魏娟娟，孫江暉，尹伊顏，那 娜，歐陽津

(1.北京師范大學，放射性藥物教育部重點實驗室，北京 100875；2.寧夏師范學院，寧夏 固原 756000)

化學反應過程的研究主要通過檢測反應物、產(chǎn)物以及中間體的變化對反應進行全面的把握，以合理推測反應機理，從而為后續(xù)反應的改進和應用提供重要的信息。用于反應監(jiān)測與機理研究的傳統(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)進行定性分析和簡單的結構分析；紅外光譜法可以檢測分子的特征官能團，從而確定物質(zhì)的結構；核磁共振波譜法是對各種有機物和無機物的成分、結構進行定性分析的有效手段，也可用于反應機理研究；電子自旋共振譜可檢測含自由基或過渡金屬離子物質(zhì)的微觀結構和動態(tài)信息，有利于研究自由基反應動力學[1-3]。

傳統(tǒng)的檢測方法在物質(zhì)結構確定和機理研究方面都有重要的應用，但在反應監(jiān)測，尤其是短壽命中間體的直接檢測和結構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，可直接獲得反應過程中反應物、中間體和產(chǎn)物等的結構信息，目前廣泛用于反應過程監(jiān)測和機理研究[4]。

隨著質(zhì)譜技術的不斷發(fā)展，許多商業(yè)化質(zhì)譜儀已廣泛用于不同類型反應的監(jiān)測中，涉及無機反應、有機反應、酶反應、超分子及生物大分子識別等領域[5]，示于圖1。電噴霧離子化質(zhì)譜(ESI-MS)技術是常壓敞開式質(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，其離子化機理主要是帶電液滴的溶劑揮發(fā)導致庫侖裂變，從而產(chǎn)生更小的液滴。然后，小液滴表面的電荷相互排斥，當排斥力增大到可克服表面張力粘結力時，便可直接釋放/解吸氣相離子，實現(xiàn)物質(zhì)的離子化。

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

目前，電噴霧質(zhì)譜用于反應研究存在離線、在線2種監(jiān)測方式。較傳統(tǒng)的是質(zhì)譜離線監(jiān)測，將分析物從反應體系中抽取出來，通過適當預處理，以注射泵或自動進樣的方式將反應體系物質(zhì)注入質(zhì)譜進行檢測。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行過濾，取上清液后再送入質(zhì)譜檢測。有報道利用商業(yè)化ESI-MS研究Staudinger反應、Mitsunobu反應、Witting反應、Grubbs釕卡賓配合物的烯烴復分解反應[11-12]、鈀催化的芳基重氮鹽Heck反應[13]及自由基陽離子鏈式反應[14]等。Eberlin[15]和Neto等[16]采用ESI-MS對本體溶液中的Hantzsch反應進行分析，確定了反應的中間體，并揭示了對稱1,4-二氫吡啶(DHPs)合成過程中可能遵循的4種二酮反應途徑[17]。Arakawa等[18]將流動光反應池與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進行監(jiān)測，獲得并鑒別了反應中間體，由此驗證了反應機理，還通過研究溶劑對光催化反應的影響，發(fā)現(xiàn)了一條新的反應途徑。Metzger等[19]將微反應器與ESI-MS裝置聯(lián)用，檢測了Diels-Alder[2+2]環(huán)加成反應中的過渡態(tài)自由基陽離子，首次提出了基于電子轉移引發(fā)的自由基陽離子鏈式反應機理[20]。此外，ESI-MS還可用于測量不穩(wěn)定有機金屬配合物，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。為檢驗鈀催化的三組分串聯(lián)雙加成環(huán)化反應，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硼酸加到丙二烯中，所形成的關鍵中間體也能被捕獲[22]。這種離線方式所測結果與實際反應體系中物質(zhì)結構變化有反應時間上的差異，待測物離開反應體系并經(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)譜檢測方法應運而生，常壓質(zhì)譜技術是非常有效的在線質(zhì)譜檢測方式，無需樣品預處理，能夠直接獲取分子結構信息[23]。近年來，隨著常壓質(zhì)譜技術的發(fā)展，其給有機合成、生物檢測、環(huán)境監(jiān)測等領域的研究帶來了較好的應用前景?；谝恍┭b置設計和改進，ESI-MS技術可以實時原位在線監(jiān)測反應物的消耗和中間體、產(chǎn)物生成的整個過程[24-25]，進而得到反應動力學信息[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]在原子水平上實時監(jiān)測了單個金原子向銀納米團簇內(nèi)的動態(tài)擴散，還對基于表面基序交換反應的雙金屬納米團簇的合金化位點進行了精確控制[28]。因此，這些在線離子化方式與質(zhì)譜相結合，既可實現(xiàn)化學反應的原位實時在線監(jiān)測，且根據(jù)獲得的反應物、中間體和產(chǎn)物的相對分子質(zhì)量、相對豐度及結構等實時信息，合理推導和預測反應機理[29-30]。

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

1 電噴霧質(zhì)譜反應在線監(jiān)測

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

1.1 解吸附電噴霧離子化質(zhì)譜的反應監(jiān)測

2004年，Cooks等[31]首次報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。DESI-MS技術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，幾乎無需對樣品進行預處理，在敞開大氣壓環(huán)境下即可直接在樣品表面進行解吸附和離子化[32-33]。該技術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)不對稱轉移加氫催化反應，并捕捉到壽命在亞毫秒及毫秒級的Ru(Ⅱ)甲酸甲酯復合物和Ru(Ⅳ)甲酸甲酯復合物瞬態(tài)中間體[35]。該課題組進一步利用該技術捕獲了四羧酸二銠絡合物催化的C-H胺化反應的瞬態(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[8]。同時，該課題組還將DESI-MS技術的實驗結果與密度泛函理論(DFT)計算相結合，研究了鈀催化多元醇的化學選擇性氧化反應機理[36]。

隨后，Zare等[37]利用DESI-MS結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技術能夠捕獲半衰期在微秒級的電化學反應中間體，比電化學生成中間體快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)作為反應物噴到電極表面瞬時發(fā)生電化學反應，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結合的基礎上，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)接觸進行解吸附離子化。其中，一種裝置有1個槽狀斜面形式的導電碳帶；另一種是平面形式的導電碳帶。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氧化過程中產(chǎn)生的氮離子。

傳統(tǒng)ESI-MS反應監(jiān)測缺少淬滅步驟，可能會帶來準確性差的問題，Chen等[4]提出了一種利用DESI-MS在線測量酶促反應動力學的新方法解決該問題。利用DESI-MS技術可以直接檢測緩沖水溶液中的酶促反應產(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，從而快速準確地測量動力學常數(shù)。本課題組提出了一種DESI-MS篩選與蛋白質(zhì)相結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)復合物解離，并利用質(zhì)譜對不同類型的蛋白質(zhì)進行藥物篩選，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)結合的化合物的快速篩選方法，在藥物設計和篩選中具有巨大潛力[41]。

圖2 旋轉水輪電極與DESI結合監(jiān)測電化學反應中間體(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)譜儀的進樣效率。最近，Cooper等[43]將NanoDESI與質(zhì)譜成像(MSI)結合，對大鼠腎臟組織內(nèi)的蛋白質(zhì)及蛋白質(zhì)復合物進行分析，可以實現(xiàn)完整蛋白質(zhì)和復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)信號最強烈的組織區(qū)域內(nèi)進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質(zhì)性的改進，還可用于組織中定位top-down蛋白質(zhì)組學分析，有助于揭示生命現(xiàn)象。

1.2 萃取電噴霧離子化質(zhì)譜的反應監(jiān)測

Cooks等[44]報道了萃取電噴霧離子化質(zhì)譜(EESI-MS)技術，使用2個單獨的液滴噴霧器，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技術具有靈敏度高、響應速度快、無需樣品前處理和全面分析復雜反應體系(非均相的催化反應)的優(yōu)勢，已成為實時在線監(jiān)測化學反應及研究反應動力學的強有力手段[45-46]。Metzger等[47]利用EESI-MS技術檢測了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。同時，他們采用雙ESI技術，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)譜進一步驗證，結果證明是一種對反應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)測基于電子轉移催化反式茴香醚二聚反應，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過程。Zenobi等[50]在EESI-MS的基礎上發(fā)展了直接監(jiān)測反應和實時驗證中間體的技術，在線監(jiān)測了苯乙胺與丙烯腈的一步Michael加成反應(溶劑為乙醇)和苯乙醇與乙酸酐的多步乙?；磻?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的理解和認識[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示意圖[52]；d.MF-EESI-MS實時監(jiān)測酶催化氧化葡萄糖反應[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機理圖[53]圖3 萃取電噴霧離子化質(zhì)譜的裝置及應用Fig.3 Equipment and application of EESI-MS

同時，本課題組[52]在EESI的基礎上進一步構建了一種多層液流萃取噴霧離子化(MF-EESI)技術，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，反應體系被抽提至毛細管尖端，形成霧滴的同時與甲醇噴霧充分作用，提高了離子化效率；同時高速氮氣層流除去了大部分鹽類，避免其在質(zhì)譜接口處的重結晶。使用這一技術首次發(fā)現(xiàn)了FAD和葡萄糖形成的2種結構不同的中間體，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)，并解釋了該反應過程的機理。最后，利用MF-EESI對葡萄糖氧化反應進行在線監(jiān)測，示于圖3d，該工作為復雜酶催化體系的反應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，對反應物、產(chǎn)物和壽命短的中間體進行了動態(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路徑，還發(fā)現(xiàn)了二聚體和三聚體的中間體，結合密度泛函理論(DFT)計算，推斷出多途徑的光催化氧化機理，示于圖3f[53]。

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

Cooks等[60]在常壓下采用nESI-MS技術發(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，結合質(zhì)譜在線監(jiān)測為反應機理的闡釋提供了直接證據(jù)。本課題組利用原位nESI-MS技術對酶催化反應進行實時監(jiān)測，示于圖4b。該技術直接采樣，無需樣品預處理，可以快速、直接從液相中提取不同的分析物。將毛細管插入施加高壓的液體系統(tǒng)中，分析物可以在毛細管尖端直接離子化，且體積消耗很小。該方法實現(xiàn)了酶的原位和高通量篩選，在酶催化領域有著非常重要的潛在應用[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)，在毛細管的同軸方向通入高音速氮氣流，即可實現(xiàn)樣品溶液的快速離子化。該方法被認為是最簡單、最容易實現(xiàn)的大氣壓電離技術。在此基礎上衍生出幾種變體，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)，凸顯該技術在常壓環(huán)境下可實施和操作簡單的特點，裝置示于圖5a。

Santos等[68]在EASI基礎上進一步簡化離子化裝置，去除了EASI蠕動泵等流體控制設備，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。通過毛細管內(nèi)高速氣流產(chǎn)生的文丘里效應，將樣品溶液自發(fā)帶出毛細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，本課題組構建了常壓無泵抽提離子化技術，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，簡化了結構，降低了成本，并縮短了采樣時間，實現(xiàn)了酶抑制劑的高通量篩選，適用于篩選血管緊張素轉化酶抑制劑[69]。同時，利用VEASI技術，在反應體系中引入K+，通過文丘里效應直接從系統(tǒng)中抽提樣品，實現(xiàn)對核堿基簇形成的實時在線監(jiān)測，驗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”的離子化技術為實時在線監(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時監(jiān)測了藥物與α1-酸性糖蛋白的結合親和力[71]，還報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)譜的反應監(jiān)測

除上述常見的幾種在線電噴霧質(zhì)譜技術外，還有一些在線電噴霧技術用于反應過程的監(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。

1.5.1冷噴霧離子化質(zhì)譜的反應監(jiān)測 一些特殊條件反應得到的不穩(wěn)定配合物，在常溫下較難穩(wěn)定存在，因此很難直接進行質(zhì)譜檢測?；诖?，可引入冷噴霧離子化質(zhì)譜(CSI-MS)在低溫下進行監(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簇的形成[75]，人參皂苷和淀粉樣β肽的非共價相互作用[74]，酚酸和溶菌酶(Lys)之間的非共價相互作用，以及確定了蛋白質(zhì)構象變化和特異性結合位點，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)，進一步研究類黃酮與胰島淀粉樣多肽(IAPP)抑制劑之間的構效關系，示于圖6d[77]。此外，Tan等[78]將CSI與X射線晶體學相結合，鑒定了(胍)銅絡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，是主導光催化CO2還原的關鍵中間體。Yamaguchi等[80]采用CSI質(zhì)譜技術分析了熱穩(wěn)定性差的鉑絡合物，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抑制劑機理圖[77]圖6 冷噴霧離子化質(zhì)譜的裝置及應用Fig.6 Equipment and application of CSI-MS

1.5.2基底電噴霧離子化質(zhì)譜的反應監(jiān)測 基底電噴霧離子化質(zhì)譜(SESI-MS)技術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，隨后進入質(zhì)譜錐內(nèi)進行快速檢測。PSI-MS可通過將試劑直接滴加到三角形的紙表面實現(xiàn)反應加速，其加速效果與溶劑在表面的去溶劑化速度有關。

Zare等[37]開發(fā)了嵌入式納米PSI-MS技術，用于研究鈀納米粒子催化的Suzuki交叉偶聯(lián)反應、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，利用這種PSI結合質(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，有助于對催化機理進行合理解釋。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技術直接分析了凝膠中的蛋白質(zhì)，示于圖7a，該技術為在環(huán)境條件下無需任何預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)組學中具有潛在的應用前景[83]。Jiang等[84]將濾紙換成導電玻璃，與電化學結合開展了一系列反應監(jiān)測和機理研究。通過EC-MS法實時監(jiān)測了類芬頓電化學反應中環(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的機理。利用該裝置研究了N,N-二甲基苯胺(DMA)的電化學氧化過程，易于檢測到半衰期為微秒的DMA自由基陽離子[85]。同時，對乙烯的聚合反應進行了實時在線監(jiān)測[86]，示于圖7b，該方法可以原位實時監(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，為研究苯胺電化學氧化機理提供直接證據(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)譜的反應監(jiān)測 激光輔助電噴霧離子化質(zhì)譜(LAESI-MS)技術是分析光催化反應的一種重要手段。Chen等[88]采用ESI-MS結合在線激光照射實現(xiàn)了可見光催化的[3+2]環(huán)加成反應的監(jiān)測。利用該技術在可見光催化誘導、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，利用同位素標記實驗建立了鏈式反應的關鍵步驟[89]。最近，有報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，進一步驗證了產(chǎn)物陽離子自由基和反應物之間關鍵的電子轉移過程，并且該過程是通過鏈式反應完成的。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時光反應篩選平臺。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的機理研究提供了直接證據(jù)。Bai等[91]設計并搭建了在線激光散射結合電噴霧質(zhì)譜裝置，捕獲了胺的可見光催化氧化反應中2個關鍵中間體，驗證了可見光介導的胺類化合物直接氧化和碳氫官能團化兩種途徑共存機理。結合密度泛函理論計算，揭示了胺的催化氧化過程中質(zhì)子耦合電子轉移的兩步脫氫過程。最近，Bai等[92]利用該裝置對可見光介導的雜環(huán)芳烴直接C-H芳基化過程進行監(jiān)測，示于圖8，對反應進程中涉及的中間體和產(chǎn)物進行較全面的監(jiān)測，為探討光催化的C-H芳基化反應過程和闡述相關機理提供了重要的實驗支撐。

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

2 結論和展望

本文綜述了不同構型的電噴霧離子化質(zhì)譜在反應監(jiān)測研究中的進展。通過檢測瞬態(tài)反應中間體，開展原位實時在線的反應動力學研究，為反應機理研究提供了直接證據(jù)。電噴霧離子化技術的優(yōu)點是無需樣品預處理、檢測靈敏度高、分辨率高、可高通量篩選樣品，并能在線捕獲反應中間體，推測或驗證反應機理。因此，電噴霧常壓離子化與質(zhì)譜檢測相結合，已成為化學反應監(jiān)測的有力工具。雖然電噴霧質(zhì)譜技術在反應監(jiān)測方面取得了快速進展，但仍存在一定的挑戰(zhàn)：商業(yè)化的ESI離子源仍無法實時在線監(jiān)測壽命較短的中間體；在線離子化技術解決了短壽命中間體難以捕捉的問題，但對于反應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)生的帶電微滴可實現(xiàn)反應的加速，能有效解決傳統(tǒng)有機反應體積大、耗時長、樣品預處理復雜等問題，在一定程度上解決了長時間實時在線監(jiān)測反應的局限性，但目前這一技術研究較多的是相對簡單的反應，對復雜體系的研究較少，普適性還需進一步提高。此外，現(xiàn)有的常壓質(zhì)譜技術很難直接實現(xiàn)對反應體系的準確定量分析。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、加速反應等研究中展現(xiàn)出廣闊的應用前景，未來在準確定量和復雜體系研究等領域還需進一步完善和發(fā)展。