手性广泛存在于生物分子中，类似左右手的关系，手性分子与其镜像不能完全重合（互称为对映体）。在生物系统中，组成蛋白质、糖、DNA和RNA的基本单元，氨基酸、单糖和核苷酸等，通常以单一手性的形式存在。例如，生物体中的氨基酸大多以L-对映体存在，而碳水化合物主要是由D-对映体构成。另外，由于生物体中固有的手性环境，对映体药物分子往往表现出不同的生理行为和药理活性，曾有报道称错误使用手性药物导致超过1万例新生儿出现出生缺陷。
对映体分析可以基于它们与电磁场相互作用的差异来实现，如偏振光、圆二色、X射线晶体学中的异常色散；或者，通过与手性选择剂差异性的相互作用，如色谱中的手性固定相。现代质谱（Mass spectrometry, MS）技术具有高灵敏、高特异性的优点，却无法区分手性对映体，通常需要与气相色谱或高效液相色谱联用，并配合手性固定相来进行对映体分析。
针对以上难题，清华大学精密仪器系生物医学仪器与应用研究团队提出了一种电场诱导的离子定向旋转技术，与先前提出的超高场超高分辨离子云扫描技术（分辨率超过1万，Nat.Commun.2023,14,1535）相结合，在Mini β小型质谱仪器[清谱科技（北京）]上实现了对映体的直接分析。团队以 (R)-(-)-1,1'-联-2-萘酚二(三氟甲磺酸酯)和(S)-( )-1,1'-联-2-萘酚二(三氟甲磺酸酯)“螺旋桨分子”为模型，开展理论仿真结合实验验证表征离子的定向旋转效应和对映体分离效果。仿真结果显示双交流电激发电场调控离子的宏观运动幅值，且离子的运动模式和对映体分离效果可以通过改变双交流电激发的相位差Δφ来调节。当Δφ<0时，S-对映体离子的宏观运动幅值大于R-对映体，并在离子云谱图中优先检测到；当Δφ>0时具有相反的结果；而Δφ=0时不具备手性分离效果（图1）。
图1.对映体分离的定向旋转效应表征
离子定向旋转技术显示出对手性化合物的普适性。可以分离药物、代谢生物标志物、糖类以及氨基酸等多种单中心或多中心的手性对映体分子，并展现出优异的定量分析特性。此外，该技术可用于不对称催化来优化对映选择性合成的反应条件。以不对称氢化反应为例，对于不同配体条件下的对映体过量，相较于色谱配合手性相这一当前主流的手性分析方法（1毫克，数小时/次），离子定向旋转技术所需的样品量更少（10纳克），分析效率（1分钟/次）得到显著提升，展现出极好的应用前景（图2）。
图2.不对称氢化反应催化剂的快速筛选
近日，相关研究以“手性分子质谱分析技术（Differentiating Enantiomers by Directional Rotation of Ions in a Mass Spectrometer）”为题发表在《科学》（Science）上。该研究的第一完成单位为清华大学精密仪器系、精密测试技术与仪器国家重点实验室，第一作者为清华大学精仪系副教授周晓煜，通讯作者为精仪系教授欧阳证。研究得到国家自然科学基金项目和清华大学精准医学科研项目资助。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj8342
来源 | 清华大学精仪系
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