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潘远江:质谱大会梦想成真 质谱研究其乐无穷

发布时间:2018-10-24 阅读次数:267次

  质谱作为功能强大的分析工具,现今已深入到科学研究、生产生活的各个领域,其中质谱基础研究不仅为质谱技术的应用奠定了理论基础,还可为有机反应机理的探索提供强有力的技术支撑。曾师从我国质谱研究先驱陈耀祖院士的潘远江教授,是我国长期从事质谱基础研究的学者之一,他致力于探索质谱中有机分子裂解反应的新规律,目前也开展了应用现代质谱技术捕捉有机反应中间体等相关研究,以期实现气态离子-分子反应的精准操控。在即将举行的中国质谱学术大会前期,分析测试百科网采访到了浙江大学求是特聘教授潘远江博士,他兴致盎然地分享了自己近30年通过质谱认知有机世界的各种乐趣,相信每位听过潘教授讲述的人,都会禁不住爱上质谱。

浙江大学化学系求是特聘教授 潘远江博士

中国质谱大会梦想成真

  谈到中国质谱大会,潘远江教授首先回忆起1997年博士后期间,自己第一次参加的第45届全美质谱大会(ASMS Conference)。“我第一次参加规模这么大的会议,感觉非常震撼。”潘教授说,“ASMS Conference组织得非常出色,水平非常高,无论你想了解质谱哪个方向的动态前沿,都能找到对应的部分。当时我听了美国范德堡大学(Vanderbilt University) Richard M. Caprioli 教授(现任JMS主编)关于质谱成像的报告,也非常震撼。因为那时国内质谱研究才刚起步,而国际质谱发展得如此之快。我和当时参会的留学生们在一起聊天时就有一个梦想,什么时候我们国内才能组织一个水平这么高、规模这么大、博采众家之长的质谱学术会议。一转眼,今年就有了,我国将召开一个综合性的全国质谱大会,这非常令人振奋,其意义非常重大,它将是一个非常好的交流平台,如此规模宏大的盛会将融合基础研究、应用拓展、前沿探索等领域的各个报告,相信每一个质谱学者尤其是年轻的质谱同仁都将受益匪浅。从事质谱研究和应用的人员将在这次的中国质谱大会上,找到一个共同的组织和家园,我们或许还可借助该平台找到解决各种挑战性问题的方案。”

  不久前,潘远江教授到意大利参加国际质谱大会,并主持一个基础研究的分会场。“刘虎威教授曾提到过,我们希望在2022或2024年争取承办一次国际质谱大会。”潘教授说,“中国质谱学术大会的目标是,将来要办成可同ASMS 媲美的大会。因为从参会人数和水平来看,ASMS Conference代表着国际最高水平。今年国内质谱研究相关的各学会精诚合作,携手举办中国质谱学术大会,将是一个非常好的开始,为今后无论是争取承办国际质谱大会,还是办成可媲美ASMS Conference水平的中国质谱大会,无疑都将奠定良好的基础。”

质谱在气相离子化学研究中的作用

   “我主要研究有机小分子,从事气相离子化学相关科研工作,最近几年开始尝试应用现代质谱技术探索一些有机化学反应的活性中间体,为研究有机化学反应机理提供技术手段。”潘远江兴致盎然地介绍自己的研究工作,“这项研究非常有意思。大家知道,通常我们研究有机反应机理大多依靠推测和理论计算,很难获得直接证据。有机化学反应过程中往往存在着各种活性中间体,这些活性中间体对反应过程起着重要作用,但传统的分析手段通常难以对这些活性中间体进行分析研究;由于质谱非常准确、快速、灵敏,可直接捕获这些中间体并对其元素组成、结构以及活性进行分析研究,这些信息能够帮助人们准确判断反应过程中生成了哪些中间体,这些中间体又如何导致最后产物的形成,从而对整个反应过程了解得比较清晰。有机合成是创制新型(功能)物质的有效途径,如果能搞清楚反应的机理,将可指导我们进行精准合成,这也使我们的有机合成研究更好地走向高效、绿色、经济的发展方向。比如在C-H键羟基化反应中,2006年Science认为需要导向基团,我们课题组利用质谱技术发现了气相中可发生S导向的Cu催化的邻位C-H键活化/官能团化反应,为液相中的有机合成反应提供了新颖的设计思路,在该类反应机理验证方面,我们用高分辨质谱分析了反应过程中的中间体,推断出产物分子羟基中氧的来源,确定烯胺酮配体的催化部位。在反应过程监测中,用ESI-HRMS检测不同反应时间段的反应物,验证中间体存在的阶段,并揭示了质子夺取和羟基转移的历程;近期,我们协助北京工业大学于澍燕教授团队,设计、合成了新型Pd催化剂,可实现室温下CS2水解成CO2,并利用ESI-MS监测了Pd催化剂的催化过程,鉴定了该反应的关键中间体,为机理研究提供了重要证据。这些研究成果均在一些高水平学术期刊上得到了发表。”

  此外,质谱技术也可以制备活性中间体并对其反应体活性进行研究,也可在催化剂的快速筛选方面发挥重要作用。

  潘教授接着说:“基于质谱技术的中间体研究方兴未艾。目前,有机化学家往往通过培养单晶做晶体结构,或用核磁共振、红外光谱等研究瞬态中间体的结构。这些检测方法固然经典、有效,但存在分析速度慢、样品需求量高等缺点。而质谱技术分析速度快,又能提供确切的元素组成,还可通过多级质谱技术获得中间体结构相关的信息,进行中间体的定性、定量分析。因此质谱研究反应中间体是非常有前途的。当然,当前的质谱技术仍有诸多局限,如中性中间体难以捕获、检测和研究,以及特殊中间体精确结构信息难以获取等,这些问题亟待我们进一步发展相关的技术方法加以解决,如结合原位光谱等其他手段。通过努力研究,构建通用的有机反应中间体研究的质谱技术,这样将来有机化学家们就可以通过用质谱测定中间体来明确地解析反应机理,获知确切的反应历程,接下来就可以进行精准的定向合成,这样的前景非常美好。”

用质谱研究中间体的方法

  潘教授随后介绍了用质谱研究中间体的代表性方法,“中间体非常活泼,而质谱研究的对象是气相离子。在溶液中,一些反应中间体受到溶剂效应、离子对等影响,活性中间体的生命周期很短。而在气相过程中分子相互作用较少,我们可有意识地采取一些特殊手段延长活性中间体寿命以方便研究。如改变离子阱质谱的一些参数、采取冷阱技术等。我对用质谱研究活性中间体的工作非常感兴趣,因为它带来可拓展的广阔的研究空间。”

  从质谱技术上来说,对于比较稳定的中间体,用常规的电喷雾质谱(ESI-MS)就可以研究。ESI的界面(接口)技术将溶液和气相天然衔接,解决了气相和液相的连接问题。通过将反应液气化后检测,可以直接测定相对较稳定的中间体。对于大多数中间体可以采用离子阱或FTICR-MS,因为它们可设置捕获时间,存储活性离子,再通过降低能量来不断储存和富集。目前,潘教授团队还同中国计量科学院方向教授课题组合作,通过改造离子阱,利用大容量、数字化的线性离子阱,以及串联离子阱技术,增大储存活性物质的容量,还可以衔接冷阱技术,进一步富集活性中间体离子并延长活性周期。在用双离子阱质谱研究时,可以将第一个离子阱中捕获富集的中间体引入到第二个离子阱中,将第二个离子阱作为反应器,再通入反应底物进行合成反应,将可以实现精准的靶向合成。潘教授兴奋地畅想未来:“也许我们将来可以设计这种精准的气相合成仪,比如一个离子阱里放一个A正离子,一个离子阱里放一个B负离子,让它俩结合即形成AB终产物了,这是非常让人激动的前景。”

  “当然,我们还会遇到一些挑战性的课题,比如有些中间体不带电,都是自由基怎么办?质谱研究者就需结合一些电学、磁学的技术,能让这些中间体快速电离。这些都是挑战性的课题,从一个方向就可以衍生出很多从事研究的方向,非常有意思。”

从事质谱研究的人都很幸福

  “上述质谱基础研究的目的是要为实际应用奠定基础,比如定向精准的靶向合成。”潘教授谈到应用就更滔滔不绝,“现在制药企业都有质谱仪,医院也购置了许多质谱仪,质谱的需求量越来越大。质谱的应用是顶天立地,可顶天做太空探索,也可立地做食品安全,将来可能每个家庭都会有台小型的质谱仪,哪天身体不舒服,马上可以通过测呼出气体、汗液、唾液,从质谱图就可以做到前期诊断。质谱现已广泛用于新生胎儿筛查,老年人和女性的营养水平评估等。任何一个研究对象,都可以找到对应的质谱手段;在分析化学领域,质谱基本上已经占据半壁江山。

  我经常遇到一些朋友,他们从国外带回来一瓶饮料或一瓶保健品对我说,‘潘教授,您帮助分析鉴定一下这里面成分是不是真的’。这时适用的分析手段之一便是质谱。质谱既可以给你带来许多美妙的想象,又可以帮你解决各种实际问题。质谱是对气相分子进行精准分析的最好手段,灵敏、准确,而且可以在线。所以我觉得从事质谱研究的人都很幸福,质谱给我们带来很多意想不到的快乐,它有无穷无尽的让你发挥想象空间的地方。”

  潘远江还分享了自己爱上质谱的经历,“我第一次接触质谱是1991年,当时兰州大学最早利用世界银行贷款,购置一台高端质谱仪。我最开始做质谱应用,分析天然产物结构,而且很早就接触了高分辨质谱仪。1996年我到瑞士做博士后期间,合作导师问我用过哪几类质谱仪。我说我只是看到过一些质谱仪,但没有自己实际操控过。他在惊奇之余就说,那你就学吧。实验室有6、7台质谱仪,我就一个月学一种,当时真是太幸运了。接下来就是1997年参加ASMS Conference,在听报告之余参观仪器展会,更是惊讶于质谱种类之多,应用范围之广。而现在国内的条件越来越好,很多课题组的质谱配置已经同国外相当甚至更好。所以这一代的年轻人格外幸福,有这么好的科研条件,有这么好的研究方向指导,还有中国质谱大会这么好的平台。所以年轻学者要好好珍惜这些机会,一定将大有所为。”

培养更多质谱人才 用扎实的基础知识解决更多应用问题

  谈到自己可对中国质谱做出哪些贡献,潘教授表示:中国质谱如今发展很快,近年来国内一大批年轻学者在老一辈质谱同仁工作的基础上,脚踏实地不断努力,取得了令人耳目一新的突出成绩;除此之外,大批国外归来的优秀人才也对我国质谱发展做出了很大的贡献。“国外有许多著名质谱学家如大家熟知的Fred Mclafferty、 Gram Cooks、Scott McLuckey、Veronica Bierbaum等,这些大师的质谱基础理论都非常深厚,当他们再去做质谱应用或前沿探索时,对质谱的理解和研究的角度就很不一样。年轻人如果想在质谱领域做得更出色一点,应该加强对质谱基础的理解与学习。我本人从事传统的气相离子化学质谱基础研究,希望可以在基础理论教育和培训方面,能多为我国的质谱发展做些贡献。因为用扎实的基础知识来解决应用问题,将会更流畅。”潘教授说,“比如,将来我们可以在中国质谱大会前开设一些培训课程;我也愿意参与这些质谱培训课题的建设;将来我们或许可以开设一些全国范围的质谱课程,培养更多的年轻质谱人才。质谱发展我们每个人都有责任,我本人希望尽可能将我几十年所理解的质谱基础知识传授给年轻一代。我想不仅是我,还有一大批质谱同仁都愿意在质谱教育培训方面做出自己的贡献。”

群策群力 中国质谱进入国际前列指日可待

  关于中国质谱在全球的影响力,潘教授表示:随着国内一批质谱专家特色工作的长期积累,加上很多从国外回来的年轻才俊的出色表现,当前我国的质谱整体研究和世界水平的差距正在逐步缩少。不过我国当前突出、顶尖的质谱原创研究尚很少,还需一个质的飞跃。随着国家的投入和重视,越来越多的研究人员对质谱的兴趣不断提高,聪明年轻人的不断努力,我国的质谱研究完全有可能在不远的将来跻身国际前列,达到国际前沿。

  对于中国质谱大会,潘远江最后寄语说:本次大会水平高、规模大,搭建了一个很好的平台,可以让每个质谱人更快地找准自己的定位。希望中国每一位质谱同仁珍惜这个机会,希望大家团结一心群策群力,完善这个平台并发挥平台重大作用,让中国质谱研究早日进入国际前列。

  人物简介

  潘远江教授,博士生导师。1988年毕业于兰州大学化学系,1994年在兰州大学获硕士、博士学位,1994-1996年任浙江大学化学系博士后,1996-1997年在瑞士伯尔尼大学化学与生物化学系从事博士后研究工作,1997年10月回国至今在浙江大学任教,曾任浙江大学化学生物学与药物化学研究所所长,现任浙江大学创新药物研究中心副主任,兼任中国化学会有机分析专业委员会主任委员,中国化学会第二届质谱分析专业委员会副主任委员,中国质谱学会常务理事。

  长期致力于有机分析与生物分析以及有机质谱等方面的研究,作为通讯作者,迄今发表SCI论文近300篇。主持了多项国家自然科学基金项目,2000年入选浙江省杰出青年人才培养计划,2006年入选教育部新世纪优秀人才培养计划,2010年获批国家杰出青年基金。