质谱技术在反应监测中的发展和应用

艾万鹏，宋诗瑶，白 玉，刘虎威

（北京分子科学国家实验室,北京大学化学与分子工程学院,北京100871）

明确的反应机理对于探索和发展可持续的反应具有重要意义［1］.对反应过程进行实时、准确的监测可以更好地阐释反应机理，为理解反应进而改造化学过程奠定基础.用于反应监测与机理研究的方法主要包括核磁共振（NMR）波谱法、电子顺磁共振（EPR）波谱法、紫外-可见（UV-Vis）光谱法、瞬态吸收光谱法［2～6］、电化学法等实验研究方法和密度泛函理论（DFT）等理论计算方法.其中，NMR是有机化合物结构解析中最常用的表征技术之一，是一种非破坏性的检测方法.在线NMR技术通过对反应混合物进行实时监控进而开展反应动力学研究，但技术上的局限性使其不利于半衰期短于原子核弛豫时间的中间体的检测［7］.EPR波谱法可以通过特定的信号模式来识别一些寿命较短的顺磁性自由基中间体，如利用自旋捕获剂使寿命极短的自由基形成更稳定的、可被检测的自由基等［8］.检测包括非自由基在内的难捕捉的中间体通常需要更灵敏的时间分辨光谱技术，如激光闪光光解（LFP）法［9］.除光谱方法外，电化学测定法也常用于反应机理的研究.氧化还原性质的鉴定是评价反应热力学可行性的关键，如循环伏安法（CV）是测定标准氧化还原电位值最直接的方法.而对于无法通过实验观测到反应过程中的催化活性物质或者中间体的反应，必要的理论计算就成为深入了解反应及其机理的工具［10］.以有机金属催化反应研究为例，研究者在其机理的计算过程中通常需要兼顾计算准确度和所需时间［11］.目前，DFT是一种常用于该类机理研究的理论计算方法.

尽管上述方法在反应中间体捕捉和机理研究中应用广泛，但仍存在各自的局限.此外，反应过程中中间体的鉴定是反应监测中最重要的环节，对于短寿命反应中间体的直接捕捉及结构鉴定则更具挑战性，通常需要引入新的反应监测技术.质谱（MS）作为一种具有高分辨率、高灵敏度、快速响应性以及强大的结构鉴定能力的分析工具，在有机反应的监控研究方面具有明显优势.而常压质谱离子化技术具有快速、高通量、操作简便且不需要或者仅需要很少的样本预处理等特点［12］，近年来发展迅速.该技术可在自然的大气压环境中直接对样本进行解吸附和离子化，有利于反应的原位直接快速取样，从而在反应监测领域得到日益广泛和深入的应用和发展［13］.根据有机反应的特点，基于质谱的机理研究方案主要分为基于在线直接采样的质谱实时监测方案、基于常规常压质谱的短反应及长时间有机反应的监测，以及其它常压质谱技术在反应监测中的应用等.

1 基于在线直接采样的质谱实时监测反应研究

有机反应在线直接采样实时监测法是在传统离线电喷雾（ESI）质谱基础上的改进方案，能直接有效地监测大部分反应.典型的研究技术为连续样本注射质谱法（CSI MS）［14，15］，即借助一个三通对反应体系采样并实现样品稀释，然后进行质谱检测［图1（A）］［16］，该方法操作简单、普适性强.McIndoe等［14］利用CSI MS在线监测了高活性的零价钯中间体并证明其符合一级动力学消除过程.Waymouth等［17］采用CSI MS结合同位素标记和动力学研究手段，为乙醇氧化、氧气活化和过氧化氢歧化反应的中间体和反应途径研究提供了重要依据.Zare团队［18］利用CSI MS和持续的UV-Vis光谱阐明由CuBr2和氟试剂介导的Ritter型C—H胺化反应的2条途径，并进一步结合电化学和动力学手段研究了钌催化的C—H羟基化反应机理，发现了一种以上的活性氧化剂和3种不同的催化剂分解/阻滞机理［19］.为了实现高通量检测，Cooks团队［20］将定制的3D打印旋转支架与CSI MS结合，能同时对包括腙形成和Katritzky转氨作用合成等6个反应实现连续监测，而不需要进行数小时的重复操作［图1（B）］，并能对ESI难以离子化的化合物在线衍生和监测.

尽管CSI MS在进样前通常会对样本进行稀释，但是为了监控整个反应进程而长时间持续进样对质谱仪器造成的污染问题仍不可忽略.与此同时，高浓度含盐样品溶液可能造成ESI离子源喷针堵塞.为此，Yan等［21］借助脉冲正电压产生的瞬态强电场使喷雾溶液产生带电液滴的方法缓解了上述问题［图1（C）］，并通过增加一个样品分离器进一步降低了装置对质谱的污染.他们利用该装置在线监测了Negishi交叉偶联反应、Pd/C-催化氢裂解和还原胺化反应，并捕捉到一些相关的短寿命中间体（半衰期为5 s）.此外，还利用该装置监测了阿拉格列汀的合成路线［22］.

CSI MS是进行反应监测的经典方法，但是由于取样硬件条件的限制，该方法对复杂反应的监测可能会存在局限性.此外，ESI离子源在中性被分析物的检测中存在不足.为解决这一问题，Gill等［23］设计了液相电子电离凝相膜引入质谱法（CP-MIMS-LEI），用于对反应过程中的中性产物进行实时连续监测［图1（D）］，开展了高酸性甲醇溶剂中苯乙炔催化氧化制苯乙酮反应的监测，并定量在线监测烷基甘氨酸酯的合成.CP-MIMS-LEI是以ESI为主要离子化手段的CSI MS法的重要补充，可对在反应过程中发生产物结晶现象的体系实施监测.

在线直接采样监测策略是基于质谱技术的反应监测研究中最简单和经典的方法，然而，CSI MS的长传输管路和质谱技术取样过程中产生的死时间都会造成反应监测过程中的检测滞后.因此，基于在线直接采样的质谱监测反应方案适用于长寿命中间态物质的捕捉与鉴定，对于快速完成的反应及长时间反应中的短寿命中间体的监测存在局限性.

2 基于常压质谱的快反应直接监测

常压质谱离子化技术在大气压环境中即可直接实现样本的解吸附和离子化，具有快速、高通量、操作简便且样本预处理简单等特点.自解吸电喷雾离子化（DESI）［24］和实时直接分析（DART）技术［25］这2种最典型的常压离子化技术被提出以来，常压离子化技术领域方兴未艾.针对前述经典的在线直接采样质谱监测反应过程中存在的局限，取样方式更为灵活的常压质谱技术为反应监测研究提供了新的解决方案，尤其为快反应的有效、在线、实时原位监测提供了可能.

2.1 短有机反应的监测

2004年，Cooks课题组［24］提出了DESI技术，首次引入了常压质谱（AMS）的概念.与传统质谱检测相比，其在样品表面的溶剂萃取过程增加了样品采集能力，几乎无需对样品进行预处理，在敞开大气压环境下即可直接对样品进行解吸附和离子化［26～28］，可实时提供反应过程中的离子“快照”，展示足量的中间体信息.DESI技术是使用最多的应用于短时间反应监测的研究方法，其取样时间在毫秒或更短的时间尺度.利用DESI-MS技术，Perry等［29］实现了对快速完成的Ru（Ⅱ）不对称转移加氢催化剂的合成反应的监测，并进一步结合高分辨静电场轨道阱质谱捕捉到2个寿命在亚毫秒及毫秒范围内的Ru（Ⅱ）甲酸甲酯复合物和Ru（Ⅳ）甲酸甲酯复合物瞬态中间体［30］［图2（A）］.而后作者利用该装置捕捉并鉴定了由四羧酸二铑络合物催化的C—H胺化反应的瞬态反应中间物，表明Rh-氮宾氧化剂可以通过氢原子攫取路径与烃类底物发生反应［31］.Xu等［32］使用DESI-MS研究了Eschweiler Clarke反应，检测到胺与甲醛的亲核加成产物以及初始加成产物脱水生成亚胺离子过程中的2个关键中间体.然而，当反应物易在电场中发生氧化或者对空气中的氧气敏感时，直接将反应试剂加入到DESI电喷雾溶液中可能导致反应无法进行.因此，Zheng等［33］尝试将DESI作为一种样品传输工具［图2（B）］，在事先对反应试剂脱气和填充氩气保护后，反应中间体和产物直接与DESI的初级喷雾接触并被带入质谱进行检测，通过与金属同位素理论峰对比并结合二级质谱分析结果，捕捉了单磷配体的零价钯中间体，验证了整个反应循环.Lu等［34］利用DESI-MS研究了金催化炔的水化反应，通过监控不同条件（常规和稀释的催化剂浓度、不同pH值）下反应的早期阶段（反应物混合后1～2 ms），证明了双金复合物是潜在的关键反应中间体.此外，萃取电喷雾离子化（EESI）技术也常被用于短有机反应监测.

Fig.2 Application of DESI-MS in reaction monitoring

2.2 电化学反应监测

相对于一般有机反应需要长的反应时间，电化学反应速度通常较快.由于电化学反应的溶剂体系通常包含大量的水溶液和高浓度的电解质，不利于后续的质谱分析.因此，具有快速取样能力和原位分析优势的DESI-MS技术是捕捉电化学反应过程中瞬态中间体的最有效手段.如图3（A）所示，Brown等［35～37］提出DESI-MS与“水轮”集成装置对电化学反应实现有效监测并观测到了瞬态中间体.利用DESI-MS，作者分别观察到了电氧化反应过程中的二亚胺中间体、N，N-二甲基苯胺自由基阳离子以及氮翁离子.尽管“水轮”装置与DESI-MS的组合能实现电化学中间体的捕捉和监测，然而该组合在使用前需要仔细调整空间位置以获得更好的结果.为了提高监测效率、减少鞘气干扰、吹干流动电解质，Cheng等［38］设计了2个简单且易于操作的DESI电化学质谱检测平台（斜面和平面），对上述电化学反应的中间体进行了有效检测［图3（B）］.此外，DESI-MS也可与薄层电化学液流电池直接联用开展反应监测研究.Cheng等［39］利用DESI-MS的高耐盐性优点首次在酸性和碱性介质条件下检测到了经PhNHNH2在线衍生化的甲醇电氧化产物（衍生产物为PhNHNH+=CH2）［图3（C）］.

尽管DESI-MS技术展示出高效快速的取样优点，然而该技术装置相对复杂，且存在高速喷雾对电化学反应过程的干扰问题.因此，研究者尝试了一系列改进措施，如简化实验装置以降低对电化学反应过程的干扰.Zhang等［40］开发了一种基于液滴喷雾离子化技术的液滴级实时电化学反应筛选平台［图4（A）］.该平台包含一个置于质谱入口前的玻璃滑角，它既可作为电解液池，也可作为喷雾电离源.由铂丝工作电极、盘状铂对电极和Ag/AgCl参比电极组成的三电极系统分别安装在滑角上.分别施加电压E+ΔE和电压E（E=4.5 kV，ΔE=0～2 V）于工作电极和对电极上，既能实现电氧化又能实现电喷雾.利用该装置成功捕捉到了半衰期为微秒级的N，N-二甲基苯胺自由基阳离子，并能对后续反应进行数分钟的实时跟踪.与DESI-MS技术相比，该装置可实现分钟尺度的相对长时间的实时监测，为反应过程动力学和多级反应监测提供可能.针对DESI高速喷雾的扰动问题，Wang等［41］将二次离子质谱与真空兼容的微流控电化学装置联用，开发了液体-真空界面分析系统（SALVI）［图4（B）］.利用该系统，作者不仅首次在电极电解质界面上原位捕获到以前未直接检测到的短寿命自由基中间体，阐明了具有重要生物学意义的有机化合物抗坏血酸的电氧化机理，而且能实时监测电极电解质界面双电层的形成和动态演化过程.

Fig.3 Direct monitoring of electrochemical reaction using DESI-MS

Fig.4 Other examples of electrochemical reaction monitoring

在上述直接原位采样的基础上，研究者进一步尝试了超微电极表面电化学反应的直接质谱监测.Shao等［42］开发了集成微电化学池和纳喷雾发射器的复合超微电极［图4（C）］，利用压电枪产生离子后，通过质谱获得电化学的原位分子信息，关键中间体的获得阐明了Ru（bpy）32+（bpy=2，2′-联吡啶）的电化学发光机理.利用类似的装置，Gu等［43］原位研究了液/液界面四苯基卟啉钴催化二茂铁氧的还原反应机理.

此外，对于产物中气液2种状态产物的同时检测近期也有报道.Katsounaros等［44］搭建了电化学、电子轰击质谱（EI MS）和DART-MS联用装置［图4（D）］，可同时实现电化学反应中气态和液态产物的时间分辨和电位分辨表征.分别在未处理的铜和原位阳极氧化铜上进行电位扫描实验，检测到了CO2的还原反应产物.

3 基于常压质谱的微滴加速在长时间反应监测中的应用

AMS为快反应监测提供了实时在线研究的可能，然而对于绝大多数需要较长时间完成的反应体系，单一的原位取样不足以有效实现该类反应的过程研究.因此，利用微滴中的反应加速现象是常压质谱解决上述问题的主要手段.伴随着常压质谱离子化技术的开发与不断改进，越来越多的反应可有效地通过微滴加速进行，包括有机反应、无机材料合成及蛋白降解等.利用微滴加速进行反应过程监测的研究主要利用基于喷雾的离子化技术，包括ESI，DESI和EESI技术［45］等.依靠这种相对温和的方案，可检测出一系列反应的重要中间体［46，47］.结合实时的二级质谱结构鉴定，可对复杂反应的实际反应路径和机理提出合理假设并予以证实.

3.1 基于ESI的微滴加速在反应监测中的应用

Alvim等［48］利用ESI MS研究了汉奇反应，通过对相关中间体的有效捕捉证实1，4-二氢吡啶的合成主要经历了二酮反应路径.在该条件下，反应液滴离开离子源后，随着液滴蒸发和库伦爆炸的不断进行，汉奇反应得到加速［49］.该反应涉及多个中间体，通过改变喷雾源与质谱入口之间的距离，可以跟踪反应随时间的变化过程.如图5（A）所示，Yan等［50］发现当增加ESI离子源出口与质谱入口的距离后，带电微滴的去溶剂化时间随之增加.实验发现，距离越短反应加速现象越不明显，质谱观测到的主要是反应试剂的分子离子峰；随着距离增大，各种中间体和最终产物的信号也逐渐上升.类似的，Nielen等［51］采用LAESI和长达1 m的离子传输管研究了点击反应，并实现了反应成像［图5（B）］.值得注意的是，因为整个反应时间在毫秒尺度，液滴反应速率相对于本体反应速率增加105倍.从最终的实验结果上看，电喷雾具有加速反应的特点，同时通过简单的实验参数调节，反应监测和反应加速能够交替进行.Yan等［50］认为电喷雾微滴在发生溶剂蒸发和库伦爆炸的过程中，存在着溶剂不断挥发导致微滴反应器内反应物浓度不断升高的现象，这也是导致反应加速的主要原因.

另外，除溶剂蒸发促使反应物浓度上升而导致的反应加速外，电喷雾微滴表面的电荷也会辅助反应.如图5（C）所示，Banerjee［52］等用ESI-MS技术在不加强酸辅助的情况下直接合成了异喹啉和取代基喹啉.Pomeranz-Fritsch反应是一个酸诱导的合成异喹啉的反应，该反应需要经历2个过程，即苯甲醛和氨基乙醛二乙缩醛形成前驱体，之后前驱体在强酸的作用下经过2个中间体闭环形成产物异喹啉.通常情况下，Pomeranz-Fritsch反应需要在强酸辅助下反应几小时甚至几天才能完成.当采用电喷雾进样时，该反应在无需任何酸的介入下可在毫秒内完成，并可通过质谱观测到相关的中间体和产物.这可能是由于随着溶剂的不断蒸发，带电微滴表面电荷得到富集，正离子检测模式下产生的正电荷所起的作用类似于本体反应中强酸的作用.另外，作者认为随着库伦爆炸过程的进行，电喷雾微滴比表面的扩大也会促使该反应加速进行.微滴表面的极端pH不仅会加速反应的进行，同时会影响反应结果.Gao等［53］利用微滴加速现象，在不加额外的酸性或碱性催化剂的条件下，直接合成了2-苯基-2，3-邻苯二甲酸二氢嗪-1，4-二酮.与体相反应相比，微滴反应仅仅生成重要的六元杂环产物，表现出良好的反应选择性.利用反应加速现象，Muller等［54］采用ESI装置研究了施密特克莱森缩合反应，发现电喷雾能加速形成碳碳键，且能在短时间内可获得毫克量级产物.

Fig.5 Application of microdroplet acceleration based on ESI-MS in reaction monitoring

电声波喷雾离子化（ESSI）［55，56］是ESI的一个变体，由微ESI源与超音速鞘气构成.鞘气的高线速度提供了高效气动喷雾以雾化带电微滴，与传统的ESI离子源相比，ESSI产生的带电微滴更小，更加有利于反应的加速进行.Bain等［57］利用ESSI-MS监测了微滴中肼的加速形成过程.Luo等［58］利用ESSI加速合成了金-组氨酸复合物催化剂［Au-（His）2］［图6（A）］.与该催化剂的本体反应合成方案相比，该装置加速了催化剂的生成（比本体反应快3.0×107倍）.此外，通过调节和优化喷雾出口与质谱入口间的距离（最佳距离2 cm），前驱体氯金酸与组氨酸的反应可以保持在形成催化活性的Au5纳米颗粒的状态，避免了金进一步聚集形成Au10纳米颗粒.另外，如图6（B）所示，Zhong等［59］利用ESSI-MS实现了蛋白质的超快酶解，更小尺寸的微滴是有效促进酶解加速的原因之一.与传统方案相比，微滴加速可将酶解时间由过夜缩短至不到1 ms，并且获得了86%的高序列覆盖率.当在负离子模式下采集时，所有理论上可被酶解的肽键均被破坏，序列覆盖率达到100%.

Fig.6 Application of ESSI-MS-based microdroplet acceleration in reaction monitoring

3.2 基于DESI的微滴加速在反应监测中的应用

DESI允许样本直接在空气中离子化，最初用于衍生化反应.Girod等［60］尝试直接将反应试剂加入到DESI喷雾内与另一反应物发生反应，在二次液滴中就会形成产物并被传入质谱进行分析检测.整个反应在二次液滴中被加速，速率提升了几个数量级.作者采用酸化的吉拉尔特试剂T作为喷雾溶液直接作用到类固醇上，发现双分子衍生化反应在毫秒内完成，质谱分析结果中存在着明显的产物腙的信号.

3.3 基于EESI的微滴加速在反应监测中的应用

Lee等［61］使用高速摄像机捕捉EESI在反应监测应用中的液滴轨迹并给出其示意图［图7（A）］.实验结果表明，液滴混合中心尺寸约为500μm.混合时间与待检测物质进入质谱入口的时间相比足够短.此外，作者发现液滴内部的反应在进入质谱加热毛细管前可以停止，其反应时间正比于混合中心和质谱入口的距离.通过研究细胞色素C的酸诱导解折叠现象发现，EESI下解折叠速率是本体反应的1000倍.Lee等［62］还利用相似的装置研究了酸诱导叶绿素除盐的动力学过程.近期，该团队［63］采用EESI源在无还原剂前提下利用水微滴自发合成了金纳米颗粒［图7（B）］.进一步，金属颗粒的生长过程可通过调节混合中心和质谱入口的距离来监控.Marquez等［64］采用EESI装置捕捉到电子转移催化的反式茴香醚二聚过程中出现的远端自由基阳离子中间体.

Fig.7 Application of microdroplet acceleration based on EESI-MS in reaction monitoring

3.4 微滴加速现象在反应监测应用中的局限

尽管微滴加速现象为反应的在线监测提供了可能，但是该方法普适性不强，即反应加速并不适用于所有反应.Marsh等［65］借助苯腙形成反应研究了电喷雾出口与质谱入口距离、源尖端直径和有无表面活性剂的存在等条件对反应速率的影响，发现更大的距离、更小的源尖端直径和有表面活性剂存在时产物转化率有所增加.这些结果表明，反应加速与微滴本身及表面状况密切相关.Mondal等［66］对微滴加速现象进行了深入研究.对微滴中的反应建模后，反应过程可分为以下3个步骤：（1）反应物从微滴核心扩散到表面；（2）反应物在表面扩散以寻找其他反应物；（3）分子内化学键断裂和产物生成.作者得到了反应物在二维和三维液滴中寻找分布在表面的其它反应物的平均搜索时间解析表达式.平均搜索时间与R2/D正相关（R为液滴半径，D为分子在液滴介质中的扩散常数）.利用布朗动力学模拟，与体相反应相比，作者证明了液滴表面的平均搜索时间更短.如果内在的分子间反应比平均搜索时间快，该过程即为扩散控制的过程，反应可以在液滴介质中加速进行.实验中还发现，空气/微滴界面具有不同的反应环境，表面更丰富的水合氢离子可以大大削弱键能，从而降低了活化势垒.同时，在沿3个笛卡尔轴的任何一个方向存在静电偶极电场时，也有类似的促进键断裂的作用.综上所述，微滴加速效应并不具备普适性，只有分子间反应比平均搜索时间快的体系才能在微滴中加速.Banerjee等［67］也得到类似结论.

4 其它常压质谱在反应监测中的应用

4.1 常压质谱的在线直接采样实时监测

常压质谱离子化技术常与经典在线直接采样法结合使用对反应进行实时监测.与经典的CSI-MS技术相比，典型的常压质谱技术DESI可在分析样品前获得空白质谱图，从而易于扣除潜在的背景离子.此外，由于DESI的进样量相对较小，可最大化降低对样品转移用的注射器、管道和配件的污染［图8（A）］［16］.Boeser等［68］采用DESI MS研究了芳基硼酸与烯酮底物的不对称钯催化共轭加成反应，不仅检测出催化循环的中间体，而且揭示了芳基硼酸底物反应活性的差异.Banerjee等［16］利用DESI MS和在线ESI MS法研究了铜催化羧酸C—H氧化环化的机理.结果表明，瞬态的苄基自由基中间体被Cu（Ⅱ）氧化产生苄基碳正离子，之后被羧酸侧基捕获形成内酯产物.该团队近期采用DESI研究了叔丁醇钾催化芳香杂环C—H硅化反应的离子化机理，捕获了包含硅试剂、反应底物和叔丁醇催化剂的五配位硅中间体，提出了一个合理的催化循环路径［69］.

Fig.8 Ambient mass spectrometry used for online direct sampling real-time reaction monitoring

EESI也被应用于在线直接采样实时监测.EESI的主要特征是有2路交叉喷雾，其中一路用于雾化样本溶液，另外一路用于产生带电溶剂微滴，在待测分子进入质谱前首先发生的是液液萃取过程.如图8（B）所示，Hopley等［70］搭建了实时采样装置，通过蠕动泵抽取反应液后再将反应液注回反应锥形瓶形成喷雾，之后通过文丘里效应抽取瓶内喷雾并在另一路带电喷雾的作用下离子化样品.通过该策略，作者实时监测了水杨酸乙酯碱性水解成水杨酸的过程.此外，多相液流EESI（MF-EESI）作为一种新型液体辅助离子化方法，基于辅助载气的气动喷雾可实现溶液反应体系的快速抽提，并借助辅助液流增加样品的离子化性能得到稳定的喷雾，进而进行质谱检测.Wang等［71］用该技术对葡萄糖酶催化氧化反应进行了探究，首次发现了黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）-葡萄糖中间体的存在，并对其氧化过程进行了探讨.

电喷雾辅助激光解吸离子化（ELDI）［72］应用于在线采样实时监测时需要额外添加碳粉基质以促进解吸.Shiea等［73］用ELDI结合碳粉基质在线监测了查尔酮在乙醇中的环氧化反应、乙二胺四乙酸与铜、镍离子的螯合反应、1，10-菲罗啉与铁（Ⅱ）的螯合反应以及细胞色素C在水溶液中的胰蛋白酶消化过程［图8（C）］.

4.2 基底喷雾技术在反应监测中的应用

基底喷雾技术的最大特点是在电场驱动下基底尖端形成泰勒锥，进而产生电喷雾使得待测物离子化.最普遍应用的基底喷雾法为纸喷雾离子化（PSI）技术［74］.PSI是将液体样品置于三角形的滤纸上并让其干燥，然后在滤纸上喷洒溶剂并施加电压，促使样本进入质谱仪内被分析.PSI耐盐性强，可吸附复杂基质样本中的干扰物质（如盐等），同时释放和分析可溶性分析物，从而提高了灵敏度和重现性.在反应监测方面，将试剂直接滴加到三角形的纸面上，纸表面就可以发生反应加速现象，而加速程度取决于表面溶剂蒸发速度.如图9（A）所示，Banerjee等［75］将钯、银和金纳米粒子涂覆的纸张基板分别用于原位催化研究铃木交叉偶联、4-硝基酚还原和葡萄糖氧化反应，并结合质谱观测到了相关反应的中间体和产物，这也说明PSI MS为快速反应性评估和新催化剂快速筛选提供了平台.类似的，Sarkar等［76］用铂纳米涂覆的纸基底作为高活性催化剂，将2，4，6-三硝基甲苯还原为2，4，6-三氨基甲苯以利于其离子化.将滤纸换成载玻片，Jiang等［77］采用液滴喷雾离子化（DSI）技术实时监测了乙烯聚合反应［图9（B）］.另外一种基底喷雾技术探针电喷雾离子化（PESI）技术［78］具有仪器设置简单、能直接取样及样品消耗量低等优点，也可以作为一种潜在的反应实时监测工具.Yu等［79］利用PESI MS实时监测了如酸致蛋白变性、肽的氢/氘交换和希夫碱的形成等一些生物和化学反应［图9（C）］.

Fig.9 Application of substrate spray in reaction monitoring

4.3 基于等离子体技术的反应监测应用

除了基于喷雾技术的常压源，基于等离子体的常压技术在反应监测领域也有相关应用.低温等离子体（LTP）［80］探针采用高压交流电产生等离子体，可以直接作用于样本，实现解吸和离子化.如图10（A）所示，Ma等［81］利用LTP MS实时连续监测乙二胺与乙酸酐的乙酰化过程、乙二胺与醛的缩合反应和甲醇与乙酸酐的酯化反应.相对于DESI MS等方案，该技术对溶液体系中的盐容忍度更高，对质谱的污染更小.Zhang等［82］在介质阻挡放电离子化（DBDI）［83］技术的基础上搭建了反应表面解吸介质阻挡放电离子化（SDDBDI）装置用于监测反应.如图10（B）所示，该装置由一个纳米针电极和一块用作介电材料和样品基底的盖玻片组成，并对质谱入口接地.定制的PEEK气体喷嘴用于传输放电气体，工作时试剂通过T型装置被掺杂到放电气体中，流速由注射泵控制.利用该装置，作者对氨基苯酚的在线衍生反应（与三氟乙酸酐反应）、席夫碱反应和Eberlin反应进行了在线监测.

Fig.10 Application of plasma-based ambient ionization in reaction monitoring

4.4 激光辐照结合电喷雾质谱在光反应监测中的应用

利用激光引发反应并结合常压质谱检测是研究光反应的一种重要手段.Badu-Tawiah等［84］将电喷雾质谱的小体积反应加速技术与激光的作用结合研究了光催化脱氢过程.随后，Chen等［85］采用类似的技术，在更高激光能量的作用下实现了光催化［3+2］环加成反应的有效监测.如图11（A）所示，将反应的混合物导入毛细管内，并在ESI出口前5 cm处烧蚀约1 cm的激光辐射窗口，利用该装置验证了胺自由基阳离子的存在，并在激光打开的情况下通过引入氘代反应底物产生的氘代产物信号验证了链式反应路径.本课题组［86］研究了胺的可见光催化转化过程，通过对2个关键过氧化中间体的鉴定并结合DFT理论计算，证实了胺氧化过程中基于质子耦合电子转移的两步脱氢路径.进一步利用氘代反应和高分辨质谱技术，验证了胺的可见光催化氧化和碳氢官能团化2种途径共存的机理.近期，针对如可见光催化自由基芳基化等具有限速步的光催化反应，我们［87］开发了激光散射耦合电喷雾质谱（LS ESIMS）.如图11（B）所示，连续波长激光辐照毛细管外涂敷的氧化石墨烯薄膜处可引发激光散射现象.该现象的存在增大了反应窗口，提高了限速步的反应速率，并提高了产率，从而使产物能够被质谱检出和鉴定.利用该装置捕获了一直被推测是各种直接C—H芳基化反应的关键中间产物的自由基中间体，并结合对光催化氧化Ru（Ⅲ）中间体的鉴定实现了对整个反应过程的监测.

Fig.11 Application of laser-based ambient ionization in reaction monitoring

5 总结与展望

目前，主要的用于反应机理研究的质谱方法各有其应用优势和不足.以CSI-MS为代表的经典在线直接采样实时监测法在进样过程中进行样本稀释，使质谱检测相对低浓度的反应液，从而尽可能降低对质谱仪器的污染，然而稀释后的溶液与本体反应液间巨大的浓度差和传输过程中反应条件的差异会造成反应的猝灭；同时该方法由于采用了一个相对较长的传输管路，限制了反应中短寿命瞬态中间体的检测.常压质谱技术的发展有效解决了经典质谱反应监测过程中的局限性问题.使用DESI-MS可以直接对反应过程中的瞬态中间物进行捕捉，其快速的传输过程避免了传输过程中中间物质消耗的问题.然而，诸多反应体系的实际反应时间相对较长，限制了DESI-MS直接监测方案的使用范围.微滴加速反应在一定程度上解决了DESI-MS直接监测反应时的局限，但该方法存在的问题是微滴加速效应并不具备普适性.目前利用微滴加速现象研究的反应多为简单反应，对于复杂反应尚未涉及.

综上，质谱在反应机理的研究方面仍有进一步发展空间.质谱在反应监测领域仍将主要从快速检测、原位采样、原位加速以及与其它手段联用等方面开展.