质谱分子结构分析

近期，宁波大学质谱技术与应用研究院唐科奇院长课题组创新地通过高分辨率FAIMS和IMS-QTOF MS联用，装置的结构分辨率较国际当前水平提升了近1个数量级，实现结构分辨率（R）超1000，为生物分子结构的精确表征提供了新的研究利器。该成果发表在Anal. Chem. 2022, 94, 16, 6363–6370（链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.2c00805，Two Dimensional FAIMS-IMS Characterization of Peptide Conformers with Resolution Exceeding 1000），其中唐科奇教授、俞建成教授和高文清助理研究员为通讯作者，博士研究生李俊晖为第一作者，宁波大学质谱技术与应用研究院（高端质谱技术和临床应用浙江省工程研究中心）为第一署名单位。在研究过程中，课题组人员成功设计搭建了高分辨率的平板型高场非对称离子迁移谱（FAIMS）设备，并对FAIMS的分辨率、灵敏度、离子传输效率等重要特性进行研究，并将FAIMS平台与离子迁移谱-飞行时间质谱仪（IMS-QTOF MS）联用，搭建了超高分辨率的二维离子迁移谱质谱联用装置（FAIMS-IMS-QTOF MS）。通过一价的缓激肽离子测试表明，常规的IMS-QTOF MS仪器只能够发现4种离子异构体，而利用课题组搭建的FAIMS-IMS QTOF MS联用装置平台，结构分辨率则获得大幅度提升，可以分离20种以上的异构体。研究结果表明该装置成功获得了超1000的超高离子结构分辨率，较常规单一的FAIMS及IMS结构分辨技术提升了1-2个数量级，大幅度超过了当前国际商业化离子迁移谱质谱联用仪的结构分辨水平。该成果的成功将为生物分子结构的精确表征提供了新的利器。

以毒攻毒，充分利用自然界天然的复杂合成毒素，一直是世界医学界研制开发新药物的有效路径。为开发高效、负担得起的糖尿病或肥胖新药，欧盟第七研发框架计划(FP7)提供600万欧元资助，总研发投入940万欧元，由欧盟5个成员国法国(总协调)、西班牙、葡萄牙、比利时和丹麦，以及跨学科生物化学科研人员和联合制药工业组成了欧洲VENOMICS研发团队。从2011年11月开始，该团队致力于毒蛇毒素新药的研制开发，并取得了积极进展。　　研发团队首先在全球范围内成功优化筛选出“高效毒素”的200余种毒蛇，进行人工培育。采用最新开发的高精度质谱仪技术和其它先进技术，对203种最具活力的毒蛇毒液样本、复杂的生物化合物分子结构开展研究分析，成功分类出4000余种毒素“微蛋白”。根据毒性的峰值，将其应用于各类新药的开发。　　目前，该团队的大部分研发创新活动已转向糖尿病、肥胖症、心血管疾病、人体过敏和癌症等靶向药物开发，其中收集的各项研究数据已证实，毒蛇毒素对抑制和治疗糖尿病或肥胖具有明显疗效。新药物的发现和定性定量通常需要2-3年时间，尚需10年或15年时间进行临床试验、产品认证和商业开发，最终才能进入市场。

（本文部分内容及图片来自公众号： 高分子科学前沿，顶刊动态）成果简介2021年12月1日，Nature刊发题为“In situ Raman spectroscopy reveals the structure and dissociation ofinterfacial water”（《原位拉曼光谱揭示界面水分子结构和其解离过程》）的研究论文。厦门大学化学化工学院李剑锋教授课题组与北京大学深圳研究生院潘锋教授课题组合作，利用原位表面增强拉曼光谱技术，共同揭示了钯单晶电极界面水分子构型及其在析氢反应中的核心机制，为提升电催化反应速率提供了一种新的策略，解开了界面水分子结构如何调控电催化反应这一科研难题。背景介绍电催化可加速由固液界面上的电势驱动的化学反应，这可能是全球经济可持续发展的关键因素，因为它可以将来自可再生能源的电能直接转化为绿色燃料，例如氢气。其中水分子直接参与到众多重要的电催化反应之中，了解水在固-液界面的结构和动态过程是表面科学、能源科学和催化领域的一个极其重要的课题。然而，处于电极/溶液界面的水分子，作为反应过程的重要研究对象，数目远远低于体相水分子，而电极电势的实时变化又将极大影响真实的反应进程，必须在电场控制的条件下进行原位研究才能如实获得相关信息。关于界面水分子在电催化反应过程中的结构变化与作用机制的研究可谓困难重重。图文导读厦门大学李剑锋教授课题组与北京大学深圳研究院潘锋教授课题组利用使用电化学、原位拉曼光谱和计算技术，在电催化析氢反应过程中，对钯单晶电极/溶液界面水分子的构型及其动态变化过程进行实时监测。图1. 探测Pd(hkl)表面上的界面水图2. 界面水的拉曼光谱作者发现，除了已知的含有氢键的水分子，界面上还有一类与阳离子键合的水分子。直接光谱证据表明界面水由氢键和水合Na+离子水组成。在HER电位下，由于偏置电位和Na+离子作用，无序的水分子排布成更为有序的特殊结构，这种结构可以加速电极与水分子间的电荷转移，进而极大提升电催化反应析氢的速率，为指导绿色制氢提供新的理论途径。本文还探讨了电解质和电极表面对界面水的影响，发现会影响水的结构。因此，通过局部阳离子调整策略，使有序界面水能够提高电催化反应速率。图3. 水分解图4. 界面水的HER曲线和拉曼光谱仪器推荐工欲善其事，必先利其器。本研究中，拉曼光谱的检测使用了HORIBA XploRA PLUS智能型全自动拉曼光谱仪。XploRA PLUS拥有高灵敏度、高分辨率，可实现激发波长全自动切换。除具备通常的拉曼光谱测量功能外，可实现超快速拉曼光谱成像、荧光成像、超快速PL光谱成像等。适合化学、纳米、材料、食品、药品、地质、考古、物证鉴定、珠宝鉴定等领域。HORIBA XploRA PLUS智能型全自动拉曼光谱仪扫码咨询产品课题组介绍李剑锋男，厦门大学化学化工学院教授。2003年本科毕业于浙江大学；2010年在厦门大学获得博士学位；2011-2014年分别在瑞士伯尔尼大学和瑞士苏黎世联邦理工学院从事博士后研究。主要研究领域为核壳纳米结构、表面等离激元、表面增强拉曼光谱、表面增强荧光光谱、电化学、界面光电催化、食品环境公共安全领域的拉曼光谱快速检测等。以第一作者或通讯作者身份在Nature、Nature Energy、Nature Mater.、Nature Protoc.、Nature Commun.、Science Adv.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Rev.等国际高水平学术刊物上发表论文100余篇，被SCI他引6000余次，授权专利5项，撰写英语书章节4部。担任J. Phys. Chem.的高级编辑、Anal. Chem.、Adv. Opt. Mater.、ChemElectroChem等国际期刊编委。曾获基金委“杰出青年基金”、基金委“优秀青年基金”、国家自然科学二等奖（排名第三）、中国青年科技奖、入选中组部“万人计划”-科技创新领军人才、中组部高层次人才-青年项目、全国百篇优秀博士论文奖。潘锋北京大学教授，博士生导师，北京大学讲席教授、北京大学深圳研究生院新材料学院创院院长。潘锋教授已发表包括2篇《自然.纳米技术》在内的SCI代表性论文250余篇，其中影响因子10及以上和自然指数论文120余篇，3项国际发明专利和近80项国内专利申请，授权发明专利27项。潘锋教授目前聚焦探索基于图论的结构化学的新范式和新能源材料基因科学与工程，包括探索材料的结构“基因”、材料高通量的计算、合成与检测及数据库等“材料基因组”工程及用于加速“清洁能源及关键材料研发”，包括新型太阳能电池、热电发电、储能和动力电池及关键材料的跨学科的基础研究和应用，具有十多年在国际大公司从原创基础研究到创新产品产业化的经历 。荣誉及奖励：2015-18连续四年入选爱思唯尔中国高被引学者；2016年国际电动车电池协会（ABAA10）杰出研究奖；2018年获得美国电化学协会“ECS电池领域科技创新奖”。文献信息Wang, YH., Zheng, S., Yang, WM. et al. In situ Raman spectroscopy reveals the structure anddissociation of interfacial water. Nature 600, 81–85 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04068-z扫码查看文献