潘遠江：質(zhì)譜大會夢想成真 質(zhì)譜研究其樂無窮
發(fā)布時間:2018-10-24 閱讀次數(shù)：10236次
質(zhì)譜作為功能強大的分析工具，現(xiàn)今已深入到科學(xué)研究、生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域，其中質(zhì)譜基礎(chǔ)研究不僅為質(zhì)譜技術(shù)的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)，還可為有機反應(yīng)機理的探索提供強有力的技術(shù)支撐。曾師從我國質(zhì)譜研究先驅(qū)陳耀祖院士的潘遠江教授，是我國長期從事質(zhì)譜基礎(chǔ)研究的學(xué)者之一，他致力于探索質(zhì)譜中有機分子裂解反應(yīng)的新規(guī)律，目前也開展了應(yīng)用現(xiàn)代質(zhì)譜技術(shù)捕捉有機反應(yīng)中間體等相關(guān)研究，以期實現(xiàn)氣態(tài)離子-分子反應(yīng)的精準操控。在即將舉行的中國質(zhì)譜學(xué)術(shù)大會前期，分析測試百科網(wǎng)采訪到了浙江大學(xué)求是特聘教授潘遠江博士，他興致盎然地分享了自己近30年通過質(zhì)譜認知有機世界的各種樂趣，相信每位聽過潘教授講述的人，都會禁不住愛上質(zhì)譜。
浙江大學(xué)化學(xué)系求是特聘教授 潘遠江博士
中國質(zhì)譜大會夢想成真
談到中國質(zhì)譜大會，潘遠江教授首先回憶起1997年博士后期間，自己第一次參加的第45屆全美質(zhì)譜大會（ASMS Conference）?！拔业谝淮螀⒓右?guī)模這么大的會議，感覺非常震撼?！迸私淌谡f，“ASMS Conference組織得非常出色，水平非常高，無論你想了解質(zhì)譜哪個方向的動態(tài)前沿，都能找到對應(yīng)的部分。當時我聽了美國范德堡大學(xué)(Vanderbilt University) Richard M. Caprioli 教授（現(xiàn)任JMS主編）關(guān)于質(zhì)譜成像的報告，也非常震撼。因為那時國內(nèi)質(zhì)譜研究才剛起步，而國際質(zhì)譜發(fā)展得如此之快。我和當時參會的留學(xué)生們在一起聊天時就有一個夢想，什么時候我們國內(nèi)才能組織一個水平這么高、規(guī)模這么大、博采眾家之長的質(zhì)譜學(xué)術(shù)會議。一轉(zhuǎn)眼，今年就有了，我國將召開一個綜合性的全國質(zhì)譜大會，這非常令人振奮，其意義非常重大，它將是一個非常好的交流平臺，如此規(guī)模宏大的盛會將融合基礎(chǔ)研究、應(yīng)用拓展、前沿探索等領(lǐng)域的各個報告，相信每一個質(zhì)譜學(xué)者尤其是年輕的質(zhì)譜同仁都將受益匪淺。從事質(zhì)譜研究和應(yīng)用的人員將在這次的中國質(zhì)譜大會上，找到一個共同的組織和家園，我們或許還可借助該平臺找到解決各種挑戰(zhàn)性問題的方案?！?/p>
不久前，潘遠江教授到意大利參加國際質(zhì)譜大會，并主持一個基礎(chǔ)研究的分會場?！皠⒒⑼淌谠岬竭^，我們希望在2022或2024年爭取承辦一次國際質(zhì)譜大會?！迸私淌谡f，“中國質(zhì)譜學(xué)術(shù)大會的目標是，將來要辦成可同ASMS 媲美的大會。因為從參會人數(shù)和水平來看，ASMS Conference代表著國際最高水平。今年國內(nèi)質(zhì)譜研究相關(guān)的各學(xué)會精誠合作，攜手舉辦中國質(zhì)譜學(xué)術(shù)大會，將是一個非常好的開始，為今后無論是爭取承辦國際質(zhì)譜大會，還是辦成可媲美ASMS Conference水平的中國質(zhì)譜大會，無疑都將奠定良好的基礎(chǔ)。”
質(zhì)譜在氣相離子化學(xué)研究中的作用
“我主要研究有機小分子，從事氣相離子化學(xué)相關(guān)科研工作，最近幾年開始嘗試應(yīng)用現(xiàn)代質(zhì)譜技術(shù)探索一些有機化學(xué)反應(yīng)的活性中間體，為研究有機化學(xué)反應(yīng)機理提供技術(shù)手段?！迸诉h江興致盎然地介紹自己的研究工作，“這項研究非常有意思。大家知道，通常我們研究有機反應(yīng)機理大多依靠推測和理論計算，很難獲得直接證據(jù)。有機化學(xué)反應(yīng)過程中往往存在著各種活性中間體，這些活性中間體對反應(yīng)過程起著重要作用，但傳統(tǒng)的分析手段通常難以對這些活性中間體進行分析研究；由于質(zhì)譜非常準確、快速、靈敏，可直接捕獲這些中間體并對其元素組成、結(jié)構(gòu)以及活性進行分析研究，這些信息能夠幫助人們準確判斷反應(yīng)過程中生成了哪些中間體，這些中間體又如何導(dǎo)致最后產(chǎn)物的形成，從而對整個反應(yīng)過程了解得比較清晰。有機合成是創(chuàng)制新型（功能）物質(zhì)的有效途徑，如果能搞清楚反應(yīng)的機理，將可指導(dǎo)我們進行精準合成，這也使我們的有機合成研究更好地走向高效、綠色、經(jīng)濟的發(fā)展方向。比如在C-H鍵羥基化反應(yīng)中，2006年Science認為需要導(dǎo)向基團，我們課題組利用質(zhì)譜技術(shù)發(fā)現(xiàn)了氣相中可發(fā)生S導(dǎo)向的Cu催化的鄰位C-H鍵活化/官能團化反應(yīng)，為液相中的有機合成反應(yīng)提供了新穎的設(shè)計思路，在該類反應(yīng)機理驗證方面，我們用高分辨質(zhì)譜分析了反應(yīng)過程中的中間體，推斷出產(chǎn)物分子羥基中氧的來源，確定烯胺酮配體的催化部位。在反應(yīng)過程監(jiān)測中，用ESI-HRMS檢測不同反應(yīng)時間段的反應(yīng)物，驗證中間體存在的階段，并揭示了質(zhì)子奪取和羥基轉(zhuǎn)移的歷程；近期，我們協(xié)助北京工業(yè)大學(xué)于澍燕教授團隊，設(shè)計、合成了新型Pd催化劑，可實現(xiàn)室溫下CS2水解成CO2，并利用ESI-MS監(jiān)測了Pd催化劑的催化過程，鑒定了該反應(yīng)的關(guān)鍵中間體，為機理研究提供了重要證據(jù)。這些研究成果均在一些高水平學(xué)術(shù)期刊上得到了發(fā)表。”
此外，質(zhì)譜技術(shù)也可以制備活性中間體并對其反應(yīng)體活性進行研究，也可在催化劑的快速篩選方面發(fā)揮重要作用。
潘教授接著說：“基于質(zhì)譜技術(shù)的中間體研究方興未艾。目前，有機化學(xué)家往往通過培養(yǎng)單晶做晶體結(jié)構(gòu)，或用核磁共振、紅外光譜等研究瞬態(tài)中間體的結(jié)構(gòu)。這些檢測方法固然經(jīng)典、有效，但存在分析速度慢、樣品需求量高等缺點。而質(zhì)譜技術(shù)分析速度快，又能提供確切的元素組成，還可通過多級質(zhì)譜技術(shù)獲得中間體結(jié)構(gòu)相關(guān)的信息，進行中間體的定性、定量分析。因此質(zhì)譜研究反應(yīng)中間體是非常有前途的。當然，當前的質(zhì)譜技術(shù)仍有諸多局限，如中性中間體難以捕獲、檢測和研究，以及特殊中間體精確結(jié)構(gòu)信息難以獲取等，這些問題亟待我們進一步發(fā)展相關(guān)的技術(shù)方法加以解決，如結(jié)合原位光譜等其他手段。通過努力研究，構(gòu)建通用的有機反應(yīng)中間體研究的質(zhì)譜技術(shù)，這樣將來有機化學(xué)家們就可以通過用質(zhì)譜測定中間體來明確地解析反應(yīng)機理，獲知確切的反應(yīng)歷程，接下來就可以進行精準的定向合成，這樣的前景非常美好?！?/p>
用質(zhì)譜研究中間體的方法
潘教授隨后介紹了用質(zhì)譜研究中間體的代表性方法，“中間體非?；顫?，而質(zhì)譜研究的對象是氣相離子。在溶液中，一些反應(yīng)中間體受到溶劑效應(yīng)、離子對等影響，活性中間體的生命周期很短。而在氣相過程中分子相互作用較少，我們可有意識地采取一些特殊手段延長活性中間體壽命以方便研究。如改變離子阱質(zhì)譜的一些參數(shù)、采取冷阱技術(shù)等。我對用質(zhì)譜研究活性中間體的工作非常感興趣，因為它帶來可拓展的廣闊的研究空間?！?/p>
從質(zhì)譜技術(shù)上來說，對于比較穩(wěn)定的中間體，用常規(guī)的電噴霧質(zhì)譜（ESI-MS）就可以研究。ESI的界面（接口）技術(shù)將溶液和氣相天然銜接，解決了氣相和液相的連接問題。通過將反應(yīng)液氣化后檢測，可以直接測定相對較穩(wěn)定的中間體。對于大多數(shù)中間體可以采用離子阱或FTICR-MS，因為它們可設(shè)置捕獲時間，存儲活性離子，再通過降低能量來不斷儲存和富集。目前，潘教授團隊還同中國計量科學(xué)院方向教授課題組合作，通過改造離子阱，利用大容量、數(shù)字化的線性離子阱，以及串聯(lián)離子阱技術(shù)，增大儲存活性物質(zhì)的容量，還可以銜接冷阱技術(shù)，進一步富集活性中間體離子并延長活性周期。在用雙離子阱質(zhì)譜研究時，可以將第一個離子阱中捕獲富集的中間體引入到第二個離子阱中，將第二個離子阱作為反應(yīng)器，再通入反應(yīng)底物進行合成反應(yīng)，將可以實現(xiàn)精準的靶向合成。潘教授興奮地暢想未來：“也許我們將來可以設(shè)計這種精準的氣相合成儀，比如一個離子阱里放一個A正離子，一個離子阱里放一個B負離子，讓它倆結(jié)合即形成AB終產(chǎn)物了，這是非常讓人激動的前景?！?/p>
“當然，我們還會遇到一些挑戰(zhàn)性的課題，比如有些中間體不帶電，都是自由基怎么辦？質(zhì)譜研究者就需結(jié)合一些電學(xué)、磁學(xué)的技術(shù)，能讓這些中間體快速電離。這些都是挑戰(zhàn)性的課題，從一個方向就可以衍生出很多從事研究的方向，非常有意思。”
從事質(zhì)譜研究的人都很幸福
“上述質(zhì)譜基礎(chǔ)研究的目的是要為實際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，比如定向精準的靶向合成。”潘教授談到應(yīng)用就更滔滔不絕，“現(xiàn)在制藥企業(yè)都有質(zhì)譜儀，醫(yī)院也購置了許多質(zhì)譜儀，質(zhì)譜的需求量越來越大。質(zhì)譜的應(yīng)用是頂天立地，可頂天做太空探索，也可立地做食品安全，將來可能每個家庭都會有臺小型的質(zhì)譜儀，哪天身體不舒服，馬上可以通過測呼出氣體、汗液、唾液，從質(zhì)譜圖就可以做到前期診斷。質(zhì)譜現(xiàn)已廣泛用于新生胎兒篩查，老年人和女性的營養(yǎng)水平評估等。任何一個研究對象，都可以找到對應(yīng)的質(zhì)譜手段；在分析化學(xué)領(lǐng)域，質(zhì)譜基本上已經(jīng)占據(jù)半壁江山。
我經(jīng)常遇到一些朋友，他們從國外帶回來一瓶飲料或一瓶保健品對我說，‘潘教授，您幫助分析鑒定一下這里面成分是不是真的’。這時適用的分析手段之一便是質(zhì)譜。質(zhì)譜既可以給你帶來許多美妙的想象，又可以幫你解決各種實際問題。質(zhì)譜是對氣相分子進行精準分析的最好手段，靈敏、準確，而且可以在線。所以我覺得從事質(zhì)譜研究的人都很幸福，質(zhì)譜給我們帶來很多意想不到的快樂，它有無窮無盡的讓你發(fā)揮想象空間的地方?！?/p>
潘遠江還分享了自己愛上質(zhì)譜的經(jīng)歷，“我第一次接觸質(zhì)譜是1991年，當時蘭州大學(xué)最早利用世界銀行貸款，購置一臺高端質(zhì)譜儀。我最開始做質(zhì)譜應(yīng)用，分析天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，而且很早就接觸了高分辨質(zhì)譜儀。1996年我到瑞士做博士后期間，合作導(dǎo)師問我用過哪幾類質(zhì)譜儀。我說我只是看到過一些質(zhì)譜儀，但沒有自己實際操控過。他在驚奇之余就說，那你就學(xué)吧。實驗室有6、7臺質(zhì)譜儀，我就一個月學(xué)一種，當時真是太幸運了。接下來就是1997年參加ASMS Conference，在聽報告之余參觀儀器展會，更是驚訝于質(zhì)譜種類之多，應(yīng)用范圍之廣。而現(xiàn)在國內(nèi)的條件越來越好，很多課題組的質(zhì)譜配置已經(jīng)同國外相當甚至更好。所以這一代的年輕人格外幸福，有這么好的科研條件，有這么好的研究方向指導(dǎo)，還有中國質(zhì)譜大會這么好的平臺。所以年輕學(xué)者要好好珍惜這些機會，一定將大有所為。”
培養(yǎng)更多質(zhì)譜人才 用扎實的基礎(chǔ)知識解決更多應(yīng)用問題
談到自己可對中國質(zhì)譜做出哪些貢獻，潘教授表示：中國質(zhì)譜如今發(fā)展很快，近年來國內(nèi)一大批年輕學(xué)者在老一輩質(zhì)譜同仁工作的基礎(chǔ)上，腳踏實地不斷努力，取得了令人耳目一新的突出成績；除此之外，大批國外歸來的優(yōu)秀人才也對我國質(zhì)譜發(fā)展做出了很大的貢獻?！皣庥性S多著名質(zhì)譜學(xué)家如大家熟知的Fred Mclafferty、 Gram Cooks、Scott McLuckey、Veronica Bierbaum等，這些大師的質(zhì)譜基礎(chǔ)理論都非常深厚，當他們再去做質(zhì)譜應(yīng)用或前沿探索時，對質(zhì)譜的理解和研究的角度就很不一樣。年輕人如果想在質(zhì)譜領(lǐng)域做得更出色一點，應(yīng)該加強對質(zhì)譜基礎(chǔ)的理解與學(xué)習(xí)。我本人從事傳統(tǒng)的氣相離子化學(xué)質(zhì)譜基礎(chǔ)研究，希望可以在基礎(chǔ)理論教育和培訓(xùn)方面，能多為我國的質(zhì)譜發(fā)展做些貢獻。因為用扎實的基礎(chǔ)知識來解決應(yīng)用問題，將會更流暢?！迸私淌谡f，“比如，將來我們可以在中國質(zhì)譜大會前開設(shè)一些培訓(xùn)課程；我也愿意參與這些質(zhì)譜培訓(xùn)課題的建設(shè)；將來我們或許可以開設(shè)一些全國范圍的質(zhì)譜課程，培養(yǎng)更多的年輕質(zhì)譜人才。質(zhì)譜發(fā)展我們每個人都有責(zé)任，我本人希望盡可能將我?guī)资晁斫獾馁|(zhì)譜基礎(chǔ)知識傳授給年輕一代。我想不僅是我，還有一大批質(zhì)譜同仁都愿意在質(zhì)譜教育培訓(xùn)方面做出自己的貢獻?！?/p>
群策群力 中國質(zhì)譜進入國際前列指日可待
關(guān)于中國質(zhì)譜在全球的影響力，潘教授表示：隨著國內(nèi)一批質(zhì)譜專家特色工作的長期積累，加上很多從國外回來的年輕才俊的出色表現(xiàn)，當前我國的質(zhì)譜整體研究和世界水平的差距正在逐步縮少。不過我國當前突出、頂尖的質(zhì)譜原創(chuàng)研究尚很少，還需一個質(zhì)的飛躍。隨著國家的投入和重視，越來越多的研究人員對質(zhì)譜的興趣不斷提高，聰明年輕人的不斷努力，我國的質(zhì)譜研究完全有可能在不遠的將來躋身國際前列，達到國際前沿。
對于中國質(zhì)譜大會，潘遠江最后寄語說：本次大會水平高、規(guī)模大，搭建了一個很好的平臺，可以讓每個質(zhì)譜人更快地找準自己的定位。希望中國每一位質(zhì)譜同仁珍惜這個機會，希望大家團結(jié)一心群策群力，完善這個平臺并發(fā)揮平臺重大作用，讓中國質(zhì)譜研究早日進入國際前列。
人物簡介
潘遠江教授，博士生導(dǎo)師。1988年畢業(yè)于蘭州大學(xué)化學(xué)系，1994年在蘭州大學(xué)獲碩士、博士學(xué)位，1994-1996年任浙江大學(xué)化學(xué)系博士后，1996-1997年在瑞士伯爾尼大學(xué)化學(xué)與生物化學(xué)系從事博士后研究工作，1997年10月回國至今在浙江大學(xué)任教，曾任浙江大學(xué)化學(xué)生物學(xué)與藥物化學(xué)研究所所長，現(xiàn)任浙江大學(xué)創(chuàng)新藥物研究中心副主任，兼任中國化學(xué)會有機分析專業(yè)委員會主任委員，中國化學(xué)會第二屆質(zhì)譜分析專業(yè)委員會副主任委員，中國物理學(xué)會質(zhì)譜分會常務(wù)理事。
長期致力于有機分析與生物分析以及有機質(zhì)譜等方面的研究，作為通訊作者，迄今發(fā)表SCI論文近300篇。主持了多項國家自然科學(xué)基金項目，2000年入選浙江省杰出青年人才培養(yǎng)計劃，2006年入選教育部新世紀優(yōu)秀人才培養(yǎng)計劃，2010年獲批國家杰出青年基金。