基于電噴霧質(zhì)譜的反應(yīng)監(jiān)測研究進(jìn)展

魏娟娟，孫江暉，尹伊顏，那 娜，歐陽津

(1.北京師范大學(xué)，放射性藥物教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；2.寧夏師范學(xué)院，寧夏 固原 756000)

化學(xué)反應(yīng)過程的研究主要通過檢測反應(yīng)物、產(chǎn)物以及中間體的變化對反應(yīng)進(jìn)行全面的把握，以合理推測反應(yīng)機(jī)理，從而為后續(xù)反應(yīng)的改進(jìn)和應(yīng)用提供重要的信息。用于反應(yīng)監(jiān)測與機(jī)理研究的傳統(tǒng)方法主要包括紫外可見吸收光譜法、紅外光譜法、核磁共振波譜法、電子自旋共振譜等。其中，紫外可見吸收光譜法利用吸收峰的特性對物質(zhì)進(jìn)行定性分析和簡單的結(jié)構(gòu)分析；紅外光譜法可以檢測分子的特征官能團(tuán)，從而確定物質(zhì)的結(jié)構(gòu)；核磁共振波譜法是對各種有機(jī)物和無機(jī)物的成分、結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性分析的有效手段，也可用于反應(yīng)機(jī)理研究；電子自旋共振譜可檢測含自由基或過渡金屬離子物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和動態(tài)信息，有利于研究自由基反應(yīng)動力學(xué)[1-3]。

傳統(tǒng)的檢測方法在物質(zhì)結(jié)構(gòu)確定和機(jī)理研究方面都有重要的應(yīng)用，但在反應(yīng)監(jiān)測，尤其是短壽命中間體的直接檢測和結(jié)構(gòu)鑒定中存在一定的局限性。質(zhì)譜具有檢測速度快、靈敏度高、線性范圍寬、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，可直接獲得反應(yīng)過程中反應(yīng)物、中間體和產(chǎn)物等的結(jié)構(gòu)信息，目前廣泛用于反應(yīng)過程監(jiān)測和機(jī)理研究[4]。

隨著質(zhì)譜技術(shù)的不斷發(fā)展，許多商業(yè)化質(zhì)譜儀已廣泛用于不同類型反應(yīng)的監(jiān)測中，涉及無機(jī)反應(yīng)、有機(jī)反應(yīng)、酶反應(yīng)、超分子及生物大分子識別等領(lǐng)域[5]，示于圖1。電噴霧離子化質(zhì)譜(ESI-MS)技術(shù)是常壓敞開式質(zhì)譜中最重要的離子化方式之一，這種“軟電離”方式可以成功檢測到反應(yīng)過程的中間體[6-10]。ESI是一種“軟”電離源，適用于分析大多數(shù)水溶性較好的極性分子，其離子化機(jī)理主要是帶電液滴的溶劑揮發(fā)導(dǎo)致庫侖裂變，從而產(chǎn)生更小的液滴。然后，小液滴表面的電荷相互排斥，當(dāng)排斥力增大到可克服表面張力粘結(jié)力時，便可直接釋放/解吸氣相離子，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的離子化。

圖1 電噴霧質(zhì)譜在反應(yīng)監(jiān)測中的應(yīng)用[5]Fig.1 Applications of electrospray ionization for reaction monitoring[5]

目前，電噴霧質(zhì)譜用于反應(yīng)研究存在離線、在線2種監(jiān)測方式。較傳統(tǒng)的是質(zhì)譜離線監(jiān)測，將分析物從反應(yīng)體系中抽取出來，通過適當(dāng)預(yù)處理，以注射泵或自動進(jìn)樣的方式將反應(yīng)體系物質(zhì)注入質(zhì)譜進(jìn)行檢測。如，一些含不溶鹽的體系，為防止固體顆粒對質(zhì)譜椎管造成阻塞，可先將體系中的鹽進(jìn)行過濾，取上清液后再送入質(zhì)譜檢測。有報(bào)道利用商業(yè)化ESI-MS研究Staudinger反應(yīng)、Mitsunobu反應(yīng)、Witting反應(yīng)、Grubbs釕卡賓配合物的烯烴復(fù)分解反應(yīng)[11-12]、鈀催化的芳基重氮鹽Heck反應(yīng)[13]及自由基陽離子鏈?zhǔn)椒磻?yīng)[14]等。Eberlin[15]和Neto等[16]采用ESI-MS對本體溶液中的Hantzsch反應(yīng)進(jìn)行分析，確定了反應(yīng)的中間體，并揭示了對稱1,4-二氫吡啶(DHPs)合成過程中可能遵循的4種二酮反應(yīng)途徑[17]。Arakawa等[18]將流動光反應(yīng)池與ESI噴霧裝置直接相連，對過渡金屬釕的多吡啶配合物的光置換反應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測，獲得并鑒別了反應(yīng)中間體，由此驗(yàn)證了反應(yīng)機(jī)理，還通過研究溶劑對光催化反應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)了一條新的反應(yīng)途徑。Metzger等[19]將微反應(yīng)器與ESI-MS裝置聯(lián)用，檢測了Diels-Alder[2+2]環(huán)加成反應(yīng)中的過渡態(tài)自由基陽離子，首次提出了基于電子轉(zhuǎn)移引發(fā)的自由基陽離子鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)理[20]。此外，ESI-MS還可用于測量不穩(wěn)定有機(jī)金屬配合物，產(chǎn)生的碎片較小。因此，可用于監(jiān)測金屬(如Pt，Pd，F(xiàn)e，Cu，Ti，Rh)催化反應(yīng)。為檢驗(yàn)鈀催化的三組分串聯(lián)雙加成環(huán)化反應(yīng)，Guo等[21]通過高分辨ESI-MS發(fā)現(xiàn)了4種陽離子鈀中間體。另外，在乙酸存在的情況下，將具有高度區(qū)域選擇性和立體選擇性的有機(jī)硼酸加到丙二烯中，所形成的關(guān)鍵中間體也能被捕獲[22]。這種離線方式所測結(jié)果與實(shí)際反應(yīng)體系中物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化有反應(yīng)時間上的差異，待測物離開反應(yīng)體系并經(jīng)過前處理，會失去一些重要的中間體物質(zhì)。因此，利用該方式無法對短壽命的活性中間體進(jìn)行捕捉和表征，僅能提供一些長壽命物種的信息。

基于此，在線質(zhì)譜檢測方法應(yīng)運(yùn)而生，常壓質(zhì)譜技術(shù)是非常有效的在線質(zhì)譜檢測方式，無需樣品預(yù)處理，能夠直接獲取分子結(jié)構(gòu)信息[23]。近年來，隨著常壓質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展，其給有機(jī)合成、生物檢測、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的研究帶來了較好的應(yīng)用前景?；谝恍┭b置設(shè)計(jì)和改進(jìn)，ESI-MS技術(shù)可以實(shí)時原位在線監(jiān)測反應(yīng)物的消耗和中間體、產(chǎn)物生成的整個過程[24-25]，進(jìn)而得到反應(yīng)動力學(xué)信息[26]。近年來，研究者們開發(fā)了一系列在線監(jiān)測的質(zhì)譜檢測方法，如解吸附電噴霧離子化質(zhì)譜(DESI-MS)、萃取電噴霧離子化質(zhì)譜(EESI-MS)、納升電噴霧離子化質(zhì)譜(nESI-MS)、超聲噴霧離子化質(zhì)譜(SSI-MS)等。Xie等[27]在原子水平上實(shí)時監(jiān)測了單個金原子向銀納米團(tuán)簇內(nèi)的動態(tài)擴(kuò)散，還對基于表面基序交換反應(yīng)的雙金屬納米團(tuán)簇的合金化位點(diǎn)進(jìn)行了精確控制[28]。因此，這些在線離子化方式與質(zhì)譜相結(jié)合，既可實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的原位實(shí)時在線監(jiān)測，且根據(jù)獲得的反應(yīng)物、中間體和產(chǎn)物的相對分子質(zhì)量、相對豐度及結(jié)構(gòu)等實(shí)時信息，合理推導(dǎo)和預(yù)測反應(yīng)機(jī)理[29-30]。

本文主要基于不同離子化技術(shù)，綜述電噴霧質(zhì)譜在反應(yīng)監(jiān)測和機(jī)理研究領(lǐng)域的進(jìn)展。重點(diǎn)介紹幾種在線離子化電噴霧質(zhì)譜技術(shù)，包括DESI-MS、EESI-MS、nESI-MS、SSI-MS以及其他在線電噴霧離子化質(zhì)譜的反應(yīng)過程中的監(jiān)測和機(jī)理研究，并對電噴霧質(zhì)譜在反應(yīng)監(jiān)測領(lǐng)域的發(fā)展趨勢進(jìn)行總結(jié)和展望。

1 電噴霧質(zhì)譜反應(yīng)在線監(jiān)測

在線電噴霧離子化質(zhì)譜可以實(shí)時原位在線分析化學(xué)反應(yīng)過程，觀察瞬變中間體的結(jié)構(gòu)變化，跟蹤底物、中間體、產(chǎn)品甚至雜質(zhì)的動態(tài)變化，可以在沒有樣品預(yù)處理的情況下對反應(yīng)過程進(jìn)行監(jiān)測和動力學(xué)研究。以下對幾種常見的在線離子化電噴霧質(zhì)譜在反應(yīng)監(jiān)測和機(jī)理研究中的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1.1 解吸附電噴霧離子化質(zhì)譜的反應(yīng)監(jiān)測

2004年，Cooks等[31]首次報(bào)道了解吸附電噴霧離子化質(zhì)譜(DESI-MS)，提出了常壓敞開式離子化(AI)技術(shù)。DESI-MS技術(shù)可以廣泛用于各種化合物的離子化，包括非極性小分子(番茄紅素、生物堿類和小分子藥物等)和極性化合物(多肽類和蛋白質(zhì)等)。通過將電噴霧離子化產(chǎn)生的帶電液滴和溶劑離子直接導(dǎo)向分析物的表面，由此撞擊使表面物質(zhì)離子化并產(chǎn)生氣態(tài)離子。因此，幾乎無需對樣品進(jìn)行預(yù)處理，在敞開大氣壓環(huán)境下即可直接在樣品表面進(jìn)行解吸附和離子化[32-33]。該技術(shù)可以快速解吸和離子化，能夠在皮摩爾級別高靈敏度地檢測和捕獲反應(yīng)產(chǎn)生的毫秒級短壽命中間體，其取樣過程可以在毫秒或更短的時間內(nèi)完成。Perry等[34]利用DESI-MS在線監(jiān)測了Ru(Ⅱ)不對稱轉(zhuǎn)移加氫催化反應(yīng)，并捕捉到壽命在亞毫秒及毫秒級的Ru(Ⅱ)甲酸甲酯復(fù)合物和Ru(Ⅳ)甲酸甲酯復(fù)合物瞬態(tài)中間體[35]。該課題組進(jìn)一步利用該技術(shù)捕獲了四羧酸二銠絡(luò)合物催化的C-H胺化反應(yīng)的瞬態(tài)中間體，由此證明Rh-氮賓氧化劑可通過H原子攫取路徑與烴類底物發(fā)生反應(yīng)[8]。同時，該課題組還將DESI-MS技術(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與密度泛函理論(DFT)計(jì)算相結(jié)合，研究了鈀催化多元醇的化學(xué)選擇性氧化反應(yīng)機(jī)理[36]。

隨后，Zare等[37]利用DESI-MS結(jié)合水輪工作電極裝置，示于圖2a，在工作電極的表面采樣，快速捕捉到N,N-二甲基苯胺(DMA)電氧化過程中產(chǎn)生的瞬態(tài)中間體，即自由基陽離子DMA+·，表明DESI-MS技術(shù)能夠捕獲半衰期在微秒級的電化學(xué)反應(yīng)中間體，比電化學(xué)生成中間體快4～5個數(shù)量級。隨后，該課題組利用該裝置檢測尿酸和黃嘌呤在電極表面發(fā)生電化學(xué)氧化生成23 ms壽命的瞬態(tài)中間體二亞胺[38]。最近，Chen等[39]利用該裝置將咔唑溶液(包括咔唑、9-苯基咔唑和9-甲苯基咔唑)作為反應(yīng)物噴到電極表面瞬時發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，同時基于DESI-MS原位捕獲在工作電極表面新生成的瞬態(tài)咔唑自由基陽離子(半衰期97 μs)。Zare等[40]在水輪電極與DESI-MS結(jié)合的基礎(chǔ)上，又提出了2種新裝置，示于圖2b，使用帶有多孔碳帶的平面作為工作電極，利用含有分析物的微滴探針與表面的電解質(zhì)接觸進(jìn)行解吸附離子化。其中，一種裝置有1個槽狀斜面形式的導(dǎo)電碳帶；另一種是平面形式的導(dǎo)電碳帶。這2種裝置相對穩(wěn)定，易于操作，克服了電噴霧鞘氣和干燥流動電解質(zhì)的干擾。利用斜面裝置，研究者觀察到了三苯胺、二亞胺和亞胺醇在尿酸的電化學(xué)氧化過程中產(chǎn)生的自由基陽離子和二聚體，以及谷胱甘肽二硫鍵的還原裂解；利用帶有扁平碳帶的裝置檢測了N,N-二甲氧基二苯胺和對二甲苯胺在電化學(xué)氧化過程中產(chǎn)生的氮離子。

傳統(tǒng)ESI-MS反應(yīng)監(jiān)測缺少淬滅步驟，可能會帶來準(zhǔn)確性差的問題，Chen等[4]提出了一種利用DESI-MS在線測量酶促反應(yīng)動力學(xué)的新方法解決該問題。利用DESI-MS技術(shù)可以直接檢測緩沖水溶液中的酶促反應(yīng)產(chǎn)物。此外，通過調(diào)節(jié)DESI噴霧的pH值和溶劑組成，可以在線淬滅反應(yīng)，從而快速準(zhǔn)確地測量動力學(xué)常數(shù)。本課題組提出了一種DESI-MS篩選與蛋白質(zhì)相結(jié)合藥物的高通量分析方法，示于圖2c。DESI可以將放置于DESI基底上的藥物-蛋白質(zhì)復(fù)合物解離，并利用質(zhì)譜對不同類型的蛋白質(zhì)進(jìn)行藥物篩選，此過程可在1.75 min內(nèi)完成。該研究提供了一種與蛋白質(zhì)結(jié)合的化合物的快速篩選方法，在藥物設(shè)計(jì)和篩選中具有巨大潛力[41]。

圖2 旋轉(zhuǎn)水輪電極與DESI結(jié)合監(jiān)測電化學(xué)反應(yīng)中間體(a)[37]，EC-DESI示意圖(b)[40]， DESI-MS高通量監(jiān)測與蛋白質(zhì)結(jié)合的藥物(c)[41]Fig.2 A rotating waterwheel electrode combined with DESI to detect electrochemical reaction intermediates (a) [37], schematic diagram of EC-DESI (b) [40], high-throughput detection of drugs binding to proteins by DESI-MS (c) [41]

Roach等[42]基于DESI-MS提出了納噴霧解吸電噴霧離子化(NanoDESI)，使用自吸納噴霧毛細(xì)管直接將從溶液表面解吸出的分析物電離，減少了基質(zhì)干擾，消除了液體飛濺的影響，提高了質(zhì)譜儀的進(jìn)樣效率。最近，Cooper等[43]將NanoDESI與質(zhì)譜成像(MSI)結(jié)合，對大鼠腎臟組織內(nèi)的蛋白質(zhì)及蛋白質(zhì)復(fù)合物進(jìn)行分析，可以實(shí)現(xiàn)完整蛋白質(zhì)和復(fù)合物的位置特異性串聯(lián)質(zhì)譜(MSn)鑒定。以質(zhì)譜成像圖為參考，可以在蛋白質(zhì)信號最強(qiáng)烈的組織區(qū)域內(nèi)進(jìn)行光柵掃描模式采樣，從而完成MSn鑒定。該方法在分辨率上有了實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)，還可用于組織中定位top-down蛋白質(zhì)組學(xué)分析，有助于揭示生命現(xiàn)象。

1.2 萃取電噴霧離子化質(zhì)譜的反應(yīng)監(jiān)測

Cooks等[44]報(bào)道了萃取電噴霧離子化質(zhì)譜(EESI-MS)技術(shù)，使用2個單獨(dú)的液滴噴霧器，其中1個霧化樣品溶液，另1個則用于產(chǎn)生帶電的溶劑微滴。檢測時，分析物分子直接從溶液中連續(xù)地自動提取到溶劑噴霧中，是一種依賴于碰撞微滴之間相互作用的液-液萃取過程。EESI-MS技術(shù)具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、無需樣品前處理和全面分析復(fù)雜反應(yīng)體系(非均相的催化反應(yīng))的優(yōu)勢，已成為實(shí)時在線監(jiān)測化學(xué)反應(yīng)及研究反應(yīng)動力學(xué)的強(qiáng)有力手段[45-46]。Metzger等[47]利用EESI-MS技術(shù)檢測了L-脯氨酰胺催化下醛類和N-氯代琥珀酰亞胺(NCS)發(fā)生的α-鹵化反應(yīng)。同時，他們采用雙ESI技術(shù)，1個噴入NCS溶液，另1個噴入L-脯氨酰胺的丁醇溶液，檢測到了液滴接觸碰撞反應(yīng)幾微秒后生成的中間體和產(chǎn)物，并且將形成的新物質(zhì)用串聯(lián)質(zhì)譜進(jìn)一步驗(yàn)證，結(jié)果證明是一種對反應(yīng)非常重要的烯胺中間體的N-氯化加合物。該課題組利用該方法在線監(jiān)測基于電子轉(zhuǎn)移催化反式茴香醚二聚反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了重要中間體——四亞甲基陽離子和雙自由基陰離子[48]。Hopley等[49]采用該技術(shù)在線監(jiān)測了水楊酸乙酯在堿性條件下水解生成水楊酸的反應(yīng)過程。Zenobi等[50]在EESI-MS的基礎(chǔ)上發(fā)展了直接監(jiān)測反應(yīng)和實(shí)時驗(yàn)證中間體的技術(shù)，在線監(jiān)測了苯乙胺與丙烯腈的一步Michael加成反應(yīng)(溶劑為乙醇)和苯乙醇與乙酸酐的多步乙?；磻?yīng)(溶劑為二氯甲烷，催化劑為4-二甲氨基吡啶)。本課題組采用電催化體系和原位萃取電噴霧離子化質(zhì)譜(EC-EESI-MS)聯(lián)用法研究TEMPO電催化無受體脫氫四氫喹啉的綠色合成和儲氫過程，裝置示于圖3a，并利用該技術(shù)監(jiān)測重要物種和中間體的動態(tài)變化，示于圖3b，有助于對無受體脫氫反應(yīng)的理解和認(rèn)識[51]。

注：a.EC-EESI-MS示意圖[51]；b.DMA與PTA電氧化C—H/N—H偶聯(lián)的中間體[51]；c.MF-EESI-MS催化氧化葡萄糖反應(yīng)示意圖[52]；d.MF-EESI-MS實(shí)時監(jiān)測酶催化氧化葡萄糖反應(yīng)[52]；e.MF-EESI-MS光催化氧化鄰苯二胺示意圖[53]；f.光催化氧化鄰苯二胺反應(yīng)機(jī)理圖[53]圖3 萃取電噴霧離子化質(zhì)譜的裝置及應(yīng)用Fig.3 Equipment and application of EESI-MS

同時，本課題組[52]在EESI的基礎(chǔ)上進(jìn)一步構(gòu)建了一種多層液流萃取噴霧離子化(MF-EESI)技術(shù)，裝置示于圖3c，該方法完成了對葡萄糖酶(FAD)催化氧化過程的分析，并研究了FAD在其中的作用。通過多層流體的共同作用，反應(yīng)體系被抽提至毛細(xì)管尖端，形成霧滴的同時與甲醇噴霧充分作用，提高了離子化效率；同時高速氮?dú)鈱恿鞒チ舜蟛糠蛀}類，避免其在質(zhì)譜接口處的重結(jié)晶。使用這一技術(shù)首次發(fā)現(xiàn)了FAD和葡萄糖形成的2種結(jié)構(gòu)不同的中間體，證明了該中間體的形成是葡萄糖脫氫和FAD還原的重要環(huán)節(jié)，并解釋了該反應(yīng)過程的機(jī)理。最后，利用MF-EESI對葡萄糖氧化反應(yīng)進(jìn)行在線監(jiān)測，示于圖3d，該工作為復(fù)雜酶催化體系的反應(yīng)研究提供了潛在有力工具。最近，本課題組利用MF-EESI在線質(zhì)譜檢測技術(shù)，對反應(yīng)物、產(chǎn)物和壽命短的中間體進(jìn)行了動態(tài)跟蹤，示于圖3e，揭示了可見光輻射染料敏化光催化鄰苯二胺氧化的多種反應(yīng)路徑，還發(fā)現(xiàn)了二聚體和三聚體的中間體，結(jié)合密度泛函理論(DFT)計(jì)算，推斷出多途徑的光催化氧化機(jī)理，示于圖3f[53]。

1.3 納升電噴霧離子化質(zhì)譜的反應(yīng)監(jiān)測

納升電噴霧離子化質(zhì)譜(nESI-MS)可以直接監(jiān)測納升噴霧的石英毛細(xì)管尖端的反應(yīng)，由此電離產(chǎn)生的反應(yīng)體系微滴尺寸較小，不僅可以減少反應(yīng)物的用量，還加快了反應(yīng)速率，提高了去溶劑化效率。Yan等[54]采用納升石英毛細(xì)管尖端作為新型的電化學(xué)微反應(yīng)器，通過電壓控制的界面微反應(yīng)器加速電化學(xué)反應(yīng)。將電化學(xué)裝置與質(zhì)譜聯(lián)用，原位捕獲電化學(xué)氧化反應(yīng)過程中的關(guān)鍵自由基中間體，實(shí)時監(jiān)測反應(yīng)相關(guān)分子的動態(tài)變化信息，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程和反應(yīng)動力學(xué)的跟蹤，并初步闡釋了反應(yīng)機(jī)理。此外，還證實(shí)了電氧化C—H/N—H偶聯(lián)反應(yīng)和電氧化苯甲醇反應(yīng)均屬于微滴加速反應(yīng)。Badu-Tawiah等[55]開發(fā)了一種基于nESI-MS的反應(yīng)篩選平臺，僅使用皮摩爾級的反應(yīng)物就可實(shí)時監(jiān)測電氧化反應(yīng)。通過重現(xiàn)3個已知的電化學(xué)反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了2條新的電化學(xué)有機(jī)反應(yīng)途徑。1) 8-甲基-1，2，3，4-四氫喹啉的N脫氫二聚反應(yīng)，構(gòu)建新的喹啉骨架；2) TEMPO介導(dǎo)的四氫異喹啉加速了電氧化脫氫反應(yīng)。因此，在線質(zhì)譜法捕獲的自由基陽離子和關(guān)鍵中間體為這些新型電化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理研究提供了直接證據(jù)。

Cooks等[60]在常壓下采用nESI-MS技術(shù)發(fā)現(xiàn)了一種無需金屬催化劑，用1,2-芳香二胺和烷基或芳基羧酸加速合成苯并咪唑及其衍生物的新路線。這是一種微滴加速合成反應(yīng)，結(jié)合質(zhì)譜在線監(jiān)測為反應(yīng)機(jī)理的闡釋提供了直接證據(jù)。本課題組利用原位nESI-MS技術(shù)對酶催化反應(yīng)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，示于圖4b。該技術(shù)直接采樣，無需樣品預(yù)處理，可以快速、直接從液相中提取不同的分析物。將毛細(xì)管插入施加高壓的液體系統(tǒng)中，分析物可以在毛細(xì)管尖端直接離子化，且體積消耗很小。該方法實(shí)現(xiàn)了酶的原位和高通量篩選，在酶催化領(lǐng)域有著非常重要的潛在應(yīng)用[61]。

圖4 nESI-MS識別不飽和脂肪酸示意圖(a)[58]，nESI-MS高通量篩選酶(b)[61]Fig.4 Schematic diagram of nESI-MS for identification the unsaturated fatty acids (a) [58], high throughput screening enzyme by nESI-MS (b) [61]

1.4 超聲噴霧離子化質(zhì)譜的反應(yīng)監(jiān)測

Hirabayashi等[62]提出無需(高)電壓、無輻射和無加熱環(huán)境下的超聲噴霧離子化質(zhì)譜(SSI-MS)，在毛細(xì)管的同軸方向通入高音速氮?dú)饬?，即可?shí)現(xiàn)樣品溶液的快速離子化。該方法被認(rèn)為是最簡單、最容易實(shí)現(xiàn)的大氣壓電離技術(shù)。在此基礎(chǔ)上衍生出幾種變體，如解吸聲波噴霧電離(DeSSI)[63]、簡易常壓超聲噴霧離子化(EASI)[64]和文丘里簡易常壓超聲噴霧離子化(VEASI)質(zhì)譜[65]等。DeSSI在噴霧毛細(xì)管上既不使用加熱也不使用高壓。因此，與DESI相比，DeSSI提供了更友好、更溫和的反應(yīng)環(huán)境，并且所得質(zhì)譜信號信噪比更高。Eberlin等[63]在無高電壓的環(huán)境中，將DeSSI用于藥物片劑的分析，有助于檢測低分子質(zhì)量的成分或雜質(zhì)。此外，更高速度的超聲波DeSSI噴霧有助于基質(zhì)滲透，從而提供更均勻的采樣和更持久的離子信號。DeSSI是裝置最簡單、最容易實(shí)現(xiàn)的離子化方式，可以無需使用任何加熱、高電壓、激光束、紫外線、電暈放電或輔助氣體，僅依靠聲波噴霧提供的高密度帶電液滴實(shí)現(xiàn)快速的離子化[66]。Haddad等[67]將DeSSI更名為簡易敞開式聲波噴霧離子化(EASI)，凸顯該技術(shù)在常壓環(huán)境下可實(shí)施和操作簡單的特點(diǎn)，裝置示于圖5a。

Santos等[68]在EASI基礎(chǔ)上進(jìn)一步簡化離子化裝置，去除了EASI蠕動泵等流體控制設(shè)備，開發(fā)了一種新的離子化方式，將其命名為文丘里-簡易敞開式聲波噴霧離子化(VEASI)質(zhì)譜，裝置示于圖5b。通過毛細(xì)管內(nèi)高速氣流產(chǎn)生的文丘里效應(yīng)，將樣品溶液自發(fā)帶出毛細(xì)管并形成噴霧的離子化方式。由于離子化方式和SSI相同，也可以看作是加入文丘里管的SSI，通入的氣流同時完成了樣品抽提和霧化雙重功能。VEASI產(chǎn)生的雙極性帶電液滴攜帶的平均電量較低，提高了樣品檢測的靈敏度和離子化選擇性。利用該裝置，本課題組構(gòu)建了常壓無泵抽提離子化技術(shù)，示于圖5c，開發(fā)了1個簡單的接口，將液滴分段系統(tǒng)地連接到VEASI-MS上，簡化了結(jié)構(gòu)，降低了成本，并縮短了采樣時間，實(shí)現(xiàn)了酶抑制劑的高通量篩選，適用于篩選血管緊張素轉(zhuǎn)化酶抑制劑[69]。同時，利用VEASI技術(shù)，在反應(yīng)體系中引入K+，通過文丘里效應(yīng)直接從系統(tǒng)中抽提樣品，實(shí)現(xiàn)對核堿基簇形成的實(shí)時在線監(jiān)測，驗(yàn)證了陽離子對核堿基自組裝過程的影響，示于圖5d。這種“簡單而柔軟”的離子化技術(shù)為實(shí)時在線監(jiān)測和控制自組裝過程提供了潛在途徑[70]。此外，本課題組使用該方法實(shí)時監(jiān)測了藥物與α1-酸性糖蛋白的結(jié)合親和力[71]，還報(bào)道了將文丘里電子超聲噴霧離子化(VESSI)引入催化發(fā)光(CTL)傳感器陣列的檢測應(yīng)用中，區(qū)分了溶液中的糖類，以及糖尿病患者尿液樣本中的4組尿糖水平[72]。

圖5 EASI示意圖(a)[67]，VEASI示意圖(b)[65]，VEASI-MS高通量篩選酶抑制劑(c)[69]，VEASI-MS實(shí)時監(jiān)測裝置(d)[70]Fig. 5 Schematic diagram of EASI (a) [67], VEASI (b) [65], high throughput screening of enzyme inhibitors by VEASI-MS (c) [69], real-time monitoring device by VEASI-MS (d)[70]

1.5 其他在線離子化電噴霧質(zhì)譜的反應(yīng)監(jiān)測

除上述常見的幾種在線電噴霧質(zhì)譜技術(shù)外，還有一些在線電噴霧技術(shù)用于反應(yīng)過程的監(jiān)測，如冷噴霧離子化質(zhì)譜(CSI-MS)、基底電噴霧離子化質(zhì)譜(SESI-MS)和激光輔助電噴霧離子化質(zhì)譜(LAESI-MS)等技術(shù)。

1.5.1冷噴霧離子化質(zhì)譜的反應(yīng)監(jiān)測 一些特殊條件反應(yīng)得到的不穩(wěn)定配合物，在常溫下較難穩(wěn)定存在，因此很難直接進(jìn)行質(zhì)譜檢測?；诖耍梢肜鋰婌F離子化質(zhì)譜(CSI-MS)在低溫下進(jìn)行監(jiān)測，獲得常溫下不穩(wěn)定中間體的信息。CSI-MS使用低溫氣體將液態(tài)樣品冷凍離子化。與ESI不同，CSI所產(chǎn)生的低溫樣品小顆粒在質(zhì)譜的真空區(qū)升華產(chǎn)生待測物離子，操作溫度通常為-80～15 ℃，示于圖6a和6b[73-74]。本課題組基于CSI-MS結(jié)合多種光譜檢測手段，開展了一系列研究工作。采用CSI-MS法研究了水楊醛肼團(tuán)簇的形成[75]，人參皂苷和淀粉樣β肽的非共價(jià)相互作用[74]，酚酸和溶菌酶(Lys)之間的非共價(jià)相互作用，以及確定了蛋白質(zhì)構(gòu)象變化和特異性結(jié)合位點(diǎn)，示于圖6c[76]。同時表征了低聚物，從一系列類黃酮中篩選出2種最具潛力的抑制劑(蘆丁和槲皮苷)，進(jìn)一步研究類黃酮與胰島淀粉樣多肽(IAPP)抑制劑之間的構(gòu)效關(guān)系，示于圖6d[77]。此外，Tan等[78]將CSI與X射線晶體學(xué)相結(jié)合，鑒定了(胍)銅絡(luò)合物催化外消旋溴化烯丙基烷基化的催化中間體。Inoue等[79]觀察到一種CO2配位的熱聯(lián)吡啶配合物，是主導(dǎo)光催化CO2還原的關(guān)鍵中間體。Yamaguchi等[80]采用CSI質(zhì)譜技術(shù)分析了熱穩(wěn)定性差的鉑絡(luò)合物，并與常規(guī)ESI比較，發(fā)現(xiàn)CSI信號中保留了完整的離子信息。

注：a.CSI-MS示意圖；b.CSI-MS裝置圖[74]；c.CSI-MS表征低聚物[76]；d.CSI-MS研究IAPP抑制劑機(jī)理圖[77]圖6 冷噴霧離子化質(zhì)譜的裝置及應(yīng)用Fig.6 Equipment and application of CSI-MS

1.5.2基底電噴霧離子化質(zhì)譜的反應(yīng)監(jiān)測 基底電噴霧離子化質(zhì)譜(SESI-MS)技術(shù)是在施加電壓的情況下，在基底尖端形成泰勒錐，從而產(chǎn)生電噴霧使分析物快速離子化。紙噴霧離子化質(zhì)譜(PSI-MS)是基底電噴霧離子化技術(shù)中最常見的方法。由于該裝置簡單，操作容易且成本低廉，得到了廣泛應(yīng)用[81]。PSI-MS是將液體樣品置于三角形的濾紙上并使其干燥，然后在濾紙上噴灑溶劑并施加電壓，溶劑在高壓電場作用下將分析物溶解萃取后離子化，隨后進(jìn)入質(zhì)譜錐內(nèi)進(jìn)行快速檢測。PSI-MS可通過將試劑直接滴加到三角形的紙表面實(shí)現(xiàn)反應(yīng)加速，其加速效果與溶劑在表面的去溶劑化速度有關(guān)。

Zare等[37]開發(fā)了嵌入式納米PSI-MS技術(shù)，用于研究鈀納米粒子催化的Suzuki交叉偶聯(lián)反應(yīng)、鈀或銀納米粒子催化的4-硝基苯酚還原以及金納米顆粒催化的葡萄糖氧化等非均相催化反應(yīng)，利用這種PSI結(jié)合質(zhì)譜原位快速檢測方法，監(jiān)測到納米催化產(chǎn)生的瞬態(tài)中間體和產(chǎn)物，有助于對催化機(jī)理進(jìn)行合理解釋。Pradeep等[82]用修飾的鉑納米管作為高活性催化劑涂覆于紙基底上，可將2,4,6-三硝基甲苯還原為2,4,6-三氨基甲苯，并通過原位的電噴霧質(zhì)譜技術(shù)檢測產(chǎn)生的中間體和產(chǎn)物。本課題組利用碳納米管修飾PSI-MS技術(shù)直接分析了凝膠中的蛋白質(zhì)，示于圖7a，該技術(shù)為在環(huán)境條件下無需任何預(yù)處理即可直接檢測凝膠內(nèi)完整蛋白提供了一種新途徑，在自上而下的蛋白質(zhì)組學(xué)中具有潛在的應(yīng)用前景[83]。Jiang等[84]將濾紙換成導(dǎo)電玻璃，與電化學(xué)結(jié)合開展了一系列反應(yīng)監(jiān)測和機(jī)理研究。通過EC-MS法實(shí)時監(jiān)測了類芬頓電化學(xué)反應(yīng)中環(huán)丙沙星(CIP)降解的6個新特征中間體，并首次提出了類電子芬頓法降解CIP的機(jī)理。利用該裝置研究了N,N-二甲基苯胺(DMA)的電化學(xué)氧化過程，易于檢測到半衰期為微秒的DMA自由基陽離子[85]。同時，對乙烯的聚合反應(yīng)進(jìn)行了實(shí)時在線監(jiān)測[86]，示于圖7b，該方法可以原位實(shí)時監(jiān)測苯胺(ANI)的聚合物鏈增長，成功捕獲短壽命自由基陽離子(ANI+·)以及可溶性二聚體和低聚物，為研究苯胺電化學(xué)氧化機(jī)理提供直接證據(jù)[87]。

圖7 CNTs 修飾的PSI-MS用于凝膠蛋白質(zhì)示意圖[83](a)，以及電氧化苯胺的裝置和機(jī)理圖[87](b)Fig.7 Schematic diagram of CNTs-modified PSI-MS for in-gel protein analysis[83](a) and device and mechanism diagram for studying the electrooxidation of aniline[87](b)

1.5.3激光輔助電噴霧離子化質(zhì)譜的反應(yīng)監(jiān)測 激光輔助電噴霧離子化質(zhì)譜(LAESI-MS)技術(shù)是分析光催化反應(yīng)的一種重要手段。Chen等[88]采用ESI-MS結(jié)合在線激光照射實(shí)現(xiàn)了可見光催化的[3+2]環(huán)加成反應(yīng)的監(jiān)測。利用該技術(shù)在可見光催化誘導(dǎo)、底物濃度較低的情況下，發(fā)現(xiàn)了胺基陽離子自由基和環(huán)化產(chǎn)物陽離子自由基；同時，利用同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)建立了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的關(guān)鍵步驟[89]。最近，有報(bào)道將無催化劑的電合成替代了可見光催化，通過在線監(jiān)測，進(jìn)一步驗(yàn)證了產(chǎn)物陽離子自由基和反應(yīng)物之間關(guān)鍵的電子轉(zhuǎn)移過程，并且該過程是通過鏈?zhǔn)椒磻?yīng)完成的。Badu-Tawiah等[90]開發(fā)了手持激光輔助納升電噴霧質(zhì)譜在皮摩爾尺度下的實(shí)時光反應(yīng)篩選平臺。利用該平臺，發(fā)現(xiàn)一種從四氫喹啉加速脫氫轉(zhuǎn)化為喹啉的新途徑，并且所捕獲的自由基陽離子和反式-二氫中間體為光氧化還原反應(yīng)的機(jī)理研究提供了直接證據(jù)。Bai等[91]設(shè)計(jì)并搭建了在線激光散射結(jié)合電噴霧質(zhì)譜裝置，捕獲了胺的可見光催化氧化反應(yīng)中2個關(guān)鍵中間體，驗(yàn)證了可見光介導(dǎo)的胺類化合物直接氧化和碳?xì)涔倌軋F(tuán)化兩種途徑共存機(jī)理。結(jié)合密度泛函理論計(jì)算，揭示了胺的催化氧化過程中質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移的兩步脫氫過程。最近，Bai等[92]利用該裝置對可見光介導(dǎo)的雜環(huán)芳烴直接C-H芳基化過程進(jìn)行監(jiān)測，示于圖8，對反應(yīng)進(jìn)程中涉及的中間體和產(chǎn)物進(jìn)行較全面的監(jiān)測，為探討光催化的C-H芳基化反應(yīng)過程和闡述相關(guān)機(jī)理提供了重要的實(shí)驗(yàn)支撐。

圖8 LAESI-MS示意圖[92]Fig.8 Schematic diagram of LAESI-MS[92]

2 結(jié)論和展望

本文綜述了不同構(gòu)型的電噴霧離子化質(zhì)譜在反應(yīng)監(jiān)測研究中的進(jìn)展。通過檢測瞬態(tài)反應(yīng)中間體，開展原位實(shí)時在線的反應(yīng)動力學(xué)研究，為反應(yīng)機(jī)理研究提供了直接證據(jù)。電噴霧離子化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是無需樣品預(yù)處理、檢測靈敏度高、分辨率高、可高通量篩選樣品，并能在線捕獲反應(yīng)中間體，推測或驗(yàn)證反應(yīng)機(jī)理。因此，電噴霧常壓離子化與質(zhì)譜檢測相結(jié)合，已成為化學(xué)反應(yīng)監(jiān)測的有力工具。雖然電噴霧質(zhì)譜技術(shù)在反應(yīng)監(jiān)測方面取得了快速進(jìn)展，但仍存在一定的挑戰(zhàn)：商業(yè)化的ESI離子源仍無法實(shí)時在線監(jiān)測壽命較短的中間體；在線離子化技術(shù)解決了短壽命中間體難以捕捉的問題，但對于反應(yīng)時間相對較長的體系，還存在一定的局限性；利用電噴霧產(chǎn)生的帶電微滴可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的加速，能有效解決傳統(tǒng)有機(jī)反應(yīng)體積大、耗時長、樣品預(yù)處理復(fù)雜等問題，在一定程度上解決了長時間實(shí)時在線監(jiān)測反應(yīng)的局限性，但目前這一技術(shù)研究較多的是相對簡單的反應(yīng)，對復(fù)雜體系的研究較少，普適性還需進(jìn)一步提高。此外，現(xiàn)有的常壓質(zhì)譜技術(shù)很難直接實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)體系的準(zhǔn)確定量分析。綜上所述，基于電噴霧質(zhì)譜的監(jiān)測手段，在高通量篩選、原位監(jiān)測、加速反應(yīng)等研究中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，未來在準(zhǔn)確定量和復(fù)雜體系研究等領(lǐng)域還需進(jìn)一步完善和發(fā)展。