基于敞开式常压质谱的快速催化反应评价及反应机理研究

Catalytic reactions exist extensively in nature, which have played important roles in energy industry, chemical industry and environmental protections. There are various kinds of catalytic reactions with diverse reaction mechanisms, which challenge the monitoring or the rapid evaluation of catalytic reactions. In recent years, the developments of ambient mass spectrometry have provided us the ideal pathways for the direct and rapid ionization/detection of analytes without sample pre-treatments. In this project, based on our previous works on the developments and applications of ambient ionization techniques, as well as the studies on the catalytic reactions, we will fabricate multiple ionization methods for the rapid or in situ detection of products or intermediates, as well as for the fast optimization of the catalytic reactions in real time. These methods will be versatile for different kinds of catalytic reactions including both homogenous and heterogeneous reactions in gas phase or liquid phase. In addition, combing with the labeling or other assistant methods, we expect to obtain the reliable molecular information of products and intermediates, which will be curial important for the reaction kinetics and mechanism studies, as well as the explanations on the catalytic reactions in the life process. Furthermore, the catalytic reaction arrays will be fabricated based on the scanning and imaging techniques, which will be significant for the rapid screening of catalysts. The present project will evoke a new powerful detection tool for the development of energy industry, chemical industry and environmental protections.

催化反应广泛存在于自然界，在能源工业、化学工业、环境保护等领域都占有极为重要的地位。其种类繁多机理复杂，给催化反应实时监测及快速评价提出了挑战。近年来，多种敞开式常压质谱离子源的建立和发展为样品的直接快速离子化/检测提供了便利平台。本项目基于申请人在敞开式常压质谱离子源的构建及催化反应中的研究经验，针对气相非均相催化反应、液相均相/非均相催化反应，拟建立具有较强检测性能的常压、快速、原位、实时质谱分析方法，对催化反应的产物及中间体进行实时检测，实现催化反应快速评价及条件优化。同时，借助元素标记等手段获得可靠的产物和中间体随时间变化的信息，进行反应动力学及反应机理研究，还可为生命催化过程提供合理解释。此外，基于平台扫描及图像处理技术，构建阵列式反应芯片，将为催化剂的高通量筛选提供必要的实验依据。该项目的顺利实施将对能源工业、化学工业、环境保护等领域的发展及生命过程的认识起到推动作用。

本项目以敞开式常压质谱离子源的构建为基础，针对催化反应的多样性和复杂性，建立具有较强检测性能的常压、快速、原位、实时质谱分析方法，研究产物及中间体随时间变化的信息，开展机理研究，为催化反应研究和应用提供重要的实验依据。项目执行中，为了对基质复杂的催化反应体系进行深入研究，构建了多相层流萃取电喷雾离子源（MF-EESI），较好地避免了盐效应和背景干扰、提升了离子化效率、发现了中间体，解释了辅酶FAD其在葡萄糖酶催化反应中的作用；还利用MF-EESI发现了染料敏化的光催化反应的中间体，并阐述了其机理；为了对催化反应中不同极性、大小的多种分子进行综合研究，构建了喷雾介导等离子体离子源（SDP），利用单一离子源，通过简单调节即可完成“软”/“硬”电离方式的切换，为多种分子的研究提供了有力工具；针对气相催化反应，我们构建了气态丙酮的催化发光反应系统，并与常压质谱串联，实现了在线催化反应的监测及机理研究。此外，我们在新型催化反应的发现、机理研究及应用方面开展了多项工作，发现和建立了基于金纳米簇催化的自由基介导自旋转移系统、等离子体活化的碳量子点化学发光体系。我们还基于酶催化的循环扩增技术，构建了多种新型纳米材料，实现了活细胞内的原位扩增的mRNA和miRNA高灵敏检测。. 申请者以相关研究成果授权专利4项；发表有本项目基金标注的论文31篇（第一标注的9篇），其中一区及Top文章24篇，影响因子大于4.0的有27篇。以通讯联系人身份发表论文21篇，包括Adv. Funct. Mater.、Chemi. Sci.、Mass Spec Rev.、Trac-Trend. Anal. Chem.、Small、Nanoscale、Anal. Chem.、Chem. Comm.等。其中一篇作为Chem. Sci.的外封面发表；发表的论文被国内外同行关注，被Materials Views、纳米人、NanoLab奇物论等国内、国际多家媒体进行报道。. 项目执行期间，共培养博士研究生12名（毕业5名），硕士研究生4名（毕业2名）。其中获得博士生新生特等奖学金2人/次（奖金8万元），国家奖学金3人/次，“通鼎一等”奖学金1人/次、“北京师范大学优秀毕业生”2人/次、“北京市优秀毕业生”2人/次。. 申请者按照预期研究计划，从研究内容和成果形式上，均超额完成了项目预期目标。