基于常壓質譜技術的化學反應中間體監測研究進展

葛喜洋,尹伊顏,歐陽津,那 娜

(1.北京師范大學化學學院,放射性藥物化學教育部重點實驗室,北京 100875;2.北京師范大學(珠海校區)文理學院化學系,廣東 珠海 519087)

化學反應在生產、生活、環境、能源等領域都發揮著重要作用。在這些過程中,需要對化學反應進行有效監測及機理研究才能夠推動其發展。其中,發現和鑒定中間體結構并獲取動態變化信息是闡明反應機理的重要環節。此外,建立新的化學反應也需要對反應機理以及中間體結構有清晰明確的認識[1-2]。

在機理研究中,通常利用光譜技術,例如紫外光譜(UV-vis)、紅外光譜(IR)以及核磁共振光譜(NMR)法等,通過被檢測物質發色團或官能團的變化來反映中間體的特征變化,從而初步推測反應機理[3-5]。然而,一些中間體的活性高、存在時間短,這給反應機理研究造成了一定的困難。盡管光譜法廣泛應用于反應中間體產物檢測,但在直接觀察瞬時中間產物的結構、變化和相關動態信息等方面仍存在一定的局限性。因此,亟需開發新技術以直接反映未知中間體的結構和變化信息。

質譜(mass spectrometry, MS)法是獲取分子結構信息的主要方式之一,通過一次檢測可以得到體系中多種物質的結構信息,是監測化學反應、捕捉中間體及研究動力學的理想方法[6]。然而,考慮到質譜信號飽和以及高濃度樣品造成的質譜污染等問題,傳統的質譜檢測手段通常采用“離線”方式,在測試前需要對樣品進行預處理,增加了檢測瞬態中間產物的難度。近年來,常壓質譜(ambient mass spectrometry, AMS)技術發展迅速,與傳統質譜需要嚴格的真空系統和復雜的樣品預處理不同,該技術能夠實時、快速、原位、高靈敏度地分析樣品的不同狀態,直接從反應體系中采樣并使樣品快速離子化。AMS在離線/在線化學反應監測研究中具有獨特的優勢,能夠獲得多種未知重要反應中間體的結構信息[7-8]。

目前,AMS已廣泛應用于生物化學、環境分析、能源、食品以及質譜成像等諸多領域的過程分析中[9-13],通過測量反應體系中的反應物、中間體和產物的m/z值,可實現高靈敏度、高通量分析。AMS可以在線監測正在進行的反應體系,通過原位采樣和直接電離捕獲短壽命的中間產物,并跟蹤反應進程,獲得動力學過程。然而,對于一些復雜的反應體系,例如金屬有機催化、電化學催化等,利用AMS探究其機理(如多種活性物質的分離、不同物種之間復雜轉化關系的解析、反應的詳細動力學分析等[14])仍存在一定的挑戰。同時,質譜信號還受反應體系極性以及不同反應介質(包括鹽、緩沖液和pH值)等因素的影響,這些是發展和構建常壓質譜技術,檢測不同種類反應中間體的主要挑戰[15-17]。隨著化學反應增多,反應中間產物的種類也逐漸增多,其機理解析難度加大,因此,需要開發新型常壓質譜技術檢測反應過程的中間體,進一步了解反應機理,為設計催化反應過程、優化反應條件、減少副產物、設計新反應等提供思路。

本文將綜述近年來基于常壓質譜技術設計和構建的不同類型反應中間體檢測及監測的研究進展,重點介紹解吸電噴霧電離質譜(DESI-MS)、納升電噴霧質譜(nESI-MS)、萃取電噴霧質譜(EESI-MS)、文丘里聲噴霧質譜(VEASI-MS)、噴霧介導等離子體質譜(SDP-MS)、等離子體加速降解質譜(APD-MS)以及場誘導液滴電離質譜(FIDI-MS)等典型的常壓離子化質譜技術在反應監測中的應用,并總結它們在電化學反應、光化學反應、等離子體反應、微滴反應等過程中對瞬時反應中間產物的檢測和捕獲,示于圖1。同時,闡明常壓質譜技術在機理探究方面的應用,并展望在未來的化學反應中間體研究中的前景。

圖1 不同化學反應中的常壓質譜技術Fig.1 Ambient mass spectrometry technology in different chemical reactions

1 化學反應中間體及中間產物的質譜檢測方法

1.1 電化學反應

電化學反應(electrochemical, EC)是發生在帶電界面上的反應,在材料、能源、環境以及生命科學等領域有著廣泛應用。對電化學反應中間體及中間產物進行捕獲及分析,可以更好地了解反應機理并優化反應路徑。傳統的電化學分析方法缺乏反應特異性以及對關鍵活性物質的表征能力,而質譜法可以提供準確的中間體結構信息,并且能夠進行多組分分析與鑒定,是電化學反應中間產物檢測的有效手段[18-19]。目前,電化學與質譜的在線聯用主要涉及電噴霧電離(ESI)、差分電化學質譜(DEMS)、解吸電噴霧電離(DESI)等離子化技術[20-22]。并且,隨著技術的發展,已開發出多種新型質譜法對電化學反應中間體及中間產物進行快速、靈敏地檢測。

Brown等[23]將DESI-MS與“水車”式工作電極裝置相結合,利用不斷旋轉的工作電極將電化學反應中間體快速轉移到氣相中,并將分析物微滴引入工作電極表面,無需對溶液施加高壓即可在電極表面原位采樣,實現了毫秒時間尺度上的質譜分析,示于圖2a。利用該裝置捕獲到了尿酸電化學氧化產生的短壽命二亞胺中間體,為二亞胺中間體的形成提供了有力的證據。此外,Zare等[24]設計了2種以平面多孔碳帶作為工作電極的EC監測裝置,其中1種是將導電碳帶置于槽狀斜面上,另1種是平面構型的導電碳帶,示于圖2b。利用該裝置,借助DESI-MS技術將含有樣品的微滴與電解質接觸,使樣品快速離子化。這2種電極放置方式均能克服高速流動的鞘氣和電解質的干擾,繼而順利檢測到尿酸電化學氧化中由二亞胺和亞胺醇產生的瞬時自由基陽離子中間體,以及對二甲苯胺(DPTA)和N,N′-二甲氧基二苯胺(DMDPA)電化學氧化過程中產生的短壽命自由基陽離子。

注:a.“水車”式旋轉工作電極與DESI-MS耦合裝置[23];b.由多孔碳帶組成的平面電極與DESI-MS耦合裝置[24];c.基于雙微電極的EC-MS裝置[25];d.金屬有機電化學與nano-ESI-MS耦合裝置[27];e.電化學反應與EESI-MS聯用裝置[30]圖2 電化學反應中常壓質譜的裝置及應用Fig.2 Devices and applications of ambient mass spectrometry in electrochemical reactions

Shao等[25]開發了一種基于雙微電極的原位電化學-質譜(EC-MS)技術,將1個通道用瓊脂凝膠或聚氯乙烯(PVC)凝膠固化,另1個通道填充有機或水相,這樣在雙微電極的尖端就形成了瓊脂-凝膠/有機界面和PVC凝膠/水界面。研究者將Ag/AgCl和Ag/AgTPBF5電極分別插入2個通道中,通過壓電手槍施加脈沖電壓產生一次離子流,使中間體溶液噴射到質譜儀中,實現中間體的檢測,示于圖2c。該裝置有效地縮短了電化學反應過程中活性物質抽提及檢測之間的時間間隔,便于檢測高活性中間體。利用這一裝置研究了以四苯基卟啉鈷(CoTPP)作為催化劑的氧還原反應(ORR),首次觀察到了ORR關鍵中間體(Co-O2)TPP和(Co-OH)TPP,并提出了四電子氧還原的主要途徑[26]。

Yan等[27]利用納升電噴霧質譜(nano-ESI-MS)設計了電化學-納升電噴霧質譜(EC-nESI-MS)裝置,用于監測過渡金屬催化電化學反應。該裝置利用nano-ESI-MS中的Pd電極在高電壓下原位生成Pd(Ⅱ)來催化Suzuki偶聯反應和C—H芳基化,同時,反應溶液實時進入質譜口進行檢測,示于圖2d。該方法將原位生成過渡金屬離子與質譜強大的分析能力相結合,實現了瞬態中間體和產物的實時監測和表征,為研究反應途徑和機理提供了有效數據?；诖?研究者捕獲了多個與Pd有關的反應中間體,提出了Pd催化的Suzuki偶聯和Pd(Ⅱ)/Pd(0)催化循環的C—H芳基化機制。此外,還可以用其他金屬取代Pd電極開展更多研究。該技術在過渡金屬催化過程中間產物的檢測以及機理研究中展現出巨大的應用潛力。Xu等[28-29]利用nano-ESI-MS與雙極超微電極(BUME)聯用,實現了瞬態電化學反應中間體的捕獲與鑒定。該裝置能夠在有限的體積內進行快速的質量傳輸,可以對電化學生成的中間體進行精確地時間和空間控制。使用該裝置能夠捕獲三正丙胺(TPrA)電氧化中產生的自由基陽離子中間體(TPrA·+),其壽命僅約200 μs。此外,他們還對多巴胺等兒茶酚胺電氧化過程中生成的半醌自由基(SQ)中間體進行質譜鑒定,為多巴胺的單電子電氧化機理研究提供了直接的實驗證據。

為了實現對電化學反應過程的在線監測,Na等[30]將電催化體系與原位萃取電噴霧質譜(EC-EESI-MS)聯用,研究了TEMPO電催化氮雜環化合物的無受體脫氫過程,動態監測反應過程中的反應物、產物和中間體,觀察到短壽命的自由基陽離子中間體,并提出了TEMPO催化氮雜環化合物的無受體脫氫新機制,示于圖2e。Min等[31]將毛細管電化學微反應器(EC capillary microreactor)與文丘里聲噴霧離子源(V-EASI)結合,實現了電化學發光中的電信號、光信號以及質譜信號的實時同步采集,對反應過程中短壽命中間體進行連續動態表征。利用該裝置成功地監測了魯米諾電化學發光的動態過程,觀察到了α-羥基過氧化物和二氮醌等關鍵中間體,揭示了它們與外加電壓和電化學發光之間的相關性。

1.2 光化學反應

光化學反應是在反應物分子吸收光子達到激發態后發生的化學反應,所以又稱激發態化學。光化學反應在自然界中普遍存在,植物的光合作用、有機合成以及光化學煙霧等都是典型的光化學反應。光化學反應的效率主要依賴于高活性物質的產生與捕獲能力,因此,研究這些瞬態中間體對于闡明光化學過程機理非常重要[32-33]。然而,光化學反應中間產物的壽命極短、檢測困難,反應進程還受活性中間體動力學參數的影響,給反應機理研究提出了更高挑戰[34]。質譜法能夠對反應過程進行實時監測,在反應過程完整描述、瞬態中間體捕獲以及反應動力學過程研究方面具有較大優勢[35]。近年來,通過將常壓質譜與光化學過程結合,發展了多種新型的質譜檢測方法,有利于更好地監測光化學反應過程,促進光化學的應用與發展。

Na等[36]建立了一種多相流萃取電噴霧質譜(MF-EESI-MS)法,在不需要對樣品進行預處理和中間體分離的情況下,減少了鹽系干擾、避免了鹽結晶、提高了電離效率,可以實現反應體系的快速檢測,示于圖3a。該裝置利用3層同心毛細管,最外層通入N2使液體反應系統產生自泵效應進行樣品抽提;層間通入電離溶劑甲醇以提高離子化效率;最內層毛細管直接插入液體反應體系實時抽取反應溶液?；谠撗b置在線監測了TiO2催化的可見光介導的鄰苯二胺(o-PD)染料敏化光催化過程,檢測到多種短壽命的關鍵中間體,提出了染料引物在o-PD光氧化還原反應中的重要作用,并闡述了光催化過程多電子轉移和能量轉移的動力學過程。

注:a.多相流萃取電噴霧質譜裝置在線監測染料光敏化過程[36];b.在線激光散射結合電噴霧質譜裝置[37];c.納升電噴霧質譜裝置示意圖以及針尖尺寸圖[39];d.i.水滴中污染物轉化的常壓質譜在線監裝置[40],ii.空氣-水界面污染物BP轉化機制;e.LMJ-SSP/Paterno-Büchi反應/ESI裝置[41]圖3 光化學反應中常壓質譜裝置及其應用Fig.3 Devices and applications of ambient mass spectrometry in photochemical reactions

光催化污染物降解逐漸成為一種綠色有效降解污染物的手段。受自然界中露水可以作為微反應器的啟發,Na等[40]利用常壓質譜原位監測了可見光下微液滴中空氣-水界面污染物的轉化過程,將單個液滴穩定在Y形Cu電極上模擬自然界的水滴(圖3d-i),通過施加高電壓對液滴的空氣-水界面內部進行逐層原位質譜監測,以4-溴-1,2-苯二胺(BP)為模型,觀察到了其在水滴中形成的二聚體以及自由基中間體,提出了不同于體相反應中空氣-水界面的光化學機理(圖3d-ii),為自然界可見光催化水滴中污染物轉化機制提供了實驗支持。

1.3 等離子體化學

等離子體被稱為物質的“第四態”,是一種由自由電子和帶電離子組成的物質形態,在半導體制造、殺菌消毒、醫療等領域有著廣泛應用。隨著技術的發展,等離子體逐漸成為一種重要的質譜離子化方式。等離子體特定的電離機制使其在檢測不同極性分析物上有著較大優勢,可以用于氣相、液相或固相等多種形態樣品的快速離子化[44-45]。等離子體電離源包括實時直接分析(DART)、低溫等離子體(LTP)、探針耦合介質阻擋放電電離(DBDI)、氦等離子體電離耦合常壓固體分析探測器(ASAP)和等離子體輔助解吸/電離(PADI)等,具有靈敏度高、分析速度快、應用前景廣等特點,在多領域表現出優勢[46-47]。

Na等[48]構建了等離子體輔助催化發光系統,以丙酮的催化氧化為例,借助低溫等離子體質譜離子化裝置,示于圖4a,實現了反應的實時監測。以空氣作為放電氣體產生常壓下的低溫等離子體,并通向SiO2/Cu2+修飾的陶瓷棒表面發生等離子體催化發光反應。同時,在空氣載氣的作用下,反應中間體以及產物被引入等離子體質譜離子化系統進行快速離子化,隨后進入質譜檢測。利用該系統發現了丙酮催化氧化過程的多種反應中間體,提出了丙酮的自由基催化氧化途徑。此外,還建立了噴霧介導等離子體離子源質譜(SDP-MS)[49](圖4b),可以根據樣品性質調整為“軟”或“硬”離子化模式,能夠對具有不同極性和不同分子質量的各種分子(如肌紅蛋白、細胞色素c和強啡肽A肽等)進行有效的離子化檢測,甚至可以捕獲弱分子相互作用的團簇離子信息。該技術兼具電噴霧和大氣壓化學電離的特性,可以對不同極性、不同大小的分子進行較全面的檢測,并成為研究分子間弱相互作用的有力工具,對有機合成、生化、醫藥和臨床診斷有著重要意義。

注:a.等離子體輔助催化發光質譜耦合裝置[48];b.噴霧依賴性等離子體質譜裝置[49];c.電弧等離子體的新型質譜解離裝置[50];d.等離子體加速降解耦合質譜裝置[51];e.超聲噴霧電離質譜裝置[52]圖4 等離子體化學中常壓質譜裝置及應用Fig.4 Devices and applications of ambient mass spectrometry in plasma chemistry reactions

Guo等[50]構建了一種基于電弧等離子體的新型質譜解離(APD)技術,示于圖4c,可以在常壓下產生穩定的電弧等離子體進行大氣壓下有機物的質譜分析。根據APD碎裂有機化合物產生的大量奇、偶電子碎片離子,可以對化合物的“指紋”質譜圖進行解析。將APD與納升電噴霧電離源(nano-ESI)或零壓紙噴霧(zero volt PSI)這2種API技術聯用時,能夠較好地實現實際毒品類化合物的指紋圖譜分析。此外還發現,在APD解離模式下同時存在消除亞甲基和芳構化的2種特殊碎裂過程,有助于成功分辨4-丁基苯胺和N-丁基苯胺2種同分異構體。

等離子體還可以被應用于催化降解,在快速、綠色、高效的污染物降解中具有獨特優勢。然而,該降解速度較快,對降解過程監測和機理研究仍具有挑戰?；诖?可以引入常壓質譜快速檢測技術與等離子體催化降解系統耦合,在線捕獲降解過程中的反應中間體并監測其動態變化,對污染物降解機制研究具有重要意義。Na等[51]構建了等離子體加速降解質譜在線監測(APD-MS)系統,示于圖4d。APD由3層同軸毛細管組成,最內層為污染物溶液,中間層為高速流動的N2鞘流以快速抽提污染物樣品,最外層為氣態等離子體流路?；诖搜b置,污染物被快速抽提出來,同時與等離子體高效接觸并相互作用,實現了等離子體加速降解,產物或中間體在氣流的作用下進入質譜檢測。利用該裝置,以污染物4-Cl-oPD的降解為例,捕獲到了高活性中間產物,并監測其動力學變化過程,揭示了4-Cl-oPD脫氯生成小分子H2O和CO2的機理。此外,該課題組還搭建了超聲噴霧電離質譜(ESSI-MS)裝置[52],示于圖4e,通過與等離子體催化降解體系聯用,監測等離子體催化降解過程,成功捕獲了等離子體催化降解羥化氯喹(HCQ)過程中的短壽命自由基陽離子和碳正離子中間體,提出了·OH自由基引發的單電子轉移加速降解機理。

1.4 微滴化學

近年來,隨著人們對水微滴認識的逐漸深入,微滴化學已成為目前最熱門的研究領域之一。微滴反應的速率比體相反應快幾個數量級,且微液滴能夠引發體相反應中無法發生的反應,在有機合成以及綠色催化等領域有著重要應用[53-55]。研究[56-59]表明,在微滴的空氣-水界面存在高壓電場(～109 V/m),極高的電場足以將電子從水中的氫氧根離子(OH-)中拉出來,生成羥基自由基(·OH)和電子(e-)用于催化化學反應。由于微滴化學反應迅速,反應體系特殊,利用常規檢測手段難以有效觀察到活性中間體的形成。因此,基于常壓質譜法原位、快速獲取反應過程信息的優勢已成為研究微液滴化學的主要工具。

Banerjee等[60-61]利用水微滴直接捕獲和分離反應過程中難以捕獲的碳正離子中間體,然后進行質譜檢測。使用DESI-MS裝置成功檢測到了各種反應(如消除、取代和氧化反應等)中產生的不同類型碳正離子。在反應1 min后,用反應溶液撞擊帶正電荷的水微滴,可以直接捕獲和檢測瞬態碳正離子中間體,其壽命在納秒到皮秒之間,示于圖5a。此外,還利用該裝置檢測反應體系的碳負離子[62],有效捕獲了有機反應中短壽命碳正離子/碳負離子中間體。

注:a.DESI-MS檢測碳正離子中間體裝置[60];b.常壓質譜檢測水微滴中CO2還原為甲酸的裝置[63];c.常壓質譜檢測水微滴中C—H偶聯裝置[64];d.FIDI-MS檢測大氣PM2.5中氧化過程裝置[65]圖5 微滴化學中常壓質譜裝置及應用Fig.5 Devices and applications of ambient mass spectrometry in droplet chemistry reactions

Zare課題組[63]利用水微滴將二氧化碳還原為甲酸,并借助常壓質譜技術成功監測到關鍵的反應中間體。在噴霧端和質譜入口之間設置不銹鋼連接器,可以形成無CO2的環境(圖5b-ii),在該環境中僅檢測到碳酸相關的離子信號;而去除不銹鋼室后,噴射的微滴在到達質譜口的過程中與空氣中的CO2接觸(圖5b-i),可以檢測到甲酸陰離子(HCOO-),表明CO2可以被1,2,3-三氮唑(Tz)有效捕獲并在氣液界面轉化為甲酸,其反應轉化率高達81%,甲酸產率高達80%。隨后還發現,當Tz的2位上的H被甲基取代后,CO2還原為甲酸的反應幾乎無法發生,表明Tz的2位H是反應過程中的質子供體。該裝置為CO2的治理以及甲酸的合成及研究提供了新方法。

Zhang等[64]在室溫下將反應物的水溶液轉化成微滴,合成了一系列C—H/N—H偶聯產物,借助注射器,在泵的推動下使混合反應溶液通過熔融石英毛細管。該熔融石英毛細管位于內徑較大的同軸毛細管內,外層是鞘氣N2。在鞘氣流和泵的共同作用下,反應物噴出并產生反應物微滴噴霧進入質譜檢測,示于圖5c。噴霧器與質譜口之間的距離為反應距離,據此可以估算反應時間。將N,N-二甲基苯胺(DMA)和吩噁嗪(POA)的水溶液引入毛細管后,可以觀察到明顯的DMA和POA自由基陽離子中間體信號,這些中間體的出現促進了C/N耦合,快速形成偶聯產物。研究發現,從反應底物上去除1個電子的過程是反應的決速步驟。該方法已擴展到多個不同的反應研究中,均可以在數百微秒內完成,比本體反應速度快6個數量級。

此外,Zhang等[65-66]還構建了場致液滴電離-質譜(FIDI-MS)裝置,能夠對駐留在空氣-水界面的分子進行選擇性“在線”采樣,實現了有機物在大氣PM2.5中的氧化過程研究。以脂質為例,將脂質分子附在PM2.5水溶性提取物液滴表面,經紫外光照射處理后,檢測到生成了氧化產物,示于圖5d。隨后,將異戊二烯吸附在水的表面,利用質譜技術檢測到被快速氧化的多種產物?；谫|譜檢測與理論計算,推測反應加速的原因是由于空氣與水的界面產生了大量的OH自由基,為脂質氧化提供了獨特的加速環境。

2 結論與展望

本文基于質譜技術的設計及構建,總結了針對不同反應過程中多種中間體或中間產物的檢測方法。根據各反應的特點,介紹了電化學、光化學、等離子體化學以及微滴化學反應中的常壓質譜技術,并闡明了其對反應中瞬時反應中間產物的捕獲和機理探究應用。文中涉及的常壓質譜技術包括DESI-MS、nESI-MS、EESI-MS、VEASI-MS、FIDI-MS、SDP-MS等,它們能夠檢測到高活性的反應中間體或中間產物,并且具有較高靈敏度和分辨率,已成為監測反應過程以及研究機理的重要手段。雖然常壓質譜技術在檢測反應中間體及中間產物方面已取得了許多進展,但還存在一些挑戰:1) 目前,常壓質譜技術主要集中于檢測壽命為毫秒或微秒級的中間體,捕獲與檢測壽命更短、活性更高的中間體還存在困難;2) 由于反應種類不同,常壓質譜裝置的構建也不同,設計一種通用的、商業化的裝置可以為反應監測提供便利;3) 隨著反應種類的增多以及反應復雜程度的增加,構建合適的離子化方式,實現對高活性中間產物的捕獲還需要進一步探索。