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

Význam tématu

Rychlé a spolehlivé charakterizace složitých polymerních materiálů jsou klíčové pro rozvoj udržitelných obalů, recyklaci a vznik biobázeovaných plastů. Tradiční pyrolytická analýza s vysokoenergetickou EI ionizací často trpí nadměrnou fragmentací bez jasné molekulární informace. Implementace měkké APGC ionizace a vysokorozlišovacího QToF MS rozšiřuje možnost přesného stanovení molekulového iontu, elementární skladby i strukturního rozlišení složitých směsí.

Cíle a přehled studie

Cílem aplikace bylo srovnat klasický pyrolytický GC–EI MS s modelem tandemového kvadrupólu a novou konfiguraci pyrolyzér–APGC–QToF MS v módu MSE. Studie testuje polymerové standardy (např. polystyren, nylon 6) a biobázeované plastové sáčky. Důraz je kladen na detekci molekulových iontů, přesnou hmotnost fragmentů a usnadnění identifikace pomocí softwaru MassFragment.

Použitá metodika a instrumentace

Vzorky byly váženy na ~0,1 mg a pyrolyzovány v CDS 5000 při 750 °C. Separace proběhla na kolonce Rtx-5MS (30 m×0,25 mm×0,25 μm) s programovanou teplotou (45 °C až 300 °C). Analýza probíhala ve dvou systémech:

• Xevo TQ-GC s EI (70 eV, rozsah m/z 10–650)
• Xevo G2-XS QTof s APGC (korónový výboj, nízké/high energii v MSE, rozsah m/z 10–1500)

Datové zpracování a putativní identifikace proběhly v MassLynx 4.2 a MassFragment.

Hlavní výsledky a diskuse

Py-APGC-QTof MS poskytuje bohatší pyrogramy s větším počtem detekovaných sloučenin a jasnou molekulární iontovou stopou. U polystyrenu byly viditelné oligomery až do tetrameru (m/z 416,2503) díky nízké fragmentaci. U nylonu 6 se v APGC objevuje protonovaný molekulární ion N-(5-cyanopentyl)pent-4-enamidu (m/z 194,2374), zatímco EI pouze fragmenty. Mód MSE umožnil současný záznam přesných hmot obou prekurzorů a fragmentů, což významně zefektivňuje strukturální elucidaci neznámých látek.

Přínosy a praktické využití metody

• Jednodušší workflow bez přepínání ionizačních zdrojů a doplňkových činidel
• Rychlejší analýza s detekcí molekulového iontu a fragmentů v jediném běhu
• Vysoká selektivita a citlivost pro identifikaci aditiv, kontaminantů či oligomerů
• Softwarová podpora MassFragment zrychluje putativní identifikaci

Budoucí trendy a možnosti využití

Integrované platformy APGC-QToF MS s MSE je možné rozšířit o databáze pyrolytických fragmentů a strojové učení pro automatizovanou identifikaci neznámých polymerů. Dalším směrem je aplikace v regulaci bioplastů, sledování migrace aditiv a monitorování recyklovaných materiálů ve složitých matricích.

Závěr

Pyrolysis-APGC-QTof MS s měkkou ionizací a módem MSE představuje účinnou metodu pro detailní charakterizaci polymerních materiálů. Odstraňuje omezení klasické EI analýzy, šetří čas a zvyšuje důvěryhodnost chemické identifikace neznámých složek v post-consumer i biobázeovaných plastech.

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 PM, McEwen CN. Mass Spectrometry of Synthetic Polymers. Anal Chem. 2006;78(12):3957–3964.
4. Stevens DM, Cabovska B, Bailey AE. Detection and Identification of Extractable Compounds from Polymers. Waters Application Note 720004211. 2012.
5. Hill AW, Mortishire-Smith RJ. 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.