表面活性劑(Surfactant,SA)是一類(lèi)能顯著降低溶劑表面張力和液-液界面張力的物質(zhì),具有親水､親油的特性,被廣泛應(yīng)用于科技､工業(yè)及生活中的各個(gè)領(lǐng)域｡目前,表面活性劑的分析是一個(gè)較難的課題｡主要是由于其分子結(jié)構(gòu)的特殊性,即在同一分子中含有親水和親油兩類(lèi)基團(tuán),可在極性不同的多種溶劑中溶解;許多表面活性劑的分子量的不確定性,如親油基烷基烴鏈的碳數(shù)不規(guī)整,聚氧乙烯醚類(lèi)表面活性劑的聚合度大小不等,分子的性質(zhì)相差甚遠(yuǎn)｡在表面活性劑分析中除了要準(zhǔn)確測(cè)定其親油和親水官能團(tuán)的結(jié)構(gòu)外,還需要測(cè)定其平均聚合度和分子量分布,而這必須借助質(zhì)譜技術(shù)｡由于大多數(shù)表面活性劑的分子中含有難以氣化的強(qiáng)極性官能團(tuán),所以使用常規(guī)的EIMS和CIMS質(zhì)譜法很難得到滿(mǎn)意的結(jié)果｡軟電離技術(shù)如快原子轟擊法(FAB)和電噴霧法(ESI)等的發(fā)展和應(yīng)用使得質(zhì)譜已成為表面活性劑的常規(guī)分析技術(shù)｡
基體輔助激光解吸電離(Matrix Assisted Laser Desorption Ionization)作為一種新的“軟電離”質(zhì)譜技術(shù),自1988年Karas和Hillenkamp等首次報(bào)道用于蛋白質(zhì)的研究以來(lái),便以其靈敏快捷､直觀準(zhǔn)確､極高的質(zhì)量上限､良好的“軟電離”性質(zhì)､對(duì)雜質(zhì)的包容性以及可直接分析混合物而無(wú)須預(yù)先分離的特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于生物化學(xué)領(lǐng)域,尤其是對(duì)蛋白質(zhì)和核酸的分析已取得突破性的進(jìn)展,但未見(jiàn)利用MALDI方法對(duì)表面活性劑進(jìn)行分析的報(bào)道｡
本文利用MALDI-MS對(duì)幾種表面活性劑的分析進(jìn)行了研究｡以2,5-二羥基苯甲酸為基體,考察比較了三種不同MALDI樣品制備方法對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響｡對(duì)非離子表面活性劑,MALDI-MS可以測(cè)定其聚合度及分子量分布情況｡對(duì)實(shí)際樣品的測(cè)定也取得滿(mǎn)意效果｡
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1儀器與試劑
BiflexTM II型MALDI-TOF-MS質(zhì)譜儀(德國(guó),Bruker公司);氮激光器,激光波長(zhǎng)337nm,采用延遲引出(Delayed Extraction)的正離子模式線性檢測(cè)方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)｡
2,5-二羥基苯甲酸(2,5-Dihydroxybenzoic Acid,DHB)購(gòu)自Sigma公司,配制成20mg/mL的水溶液;十六烷基三甲基溴化銨(Cetyltrimethylam onium Bromide,CTAB),十二烷基硫酸鈉(Sodium Dode-cylSulfate, SDS)購(gòu)自北京華美生物公司,TritonX-100購(gòu)自Acros公司;脂肪醇聚氧乙烯醚樣品由本所一室提供｡所有實(shí)驗(yàn)用水均經(jīng)過(guò)Mili-Q水處理系統(tǒng)處理｡
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
將樣品溶于二次蒸餾水,配制成濃度為1.0mmol/L的待測(cè)溶液,對(duì)于液體樣品,取1μL加水稀釋1000倍｡樣品分析采用三種制備方法:(1)液滴干燥法將基體溶液與樣品溶液以9∶1(V/V)比例混合均勻,取0.5μL混合液滴于樣品耙上,室溫下自然干燥后質(zhì)譜分析｡(2)快速干燥法先在樣品耙上快速結(jié)晶一層基體,再將基體與樣品按一定比例混合的混合液滴于其上,冷風(fēng)加速干燥后質(zhì)譜分析;(3)三明治方法首先在樣品耙上快速結(jié)晶一層基體,再在基體層上點(diǎn)加樣品溶液,真空干燥,最后再點(diǎn)加少量的基體溶液,真空快速干燥,形成基體-樣品-基體的三明治夾心結(jié)構(gòu)｡之后送入離子源進(jìn)行質(zhì)譜分析｡所有譜圖均為20~50次單次掃描累加所得,采用外標(biāo)法進(jìn)行質(zhì)量校正｡
2 結(jié)果與討論
2.1 樣品制備方法比較
圖1是在三種樣品制備方法下陰離子表面活性劑SDS的MALDI質(zhì)譜圖,從上自下依次為液滴干燥法､快速干燥法與三明治法｡
在圖1a液滴干燥法中可檢測(cè)到基體DHB分子離子峰([DHB+Na]MW177.0),樣品SDS分子離子峰([SDS+H]MW289.3,[SDS+Na]MW311.2)｡應(yīng)注意的是在MALDI質(zhì)譜圖中經(jīng)常出現(xiàn)[M+H]+或[M+23]+的分子離子峰,因此在計(jì)算分子量時(shí)應(yīng)扣除1或23個(gè)質(zhì)量數(shù)｡與此同時(shí)還檢測(cè)到從311.2到2041.8的一系列峰,峰峰間隔為288(SDS),表明在質(zhì)譜分析中形成了SDS分子聚合物,接受一個(gè)鈉離子帶上正電荷,最后以單電荷多聚體的形式被檢測(cè)｡此外還得到了488.3到2218.1間隔亦為288的一組峰,其起始分子488.3與311.2之間相差177.1(DHB+Na),表明在離子化過(guò)程中形成了多個(gè)SDS分子結(jié)合[SDS+DHB+2Na]形成雙電荷多聚體｡和圖1a相比,圖1b快速干燥法得到的質(zhì)譜圖有些相似,既有單電荷多聚體也有雙電荷多聚體,后者信號(hào)較弱且質(zhì)量范圍變小,從488.3到1064.7｡而圖1c為三明治方法所得到的譜圖,雖亦檢測(cè)到311.3開(kāi)始的一組SDS峰,但此時(shí)單電荷多聚體峰已很弱,且已檢測(cè)不到雙電荷多聚體離子峰｡
這三種方法中SDS或多或少的都檢測(cè)到多聚體離子峰,這有可能是在樣品制備過(guò)程中所產(chǎn)生的,即在樣品制備中溶劑逐漸揮發(fā)掉,SDS樣品相對(duì)濃度逐漸增大,分子間作用機(jī)會(huì)增加,形成幾個(gè)SDS結(jié)合在一起的小膠束可能性增大｡而樣品制備時(shí)間越長(zhǎng),即溶劑揮發(fā)越慢,多聚體形成幾率也越大｡三種方法中樣品制備時(shí)間依次分別為~6min､~2min及瞬間｡三明治方法中樣品制備時(shí)間最短,是在瞬間完成,可較好的避免多聚體的形成;同時(shí)在樣品層之上再補(bǔ)加少量基體是為避免激光直接照射同時(shí)也有增強(qiáng)檢測(cè)效果｡其結(jié)果是SDS分子離子峰信號(hào)更強(qiáng)而其多聚體離子峰較弱｡
對(duì)于陽(yáng)離子及非離子型表面活性劑,樣品制備方法影響相對(duì)較小,但與SDS類(lèi)似,使用第三種方法所得的譜圖效果要好于前兩者｡因此在以下分析中,都是采用三明治的樣品制備方法｡
2.2 離子型表面活性劑
離子型表面活性劑可分為陽(yáng)離子表面活性劑和陰離子表面活性劑｡陰離子表面活性劑如SDS的譜圖如圖1所示｡與陰離子表面活性劑容易形成多聚體分子相比,陽(yáng)離子表面活性劑CTAB的MALDI譜圖(圖2)只有一個(gè)峰,其分子量為285(M-Br)｡
陽(yáng)離子表面活性劑在MALDI譜圖中不形成多聚體,其原因可能在于陽(yáng)離子表面活性劑親水部分帶正電荷,在MALDI過(guò)程中不需借助捕獲氫離子或鈉離子而電離,其自身就可直接吸收能量而離子化｡而對(duì)陰離子表面活性劑而言,其親水部分帶負(fù)電荷,在MALDI正離子檢測(cè)模式下,其必須獲得一個(gè)正電荷(通常為氫離子或鈉離子)才能被檢測(cè)到｡
2.3 非離子型表面活性劑
大多數(shù)非離子表面活性劑為聚氧乙烯醚或聚氧丙烯醚類(lèi)的衍生物,即RO(C2H4O)mH或RO(C3H7O)mH,分析的主要目的是確定親油基R基團(tuán)的結(jié)構(gòu)和親水基聚氧乙烯或聚氧丙烯的數(shù)目即分子聚合度｡由于MALDI源采用軟電離,即基體首先吸收激光能量,再傳遞給樣品分子,避免了激光能量直接被樣品分子吸收而產(chǎn)生分子的斷裂,因此在MALDI質(zhì)譜圖中得到的一般為加上一個(gè)氫離子的分子離子峰｡同時(shí)對(duì)于MALDI-MS檢測(cè)器而言,其對(duì)被檢測(cè)分子的分子量沒(méi)有限制并且在一定的分子量范圍內(nèi)有一恒定的響應(yīng)值,因此各種化合物在MALDI響應(yīng)基本上是相同的,可以直接從檢測(cè)到的分子離子峰的質(zhì)量數(shù)得到樣品中每一分子鏈的分子量,并根據(jù)譜峰強(qiáng)度計(jì)算出聚合物的平均分子量､聚合度與分子量分布｡
圖3是TritonX-100的MALDI質(zhì)譜圖｡
從圖中可看到471､515到1043的一組峰,間距44,為一個(gè)CH2CH2O分子量,其聚合度n相應(yīng)為6~19,n平均值12.5｡此外還有529､573到1013一組峰,與前一組峰相比,強(qiáng)度要弱且分子量要大14(—CH2 —),聚合度n相應(yīng)為6~18,平均為12.5｡要指出的是前面在測(cè)定陰離子表面活性劑SDS時(shí)得到的系列峰主要是受樣品制備方法影響,而對(duì)于非離子型表面活性劑通常為聚合物,得到的一組或多組峰則是與其合成過(guò)程及條件有關(guān),受制備方法影響小｡
圖4給出的是實(shí)際樣品脂肪醇聚氧乙烯醚CH3-(CH2)nO(CH2CH2O)mH的MALDI譜圖｡
類(lèi)似的得到分別以377,435開(kāi)始的間隔為44的兩組峰,其中377系列峰其為烷基中碳數(shù)n=12,m=4~19,而以435開(kāi)始的另一組峰強(qiáng)較弱(標(biāo)記為 ),為烷基中碳數(shù)n=13時(shí)的一組同系物峰｡此外還得到459､503､…987的一系列峰(標(biāo)記為*),聚合度n=10~22,平均聚合度16｡這是在非離子表面活性劑中經(jīng)常共存的一個(gè)組分——聚乙二醇,它是環(huán)氧乙烷加成時(shí)的自聚物,易溶于水,在MALDI譜圖中表現(xiàn)為44n+18的系列峰｡
3 結(jié)論
上述研究結(jié)果表明,利用MALDI-MS可以檢測(cè)離子型表面活性劑的分子量,而對(duì)于非離子型表面活性劑,利用此方法可確定其親油基團(tuán)R的結(jié)構(gòu)以及親水基聚氧乙烯或聚氧丙烯的聚合度和分子量分布數(shù)據(jù)｡同時(shí)將MALDI應(yīng)用于表面活性劑分析也拓寬了其應(yīng)用范圍｡
