化学反应中间体作为理解化学反应机理和动力学的瓶颈，长期以来备受关注。但是，反应中间体由于具有活性高、寿命短、信号低，采用传统的方法无法进行有效捕获，为此对化学反应机理研究带来了巨大的困扰。电化学-质谱联用技术由于灵敏度高、选择性好、特异性强等优点，为电化学反应过程中实时获取瞬态中间体及产物，揭示反应机理提供了有效途径。过去50年，该技术已从传统的电化学与质谱外部耦合逐步演化为电化学与质谱电离源的内部结合。尽管现有的电化学-质谱电离源内部结合策略为化学反应中间体捕获提供了良好的解决方案，但是具有反应装置复杂、电极制备困难、操作繁琐、电化学反应效率低等缺陷，极大地限制了该技术在化学反应中间体实时在线捕获中的应用。

图1.源内纸基质双极性电化学-质谱反应装置及电化学反应过程鲁米诺发光信号比较

为攻克这一难题，西安石油大学化学化工学院张智平教授团队基于前期发展的纸基质电喷雾电离源和等离子体电离源(Anal. Chem.2023,95, 6163-6171;2022,94, 17090–17101;2017,89, 7988-7995;2016,88, 7005–7013)，以及三嗪与硫化氢反应机理(Anal. Chem.2018,90, 11138-11145)和二氧化碳还原为一氧化碳反应机理的质谱研究(Nat. Commun.2022,13, 2577)，近日与我校电子工程学院武晓朦教授团队合作，成功开发出一种源内纸基质双极性电化学-质谱反应装置，用于实时监测电化学反应瞬态中间体和反应机理的探究。该策略是将一片三角形导电纸植入聚合物移液管中，在电场的作用下三角形纸基质尖端和底部便会诱导电化学反应的进行，随后产生的瞬态反应中间体和产物经原位电喷雾电离后进入质谱仪中进行检测。如上导电纸基质不仅可作为双极性电化学电极，也可作为电喷雾电离源的喷雾器。基于如上装置，研究团队不仅实现了对半衰期介于微秒级至秒级之间中间体N,N-二甲苯胺自由基阳离子、多巴胺醌自由基等的成功捕获，同时也可在正负离子模式下有效捕获氧化反应和还原反应的中间反应过程，甚至也可利用正负离子互补模式成功揭示了甲状腺药物甲巯咪唑的复杂代谢路径。除此之外，研究团队利用发展的方法首次探究了生理条件下，三价铁催化多巴胺氧化产生神经黑色素的反应机制，为帕金森等相关疾病的研究奠定了坚实基础。由于发展的源内纸基质双极性电化学-质谱反应装置具有装置简单、成本低廉、操作方便等特色，为有机化学反应、电催化反应、药物代谢等过程提供了强有力支撑。

图2.生理pH值条件下，源内纸基质双极性电化学-质谱技术对Fe(III)催化多巴胺的反应机理研究

如上研究成果近期以题名为“Paper-in-Tip Bipolar Electrospray Mass Spectrometry for Real-Time Chemical Reaction Monitoring”发表在国际化学领域顶级期刊《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition，影响因子16.6)，论文第一作者为化学化工学院李云副研究员，通讯作者为张智平教授和武晓朦教授，西安石油大学为唯一署名单位。该研究得到了两位匿名审稿人的高度评价，认为这是一篇关于利用电解电喷雾和质谱分析相结合来描述电化学反应机理新方法的出色工作(“This is an excellent manuscript that presents a new approach for the delineation of the mechanisms of electrochemical reactions via a combination of electrolytic electrospray and mass spectrometry”)，该工作填补了Fe(III)催化多巴胺氧化或磺化等多种小分子合成反应机理研究领域的重要空白(“The manuscript fills an important gap to understand the reaction mechanism of several small molecule syntheses such as Fe (III)-catalyzed dopamine oxidation or sulfonation”)。相关工作得到了国家自然科学基金、陕西省教育厅科研创新团队项目、西安市科技计划项目以及西安石油大学高层次引进人才等项目经费的资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202318169