзё, в 2002 г. присоединился к AIST.
2017 Руководитель исследовательской группы химии полимеров, Научно-исследовательский институт устойчивой химии (ISC),
2019 Директор Штаба планирования,
2021 Заместитель директора, ISC.
Время публикации: октябрь 2021 г.
Каталог
JMS-T200GC Высокоэффективный газовый хроматограф AccuTOF™ GCx-plus – времяпролетный масс-спектрометр
Программное обеспечение для анализа полимеров msRepeatFinder