質譜技術在固-液界面電化學中間產物探測中的研究進展

張藝騰,張雪萌,閔乾昊

(南京大學化學化工學院,生命分析化學國家重點實驗室,江蘇 南京 210023)

電化學反應中間體的快速捕獲與實時監測是研究電化學反應過程、剖析反應機理的重要環節之一,對電化學合成、分析方法開發以及電催化劑設計具有重要的意義。傳統的電化學方法可以通過獲取電流、電勢以及電荷轉移數等參數來推斷反應中間體的生成與轉化,但無法直接提供與電極/電解質界面化學轉化相關的分子信息。因此,研究者們通過將電化學池與各類表征技術聯用,開發了一系列電化學原位實時分析方法,如原位電子順磁共振波譜[1]、原位拉曼光譜[2-3]、原位紅外光譜[4-6]、原位X射線衍射[7-8]以及原位X射線光電子能譜[9-10]等。這些分析手段可以獲取目標物的特征譜圖,實現電化學反應中間體的原位表征與動態監測,但難以從分子層面提供電化學反應過程中多種中間體的組成與結構信息,在瞬態中間體的直接檢測和結構鑒定方面存在缺陷。

質譜能夠直接提供化合物的質荷比(m/z),通過串聯質譜可以對目標化合物進行結構鑒定[11-12],在檢測涉及多種中間體轉化的復雜電化學反應方面具有優勢。利用質譜技術研究電化學反應最早可追溯至20世紀70年代,Bruckenstein等[13]首次將電子轟擊離子源質譜(EI-MS)用于電化學反應中氣相產物的在線檢測。此后,相繼發展了基于快速原子轟擊質譜(FAB-MS)[14]、熱噴霧質譜(TS-MS)[15]、流動大氣壓余輝質譜(FAPA-MS)[16]等一系列電化學質譜(EC-MS)聯用技術,但檢測對象多集中于氣相以及揮發性物質。隨著離子化技術的不斷發展,EC-MS的檢測對象從氣相、揮發性產物逐漸延伸至液相反應中間體與產物。目前,已有一些文獻對固/液界面中間產物的質譜研究進行了綜述。姜杰課題組[17]從不同質譜離子源出發,詳細描述了基于微分電化學-質譜、電化學-電噴霧-質譜、電化學-常壓電離-質譜技術在電化學反應機理探究方面的應用;Yan課題組[12]從裝置層面詳細地綜述了近年來EC-MS技術的發展情況;Yuill等[18]主要描述了EC-MS技術在生物分析方面的應用。

本文將重點介紹基于電噴霧質譜(ESI-MS)、原位電離質譜(AIMS)以及飛行時間二次離子質譜(TOF-SIMS)的EC-MS聯用技術用于固-液界面電化學反應中間體的快速捕獲與實時監測,并對上述技術在有機電合成、電催化、鋰離子電池、電化學發光和生物分子電化學過程分析等領域的研究進展進行綜述。本文總結的電化學質譜聯用技術用于不同類型電化學反應中間體的檢測情況列于表1。

表1 電化學質譜聯用技術用于中間體捕獲的總結Table 1 Summary of EC-MS for intermediates capturing

1 用于電化學反應中間體檢測的質譜分析技術

1.1 源內電化學

使用ESI-MS分析時,施加高電壓的電極與溶液界面之間的電化學反應以及氣相中的電暈放電過程往往會導致被分析物的氧化或還原,這一現象被稱為源內電化學。Kebarle等[36-37]證明了ESI過程伴隨著電化學反應的發生。假設向電噴霧毛細管施加高正電壓時(即正離子模式),電噴霧電離源向外釋放正離子,為維持溶液體系的電中性,毛細管中的物種會發生電化學氧化反應,導致負離子的中和或正離子的產生;類似的,在負離子模式下則會發生電化學還原反應,導致正離子的中和或負離子的產生。van Berkel等[38]認為ESI源是一種特殊的恒電流電解池,其電極之間的電荷傳遞發生在氣相中,與傳統電解池完全依賴于溶液中的電荷傳遞不同。大量研究也證明了上述觀點。在ESI正離子模式下,Blades等[37]以鋅或不銹鋼材料作為噴針電極,能夠觀察到Zn2+和Fe2+離子信號;van Berkel等[39]發現金屬卟啉和多環芳烴(PAHs)能夠在電噴霧毛細管的金屬/溶液界面發生電化學氧化而形成相應的陽離子自由基。此外,肽[40]、利血平[41]、阿莫地喹[42]、類固醇硫酸鹽[43]等物種均會在ESI正離子模式下發生氧化反應。

在施加高壓ESI過程中,噴針尖端可能發生局部自持放電現象(即電暈放電),在氣相中生成大量氧化性或還原性物種[44-46],誘導分析物發生氧化還原反應。電暈放電的產生不依賴于高電壓的極性,因此,在ESI正、負離子模式下均能夠觀察到由電暈放電引起的分析物氧化或還原反應。Pei等[47]觀察到在正離子模式下電暈放電誘導的亞氨基醌和醌衍生物的還原反應;Gianelli等[48]報道了由電暈放電導致的Cu(Ⅱ)在正離子模式下的還原反應;Boys等[44]發現在常規ESI工作條件(Vo=3.5 kV,N2作為載氣)下也會存在微弱的電暈放電,導致蛋白質氧化。實際分析中,研究者們通過調節溶劑組成、鞘氣、噴針電極材料、噴霧尖端到質譜儀入口距離等參數,調控ESI中電化學氧化還原反應及電暈放電氧化還原反應。

由于源內電化學反應受ESI過程諸多參數的影響,存在較強的不可控性,難以作為模型研究傳統的固-液界面電化學過程。本文主要探討可用于固-液界面電化學過程分子信息探測的質譜技術,旨在闡釋有機電合成、電催化、鋰離子電池、電致化學發光等電化學界面過程,因此,對于源內電化學將不做過多討論。

1.2 電噴霧質譜

ESI源可被認為是一種電解池,利用ESI中高電壓同時實現電化學反應的觸發及噴霧的形成,以達到快速分析電化學反應中間體的目的。在這類直接偶聯裝置中,高電壓施加位置如果距離質譜入口過遠,會導致電化學過程中瞬態分子信息丟失;距離過近則可能無法實現分析物的電離。因此,在構建裝置時需要調整噴針電極位置以及噴霧毛細管與質譜入口間的距離等參數。Wan等[49]通過調節納升電噴霧(nESI)離子源中鉑絲與質譜入口的距離,模擬電化學雙電極體系,實現了有機電合成反應的快速篩選。在正離子模式下,將nESI中施加數千伏正電壓的鉑絲作為電解池陽極,接地的質譜入口作為陰極,nESI毛細管中的液相反應物在鉑絲表面失去電子,并經歷電噴霧過程被快速傳遞至質譜儀。隨后,Yan課題組[19]使用更大內徑(139 μm)的ESI發射器構建了一種具有反應加速效應的電化學微反應器,其裝置示于圖1a,結果表明,反應加速效應來源于該微反應器能夠形成具有更大表面積的泰勒錐溶液-空氣界面。與上述裝置不同,Hu等[21]通過熱解丁烷的方式在石英納米管尖端沉積碳層,構建了非接觸型的雙極電極-納升電噴霧-質譜(BUME-nESI-MS)裝置,示于圖1b,在正離子模式下,雙極電極在數千伏高電壓的極化作用下產生電勢差,使靠近質譜入口一端的正電荷聚集,驅動氧化反應發生。同時,產生的瞬態中間體在電場作用下迅速從電極/電解質界面傳遞至氣相中被質譜捕獲,實現了半衰期200 μs短壽命中間體的快速捕獲。后續工作中,該課題組在theta石英毛細管的2個獨立微通道分別對稱或不對稱地修飾雙極電極,實現了有機電合成中非均相電化學過程與活性物種間均相化學反應過程的分離[22]。

圖1 界面電化學微反應器EC-MS[19](a),非接觸型的雙極電極-納升電噴霧-質譜[21](b),rESI-超微雜化電極EC-MS[26](c)和懸浮電解電噴霧電離[20](d)的裝置示意圖Fig.1 Schematic illustrations of interfacial electrochemical microreactor EC-MS[19] (a), BUME-nESI-MS[21] (b), rESI-hybrid ultramicroelectrode EC-MS[26] (c) and FE-ESI[20] (d) setups

將電化學反應集成到電噴霧過程的裝置雖然能夠實現瞬態電化學中間體的快速捕獲,但是電噴霧過程中數千伏電壓的使用使其無法還原真實的電化學體系。為此,邵元華課題組[26]提出一種以theta毛細管作為微電解池與噴霧發射器的超微雜化電極EC-MS裝置,示于圖1c,將theta毛細管中1個通道內的沉積碳層作為工作電極,另一通道插入Ag/AgCl電極并注入反應溶液,溶液在theta毛細管尖端與碳電極接觸并形成薄液層。當施加電壓時,在毛細管尖端薄液層中發生電化學反應,通過壓電槍觸發電噴霧,使電極表面的新生物種快速進入質譜。之后,該課題組在theta毛細管構建了瓊脂凝膠/水相以及PVC凝膠/有機相電化學裝置[23],并與質譜技術結合用于研究液/液界面發生的復雜電化學過程。Chen等[20]通過電路設計將微型電解池與電噴霧電離源結合,開發了懸浮電解電噴霧電離(floating electrolytic electrospray ionization, FE-ESI)裝置,示于圖1d,可以分別調節電解和電噴霧過程,使電解反應不再由電噴霧的極性決定,拓寬了電噴霧質譜研究電化學反應的種類。

1.3 原位電離質譜

2004年,Cooks課題組[50]設計并開發了解吸電噴霧電離(DESI)技術,提出了常壓電離質譜(AIMS)的概念,即在無需樣品預處理的條件下實現待測物的原位分析[51]。相較于ESI,以DESI為代表的AIMS技術可直接獲取界面過程的分子信息,為研究電化學反應機理提供了重要的理論依據。Brown等[27]開發了基于水輪工作電極的EC-MS裝置,示于圖2a。將部分鉑盤電極浸沒在溶液中,當電極開始旋轉,其表面會形成一層電解質薄膜;當施加反應電勢時,電極表面產生的中間產物在DESI產生初級液滴的撞擊下進入質譜,能夠在毫秒級內實現電極表面新生物種的實時分析。隨后,Cheng等[52]使用多孔碳紙電極作為工作電極,利用DESI萃取電極表面溶液,實現了電化學反應過程中反應中間體的實時追蹤,示于圖2b。此外,Liu等[53]將插指電極(IDA)與納噴解吸電噴霧質譜(nano-DESI-MS)結合,實現了電極表面生成物種的質譜表征。聲噴霧離子化(sonic spray ionization, SSI)技術利用超音速噴霧過程中電荷分布不均現象而形成帶電液滴和氣相離子[54],由于不使用高電壓,該技術能夠規避常規離子源中高電壓對電化學反應體系的干擾,因此被應用于電化學質譜裝置的構建。Liu等[31]將紙基電化學池與SSI結合,實現了電化學過程與離子化過程的解耦,示于圖2c。Wang等[32]利用毛細管將薄層電解池與SSI結合,搭建了雙通道EC-MS裝置,用于探究電化學中間體在溶液相中的轉化。閔乾昊課題組[34]將毛細管電化學微反應器、光電倍增管(PMT)與文丘里常壓聲噴霧質譜(V-EASI-MS)結合,構建了電致化學發光(ECL)實時監測質譜平臺RT-Triplex,示于圖2d,可實現ECL過程中電信號、光信號以及質譜信號的同步采集。在有機電化學反應中,常涉及中性自由基中間體參與反應,但由于其不帶電荷而無法實現質譜表征。為解決這一問題,Liu等[33]提出了電化學-中性再電離-質譜裝置,由流動電化學池、簡單聲噴霧電離源、加熱管、離子偏轉器和電噴霧離子源組成,在檢測過程中,只有中性物種能夠通過離子偏轉器,隨后被電噴霧離子源電離并進入質譜檢測。

圖2 基于水輪電極的EC-MS[27](a),基于碳紙工作電極的EC-MS[52](b),紙基電化學池EC-MS[31](c)和RT-Triplex[34](d)的裝置示意圖Fig.2 Schematic illustrations of water wheel electrode based EC-MS[27] (a), carbon paper working electrode based EC-MS[52] (b), paper electrochemical cell EC-MS[31] (c), RT-Triplex[34] (d) setups

最近研究[55-57]表明,當水分散為直徑1～20 μm的微液滴時,能夠自發生成過氧化氫。隨后的研究發現,在水微液滴體系中,紫羅堿[58]、硫辛酸、富馬酸、草酰乙酸[59]等分子能夠被還原,而吩噻嗪、N,N-二甲基苯胺[60]、碘離子[61]等物種能夠經歷自發氧化過程,該現象可能源于微液滴中氣相/水相界面形成的高電場(～109V/m)[62-63]。在水相體系的電化學中間產物質譜研究中,水微液滴中的自發反應可能對固/液界面電化學中間產物的檢測造成干擾,部分氧化/還原中間體可能源于水微液滴反應。為了降低微液滴反應的影響,采取了調節并縮短噴霧毛細管與質譜入口的距離、優化溶劑組成等措施。此外,還通過調節外加電壓控制電化學反應,觀察各物種離子強度隨電壓的變化來研究電化學反應機理。

1.4 飛行時間-二次離子質譜

TOF-SIMS通過高能原子(如氙或氬)或離子束(如銫)轟擊樣品表面形成次級離子,隨后進入質譜實現待測物的檢測與分析[64-65]。相較于其他EC-MS技術,TOF-SIMS能夠提供詳細的界面反應信息,包括與反應相關的物種、瞬態中間體、電解質極化效應以及分析物與電極之間的相互作用,有助于更深入地理解電極/電解質界面上發生的復雜物理、化學過程。但由于TOF-SIMS分析需要在真空環境下進行,將其直接應用于液體樣品的表征具有挑戰性。為此,Liu等[66]開發了一種能夠兼容真空環境的密封微流控電化學池用于研究電極/電解質界面的復雜過程,并將其命名為原位“分子眼”技術,示于圖3a,該電化學池內構建了金薄膜工作電極、鉑對電極及準參比電極,并且在工作電極上方覆蓋了厚100 nm的氮化硅(SiN)膜。在進行分析時,將該裝置放置于TOF-SIMS高真空分析室內,聚焦的初級離子束對SiN膜表面進行轟擊,產生直徑約2 μm的微孔。由于表面張力,液體被限制在微孔內而不會破壞真空系統,從而實現電極/電解質界面分子信息的實時提取。為深入理解電化學TOF-SIMS工作過程,Wang等[67]利用電動力學以有限元模擬方式研究了真空系統中微孔的臨界直徑(圖3b)、SiN孔疏水性對液體/真空界面形貌的影響、微孔內物質傳遞等界面過程。結果表明,液相/真空界面能夠保持相對穩定的臨界孔徑3 305 nm,在設計水溶液真空兼容的電化學池時,微孔下側應具有親水性,而上側應具有疏水性。通過循環伏安掃描實驗中電極/電解質界面的化學變化,驗證了界面過程理論模擬的可靠性,為TOF-SIMS在電極/電解質界面的研究提供了參考。

圖3 電化學TOF-SIMS裝置示意圖[66](a),TOF-SIMS中液相/真空界面高度與孔半徑的函數關系[67](b)Fig.3 Schematic illustration of electrochemical TOF-SIMS setup[66] (a), height of liquid/vacuum interface as a function of the aperture radius in TOF-SIMS[67] (b)

2 質譜技術在電化學反應中間產物捕獲與檢測中的應用

2.1 有機電合成反應

通過電化學手段可以在電極界面高效地產生多種活性反應中間體,這些反應中間體可選擇性地進行化學轉化,為此,有機電合成受到了較多關注[68-70]。在有機電合成反應機理研究中,快速捕獲高活性反應中間體是重要的分析手段之一。Chen課題組利用基于水輪工作電極的EC-MS成功捕獲到半衰期在微秒級的N,N-二甲基苯胺陽離子自由基(DMA·+)[28]、4,4′-二苯胺和二對甲苯胺電氧化過程中產生的氮鎓離子[29],以及半衰期約為97 μs的咔唑自由基陽離子[30],為研究C—H/N—H鍵電化學偶聯機理提供了分子層面的證據。Chen等[19]利用界面微反應器電化學質譜裝置檢測到N,N-二甲基苯胺(DMA)與吩噻嗪(PTA)電化學偶聯過程中產生的DMA·+、PTA·+、PTA氮鎓離子中間體,闡明了DMA·+與PTA·參與的C—H/N—H自由基交叉偶聯機理。Hu等[22]利用BUME-nESI-MS裝置發現了PTA·在電極表面繼續失去電子形成的氮鎓離子具有高反應活性,能夠與DMA·+偶聯直接形成C—N鍵,示于圖4a、4b,進而提出了一條隱藏的C—H/N—H偶聯機理。在C—C鍵電化學偶聯反應研究中,Wang等[32]利用毛細管雙通道EC-MS裝置發現N-環丙基苯胺陽離子自由基能夠與苯乙烯發生電子轉移生成[3+2]環化產物,基于該機理,通過直接電解制備了含苯胺基的五元環烴,產率達81%。Wan等[71]利用nESI EC-MS裝置研究了2,2,6,6-四甲基哌啶氧基(TEMPO)介導的1,2,3,4-四氫喹啉(THQ)脫氫反應機理,并捕獲到反應過程中TEMPO+、TEMPOH、1,2-二氫喹啉等多種關鍵反應中間體,闡明了該反應機理為TEMPO首先在電極表面氧化生成具有高反應活性的TEMPO+,進而與THQ發生電子、質子轉移過程生成脫氫產物1,2-二氫喹啉。Hu等[22]利用BUME-nESI-MS裝置捕獲到THQ·+,證實了TEMPO+能夠通過電子轉移使8-甲基-四氫喹啉(8-methyl-THQ)轉化為相應的陽離子自由基,揭示了THQ的二聚反應機理。Li等[72]使用電化學-萃取電噴霧(EC-EESI)裝置進一步研究TEMPO催化THQ脫氫反應過程,發現TEMPO+與THQ發生電子轉移反應導致生成THQ·+和TEMPOH,在均相中,THQ·+轉化為二氫喹啉,而TEMPOH在電極表面能夠被氧化重新生成TEMPO+,并進一步介導二氫喹啉脫氫氧化生成最終產物喹啉,示于圖4c、4d。

圖4 N,N-二甲基苯胺與吩噻嗪的電化學偶聯機理(a)及對應的質譜圖(b)[22],1,2,3,4-四氫喹啉脫氫反應機理(c)以及對應的質譜圖(d)[72]Fig.4 Mechanism of cross-coupling reaction between DMA and PTA (a) and corresponding mass spectrum (b)[22],the mechanism of the dehydrogenation reaction of THQ (c) and corresponding mass spectra (d)[72]

2.2 電催化反應

EC-MS技術能夠監測電催化反應中間體和產物的形成與轉化過程,在復雜電催化反應機理研究中展現出巨大的應用潛力,催化過程的研究有助于提高催化劑的效率及選擇性。

Shao課題組[23]利用超微雜化電極-電化學質譜裝置研究了二茂鐵(Fc)在液/液界面上由四苯基卟啉鈷(CoTPP)催化的氧還原反應(ORR),捕獲到反應過程產生的(Co-O2)TPP和(Co-OH)TPP中間體,解釋了CoTPP參與的四電子氧還原反應機理,示于圖5a。該課題組[24]還研究了Co-TAML催化下的電化學水氧化過程,捕獲到關鍵的短壽命中間體(L2-)CoⅢOH和(L2-)CoⅢOOH,并通過后續的18O標記以及二級質譜檢測,揭示了水氧化催化循環中配體中心質子耦合電子轉移以及水親核進攻的機理,示于圖5b,為分子催化劑研究提供了參考。電催化劑的表面化學性質可能強烈影響催化活性和反應機理,Zhu課題組[73]利用電化學TOF-SIMS研究了堿性環境中金表面上乙醇的電催化氧化過程,觀察到反應過程中OH-離子與金電極發生化學吸附而產生的Au(OH)ads物種,同時,乙醇氧化的轉化率強烈依賴于金電極表面上Au(OH)ads物種的數量,證明該物種在乙醇的氧化反應中發揮著重要作用。在Li-S電池中,長鏈多硫化物溶解性較強,能夠在充放電循環中穿過電極隔膜,導致自放電以及鋰枝晶的生長,造成Li-S電池容量衰減和安全性問題。Shao課題組[25]研究了不同電位下多硫化物的分布,選擇酞菁鈷(CoPc)作為模型電催化劑研究多硫化物的催化轉化,證明了CoPc對長鏈多硫化物(如S62-)的選擇性催化;此外,還通過質譜捕獲到一系列酞菁鈷-多硫化鋰復合物中間體,可以解釋其催化機理。

圖5 原位電化學質譜裝置示意圖、瓊脂凝膠中H+與有機相中Fc在CoTPP催化下進行的氧還原反應機理圖以及對應的質譜圖[23](a),Na[(L4-)CoⅢ]催化水氧化機理圖以及對應的質譜圖[24](b)Fig.5 Schematic illustration of the in situ EC-MS setup, the proposed mechanism of ORR consisting of H+in Agar-gel and Fc in organic phase catalyzed by CoTPP and corresponding mass spectrum [23] (a), and the proposed mechanism of water oxidation catalyzed by Na[(L4-)CoⅢ] and corresponding mass spectrum[24] (b)

2.3 鋰離子電池電極界面過程

鋰離子電池作為目前最重要的可充電電池技術之一,在移動電子設備、電動車輛、可再生能源儲存等領域發揮著關鍵作用。然而,鋰離子電池電極/電解質界面(EEIs)組成、鋰離子溶劑化過程、固體電解質層(SEI)形成機制等問題仍處于廣泛討論中。近年來,電化學TOF-SIMS技術的發展使其在高真空條件下監測EEIs的化學組成成為可能,為深入探索鋰離子電池中發生在EEIs上復雜的物理和化學過程提供了有力工具。

溶劑化影響鋰離子在電解液中的傳輸速率、穩定性以及SEI的形成過程,然而,鋰離子是否存在選擇性溶劑化以及溶劑化配位數,目前還沒有明確的結論。朱梓華課題組[74]利用原位SIMS研究了碳酸乙烯酯(EC)-碳酸二甲酯(DMC)溶劑中六氟磷酸鋰(LiPF6)體系,以及1,2-二甲氧基乙烷(DME)溶劑中雙氟磺酰亞胺鋰(LiFSI)體系的離子-溶劑相互作用。結果表明,Li+優先與EC發生溶劑化,并且PF6-與EC存在較弱的相互作用;而在LiFSI/DME體系中,則沒有證據表明FSI-與DME存在相互作用。SEI對鋰離子電池的性能發揮著決定性作用,但由于以往的研究缺乏原位表征手段,對SEI的形成過程及化學組成認識存在局限性。朱梓華課題組[75]利用電化學SIMS技術觀察到鋰離子電池充電時,溶劑化的Li+離子遷移至陽極,而PF6-離子遷移至陰極。隨著鋰的沉積,陽極側形成了一層Li+濃度較低的薄溶劑層,實現了鋰離子電池在工作條件下的電極/電解質界面分子信息監測。隨后,該課題組與汪福意研究團隊合作,監測了銅電極表面SEI形成的動態過程[76],觀察到鋰離子電池第1次充電時,在Li+和電極表面電勢的共同作用下,溶劑分子在電極和本體溶液之間發生自組裝形成界面雙電層,帶負電荷的電極表面會排斥內亥姆霍茲層中的負離子,從而形成無機且結構致密的SEI,在SEI外會形成由有機寡聚物組成且對電解質有較好透過性的結構。

2.4 電致化學發光反應

ECL是一種涉及到發光體在電極/電解質界面發生電化學反應,進而發光體中電子從激發態弛豫至基態的能級躍遷過程[77]。三(2,2′-聯吡啶)釕(Ⅱ)/三丙胺(TPrA)作為最常使用的ECI體系,其發光機理受到廣泛關注[78]。Shao課題組[26]利用超微雜化電極-電化學質譜裝置對TPrA體系進行研究,在0.8 V外加電壓下,檢測到[Pr2N=CHCH2CH3]+、[NHPr2]+、Ru(bpy)3+中間體,示于圖6a,證明了TPrA體系的共反應劑型ECL反應機理,示于圖6b,后續將EC-MS法應用于新發光體Ir(ppy)3研究中,解釋了該發光體在高電位下的ECL淬滅機理[79]。此外,Hu等[21]利用BUME-nESI-MS裝置檢測到壽命約為200 μs的TPrA·+中間體;Liu等[33]利用電化學-中性再電離-質譜裝置捕獲到具有強還原性的TPrA·中間體。以上2種關鍵中間體的捕獲為TPrA參與的共反應劑型ECL機理提供了直接的分子證據。閔乾昊課題組[34]利用ECL實時監測質譜平臺RT-Triplex成功實現了魯米諾和BODIPY的ECL過程中電子轉移、化學轉化與發光行為動態響應的同時獲取,并在反應過程中捕獲到二氮雜醌、魯米諾過氧化物等一系列中間體,示于圖6c,驗證了由二氮雜醌和過氧化物中間體介導的2條魯米諾ECL反應路徑。通過優化裝置,實現了電化學反應中電極界面與反應物間非均相電子轉移反應與電活性物種間均相化學反應的空間分離,捕獲到BODIPY·+中間體,發現并驗證了BODIPY、TPrA參與的“催化路徑”反應機理,示于圖6d。

2.5 生物分子電化學反應

利用電化學過程模擬生物分子以及藥物分子的代謝途徑,在生物學和藥學領域具有重要的應用價值[80-82]。原位質譜技術能夠實現對該過程中多物種的實時監測和未知物種的結構鑒定,有助于藥物作用機制和藥物代謝動力學研究,以及藥物毒性評估[18]。目前,質譜技術已被應用于多種生物相關小分子的電化學過程監測中,如多巴胺的氧化[83]、代謝物電化學響應[27,84]、體內藥物代謝模擬[85]等。Chen課題組[27]使用基于水輪旋轉電極的EC-MS裝置,成功檢測到尿酸、黃嘌呤電氧化反應過程中產生的短壽命雙亞胺中間體,示于圖7a。Brink等[86]將電噴霧發射器與微流控電化學芯片結合,捕獲到氯丙嗪、氯氮平和阿莫地喹的短壽命氧化中間體,并模擬了上述藥物分子在體內的代謝過程,示于圖7b。Wang等[35]利用原位二次離子質譜監測電極-電解質界面上抗壞血酸的電氧化過程,示于圖7c,觀察到抗壞血酸氧化過渡態中間體在電極表面隨電位的實時響應,為研究具有重要生物學意義化合物的氧化反應機制提供了直接的分子證據。Herl等[87]將絲網印刷電極與質譜相結合,表征了胸腺嘧啶的氧化還原特性,證明了二聚體是電化學氧化形成的主要產物,并將電化學質譜技術與毛細管電泳技術耦合,發現胸腺嘧啶二聚體存在2種能夠在堿性條件下分離的異構體。電化學質譜技術還被用于在線檢測生物分子[80-81],Mao等[88]利用液滴噴霧電離-電化學質譜(DSI-EC-MS)聯用裝置,實時監測具有1個二硫鍵的氧化谷胱甘肽,示于圖7d,以及具有多個二硫鍵的胰島素的電還原過程,觀察到胰島素分子間二硫鍵優先被還原。

圖7 尿酸[27](a)和阿莫地喹[86](b)電氧化過程機理及質譜圖,原位二次離子質譜監測電極/電解質界面抗壞血酸電氧化過程示意圖[35](c),氧化谷胱甘肽的電化學還原機理及質譜圖[88](d)Fig.7 Mechanisms of the uric acid[27] (a) and amodiaquine[86] (b) electrooxidation processes and corresponding mass spectra, schematic illustration of in situ SIMS monitoring of the electrode-electrolyte interface during ascorbic acid electrooxidation[35] (c), mechanism of GSSG electroreduction process and corresponding mass spectra [88] (d)

3 總結與展望

近年來,質譜技術憑借良好的靈敏度、特異性以及多目標物檢測與結構解析的能力,逐漸成為電化學反應中間體捕獲以及電化學反應機理研究的重要手段。本文綜述了質譜技術在電化學過程中固-液界面反應中間產物探測方面的研究進展,并討論了基于ESI-MS、AIMS與TOF-SIMS的EC-MS裝置的設計,以及該技術在有機電合成、電催化、電致化學發光及生物分子的電化學反應監測領域的應用。雖然現有的質譜技術在電化學反應固-液界面中間體實時檢測方面取得了顯著進展,但仍面臨著挑戰。面對短壽命、低濃度的反應中間體,需要進一步優化裝置以提高采樣效率和時間分辨率。同時,獲知反應中間體與電化學反應電位的動態關系,對提出與揭示反應機理具有重要意義。因此,仍需對電化學池與離子源的耦合方式進行優化與改進,確保能夠在還原電化學真實反應條件下對瞬態反應中間體進行捕獲,并研究其機理。此外,盡管基于質譜的電化學過程分析方法能夠獲得液相反應中間體的分子信息,但缺乏對電極表界面吸附態物種的直接測量能力。未來,需要將質譜技術與其他原位分析技術(如原位紅外光譜、原位拉曼光譜等)相結合,進一步實現對電化學反應中間產物多維度、全面的監測與分析。通過對現有EC-MS技術的不斷優化與改善,其有望在電合成反應機理研究、電催化反應關鍵中間體探索、電極/電解質界面復雜過程探究等方面發揮重要作用。