配位交换型

质子交换膜燃料电池（PEMFC）被认为是一种有前途的可持续电化学能量转换装置，尤其是在交通应用中。目前，只有铂族金属（PGM）才能有效催化阴极上动力学缓慢的氧还原反应（ORR），但其高昂的成本和Pt的稀缺严重阻碍了PEMFC的大规模应用。因此，开发不含PGM的催化剂来部分或完全取代PGM催化剂是非常可取的。具有M-Nx/C活性位点的金属-氮-碳（M-N-C，M=Fe、Co、Mn等）催化剂，特别是Fe-N-C催化剂，在半电池和PEMFC测试中都表现出出色的初始ORR活性，可与商业Pt/C催化剂相媲美。然而，在M-N-C催化剂能够实际应用于PEMFC之前，必须克服许多艰巨的障碍，其中稳定性是最严峻的挑战。总的来说，由于对膜电极组件（MEA）的降解机制和复杂的多场（质/电/热）耦合环境了解不足，提供有效的解决方案来提高PEMFC中M-N-C催化剂的稳定性仍然极具挑战性。因此，开发具有显著增强稳定性的高性能M-N-C催化剂对于PEMFC的商业应用来说十分紧迫。方法与结果PAA-Fe-N和P(AA-MA)(5-1)-Fe-N催化剂的制备流程如图1所示。最简单的不饱和一元羧酸丙烯酸（AA）作为单体聚合成PAA，并与Fe3+螯合形成交联水凝胶。马来酸（MA）是一种二羧酸单体，用于与AA共聚合，以增加共聚物P(AA-MA)的羧酸含量。通过在共聚过程中调节AA/MA的摩尔比（5/1，3/1，1/1），可以轻易地调控共聚物中羧基的浓度和相应的与金属离子的结合常数。通过亲水性羧基和金属离子之间的螯合作用形成的交联水凝胶，可以通过随后在800°C下用氮前体进行高温处理，使所得的M–Nx/C位点原子分布在分级3D结构中。所得催化剂分别表示为PAA-Fe-N和P(AA-MA)-Fe-N。MA-Fe-N催化剂也被合成作为对照样品。图1 PAA-Fe-N和P(AA-MA)(5-1)-Fe-N催化剂制备示意图为了分析催化剂表面上C和N的价态，使用岛津的X射线光电子能谱仪（XPS）对其进行了分析表征。高分辨率C1s光谱中C-N键的形成表明N已经成功地掺杂在C骨架中。与PAA-Fe-N相比，P(AA-MA)(5-1)-Fe-N样品C-N键的位置发生了正向的位移，表明P(AA-MA)(5-1)-Fe-N样品具有更强的Fe-N相互作用。高分辨率N1s光谱表明，P(AA-MA)(5-1)-Fe-N样品具有比PAA-Fe-N更高的表面N含量（8.99 at%）和吡啶N/石墨N比例。P(AA-MA)(5-1)-Fe-N样品的表面Fe含量是PAA-Fe-N的3.5倍(0.44 vs 0.13 at%),ICP-MS分析也证实了这一趋势。可以推断，在引入MA后，P(AA-MA)(5-1)-Fe-N具有更高的Fe–Nx/C活性位点密度。57Fe Mö ssbauer（穆斯堡尔谱仪）被用来进一步探究样品中的Fe–N结构（图2c）。结果表明，具有可观QS值的D3位点（≈15%）说明PAA-Fe-N拥有比P(AA-MA)(5-1)-Fe-N更短的Fe-N键。采用X射线吸收光谱法（XAS）检测了样品的局部Fe-N配位结构。测量了P(AA-MA)(5-1)-Fe-N和PAA-Fe-N的X射线近边结构（XANES）的Fe K边。结果表明，P(AA-MA)(5-1)-Fe-N和PAA-Fe-N催化剂中的Fe都可以实现原子级分散，并且单个Fe原子与N(O)元素配位，而不是以Fe-Fe键的形式存在。P(AA-MA)(5-1)-Fe-N和PAA-Fe-N的Fe-N(O)键的平均键长分别为2.035 and 2.006 &angst ，与57Fe Mö ssbauer（穆斯堡尔谱仪）结果一致。根据文献，PAA-Fe-N样品中可能存在一些Fe-N2或Fe-N3物种（尽管Fe-N的拟合配位数仍然接近4），导致Fe-N(O)键长减少。相反，P(AA-MA)(5-1)-Fe-N中Fe-N位点的配位结构应以Fe-N4为主。图2 高分辨率C1s（a）和N1s（b）XPS光谱；以及（c）P(AA-MA)(5-1)-Fe-N和PAA-Fe-N样品的室温57Fe Mö ssbauer图谱；（d）P(AA-MA)(5-1)-Fe-N、PAA-Fe-N和Fe箔样品的k3加权FT-EXAFS光谱电化学测试表明（图3a-3c），与PAA-Fe-N以及其他催化剂相比，P(AA-MA)(5-1)-Fe-N具有更好的性能和稳定性。将Fe置换为Co或者Mn等金属后，该催化剂依然具有良好的性能，证实该策略具有有效性和普适性。通过物理和结构研究了催化剂在60℃下半电池性能退化的详细机制。AST测试后的催化剂的XRD图谱和TEM图像表明测试后具有与初始时相似的衍射峰和片状结构。图3e和3f为测试前后相应的FTEXAFS光谱。对于P(AA-MA)(5-1)-Fe-N，AST测试后没有明显的Fe-Fe键形成，证实了Fe-N键的稳定性以及随后催化剂Fe去金属化的耐受性。相反，循环5000次后，PAA-Fe-N中Fe-Fe键急剧增加。该结果明确确定，在60℃的稳定性测试过程中，PAA-Fe-N催化剂中确实发生了Fe-Nx/C位点的去金属化，并且部分分离的Fe原子可能迁移并形成微量的Fe2O3团簇，这些团簇在XRD中无法识别。利用岛津的X射线光电子能谱仪（XPS），证实在AST测试后，PAA-Fe-N中的表面Fe含量从0.13%增加到8.48%，而P(AA-MA)(5-1)-Fe-N表面Fe含量明显更少（从0.44%到2.89%）。更糟糕的是，Fe-Nx/C位点的破坏会促进Fenton反应的进行，进一步加速临近Fe-N的分解，结果与之前报道的电子能量损失谱（EELS）结果一致。请注意，其他降解机制，如碳腐蚀，可能同时发生在PAA-Fe-N上，因为AST后C含量从83.62%显著降低到58.07%。图3 a、b）P(AA-MA)(5-1)-Fe-N和PAA-Fe-N催化剂在25°C（a）和60°C（b）的O2饱和0.5 m H2SO4溶液中进行5000循环AST前后的ORR极化曲线，催化剂负载量：0.6 mg非PGM cm&minus 2，圆盘转速：900 rpm。c）先前报道的M–N–C催化剂在O2饱和0.5 M H2SO4中从0.6–1.0 V的AST的不同循环次数后的E1/2损失。d）P(AA-MA)-Co-N和PAA-Co-N催化剂在AST前后的ORR极化曲线。e、 f）P(AA-MA)(5-1)-Fe-N和PAA-Fe-N（AST前后）、Fe箔和Fe2O3样品的k3加权FT-EXAFS光谱。燃料电池性能测试（图4）结果表明，P(AA-MA)(5-1)-Fe-N催化剂表现出极高的活性和稳定性，在0.55 V下电流密度37 h几乎保持不变。图4 a、b）P(AA-MA)(5-1)-Fe-N和PAA-Fe-N催化剂在H2–O2（a）和H2–空气（b）条件下的燃料电池性能，阴极负载：3.0 mg cm&minus 2；c）P(AA-MA)(5-1)-Fe-N和PAA-Fe-N催化剂在PEMFC中0.55 V恒定电压下的稳定性测试期间的电流密度保持率；d）在H2–空气燃料电池中测试的各种M–N–C催化剂前20小时的电流密度保持率密度泛函理论（DFT）计算被用于进一步探究催化剂稳定性差异巨大的根源。研究了铁原子在载体上的吸附能（Ead）和Ead与整体粘性能量（Ecoh）之间的差异。计算表明，P(AA-MA)(5-1)-Fe-N具有比PAA-Fe-N更负的Fe原子吸附能（Ead）以及Ead和本体内聚能（Ead-Ecoh）之间更负的差异。图5 a）吸附能（Ead）和b）在没有（红色）和（蓝色）溶剂化校正的情况下计算的Fe–Nx/C系统的吸附能和内聚能（Ecoh）之间的差（负值越大意味着载体中嵌入的Fe原子对金属浸出或聚集更稳定）；c）Fe–N2/C、d）Fe–N3/C和e）Fe–N4/C的结构和差分电荷密度等值面（青色和黄色等值面对应于&minus 0.02和+0.02 e&angst 的电荷密度轮廓。棕色、灰色、浅灰色和白色小球分别代表Fe、C、N和H原子）总之，通过调节金属离子和催化剂前体中聚合物之间的相互作用，开发了一种提高M-N-C催化剂稳定性的通用有效策略，从而可以微调M-N键长和最终催化剂中的配位。57Fe Mö ssbauer光谱和XAS证明，与具有15%低配位Fe-N2/N3部分的PAA-Fe-N相比，具有独有的Fe-N4/C位点和更长的Fe-N键的共聚P(AA-MA)(5-1)-Fe-N催化剂性能明显更好。性能最好的P(AA-MA)(5-1)-Fe-N催化剂在半电池和H2—空气燃料电池中都表现出极高的活性和稳定性，在AST 60℃后E1/2损失仅为6 mV，在0.55 V下电流密度37 h几乎保持不变，是迄今为止报道的同类催化剂中整体性能最好的。DFT计算表明，P(AA-MA)(5-1)-Fe-N具有比PAA-Fe-N更负的Fe原子吸附能（Ead）以及Ead和本体内聚能（Ead-Ecoh）之间更负的差，这说明了其优异的结构稳定性和对脱金属的耐受性的原因。文献题目《lmproving the Stability of Non-Noble-Metal M-N-C Catalysts for Proton-Exchange-Membrane Fuel Cellsthrough M-N Bond Length and Coordination Regulation》使用仪器岛津X射线光电子能谱仪（XPS）作者苗正培等 华中科技大学Zhengpei Miao, Xiaoming Wang, Zhonglong Zhao, Wenbin Zuo, Shaoqing Chen,Zhigiang Li, Yanghua He, Jiashun Liang, Feng Ma, HsingLin Wang Gang Lu,Yunhui Huang, Gang Wu, and Oing Li

大家好，本周为大家分享一篇最近发表在Analytical Chemistry上文章，High-Throughput, Quantitative Analysis of Peptide-Exchanged MHCI Complexes by Native Mass Spectrometry1。该文章的通讯作者是美国基因泰克公司的Wendy Sandoval研究员。　　癌症疫苗是通过利用肿瘤细胞相关抗原，来唤醒人体针对癌症的免疫系统。常见的策略是通过对病人的肿瘤细胞样本进行基因测序来寻找特征性抗原肽，该抗原肽会与I类主要组织相容复合体(MHCI)相结合并呈递至CD8+细胞表面，通过与CD8+细胞表面受体相结合从而诱导免疫反应。为了实现整个过程，研究人员通常会结合基因测序和计算机预测结果设计多个候选抗原肽，每个候选肽都需要通过实验测试来确认它与MHCI分子的结合能力以及相关免疫原性。此外，考虑到编码MHCI的基因具有多态性，候选抗原肽还需要与不同等位基因编码的MHCI分子进行测试。因此，本文开发了一种高通量方法，利用非变形质谱快速筛选候选抗原肽并表征形成的肽-MHCI复合物(pMHCI)。　　pMHCI复合物中抗原肽的体外载入一直以来都是难点，因为MHCI复合物(包括HLA和β2M亚基)本身并不稳定，需要长度为8~10的多肽链载入到MHCI的凹槽以保持完整。本文则通过利用紫外光裂解肽-MHCI复合物(UV-MHCI)的肽交换实现抗原肽的载入，具体步骤如图1A所示，通过紫外光照，UV-MHCI中的高亲和肽被切割转为低亲和肽段，该低亲和力肽段极易发生肽交换，通过监测新的pMHCI复合物的形成实现对候选肽的评估。目前常用的检测pMHCI形成的工具包括ELISA、TR-FRET以及2D-LC-MS。然而这些方法仅能提供有限的信息关于肽交换、pMHCI分子质量，对形成的pMHCI复合物无法进一步的表征。事实上，pMHCI复合物对后续诱导免疫反应至关重要。　　图1. 癌症疫苗的免疫监测的示意图：A) 筛选流程，B检测方法。　　为了确认非变性质谱(nMS)能否用于pMHCI复合物表征以及肽交换率的检测，作者对UV-MHCI以及6个标准肽段进行了考察(图2)。未经UV照射的UV-MHCI MS谱图(图2A)可以观察完整的UV-MHCI复合物以及丢掉紫外光裂解肽的MHCI。MHCI复合物被认为是气相解离产生的，因为没有活性肽的稳定作用，MHCI很难存在于溶液相中，溶液中没有MHCI，“空壳”的MHCI只有可能是质谱中UV-MHCI的气相裂解产生的。图2B证实了这一观点，经紫外光照射后，紫外光裂解肽由高亲和力转为低亲和力，从MHCI上脱落，MHCI解离成HLA和β2M亚基，谱图中能观察到HLA和β2M亚基信号。确认了MHCI是由peptide-bound population产生的信号，作者开始用该方法去定量标准肽的肽交换率。如图2C为UV-MHCI与标准肽孵育并过夜UV照射得到的谱图，仅观察到完整的pMHCI以及“空壳”MHCI的信号，说明实现了100%的完全肽交换。如图2D，肽交换率随孵育时间改变，2小时孵育时间足以实现最大肽交换。　　图2. nMS表征UV光照A)前B)后的UV-MHCI复合物，C)nMS测定UV-MHCI与标准肽的肽交换率，D)标准肽肽交换率随时间的变换情况。　　为了提高分析通量，减少样本消耗，作者在nMS基础上开发了SEC-nMS和CZE-nMS系统。作者用SEC-nMS系统测定了50个候选肽的交换率，说明该系统能够进行中或大规模的数据采集。相比较SEC-nMS而言，CZE-nMS系统具有更高的灵敏度和通量，样品体积消耗从微升减少至纳升，分析时间也缩短为2 min(图3A)。检测信号与进样量呈线性关系，注射体积为3 nL时，最低检测限为6 ng(图3BCD)。作者测定了67个候选肽跨越4种等位基因编码的MHCI分子的肽交换率(图3E)。此外，通过将UV-MHCI复合物同时与四种以上的候选肽进行孵育可在单个实验中同时检测它们的相对肽交换率以及与MHCI结合的亲和力(图3F)。作者还提出Vc50这个概念，即导致50%的pMHCI复合物发生解离的碰撞电压，可作为评估pMHCI复合物稳定性的重要参数。　　图3. 使用CZE-MS系统高通量分析pMHCI复合物　　除了检测pMHCI复合物的形成，测定肽交换率，nMS还可以对形成的复合物进行进一步的结构表征。如图4所示，native top-down的分析策略可获得多层次的结构信息。本文使用的Orbitrap Eclipse “Tribrid” 质谱，图4A为完整pMHCI的MS1谱图，图4B为施加源内电压(SID)促使蛋白解离为亚基，图4C是将14+ pMHC单独分离出，为后续HCD活化做准备。图4D为pMHCI复合物经HCD解离后的MS2谱图。图4E和图4F则分别为对肽段以及HLA亚基进行top-down测序的结果。这些多层次的结构信息能够帮助区分HLA亚型、阐明候选肽的序列，包括一些PTMs、二硫键信息。这些结构细节可能会影响候选肽与MHCI分子间的亲和力甚至是后续T细胞受体的识别。　　图4. Native top-down分析策略获得pMHCI复合物的多层结构信息　　总之，本文将非变性质谱(nMS)与分子排阻(SEC)或毛细管电泳(CZE)分离技术相结合用于高通量筛选pMHCI复合物中的候选肽。该方法能够直观确认pMHCI的完整性，Vc50可作为评估复合物气相稳定性的重要指标，通过native top-down分析策略可获得多层次的结构信息。以上所有确保了后续临床T-细胞实验的正常进行。　　撰稿：刘蕊洁　　编辑：李惠琳　　原文：High-Throughput, Quantitative Analysis of Peptide-Exchanged MHCI Complexes by Native Mass Spectrometry　　参考文献　　1. Schachner LF, Phung W, Han G, et al. High-Throughput, Quantitative Analysis of Peptide-Exchanged MHCI Complexes by Native Mass Spectrometry. Anal Chem. 2022 10.1021/acs.analchem.2c02423. doi:10.1021/acs.analchem.2c02423

EXPEC 750型 全自动离子交换系统有效去除干扰成分，重塑基体环境高通量处理样品，自动化流程，工作效率高离子交换树脂可重复使用，实践绿色分析化学产品介绍可根据不同样品的目标分析元素，选择合适的树脂填装离子交换层析柱。活化之后，采用匹配的上样、淋洗、洗脱等方法流程，利用树脂与目标分析元素及干扰元素的物理化学过程，完成分离、富集。产品特点自动化活化、上样、淋洗、洗脱等流程可组合编辑，一键启动。高精度闭环式系统，承压式分离柱，样品/试剂恒速过柱（0.5~100mL/min）。高效率可实现最多六个通道样品同时处理，处理时间在10~20min之间。智能化程序控制智能化，界面简洁、可视化，状态实时显示。高兼容性自动上样、自动收集装置一体化设计，同时兼容ICP/ICP-MS自动进样。模块化方式，灵活组合，有机结合前处理与分析检测过程，构建自动化分析系统，实现实验室4.0。离子交换+快速进样+智能稀释+检测终端（ICP/ICP-MS/… ）产品应用EXPEC 750型全自动离子交换系统可应用于无机元素的分离富集前处理，对于高基体样品，可分离基体干扰；对于低浓度样品，可实现目标元素的富集。通过对样品中痕量元素进行除盐分离富集前处理，可以去除碱土金属及F-、Cl-、Br-等基体，重塑样品的分析基体环境，提升样品回收率至95%-105%。对于低至ppt数量级样品进行富集处理，提高检测终端对样品检测分析的检出限、准确度。