手性廣泛存在于生物分子中，類似左右手的關系，手性分子與其鏡像不能完全重合（互稱為對映體）。在生物系統中，組成蛋白質、糖、DNA和RNA的基本單元，氨基酸、單糖和核苷酸等，通常以單一手性的形式存在。例如，生物體中的氨基酸大多以L-對映體存在，而碳水化合物主要是由D-對映體構成。另外，由于生物體中固有的手性環境，對映體藥物分子往往表現出不同的生理行為和藥理活性，曾有報道稱錯誤使用手性藥物導致超過1萬例新生兒出現出生缺陷。
對映體分析可以基于它們與電磁場相互作用的差異來實現，如偏振光、圓二色、X射線晶體學中的異常色散；或者，通過與手性選擇劑差異性的相互作用，如色譜中的手性固定相。現代質譜（Mass spectrometry, MS）技術具有高靈敏、高特異性的優點，卻無法區分手性對映體，通常需要與氣相色譜或高效液相色譜聯用，并配合手性固定相來進行對映體分析。
針對以上難題，清華大學精密儀器系生物醫學儀器與應用研究團隊提出了一種電場誘導的離子定向旋轉技術，與先前提出的超高場超高分辨離子云掃描技術（分辨率超過1萬，Nat.Commun.2023,14,1535）相結合，在Mini β小型質譜儀器[清譜科技（北京）]上實現了對映體的直接分析。團隊以 (R)-(-)-1,1'-聯-2-萘酚二(三氟甲磺酸酯)和(S)-( )-1,1'-聯-2-萘酚二(三氟甲磺酸酯)“螺旋槳分子”為模型，開展理論仿真結合實驗驗證表征離子的定向旋轉效應和對映體分離效果。仿真結果顯示雙交流電激發電場調控離子的宏觀運動幅值，且離子的運動模式和對映體分離效果可以通過改變雙交流電激發的相位差Δφ來調節。當Δφ<0時，S-對映體離子的宏觀運動幅值大于R-對映體，并在離子云譜圖中優先檢測到；當Δφ>0時具有相反的結果；而Δφ=0時不具備手性分離效果（圖1）。
圖1.對映體分離的定向旋轉效應表征
離子定向旋轉技術顯示出對手性化合物的普適性。可以分離藥物、代謝生物標志物、糖類以及氨基酸等多種單中心或多中心的手性對映體分子，并展現出優異的定量分析特性。此外，該技術可用于不對稱催化來優化對映選擇性合成的反應條件。以不對稱氫化反應為例，對于不同配體條件下的對映體過量，相較于色譜配合手性相這一當前主流的手性分析方法（1毫克，數小時/次），離子定向旋轉技術所需的樣品量更少（10納克），分析效率（1分鐘/次）得到顯著提升，展現出極好的應用前景（圖2）。
圖2.不對稱氫化反應催化劑的快速篩選
近日，相關研究以“手性分子質譜分析技術（Differentiating Enantiomers by Directional Rotation of Ions in a Mass Spectrometer）”為題發表在《科學》（Science）上。該研究的第一完成單位為清華大學精密儀器系、精密測試技術與儀器國家重點實驗室，第一作者為清華大學精儀系副教授周曉煜，通訊作者為精儀系教授歐陽證。研究得到國家自然科學基金項目和清華大學精準醫學科研項目資助。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj8342
來源 | 清華大學精儀系
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