潘遠江：質譜大會夢想成真 質譜研究其樂無窮
發(fā)布時間:2018-10-24 閱讀次數(shù)：9897次
質譜作為功能強大的分析工具，現(xiàn)今已深入到科學研究、生產(chǎn)生活的各個領域，其中質譜基礎研究不僅為質譜技術的應用奠定了理論基礎，還可為有機反應機理的探索提供強有力的技術支撐。曾師從我國質譜研究先驅陳耀祖院士的潘遠江教授，是我國長期從事質譜基礎研究的學者之一，他致力于探索質譜中有機分子裂解反應的新規(guī)律，目前也開展了應用現(xiàn)代質譜技術捕捉有機反應中間體等相關研究，以期實現(xiàn)氣態(tài)離子-分子反應的精準操控。在即將舉行的中國質譜學術大會前期，分析測試百科網(wǎng)采訪到了浙江大學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，都會禁不住愛上質譜。
浙江大學化學系求是特聘教授 潘遠江博士
中國質譜大會夢想成真
談到中國質譜大會，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，無論你想了解質譜哪個方向的動態(tài)前沿，都能找到對應的部分。當時我聽了美國范德堡大學(Vanderbilt University) Richard M. Caprioli 教授（現(xiàn)任JMS主編）關于質譜成像的報告，也非常震撼。因為那時國內(nèi)質譜研究才剛起步，而國際質譜發(fā)展得如此之快。我和當時參會的留學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、博采眾家之長的質譜學術會議。一轉眼，今年就有了，我國將召開一個綜合性的全國質譜大會，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研究、應用拓展、前沿探索等領域的各個報告，相信每一個質譜學者尤其是年輕的質譜同仁都將受益匪淺。從事質譜研究和應用的人員將在這次的中國質譜大會上，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。”
不久前，潘遠江教授到意大利參加國際質譜大會，并主持一個基礎研究的分會場。“劉虎威教授曾提到過，我們希望在2022或2024年爭取承辦一次國際質譜大會?！迸私淌谡f，“中國質譜學術大會的目標是，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)質譜研究相關的各學會精誠合作，攜手舉辦中國質譜學術大會，將是一個非常好的開始，為今后無論是爭取承辦國際質譜大會，還是辦成可媲美ASMS Conference水平的中國質譜大會，無疑都將奠定良好的基礎?！?/p>
質譜在氣相離子化學研究中的作用
“我主要研究有機小分子，從事氣相離子化學相關科研工作，最近幾年開始嘗試應用現(xiàn)代質譜技術探索一些有機化學反應的活性中間體，為研究有機化學反應機理提供技術手段?！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)。有機化學反應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、結構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過程中生成了哪些中間體，這些中間體又如何導致最后產(chǎn)物的形成，從而對整個反應過程了解得比較清晰。有機合成是創(chuàng)制新型（功能）物質的有效途徑，如果能搞清楚反應的機理，將可指導我們進行精準合成，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鍵羥基化反應中，2006年Science認為需要導向基團，我們課題組利用質譜技術發(fā)現(xiàn)了氣相中可發(fā)生S導向的Cu催化的鄰位C-H鍵活化/官能團化反應，為液相中的有機合成反應提供了新穎的設計思路，在該類反應機理驗證方面，我們用高分辨質譜分析了反應過程中的中間體，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。在反應過程監(jiān)測中，用ESI-HRMS檢測不同反應時間段的反應物，驗證中間體存在的階段，并揭示了質子奪取和羥基轉移的歷程；近期，我們協(xié)助北京工業(yè)大學于澍燕教授團隊，設計、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，鑒定了該反應的關鍵中間體，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術期刊上得到了發(fā)表。”
此外，質譜技術也可以制備活性中間體并對其反應體活性進行研究，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：“基于質譜技術的中間體研究方興未艾。目前，有機化學家往往通過培養(yǎng)單晶做晶體結構，或用核磁共振、紅外光譜等研究瞬態(tài)中間體的結構。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。而質譜技術分析速度快，又能提供確切的元素組成，還可通過多級質譜技術獲得中間體結構相關的信息，進行中間體的定性、定量分析。因此質譜研究反應中間體是非常有前途的。當然，當前的質譜技術仍有諸多局限，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構信息難以獲取等，這些問題亟待我們進一步發(fā)展相關的技術方法加以解決，如結合原位光譜等其他手段。通過努力研究，構建通用的有機反應中間體研究的質譜技術，這樣將來有機化學家們就可以通過用質譜測定中間體來明確地解析反應機理，獲知確切的反應歷程，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>
用質譜研究中間體的方法
潘教授隨后介紹了用質譜研究中間體的代表性方法，“中間體非常活潑，而質譜研究的對象是氣相離子。在溶液中，一些反應中間體受到溶劑效應、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。如改變離子阱質譜的一些參數(shù)、采取冷阱技術等。我對用質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>
從質譜技術上來說，對于比較穩(wěn)定的中間體，用常規(guī)的電噴霧質譜（ESI-MS）就可以研究。ESI的界面（接口）技術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，增大儲存活性物質的容量，還可以銜接冷阱技術，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器，再通入反應底物進行合成反應，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？質譜研究者就需結合一些電學、磁學的技術，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?！?/p>
從事質譜研究的人都很幸福
“上述質譜基礎研究的目的是要為實際應用奠定基礎，比如定向精準的靶向合成。”潘教授談到應用就更滔滔不絕，“現(xiàn)在制藥企業(yè)都有質譜儀，醫(yī)院也購置了許多質譜儀，質譜的需求量越來越大。質譜的應用是頂天立地，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，從質譜圖就可以做到前期診斷。質譜現(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，都可以找到對應的質譜手段；在分析化學領域，質譜基本上已經(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譜。質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。所以我覺得從事質譜研究的人都很幸福，質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譜的經(jīng)歷，“我第一次接觸質譜是1991年，當時蘭州大學最早利用世界銀行貸款，購置一臺高端質譜儀。我最開始做質譜應用，分析天然產(chǎn)物結構，而且很早就接觸了高分辨質譜儀。1996年我到瑞士做博士后期間，合作導師問我用過哪幾類質譜儀。我說我只是看到過一些質譜儀，但沒有自己實際操控過。他在驚奇之余就說，那你就學吧。實驗室有6、7臺質譜儀，我就一個月學一種，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，更是驚訝于質譜種類之多，應用范圍之廣。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，還有中國質譜大會這么好的平臺。所以年輕學者要好好珍惜這些機會，一定將大有所為?！?/p>
培養(yǎng)更多質譜人才 用扎實的基礎知識解決更多應用問題
談到自己可對中國質譜做出哪些貢獻，潘教授表示：中國質譜如今發(fā)展很快，近年來國內(nèi)一大批年輕學者在老一輩質譜同仁工作的基礎上，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)秀人才也對我國質譜發(fā)展做出了很大的貢獻?！皣庥性S多著名質譜學家如大家熟知的Fred Mclafferty、 Gram Cooks、Scott McLuckey、Veronica Bierbaum等，這些大師的質譜基礎理論都非常深厚，當他們再去做質譜應用或前沿探索時，對質譜的理解和研究的角度就很不一樣。年輕人如果想在質譜領域做得更出色一點，應該加強對質譜基礎的理解與學習。我本人從事傳統(tǒng)的氣相離子化學質譜基礎研究，希望可以在基礎理論教育和培訓方面，能多為我國的質譜發(fā)展做些貢獻。因為用扎實的基礎知識來解決應用問題，將會更流暢?！迸私淌谡f，“比如，將來我們可以在中國質譜大會前開設一些培訓課程；我也愿意參與這些質譜培訓課題的建設；將來我們或許可以開設一些全國范圍的質譜課程，培養(yǎng)更多的年輕質譜人才。質譜發(fā)展我們每個人都有責任，我本人希望盡可能將我?guī)资晁斫獾馁|譜基礎知識傳授給年輕一代。我想不僅是我，還有一大批質譜同仁都愿意在質譜教育培訓方面做出自己的貢獻。”
群策群力 中國質譜進入國際前列指日可待
關于中國質譜在全球的影響力，潘教授表示：隨著國內(nèi)一批質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、頂尖的質譜原創(chuàng)研究尚很少，還需一個質的飛躍。隨著國家的投入和重視，越來越多的研究人員對質譜的興趣不斷提高，聰明年輕人的不斷努力，我國的質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，可以讓每個質譜人更快地找準自己的定位。希望中國每一位質譜同仁珍惜這個機會，希望大家團結一心群策群力，完善這個平臺并發(fā)揮平臺重大作用，讓中國質譜研究早日進入國際前列。
人物簡介
潘遠江教授，博士生導師。1988年畢業(yè)于蘭州大學化學系，1994年在蘭州大學獲碩士、博士學位，1994-1996年任浙江大學化學系博士后，1996-1997年在瑞士伯爾尼大學化學與生物化學系從事博士后研究工作，1997年10月回國至今在浙江大學任教，曾任浙江大學化學生物學與藥物化學研究所所長，現(xiàn)任浙江大學創(chuàng)新藥物研究中心副主任，兼任中國化學會有機分析專業(yè)委員會主任委員，中國化學會第二屆質譜分析專業(yè)委員會副主任委員，中國物理學會質譜分會常務理事。
長期致力于有機分析與生物分析以及有機質譜等方面的研究，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。