用质谱仪区分手性分子

手性分子是一类具有镜像对称性的分子，它们的结构和性质与它们的镜像分子不完全相同。手性分子在生物化学、药物开发和材料科学等领域都有重要的应用和意义。然而，传统的质谱法不能直接区分手性分子，因为它们的质量和电荷都是相同的。那么，有没有一种方法可以利用手性分子的特殊性质，让它们在质谱仪中表现出不同的行为呢？

最近发表在《科学》的一篇论文中，研究人员提出了一种创新的技术，通过诱导手性气相离子的定向旋转来打破手性对称并区分对映体。他们利用了一个微型离子阱质谱仪，对手性分子进行了高场离子迁移和串联质谱分析。他们的方法可以用于多种有机化合物，包括氨基酸、糖和一些药物分子，以及一种用于不对称氢化反应的配体优化的实例研究。

手性分子的定向旋转

要理解这个方法的原理，我们首先要了解什么是手性分子的定向旋转。手性分子的定向旋转是指手性分子在外加电场的作用下，围绕其质量中心的轴线进行的旋转运动。这种旋转运动的方向和速度取决于手性分子的结构和电场的方向。如果我们可以控制电场的方向和强度，就可以控制手性分子的旋转运动，从而使它们在空间中呈现出不同的形状和大小。

为什么手性分子的旋转运动会与它们的结构和电场的方向有关呢？这是因为手性分子的电偶极矩和它们的几何结构不一致。电偶极矩是指分子中正负电荷的分布不均匀，导致分子具有一定的电性。如果分子的电偶极矩和它的几何结构一致，那么分子在外加电场中的能量是最低的，分子会保持静止或者沿着电场方向旋转。但是，如果分子的电偶极矩和它的几何结构不一致，那么分子在外加电场中的能量是不稳定的，分子会倾向于调整自己的姿态，使电偶极矩和电场方向一致，从而降低能量。这就导致了分子的定向旋转运动。

手性分子的定向旋转运动的方向和速度还取决于电场的方向。如果电场是恒定的，那么分子会沿着电场方向旋转，直到达到稳定的状态。但是，如果电场是交变的，那么分子会随着电场的变化而不断调整自己的姿态，从而产生不同的旋转方向和速度。这就为我们提供了一种区分手性分子的可能性，因为不同的对映体在相同的交变电场中会有不同的旋转行为。

双交流激励法

为了实现手性分子的定向旋转，研究人员采用了一种双交流激励法，即在离子阱质谱仪中同时施加两个交变电场，一个是沿着离子阱的轴线方向，另一个是沿着离子阱的径向方向。这两个交变电场的频率和幅度可以调节，从而实现对离子运动的精确控制。

在离子阱质谱仪中，离子被捕获在一个由静电势和射频势组成的三维四极场中。离子的运动可以分解为三个正交的振荡模式，分别是沿着轴线方向的z模式，沿着径向方向的x和y模式。在正常的质谱分析中，只有z模式的离子能够被检测到，而x和y模式的离子则被忽略。

但是，如果我们在离子阱中加入一个沿着轴线方向的交变电场，就可以激发离子的z模式，使离子在轴线方向上做周期性的运动，这就是所谓的轴向激励。同样，如果我们在离子阱中加入一个沿着径向方向的交变电场，就可以激发离子的x和y模式，使离子在径向方向上做周期性的运动，这就是所谓的径向激励。

当我们同时对离子施加轴向激励和径向激励时，就可以实现对离子运动的精确控制，包括围绕质量中心的旋转和围绕势阱中心的宏观运动。通过调节两个交变电场的频率和幅度，我们可以改变离子的旋转方向和速度，从而诱导手性分子的定向旋转。这样，手性分子在空间中的形状和大小就会发生变化，导致它们的碰撞截面积（CCS）也发生变化。CCS是指离子与气体分子碰撞时的有效截面积，它反映了离子的结构信息。如果我们可以测量离子的CCS，就可以区分手性分子。

离子云成像法

为了测量离子的CCS，研究人员采用了一种离子云成像法，即利用一个微型像素探测器来记录离子在轴向方向上的分布。这种方法可以实现高分辨率的CCS测量。为了提高测量的准确性，研究人员还采用了一种高场离子迁移法，即在离子阱中加入一个高电压脉冲，使离子在高电场下迁移，从而增加离子与气体分子的碰撞次数，放大离子的CCS差异。此外，研究人员还采用了串联质谱法，即对手性分子进行碎裂，得到其碎片离子，然后对碎片离子进行CCS测量，从而提高测量的选择性。

实验结果

研究人员用他们的方法对多种手性分子进行了CCS测量，包括氨基酸、糖和一些药物分子。他们发现，通过诱导手性分子的定向旋转，可以使不同的对映体在CCS上产生明显的差异，从而实现对映体的区分。例如，他们对苯丙氨酸的两个对映体进行了CCS测量，当没有施加任何激励时，两个对映体的CCS是相同的，无法区分。但是，当施加了轴向激励和径向激励时，两个对映体的CCS就出现了不同的变化，从而实现了对映体的区分。这是因为两个对映体在交变电场中的旋转行为是不同的，导致了它们的碰撞截面积的变化。研究人员还发现，通过改变激励的频率和幅度，可以调节对映体的CCS差异的大小，从而优化对映体的分辨率。

研究人员还用他们的方法对一种用于不对称氢化反应的配体进行了优化的实例研究。他们对配体的两个对映体进行了CCS测量，然后根据CCS的大小来评估配体的手性选择性。他们发现，配体的CCS与其手性选择性呈现出正相关的关系，即CCS越大，手性选择性越高。这说明，通过测量配体的CCS，可以快速地筛选出高效的手性催化剂，从而提高不对称氢化反应的效率和产率。