質(zhì)譜技術(shù)在反應(yīng)監(jiān)測中的發(fā)展和應(yīng)用

艾萬鵬，宋詩瑤，白 玉，劉虎威

（北京分子科學(xué)國家實驗室,北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院,北京100871）

明確的反應(yīng)機理對于探索和發(fā)展可持續(xù)的反應(yīng)具有重要意義［1］.對反應(yīng)過程進行實時、準(zhǔn)確的監(jiān)測可以更好地闡釋反應(yīng)機理，為理解反應(yīng)進而改造化學(xué)過程奠定基礎(chǔ).用于反應(yīng)監(jiān)測與機理研究的方法主要包括核磁共振（NMR）波譜法、電子順磁共振（EPR）波譜法、紫外-可見（UV-Vis）光譜法、瞬態(tài)吸收光譜法［2～6］、電化學(xué)法等實驗研究方法和密度泛函理論（DFT）等理論計算方法.其中，NMR是有機化合物結(jié)構(gòu)解析中最常用的表征技術(shù)之一，是一種非破壞性的檢測方法.在線NMR技術(shù)通過對反應(yīng)混合物進行實時監(jiān)控進而開展反應(yīng)動力學(xué)研究，但技術(shù)上的局限性使其不利于半衰期短于原子核弛豫時間的中間體的檢測［7］.EPR波譜法可以通過特定的信號模式來識別一些壽命較短的順磁性自由基中間體，如利用自旋捕獲劑使壽命極短的自由基形成更穩(wěn)定的、可被檢測的自由基等［8］.檢測包括非自由基在內(nèi)的難捕捉的中間體通常需要更靈敏的時間分辨光譜技術(shù)，如激光閃光光解（LFP）法［9］.除光譜方法外，電化學(xué)測定法也常用于反應(yīng)機理的研究.氧化還原性質(zhì)的鑒定是評價反應(yīng)熱力學(xué)可行性的關(guān)鍵，如循環(huán)伏安法（CV）是測定標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位值最直接的方法.而對于無法通過實驗觀測到反應(yīng)過程中的催化活性物質(zhì)或者中間體的反應(yīng)，必要的理論計算就成為深入了解反應(yīng)及其機理的工具［10］.以有機金屬催化反應(yīng)研究為例，研究者在其機理的計算過程中通常需要兼顧計算準(zhǔn)確度和所需時間［11］.目前，DFT是一種常用于該類機理研究的理論計算方法.

盡管上述方法在反應(yīng)中間體捕捉和機理研究中應(yīng)用廣泛，但仍存在各自的局限.此外，反應(yīng)過程中中間體的鑒定是反應(yīng)監(jiān)測中最重要的環(huán)節(jié)，對于短壽命反應(yīng)中間體的直接捕捉及結(jié)構(gòu)鑒定則更具挑戰(zhàn)性，通常需要引入新的反應(yīng)監(jiān)測技術(shù).質(zhì)譜（MS）作為一種具有高分辨率、高靈敏度、快速響應(yīng)性以及強大的結(jié)構(gòu)鑒定能力的分析工具，在有機反應(yīng)的監(jiān)控研究方面具有明顯優(yōu)勢.而常壓質(zhì)譜離子化技術(shù)具有快速、高通量、操作簡便且不需要或者僅需要很少的樣本預(yù)處理等特點［12］，近年來發(fā)展迅速.該技術(shù)可在自然的大氣壓環(huán)境中直接對樣本進行解吸附和離子化，有利于反應(yīng)的原位直接快速取樣，從而在反應(yīng)監(jiān)測領(lǐng)域得到日益廣泛和深入的應(yīng)用和發(fā)展［13］.根據(jù)有機反應(yīng)的特點，基于質(zhì)譜的機理研究方案主要分為基于在線直接采樣的質(zhì)譜實時監(jiān)測方案、基于常規(guī)常壓質(zhì)譜的短反應(yīng)及長時間有機反應(yīng)的監(jiān)測，以及其它常壓質(zhì)譜技術(shù)在反應(yīng)監(jiān)測中的應(yīng)用等.

1 基于在線直接采樣的質(zhì)譜實時監(jiān)測反應(yīng)研究

有機反應(yīng)在線直接采樣實時監(jiān)測法是在傳統(tǒng)離線電噴霧（ESI）質(zhì)譜基礎(chǔ)上的改進方案，能直接有效地監(jiān)測大部分反應(yīng).典型的研究技術(shù)為連續(xù)樣本注射質(zhì)譜法（CSI MS）［14，15］，即借助一個三通對反應(yīng)體系采樣并實現(xiàn)樣品稀釋，然后進行質(zhì)譜檢測［圖1（A）］［16］，該方法操作簡單、普適性強.McIndoe等［14］利用CSI MS在線監(jiān)測了高活性的零價鈀中間體并證明其符合一級動力學(xué)消除過程.Waymouth等［17］采用CSI MS結(jié)合同位素標(biāo)記和動力學(xué)研究手段，為乙醇氧化、氧氣活化和過氧化氫歧化反應(yīng)的中間體和反應(yīng)途徑研究提供了重要依據(jù).Zare團隊［18］利用CSI MS和持續(xù)的UV-Vis光譜闡明由CuBr2和氟試劑介導(dǎo)的Ritter型C—H胺化反應(yīng)的2條途徑，并進一步結(jié)合電化學(xué)和動力學(xué)手段研究了釕催化的C—H羥基化反應(yīng)機理，發(fā)現(xiàn)了一種以上的活性氧化劑和3種不同的催化劑分解/阻滯機理［19］.為了實現(xiàn)高通量檢測，Cooks團隊［20］將定制的3D打印旋轉(zhuǎn)支架與CSI MS結(jié)合，能同時對包括腙形成和Katritzky轉(zhuǎn)氨作用合成等6個反應(yīng)實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測，而不需要進行數(shù)小時的重復(fù)操作［圖1（B）］，并能對ESI難以離子化的化合物在線衍生和監(jiān)測.

盡管CSI MS在進樣前通常會對樣本進行稀釋，但是為了監(jiān)控整個反應(yīng)進程而長時間持續(xù)進樣對質(zhì)譜儀器造成的污染問題仍不可忽略.與此同時，高濃度含鹽樣品溶液可能造成ESI離子源噴針堵塞.為此，Yan等［21］借助脈沖正電壓產(chǎn)生的瞬態(tài)強電場使噴霧溶液產(chǎn)生帶電液滴的方法緩解了上述問題［圖1（C）］，并通過增加一個樣品分離器進一步降低了裝置對質(zhì)譜的污染.他們利用該裝置在線監(jiān)測了Negishi交叉偶聯(lián)反應(yīng)、Pd/C-催化氫裂解和還原胺化反應(yīng)，并捕捉到一些相關(guān)的短壽命中間體（半衰期為5 s）.此外，還利用該裝置監(jiān)測了阿拉格列汀的合成路線［22］.

CSI MS是進行反應(yīng)監(jiān)測的經(jīng)典方法，但是由于取樣硬件條件的限制，該方法對復(fù)雜反應(yīng)的監(jiān)測可能會存在局限性.此外，ESI離子源在中性被分析物的檢測中存在不足.為解決這一問題，Gill等［23］設(shè)計了液相電子電離凝相膜引入質(zhì)譜法（CP-MIMS-LEI），用于對反應(yīng)過程中的中性產(chǎn)物進行實時連續(xù)監(jiān)測［圖1（D）］，開展了高酸性甲醇溶劑中苯乙炔催化氧化制苯乙酮反應(yīng)的監(jiān)測，并定量在線監(jiān)測烷基甘氨酸酯的合成.CP-MIMS-LEI是以ESI為主要離子化手段的CSI MS法的重要補充，可對在反應(yīng)過程中發(fā)生產(chǎn)物結(jié)晶現(xiàn)象的體系實施監(jiān)測.

在線直接采樣監(jiān)測策略是基于質(zhì)譜技術(shù)的反應(yīng)監(jiān)測研究中最簡單和經(jīng)典的方法，然而，CSI MS的長傳輸管路和質(zhì)譜技術(shù)取樣過程中產(chǎn)生的死時間都會造成反應(yīng)監(jiān)測過程中的檢測滯后.因此，基于在線直接采樣的質(zhì)譜監(jiān)測反應(yīng)方案適用于長壽命中間態(tài)物質(zhì)的捕捉與鑒定，對于快速完成的反應(yīng)及長時間反應(yīng)中的短壽命中間體的監(jiān)測存在局限性.

2 基于常壓質(zhì)譜的快反應(yīng)直接監(jiān)測

常壓質(zhì)譜離子化技術(shù)在大氣壓環(huán)境中即可直接實現(xiàn)樣本的解吸附和離子化，具有快速、高通量、操作簡便且樣本預(yù)處理簡單等特點.自解吸電噴霧離子化（DESI）［24］和實時直接分析（DART）技術(shù)［25］這2種最典型的常壓離子化技術(shù)被提出以來，常壓離子化技術(shù)領(lǐng)域方興未艾.針對前述經(jīng)典的在線直接采樣質(zhì)譜監(jiān)測反應(yīng)過程中存在的局限，取樣方式更為靈活的常壓質(zhì)譜技術(shù)為反應(yīng)監(jiān)測研究提供了新的解決方案，尤其為快反應(yīng)的有效、在線、實時原位監(jiān)測提供了可能.

2.1 短有機反應(yīng)的監(jiān)測

2004年，Cooks課題組［24］提出了DESI技術(shù)，首次引入了常壓質(zhì)譜（AMS）的概念.與傳統(tǒng)質(zhì)譜檢測相比，其在樣品表面的溶劑萃取過程增加了樣品采集能力，幾乎無需對樣品進行預(yù)處理，在敞開大氣壓環(huán)境下即可直接對樣品進行解吸附和離子化［26～28］，可實時提供反應(yīng)過程中的離子“快照”，展示足量的中間體信息.DESI技術(shù)是使用最多的應(yīng)用于短時間反應(yīng)監(jiān)測的研究方法，其取樣時間在毫秒或更短的時間尺度.利用DESI-MS技術(shù)，Perry等［29］實現(xiàn)了對快速完成的Ru（Ⅱ）不對稱轉(zhuǎn)移加氫催化劑的合成反應(yīng)的監(jiān)測，并進一步結(jié)合高分辨靜電場軌道阱質(zhì)譜捕捉到2個壽命在亞毫秒及毫秒范圍內(nèi)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［30］［圖2（A）］.而后作者利用該裝置捕捉并鑒定了由四羧酸二銠絡(luò)合物催化的C—H胺化反應(yīng)的瞬態(tài)反應(yīng)中間物，表明Rh-氮賓氧化劑可以通過氫原子攫取路徑與烴類底物發(fā)生反應(yīng)［31］.Xu等［32］使用DESI-MS研究了Eschweiler Clarke反應(yīng)，檢測到胺與甲醛的親核加成產(chǎn)物以及初始加成產(chǎn)物脫水生成亞胺離子過程中的2個關(guān)鍵中間體.然而，當(dāng)反應(yīng)物易在電場中發(fā)生氧化或者對空氣中的氧氣敏感時，直接將反應(yīng)試劑加入到DESI電噴霧溶液中可能導(dǎo)致反應(yīng)無法進行.因此，Zheng等［33］嘗試將DESI作為一種樣品傳輸工具［圖2（B）］，在事先對反應(yīng)試劑脫氣和填充氬氣保護后，反應(yīng)中間體和產(chǎn)物直接與DESI的初級噴霧接觸并被帶入質(zhì)譜進行檢測，通過與金屬同位素理論峰對比并結(jié)合二級質(zhì)譜分析結(jié)果，捕捉了單磷配體的零價鈀中間體，驗證了整個反應(yīng)循環(huán).Lu等［34］利用DESI-MS研究了金催化炔的水化反應(yīng)，通過監(jiān)控不同條件（常規(guī)和稀釋的催化劑濃度、不同pH值）下反應(yīng)的早期階段（反應(yīng)物混合后1～2 ms），證明了雙金復(fù)合物是潛在的關(guān)鍵反應(yīng)中間體.此外，萃取電噴霧離子化（EESI）技術(shù)也常被用于短有機反應(yīng)監(jiān)測.

Fig.2 Application of DESI-MS in reaction monitoring

2.2 電化學(xué)反應(yīng)監(jiān)測

相對于一般有機反應(yīng)需要長的反應(yīng)時間，電化學(xué)反應(yīng)速度通常較快.由于電化學(xué)反應(yīng)的溶劑體系通常包含大量的水溶液和高濃度的電解質(zhì)，不利于后續(xù)的質(zhì)譜分析.因此，具有快速取樣能力和原位分析優(yōu)勢的DESI-MS技術(shù)是捕捉電化學(xué)反應(yīng)過程中瞬態(tài)中間體的最有效手段.如圖3（A）所示，Brown等［35～37］提出DESI-MS與“水輪”集成裝置對電化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)有效監(jiān)測并觀測到了瞬態(tài)中間體.利用DESI-MS，作者分別觀察到了電氧化反應(yīng)過程中的二亞胺中間體、N，N-二甲基苯胺自由基陽離子以及氮翁離子.盡管“水輪”裝置與DESI-MS的組合能實現(xiàn)電化學(xué)中間體的捕捉和監(jiān)測，然而該組合在使用前需要仔細(xì)調(diào)整空間位置以獲得更好的結(jié)果.為了提高監(jiān)測效率、減少鞘氣干擾、吹干流動電解質(zhì)，Cheng等［38］設(shè)計了2個簡單且易于操作的DESI電化學(xué)質(zhì)譜檢測平臺（斜面和平面），對上述電化學(xué)反應(yīng)的中間體進行了有效檢測［圖3（B）］.此外，DESI-MS也可與薄層電化學(xué)液流電池直接聯(lián)用開展反應(yīng)監(jiān)測研究.Cheng等［39］利用DESI-MS的高耐鹽性優(yōu)點首次在酸性和堿性介質(zhì)條件下檢測到了經(jīng)PhNHNH2在線衍生化的甲醇電氧化產(chǎn)物（衍生產(chǎn)物為PhNHNH+=CH2）［圖3（C）］.

盡管DESI-MS技術(shù)展示出高效快速的取樣優(yōu)點，然而該技術(shù)裝置相對復(fù)雜，且存在高速噴霧對電化學(xué)反應(yīng)過程的干擾問題.因此，研究者嘗試了一系列改進措施，如簡化實驗裝置以降低對電化學(xué)反應(yīng)過程的干擾.Zhang等［40］開發(fā)了一種基于液滴噴霧離子化技術(shù)的液滴級實時電化學(xué)反應(yīng)篩選平臺［圖4（A）］.該平臺包含一個置于質(zhì)譜入口前的玻璃滑角，它既可作為電解液池，也可作為噴霧電離源.由鉑絲工作電極、盤狀鉑對電極和Ag/AgCl參比電極組成的三電極系統(tǒng)分別安裝在滑角上.分別施加電壓E+ΔE和電壓E（E=4.5 kV，ΔE=0～2 V）于工作電極和對電極上，既能實現(xiàn)電氧化又能實現(xiàn)電噴霧.利用該裝置成功捕捉到了半衰期為微秒級的N，N-二甲基苯胺自由基陽離子，并能對后續(xù)反應(yīng)進行數(shù)分鐘的實時跟蹤.與DESI-MS技術(shù)相比，該裝置可實現(xiàn)分鐘尺度的相對長時間的實時監(jiān)測，為反應(yīng)過程動力學(xué)和多級反應(yīng)監(jiān)測提供可能.針對DESI高速噴霧的擾動問題，Wang等［41］將二次離子質(zhì)譜與真空兼容的微流控電化學(xué)裝置聯(lián)用，開發(fā)了液體-真空界面分析系統(tǒng)（SALVI）［圖4（B）］.利用該系統(tǒng)，作者不僅首次在電極電解質(zhì)界面上原位捕獲到以前未直接檢測到的短壽命自由基中間體，闡明了具有重要生物學(xué)意義的有機化合物抗壞血酸的電氧化機理，而且能實時監(jiān)測電極電解質(zhì)界面雙電層的形成和動態(tài)演化過程.

Fig.3 Direct monitoring of electrochemical reaction using DESI-MS

Fig.4 Other examples of electrochemical reaction monitoring

在上述直接原位采樣的基礎(chǔ)上，研究者進一步嘗試了超微電極表面電化學(xué)反應(yīng)的直接質(zhì)譜監(jiān)測.Shao等［42］開發(fā)了集成微電化學(xué)池和納噴霧發(fā)射器的復(fù)合超微電極［圖4（C）］，利用壓電槍產(chǎn)生離子后，通過質(zhì)譜獲得電化學(xué)的原位分子信息，關(guān)鍵中間體的獲得闡明了Ru（bpy）32+（bpy=2，2′-聯(lián)吡啶）的電化學(xué)發(fā)光機理.利用類似的裝置，Gu等［43］原位研究了液/液界面四苯基卟啉鈷催化二茂鐵氧的還原反應(yīng)機理.

此外，對于產(chǎn)物中氣液2種狀態(tài)產(chǎn)物的同時檢測近期也有報道.Katsounaros等［44］搭建了電化學(xué)、電子轟擊質(zhì)譜（EI MS）和DART-MS聯(lián)用裝置［圖4（D）］，可同時實現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)中氣態(tài)和液態(tài)產(chǎn)物的時間分辨和電位分辨表征.分別在未處理的銅和原位陽極氧化銅上進行電位掃描實驗，檢測到了CO2的還原反應(yīng)產(chǎn)物.

3 基于常壓質(zhì)譜的微滴加速在長時間反應(yīng)監(jiān)測中的應(yīng)用

AMS為快反應(yīng)監(jiān)測提供了實時在線研究的可能，然而對于絕大多數(shù)需要較長時間完成的反應(yīng)體系，單一的原位取樣不足以有效實現(xiàn)該類反應(yīng)的過程研究.因此，利用微滴中的反應(yīng)加速現(xiàn)象是常壓質(zhì)譜解決上述問題的主要手段.伴隨著常壓質(zhì)譜離子化技術(shù)的開發(fā)與不斷改進，越來越多的反應(yīng)可有效地通過微滴加速進行，包括有機反應(yīng)、無機材料合成及蛋白降解等.利用微滴加速進行反應(yīng)過程監(jiān)測的研究主要利用基于噴霧的離子化技術(shù)，包括ESI，DESI和EESI技術(shù)［45］等.依靠這種相對溫和的方案，可檢測出一系列反應(yīng)的重要中間體［46，47］.結(jié)合實時的二級質(zhì)譜結(jié)構(gòu)鑒定，可對復(fù)雜反應(yīng)的實際反應(yīng)路徑和機理提出合理假設(shè)并予以證實.

3.1 基于ESI的微滴加速在反應(yīng)監(jiān)測中的應(yīng)用

Alvim等［48］利用ESI MS研究了漢奇反應(yīng)，通過對相關(guān)中間體的有效捕捉證實1，4-二氫吡啶的合成主要經(jīng)歷了二酮反應(yīng)路徑.在該條件下，反應(yīng)液滴離開離子源后，隨著液滴蒸發(fā)和庫倫爆炸的不斷進行，漢奇反應(yīng)得到加速［49］.該反應(yīng)涉及多個中間體，通過改變噴霧源與質(zhì)譜入口之間的距離，可以跟蹤反應(yīng)隨時間的變化過程.如圖5（A）所示，Yan等［50］發(fā)現(xiàn)當(dāng)增加ESI離子源出口與質(zhì)譜入口的距離后，帶電微滴的去溶劑化時間隨之增加.實驗發(fā)現(xiàn)，距離越短反應(yīng)加速現(xiàn)象越不明顯，質(zhì)譜觀測到的主要是反應(yīng)試劑的分子離子峰；隨著距離增大，各種中間體和最終產(chǎn)物的信號也逐漸上升.類似的，Nielen等［51］采用LAESI和長達1 m的離子傳輸管研究了點擊反應(yīng)，并實現(xiàn)了反應(yīng)成像［圖5（B）］.值得注意的是，因為整個反應(yīng)時間在毫秒尺度，液滴反應(yīng)速率相對于本體反應(yīng)速率增加105倍.從最終的實驗結(jié)果上看，電噴霧具有加速反應(yīng)的特點，同時通過簡單的實驗參數(shù)調(diào)節(jié)，反應(yīng)監(jiān)測和反應(yīng)加速能夠交替進行.Yan等［50］認(rèn)為電噴霧微滴在發(fā)生溶劑蒸發(fā)和庫倫爆炸的過程中，存在著溶劑不斷揮發(fā)導(dǎo)致微滴反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物濃度不斷升高的現(xiàn)象，這也是導(dǎo)致反應(yīng)加速的主要原因.

另外，除溶劑蒸發(fā)促使反應(yīng)物濃度上升而導(dǎo)致的反應(yīng)加速外，電噴霧微滴表面的電荷也會輔助反應(yīng).如圖5（C）所示，Banerjee［52］等用ESI-MS技術(shù)在不加強酸輔助的情況下直接合成了異喹啉和取代基喹啉.Pomeranz-Fritsch反應(yīng)是一個酸誘導(dǎo)的合成異喹啉的反應(yīng)，該反應(yīng)需要經(jīng)歷2個過程，即苯甲醛和氨基乙醛二乙縮醛形成前驅(qū)體，之后前驅(qū)體在強酸的作用下經(jīng)過2個中間體閉環(huán)形成產(chǎn)物異喹啉.通常情況下，Pomeranz-Fritsch反應(yīng)需要在強酸輔助下反應(yīng)幾小時甚至幾天才能完成.當(dāng)采用電噴霧進樣時，該反應(yīng)在無需任何酸的介入下可在毫秒內(nèi)完成，并可通過質(zhì)譜觀測到相關(guān)的中間體和產(chǎn)物.這可能是由于隨著溶劑的不斷蒸發(fā)，帶電微滴表面電荷得到富集，正離子檢測模式下產(chǎn)生的正電荷所起的作用類似于本體反應(yīng)中強酸的作用.另外，作者認(rèn)為隨著庫倫爆炸過程的進行，電噴霧微滴比表面的擴大也會促使該反應(yīng)加速進行.微滴表面的極端pH不僅會加速反應(yīng)的進行，同時會影響反應(yīng)結(jié)果.Gao等［53］利用微滴加速現(xiàn)象，在不加額外的酸性或堿性催化劑的條件下，直接合成了2-苯基-2，3-鄰苯二甲酸二氫嗪-1，4-二酮.與體相反應(yīng)相比，微滴反應(yīng)僅僅生成重要的六元雜環(huán)產(chǎn)物，表現(xiàn)出良好的反應(yīng)選擇性.利用反應(yīng)加速現(xiàn)象，Muller等［54］采用ESI裝置研究了施密特克萊森縮合反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)電噴霧能加速形成碳碳鍵，且能在短時間內(nèi)可獲得毫克量級產(chǎn)物.

Fig.5 Application of microdroplet acceleration based on ESI-MS in reaction monitoring

電聲波噴霧離子化（ESSI）［55，56］是ESI的一個變體，由微ESI源與超音速鞘氣構(gòu)成.鞘氣的高線速度提供了高效氣動噴霧以霧化帶電微滴，與傳統(tǒng)的ESI離子源相比，ESSI產(chǎn)生的帶電微滴更小，更加有利于反應(yīng)的加速進行.Bain等［57］利用ESSI-MS監(jiān)測了微滴中肼的加速形成過程.Luo等［58］利用ESSI加速合成了金-組氨酸復(fù)合物催化劑［Au-（His）2］［圖6（A）］.與該催化劑的本體反應(yīng)合成方案相比，該裝置加速了催化劑的生成（比本體反應(yīng)快3.0×107倍）.此外，通過調(diào)節(jié)和優(yōu)化噴霧出口與質(zhì)譜入口間的距離（最佳距離2 cm），前驅(qū)體氯金酸與組氨酸的反應(yīng)可以保持在形成催化活性的Au5納米顆粒的狀態(tài)，避免了金進一步聚集形成Au10納米顆粒.另外，如圖6（B）所示，Zhong等［59］利用ESSI-MS實現(xiàn)了蛋白質(zhì)的超快酶解，更小尺寸的微滴是有效促進酶解加速的原因之一.與傳統(tǒng)方案相比，微滴加速可將酶解時間由過夜縮短至不到1 ms，并且獲得了86%的高序列覆蓋率.當(dāng)在負(fù)離子模式下采集時，所有理論上可被酶解的肽鍵均被破壞，序列覆蓋率達到100%.

Fig.6 Application of ESSI-MS-based microdroplet acceleration in reaction monitoring

3.2 基于DESI的微滴加速在反應(yīng)監(jiān)測中的應(yīng)用

DESI允許樣本直接在空氣中離子化，最初用于衍生化反應(yīng).Girod等［60］嘗試直接將反應(yīng)試劑加入到DESI噴霧內(nèi)與另一反應(yīng)物發(fā)生反應(yīng)，在二次液滴中就會形成產(chǎn)物并被傳入質(zhì)譜進行分析檢測.整個反應(yīng)在二次液滴中被加速，速率提升了幾個數(shù)量級.作者采用酸化的吉拉爾特試劑T作為噴霧溶液直接作用到類固醇上，發(fā)現(xiàn)雙分子衍生化反應(yīng)在毫秒內(nèi)完成，質(zhì)譜分析結(jié)果中存在著明顯的產(chǎn)物腙的信號.

3.3 基于EESI的微滴加速在反應(yīng)監(jiān)測中的應(yīng)用

Lee等［61］使用高速攝像機捕捉EESI在反應(yīng)監(jiān)測應(yīng)用中的液滴軌跡并給出其示意圖［圖7（A）］.實驗結(jié)果表明，液滴混合中心尺寸約為500μm.混合時間與待檢測物質(zhì)進入質(zhì)譜入口的時間相比足夠短.此外，作者發(fā)現(xiàn)液滴內(nèi)部的反應(yīng)在進入質(zhì)譜加熱毛細(xì)管前可以停止，其反應(yīng)時間正比于混合中心和質(zhì)譜入口的距離.通過研究細(xì)胞色素C的酸誘導(dǎo)解折疊現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，EESI下解折疊速率是本體反應(yīng)的1000倍.Lee等［62］還利用相似的裝置研究了酸誘導(dǎo)葉綠素除鹽的動力學(xué)過程.近期，該團隊［63］采用EESI源在無還原劑前提下利用水微滴自發(fā)合成了金納米顆粒［圖7（B）］.進一步，金屬顆粒的生長過程可通過調(diào)節(jié)混合中心和質(zhì)譜入口的距離來監(jiān)控.Marquez等［64］采用EESI裝置捕捉到電子轉(zhuǎn)移催化的反式茴香醚二聚過程中出現(xiàn)的遠(yuǎn)端自由基陽離子中間體.

Fig.7 Application of microdroplet acceleration based on EESI-MS in reaction monitoring

3.4 微滴加速現(xiàn)象在反應(yīng)監(jiān)測應(yīng)用中的局限

盡管微滴加速現(xiàn)象為反應(yīng)的在線監(jiān)測提供了可能，但是該方法普適性不強，即反應(yīng)加速并不適用于所有反應(yīng).Marsh等［65］借助苯腙形成反應(yīng)研究了電噴霧出口與質(zhì)譜入口距離、源尖端直徑和有無表面活性劑的存在等條件對反應(yīng)速率的影響，發(fā)現(xiàn)更大的距離、更小的源尖端直徑和有表面活性劑存在時產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率有所增加.這些結(jié)果表明，反應(yīng)加速與微滴本身及表面狀況密切相關(guān).Mondal等［66］對微滴加速現(xiàn)象進行了深入研究.對微滴中的反應(yīng)建模后，反應(yīng)過程可分為以下3個步驟：（1）反應(yīng)物從微滴核心擴散到表面；（2）反應(yīng)物在表面擴散以尋找其他反應(yīng)物；（3）分子內(nèi)化學(xué)鍵斷裂和產(chǎn)物生成.作者得到了反應(yīng)物在二維和三維液滴中尋找分布在表面的其它反應(yīng)物的平均搜索時間解析表達式.平均搜索時間與R2/D正相關(guān)（R為液滴半徑，D為分子在液滴介質(zhì)中的擴散常數(shù)）.利用布朗動力學(xué)模擬，與體相反應(yīng)相比，作者證明了液滴表面的平均搜索時間更短.如果內(nèi)在的分子間反應(yīng)比平均搜索時間快，該過程即為擴散控制的過程，反應(yīng)可以在液滴介質(zhì)中加速進行.實驗中還發(fā)現(xiàn)，空氣/微滴界面具有不同的反應(yīng)環(huán)境，表面更豐富的水合氫離子可以大大削弱鍵能，從而降低了活化勢壘.同時，在沿3個笛卡爾軸的任何一個方向存在靜電偶極電場時，也有類似的促進鍵斷裂的作用.綜上所述，微滴加速效應(yīng)并不具備普適性，只有分子間反應(yīng)比平均搜索時間快的體系才能在微滴中加速.Banerjee等［67］也得到類似結(jié)論.

4 其它常壓質(zhì)譜在反應(yīng)監(jiān)測中的應(yīng)用

4.1 常壓質(zhì)譜的在線直接采樣實時監(jiān)測

常壓質(zhì)譜離子化技術(shù)常與經(jīng)典在線直接采樣法結(jié)合使用對反應(yīng)進行實時監(jiān)測.與經(jīng)典的CSI-MS技術(shù)相比，典型的常壓質(zhì)譜技術(shù)DESI可在分析樣品前獲得空白質(zhì)譜圖，從而易于扣除潛在的背景離子.此外，由于DESI的進樣量相對較小，可最大化降低對樣品轉(zhuǎn)移用的注射器、管道和配件的污染［圖8（A）］［16］.Boeser等［68］采用DESI MS研究了芳基硼酸與烯酮底物的不對稱鈀催化共軛加成反應(yīng)，不僅檢測出催化循環(huán)的中間體，而且揭示了芳基硼酸底物反應(yīng)活性的差異.Banerjee等［16］利用DESI MS和在線ESI MS法研究了銅催化羧酸C—H氧化環(huán)化的機理.結(jié)果表明，瞬態(tài)的芐基自由基中間體被Cu（Ⅱ）氧化產(chǎn)生芐基碳正離子，之后被羧酸側(cè)基捕獲形成內(nèi)酯產(chǎn)物.該團隊近期采用DESI研究了叔丁醇鉀催化芳香雜環(huán)C—H硅化反應(yīng)的離子化機理，捕獲了包含硅試劑、反應(yīng)底物和叔丁醇催化劑的五配位硅中間體，提出了一個合理的催化循環(huán)路徑［69］.

Fig.8 Ambient mass spectrometry used for online direct sampling real-time reaction monitoring

EESI也被應(yīng)用于在線直接采樣實時監(jiān)測.EESI的主要特征是有2路交叉噴霧，其中一路用于霧化樣本溶液，另外一路用于產(chǎn)生帶電溶劑微滴，在待測分子進入質(zhì)譜前首先發(fā)生的是液液萃取過程.如圖8（B）所示，Hopley等［70］搭建了實時采樣裝置，通過蠕動泵抽取反應(yīng)液后再將反應(yīng)液注回反應(yīng)錐形瓶形成噴霧，之后通過文丘里效應(yīng)抽取瓶內(nèi)噴霧并在另一路帶電噴霧的作用下離子化樣品.通過該策略，作者實時監(jiān)測了水楊酸乙酯堿性水解成水楊酸的過程.此外，多相液流EESI（MF-EESI）作為一種新型液體輔助離子化方法，基于輔助載氣的氣動噴霧可實現(xiàn)溶液反應(yīng)體系的快速抽提，并借助輔助液流增加樣品的離子化性能得到穩(wěn)定的噴霧，進而進行質(zhì)譜檢測.Wang等［71］用該技術(shù)對葡萄糖酶催化氧化反應(yīng)進行了探究，首次發(fā)現(xiàn)了黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）-葡萄糖中間體的存在，并對其氧化過程進行了探討.

電噴霧輔助激光解吸離子化（ELDI）［72］應(yīng)用于在線采樣實時監(jiān)測時需要額外添加碳粉基質(zhì)以促進解吸.Shiea等［73］用ELDI結(jié)合碳粉基質(zhì)在線監(jiān)測了查爾酮在乙醇中的環(huán)氧化反應(yīng)、乙二胺四乙酸與銅、鎳離子的螯合反應(yīng)、1，10-菲羅啉與鐵（Ⅱ）的螯合反應(yīng)以及細(xì)胞色素C在水溶液中的胰蛋白酶消化過程［圖8（C）］.

4.2 基底噴霧技術(shù)在反應(yīng)監(jiān)測中的應(yīng)用

基底噴霧技術(shù)的最大特點是在電場驅(qū)動下基底尖端形成泰勒錐，進而產(chǎn)生電噴霧使得待測物離子化.最普遍應(yīng)用的基底噴霧法為紙噴霧離子化（PSI）技術(shù)［74］.PSI是將液體樣品置于三角形的濾紙上并讓其干燥，然后在濾紙上噴灑溶劑并施加電壓，促使樣本進入質(zhì)譜儀內(nèi)被分析.PSI耐鹽性強，可吸附復(fù)雜基質(zhì)樣本中的干擾物質(zhì)（如鹽等），同時釋放和分析可溶性分析物，從而提高了靈敏度和重現(xiàn)性.在反應(yīng)監(jiān)測方面，將試劑直接滴加到三角形的紙面上，紙表面就可以發(fā)生反應(yīng)加速現(xiàn)象，而加速程度取決于表面溶劑蒸發(fā)速度.如圖9（A）所示，Banerjee等［75］將鈀、銀和金納米粒子涂覆的紙張基板分別用于原位催化研究鈴木交叉偶聯(lián)、4-硝基酚還原和葡萄糖氧化反應(yīng)，并結(jié)合質(zhì)譜觀測到了相關(guān)反應(yīng)的中間體和產(chǎn)物，這也說明PSI MS為快速反應(yīng)性評估和新催化劑快速篩選提供了平臺.類似的，Sarkar等［76］用鉑納米涂覆的紙基底作為高活性催化劑，將2，4，6-三硝基甲苯還原為2，4，6-三氨基甲苯以利于其離子化.將濾紙換成載玻片，Jiang等［77］采用液滴噴霧離子化（DSI）技術(shù)實時監(jiān)測了乙烯聚合反應(yīng)［圖9（B）］.另外一種基底噴霧技術(shù)探針電噴霧離子化（PESI）技術(shù)［78］具有儀器設(shè)置簡單、能直接取樣及樣品消耗量低等優(yōu)點，也可以作為一種潛在的反應(yīng)實時監(jiān)測工具.Yu等［79］利用PESI MS實時監(jiān)測了如酸致蛋白變性、肽的氫/氘交換和希夫堿的形成等一些生物和化學(xué)反應(yīng)［圖9（C）］.

Fig.9 Application of substrate spray in reaction monitoring

4.3 基于等離子體技術(shù)的反應(yīng)監(jiān)測應(yīng)用

除了基于噴霧技術(shù)的常壓源，基于等離子體的常壓技術(shù)在反應(yīng)監(jiān)測領(lǐng)域也有相關(guān)應(yīng)用.低溫等離子體（LTP）［80］探針采用高壓交流電產(chǎn)生等離子體，可以直接作用于樣本，實現(xiàn)解吸和離子化.如圖10（A）所示，Ma等［81］利用LTP MS實時連續(xù)監(jiān)測乙二胺與乙酸酐的乙酰化過程、乙二胺與醛的縮合反應(yīng)和甲醇與乙酸酐的酯化反應(yīng).相對于DESI MS等方案，該技術(shù)對溶液體系中的鹽容忍度更高，對質(zhì)譜的污染更小.Zhang等［82］在介質(zhì)阻擋放電離子化（DBDI）［83］技術(shù)的基礎(chǔ)上搭建了反應(yīng)表面解吸介質(zhì)阻擋放電離子化（SDDBDI）裝置用于監(jiān)測反應(yīng).如圖10（B）所示，該裝置由一個納米針電極和一塊用作介電材料和樣品基底的蓋玻片組成，并對質(zhì)譜入口接地.定制的PEEK氣體噴嘴用于傳輸放電氣體，工作時試劑通過T型裝置被摻雜到放電氣體中，流速由注射泵控制.利用該裝置，作者對氨基苯酚的在線衍生反應(yīng)（與三氟乙酸酐反應(yīng)）、席夫堿反應(yīng)和Eberlin反應(yīng)進行了在線監(jiān)測.

Fig.10 Application of plasma-based ambient ionization in reaction monitoring

4.4 激光輻照結(jié)合電噴霧質(zhì)譜在光反應(yīng)監(jiān)測中的應(yīng)用

利用激光引發(fā)反應(yīng)并結(jié)合常壓質(zhì)譜檢測是研究光反應(yīng)的一種重要手段.Badu-Tawiah等［84］將電噴霧質(zhì)譜的小體積反應(yīng)加速技術(shù)與激光的作用結(jié)合研究了光催化脫氫過程.隨后，Chen等［85］采用類似的技術(shù)，在更高激光能量的作用下實現(xiàn)了光催化［3+2］環(huán)加成反應(yīng)的有效監(jiān)測.如圖11（A）所示，將反應(yīng)的混合物導(dǎo)入毛細(xì)管內(nèi)，并在ESI出口前5 cm處燒蝕約1 cm的激光輻射窗口，利用該裝置驗證了胺自由基陽離子的存在，并在激光打開的情況下通過引入氘代反應(yīng)底物產(chǎn)生的氘代產(chǎn)物信號驗證了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)路徑.本課題組［86］研究了胺的可見光催化轉(zhuǎn)化過程，通過對2個關(guān)鍵過氧化中間體的鑒定并結(jié)合DFT理論計算，證實了胺氧化過程中基于質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移的兩步脫氫路徑.進一步利用氘代反應(yīng)和高分辨質(zhì)譜技術(shù)，驗證了胺的可見光催化氧化和碳?xì)涔倌軋F化2種途徑共存的機理.近期，針對如可見光催化自由基芳基化等具有限速步的光催化反應(yīng)，我們［87］開發(fā)了激光散射耦合電噴霧質(zhì)譜（LS ESIMS）.如圖11（B）所示，連續(xù)波長激光輻照毛細(xì)管外涂敷的氧化石墨烯薄膜處可引發(fā)激光散射現(xiàn)象.該現(xiàn)象的存在增大了反應(yīng)窗口，提高了限速步的反應(yīng)速率，并提高了產(chǎn)率，從而使產(chǎn)物能夠被質(zhì)譜檢出和鑒定.利用該裝置捕獲了一直被推測是各種直接C—H芳基化反應(yīng)的關(guān)鍵中間產(chǎn)物的自由基中間體，并結(jié)合對光催化氧化Ru（Ⅲ）中間體的鑒定實現(xiàn)了對整個反應(yīng)過程的監(jiān)測.

Fig.11 Application of laser-based ambient ionization in reaction monitoring

5 總結(jié)與展望

目前，主要的用于反應(yīng)機理研究的質(zhì)譜方法各有其應(yīng)用優(yōu)勢和不足.以CSI-MS為代表的經(jīng)典在線直接采樣實時監(jiān)測法在進樣過程中進行樣本稀釋，使質(zhì)譜檢測相對低濃度的反應(yīng)液，從而盡可能降低對質(zhì)譜儀器的污染，然而稀釋后的溶液與本體反應(yīng)液間巨大的濃度差和傳輸過程中反應(yīng)條件的差異會造成反應(yīng)的猝滅；同時該方法由于采用了一個相對較長的傳輸管路，限制了反應(yīng)中短壽命瞬態(tài)中間體的檢測.常壓質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展有效解決了經(jīng)典質(zhì)譜反應(yīng)監(jiān)測過程中的局限性問題.使用DESI-MS可以直接對反應(yīng)過程中的瞬態(tài)中間物進行捕捉，其快速的傳輸過程避免了傳輸過程中中間物質(zhì)消耗的問題.然而，諸多反應(yīng)體系的實際反應(yīng)時間相對較長，限制了DESI-MS直接監(jiān)測方案的使用范圍.微滴加速反應(yīng)在一定程度上解決了DESI-MS直接監(jiān)測反應(yīng)時的局限，但該方法存在的問題是微滴加速效應(yīng)并不具備普適性.目前利用微滴加速現(xiàn)象研究的反應(yīng)多為簡單反應(yīng)，對于復(fù)雜反應(yīng)尚未涉及.

綜上，質(zhì)譜在反應(yīng)機理的研究方面仍有進一步發(fā)展空間.質(zhì)譜在反應(yīng)監(jiān)測領(lǐng)域仍將主要從快速檢測、原位采樣、原位加速以及與其它手段聯(lián)用等方面開展.