手性廣泛存在于生物分子中，類似左右手的關(guān)系，手性分子與其鏡像不能完全重合（互稱為對(duì)映體）。在生物系統(tǒng)中，組成蛋白質(zhì)、糖、DNA和RNA的基本單元，氨基酸、單糖和核苷酸等，通常以單一手性的形式存在。例如，生物體中的氨基酸大多以L-對(duì)映體存在，而碳水化合物主要是由D-對(duì)映體構(gòu)成。另外，由于生物體中固有的手性環(huán)境，對(duì)映體藥物分子往往表現(xiàn)出不同的生理行為和藥理活性，曾有報(bào)道稱錯(cuò)誤使用手性藥物導(dǎo)致超過(guò)1萬(wàn)例新生兒出現(xiàn)出生缺陷。
對(duì)映體分析可以基于它們與電磁場(chǎng)相互作用的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)，如偏振光、圓二色、X射線晶體學(xué)中的異常色散；或者，通過(guò)與手性選擇劑差異性的相互作用，如色譜中的手性固定相。現(xiàn)代質(zhì)譜（Mass spectrometry, MS）技術(shù)具有高靈敏、高特異性的優(yōu)點(diǎn)，卻無(wú)法區(qū)分手性對(duì)映體，通常需要與氣相色譜或高效液相色譜聯(lián)用，并配合手性固定相來(lái)進(jìn)行對(duì)映體分析。
針對(duì)以上難題，清華大學(xué)精密儀器系生物醫(yī)學(xué)儀器與應(yīng)用研究團(tuán)隊(duì)提出了一種電場(chǎng)誘導(dǎo)的離子定向旋轉(zhuǎn)技術(shù)，與先前提出的超高場(chǎng)超高分辨離子云掃描技術(shù)（分辨率超過(guò)1萬(wàn)，Nat.Commun.2023,14,1535）相結(jié)合，在Mini β小型質(zhì)譜儀器[清譜科技（北京）]上實(shí)現(xiàn)了對(duì)映體的直接分析。團(tuán)隊(duì)以 (R)-(-)-1,1'-聯(lián)-2-萘酚二(三氟甲磺酸酯)和(S)-( )-1,1'-聯(lián)-2-萘酚二(三氟甲磺酸酯)“螺旋槳分子”為模型，開(kāi)展理論仿真結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表征離子的定向旋轉(zhuǎn)效應(yīng)和對(duì)映體分離效果。仿真結(jié)果顯示雙交流電激發(fā)電場(chǎng)調(diào)控離子的宏觀運(yùn)動(dòng)幅值，且離子的運(yùn)動(dòng)模式和對(duì)映體分離效果可以通過(guò)改變雙交流電激發(fā)的相位差Δφ來(lái)調(diào)節(jié)。當(dāng)Δφ<0時(shí)，S-對(duì)映體離子的宏觀運(yùn)動(dòng)幅值大于R-對(duì)映體，并在離子云譜圖中優(yōu)先檢測(cè)到；當(dāng)Δφ>0時(shí)具有相反的結(jié)果；而Δφ=0時(shí)不具備手性分離效果（圖1）。
圖1.對(duì)映體分離的定向旋轉(zhuǎn)效應(yīng)表征
離子定向旋轉(zhuǎn)技術(shù)顯示出對(duì)手性化合物的普適性?？梢苑蛛x藥物、代謝生物標(biāo)志物、糖類以及氨基酸等多種單中心或多中心的手性對(duì)映體分子，并展現(xiàn)出優(yōu)異的定量分析特性。此外，該技術(shù)可用于不對(duì)稱催化來(lái)優(yōu)化對(duì)映選擇性合成的反應(yīng)條件。以不對(duì)稱氫化反應(yīng)為例，對(duì)于不同配體條件下的對(duì)映體過(guò)量，相較于色譜配合手性相這一當(dāng)前主流的手性分析方法（1毫克，數(shù)小時(shí)/次），離子定向旋轉(zhuǎn)技術(shù)所需的樣品量更少（10納克），分析效率（1分鐘/次）得到顯著提升，展現(xiàn)出極好的應(yīng)用前景（圖2）。
圖2.不對(duì)稱氫化反應(yīng)催化劑的快速篩選
近日，相關(guān)研究以“手性分子質(zhì)譜分析技術(shù)（Differentiating Enantiomers by Directional Rotation of Ions in a Mass Spectrometer）”為題發(fā)表在《科學(xué)》（Science）上。該研究的第一完成單位為清華大學(xué)精密儀器系、精密測(cè)試技術(shù)與儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，第一作者為清華大學(xué)精儀系副教授周曉煜，通訊作者為精儀系教授歐陽(yáng)證。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和清華大學(xué)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)科研項(xiàng)目資助。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj8342
來(lái)源 | 清華大學(xué)精儀系
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