通过正交互补分析方法解决商业高摩尔质量聚氧乙烯蓖麻醇醚的组成异质性问题

《Analytica Chimica Acta》：Resolving compositional heterogeneity in commercial high-molar-mass poloxamers by orthogonal and complementary analysis

　　布拉兹·兹多夫茨|马泰伊·雅克林|乌尔什卡·切沙雷克|阿伦·阿尔布雷赫特|米哈·卢克希奇 斯洛文尼亚卢布尔雅那市海德里霍瓦19号，国家化学研究所聚合物化学与技术系，邮编1000 摘要 商用聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物存在成分异质性，但导致这种异质性的次要组分往往无法被完全分离，因此被当作单一杂质处理。这限制了对药用级材料的准确分析表征，也使得结构-性质关系的分析变得复杂。在本研究中，我们建立了一种分析方法，结合混合模式液相色谱、反相液相色谱以及尺寸排阻色谱，并采用多角度光散射和折射率检测技术，再辅以MALDI-TOF质谱和1H核磁共振光谱，用于分离、鉴定和定量商用高分子量聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物中的次要副产物。我们确定聚丙烯氧化物-聚乙二醇二嵌段共聚物和聚乙二醇均聚物是主要的副产物，并能检测出低至约0.7重量百分比的聚乙二醇均聚物含量。此外，反相液相色谱还能进一步解析聚丙烯氧化物-聚乙二醇二嵌段共聚物中的组成亚结构，揭示出仅靠尺寸排阻色谱无法区分的聚丙烯氧化物嵌段长度分布情况。对比不同制造商生产的商业聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物407样品后发现，在所分析的异质性参数中，主要聚乙二醇-聚丙烯氧化物-聚乙二醇三嵌段共聚物中聚丙烯氧化物含量的差异，最有可能与观察到的胶束临界浓度和流体力学半径的变化有关，而在所研究的条件下，聚乙二醇均聚物的定量含量影响较小。总体而言，这些结果表明，通过结合多种分析技术，可以分离、鉴定和定量合成过程中产生的副产物，从而全面表征聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物，同时还能揭示与胶束形成行为最相关的异质性参数。引言 商用两亲性嵌段共聚物通常存在成分异质性，这使得其准确分析表征变得困难。这一问题对于聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物（市场上称为Pluronics）尤为突出，这类共聚物由一个聚丙烯氧化物嵌段以及两侧的聚乙二醇嵌段构成[1]、[2]。尽管由于具备两亲性和能够形成胶束的特性，这些材料被广泛用于生物医学领域[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]，但它们的物理化学行为不仅取决于目标聚乙二醇-聚丙烯氧化物-聚乙二醇三嵌段共聚物的平均化学组成和摩尔质量，还与合成过程中产生的次要副产物的类型和数量有关[9]、[10]、[11]、[12]。聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物通常是通过碱金属氢氧化物作为阴离子催化剂进行聚合反应制得的[5]、[11]、[13]、[14]、[15]，在此过程中可能会产生聚丙烯氧化物-聚乙二醇二嵌段共聚物以及聚丙烯氧化物和聚乙二醇均聚物[15]。这些副产物非常重要，因为它们可能影响胶束形成行为，包括临界胶束浓度和聚集数[12]，同时还会影响所形成胶束的物理化学性质，如胶束形成焓[9]、[14]、胶束堆积方式[11]以及胶束结构有序性[10]。对于这类两亲性体系，要实现准确表征，仅仅确定平均摩尔质量和化学组成是不够的。液相色谱技术已被广泛用于低分子量聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物的表征。尺寸排阻色谱可用于测定其摩尔质量分布[16]，而这类材料的成分异质性则通过临界条件液相色谱得到了深入研究。在临界条件下，其中一个嵌段会在色谱分析中不可见，此时分离效果取决于可见嵌段的长度[16]、[17]、[18]、[19]。Jandera及其同事利用临界条件液相色谱证明，乙烯氧化物和丙烯氧化物重复单元的保留选择性取决于固定相类型、流动相组成以及温度[20]、[21]、[22]。B. Trathnigg等人还将临界条件液相色谱应用到三元流动相中，实现了沿临界吸附线的梯度洗脱，并且能够在高达约25个丙烯氧化物单元的长度范围内，根据聚丙烯氧化物嵌段长度对寡聚物种类实现基线分离[23]。由于两种嵌段都存在长度分布[18]，M. I. Malik等人将两种梯度临界条件液相色谱方法结合在二维液相色谱系统中，通过多重捕获界面实现分析[24]。这样，他们就能在单次完整的二维液相色谱分析中，分别检测正相色谱柱上的聚乙二醇嵌段长度分布以及反相色谱柱上的聚丙烯氧化物嵌段长度分布，用于分析主要的三嵌段共聚物群体。这种方法还发现了反相聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物中存在烯丙基封端的聚丙烯氧化物均聚物以及微量的羟基封端聚丙烯氧化物均聚物作为副产物，而Pluronic L-35则未检测到游离的聚丙烯氧化物或聚乙二醇均聚物副产物[24]。随后，Jandera等人也报道了针对工业级聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物的类似二维液相色谱分离方法，基于聚乙二醇和聚丙烯氧化物嵌段长度进行分离[25]，G. Groeneveld等人则对甘油乙氧基化物-随机丙氧基化物共聚物进行了类似研究[26]。P. Jandera等人进一步表明，除了能够同时分离两种嵌段的长度分布外，二维液相色谱还可用于测定和评估聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物样品中残留的聚乙二醇和聚丙烯氧化物单体寡聚物的长度[27]。虽然这些研究已经全面分析了低分子量聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物（< 3.0千克/摩尔）的成分异质性，但对于高分子量聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物（> 6.0千克/摩尔）的相应表征，尤其是在副产物分析方面，仍然较为有限。先前的研究表明，高分子量商用聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物中的副产物通常被作为一个未加区分的单一组分来定量，其含量为12%到26%（重量百分比）[9]、[10]、[11]、[14]，这是因为一维色谱方法无法充分区分化学性质不同的次要组分。定量分析通常是在38摄氏度的水环境中，使用带有折射率检测功能的尺寸排阻色谱来进行的[9]，或者是在较高温度（40-60摄氏度）的甲醇/水混合溶剂中，于聚乙二醇临界条件下，使用带有折射率检测功能的氰基改性硅胶色谱柱进行临界条件液相色谱分析[10]、[11]、[14]。在38摄氏度下，Hvidt等人使用尺寸排阻色谱将聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物274的胶束与副产物分开[9]，而Batsberg等人则发现，聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物235的某种副产物所含的聚丙烯氧化物嵌段长度比该共聚物的主要聚乙二醇-聚丙烯氧化物-聚乙二醇三嵌段共聚物的嵌段长度更短[14]。Batsberg等人的研究结果是基于聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物235的临界条件液相色谱行为与摩尔质量分别为0.9千克/摩尔和2.0千克/摩尔的聚丙烯氧化物均聚物混合物的临界条件液相色谱行为进行比较得出的[14]。在这两种情况下，差示扫描量热法都表明，这些副产物不会对胶束形成转变产生影响[9]、[14]。Park等人则结合临界条件液相色谱、基质辅助激光解吸/电离飞行时间质谱以及质子核磁共振光谱，成功在聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物338中检测出了聚乙二醇均聚物和聚丙烯氧化物-聚乙二醇二嵌段共聚物，其中二嵌段共聚物链中平均含有5摩尔百分比的聚丙烯氧化物[11]。综合来看，这些研究表明，要全面分析副产物，就需要采用正交且互补的分析方法，因为一维液相色谱无法清晰地呈现这些副产物的全部异质性特征。目前，关于高分子量聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物的胶束形成行为中，各种单一副产物的具体作用机制，在实验上尚未有足够明确的界定。Linse从理论上研究了各种单一副产物对聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物335共聚物胶束物理化学性质的影响[12]。研究结果表明，聚丙烯氧化物-聚乙二醇二嵌段共聚物会降低临界胶束浓度并增加聚集数，而聚丙烯氧化物均聚物的影响相对较小，聚乙二醇均聚物则几乎没有影响[12]。这些发现表明，不同的单一副产物对胶束形成行为的影响各不相同；因此，若将它们视为同一组分，就会掩盖它们对胶束物理化学性质的特定影响，也会妨碍对结构-性质关系的准确解读[9]、[10]、[11]、[12]。在本研究中，我们建立了一种正交且互补的分析方法，结合混合模式液相色谱、反相液相色谱以及带有多角度光散射和折射率检测功能的尺寸排阻色谱，再辅以MALDI-TOF质谱和1H核磁共振光谱，用于全面表征商用聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物，同时分离、鉴定和定量其中合成过程中产生的副产物。我们还将该方法应用于不同制造商生产的聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物407样品，以确定哪些成分异质性参数与胶束形成行为的关系最为密切。材料部分 商用聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物样品来自不同的供应商。聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物124、188、237、338和407（BioReagent品牌）购自美国Sigma Aldrich公司。另有部分聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物407购自美国Spectrum Chemical公司，而药用级聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物407（Kolliphor P-407）以及化妆品级聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物407则由德国BASF公司慷慨提供。分子量分别为1.00千克/摩尔和3.31千克/摩尔的聚丙烯氧化物均聚物（分别记为PPO1000和PPO3300）。尺寸排阻色谱与多检测系统相结合，该系统包含多角度光散射检测器和折射率检测器（SEC/MALS-RI）。聚丙烯氧化物均聚物、聚乙二醇均聚物、商用聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物以及各类聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物组分の摩尔质量特征，是通过结合多角度光散射仪以及折射率检测器构成的多检测系统进行尺寸排阻色谱分析来确定的，其中多角度光散射仪具有18个检测角度，该仪器来自美国Wyatt Technology Corporation公司的DAWN型号产品，折射率检测器则来自同公司的Optilab型号产品。多角度光散射仪的90度检测角度是使用甲苯进行校准的，其余17个检测角度则是以PEO27000作为标准进行归一化的。用于数据测定的输入参数为……结果与讨论 通过SEC/MALS-RI分析，商用聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物的摩尔质量在2到15千克/摩尔之间（见表2）。在主要的聚乙二醇-聚丙烯氧化物-聚乙二醇三嵌段共聚物中，聚丙烯氧化物含量约为20%或30%重量百分比，不过聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物124的聚丙烯氧化物重量百分比要高得多，这一结果是通过1H核磁共振分析得出的（见表2）。为了提高高低分子量组分之间的分离度，我们对商用聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物样品依次在多个串联的尺寸排阻色谱柱上进行SEC/MALS-RI分析。结论 本研究建立了一种分析方法，可用于全面表征商用聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物三嵌段共聚物中的成分异质性，并确定与胶束形成行为关系最为密切的异质性参数。通过结合混合模式液相色谱、反相液相色谱、SEC/MALS-RI、MALDI-TOF质谱以及1H核磁共振光谱，该方法能够区分那些在一维分析中无法作为单一低分子量杂质组分准确表征的化学性质不同的副产物。主要的副产物为……作者贡献说明 布拉兹·兹多夫茨：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、监督、方法设计、研究实施、正式分析、数据整理、概念构建。马泰伊·雅克林：撰写——审阅与编辑、可视化、软件应用、方法设计、研究实施。乌尔什卡·切沙雷克：撰写——审阅与编辑、可视化、方法设计、研究实施。阿伦·阿尔布雷赫特：撰写——审阅与编辑、方法设计、研究实施。米哈·卢克希奇：撰写——审阅与编辑、软件应用。利益冲突声明 作者声明自己没有已知的可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。科学写作中生成式人工智能的使用说明 本研究在撰写过程中使用了ChatGPT和Paperpal等生成式人工智能工具来优化语言表达。之后，作者对内容进行了必要的审阅和修改，并对最终发表的内容承担全部责任。利益冲突声明 ? 作者声明自己没有已知的可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。致谢 作者感谢华南理工大学材料科学与工程学院的何恒和李俊鹏，感谢他们协助合成了本研究中使用的最高分子量的聚丙烯氧化物。作者还感谢斯洛文尼亚研究机构提供的资金支持（研究核心资助编号为P2-0145、P1-0201和P1-0005）。此外，作者还要感谢卢布尔雅那大学化学系的科研基础设施中心。