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研究方向

1、同步辐射光电离质谱仪器和方法学


质谱技术(mass spectrometry是鉴定分子结构的重要方法,具有灵敏度高、分析速度快、普适性强等特点。光电离质谱是用光子作为电离源的质谱分析技术。目前常用的光电离源包括真空紫外灯、真空紫外激光和同步辐射等。由于光电离是一种“软”电离技术,几乎不产生碎片离子,因而在燃烧、热解、气固相催化等气相反应体系产物在线诊断中得到了广泛的应用。课题组致力于研发基于同步辐射光电离质谱技术相关的实验装置,包括飞行时间质谱仪、各种反应器、热解炉等,发展基于光电离技术的实验方案和手段,拓宽同步辐射应用领域。

目前,课题组负责国家同步辐射实验室燃烧(BL03U)和质谱(BL04B)两条真空紫外光束线,可提供能量为8-22 eV(来自波荡器辐射)和5-11.7eV(来自弯铁辐射)的光子辐射,波长连续可调,光子通量达到1012~1013 photons/s,可用于光电离质谱和方法学研究。

此外,课题组还有多套自制和购置实验设备:一台自制原位催化反射式飞行时间质谱仪;一台自制在线生物质热解质谱仪;一台自制在线燃烧/热解质谱仪;一台Thermo Orbitrap HF轨道离子阱质谱仪;一台Agilent 6224飞行时间质谱仪;一台Thermo LTQ线性离子阱质谱仪;三套低压催化反应器;一套高压原位催化反应器;一套四通道催化评价装置;三套气路系统,配备多个质量流量控制计;多套真空系统等。


2、非均相催化


原位(in-situ)探测技术是利用现代分析仪器,在不扰动反应体系的情况下对微观动态过程进行探测的方法,是阐明反应机理、分子与催化剂相互作用的动态学以及中间物结构的实验技术。针对非均相催化气相中间体探测这一难题,课题组研发了依托同步辐射的原位催化质谱仪,并已成功应用到费托合成、甲烷氧化偶联、二氧化碳还原等研究中,探测到甲基、乙基、乙烯酮等重要活泼中间体,为完善催化反应机理、指导催化剂设计提供了重要的依据。

课题组曾利用研发的原位低压催化反应器结合同步辐射光电离飞行时间质谱的实验装置,实现MTH反应产物的原位、快速质谱探测及定性和定量。该装置对甲醛有很好的信号响应,反应器提供的低压环境还可以避免甲醛发生二次反应,从而可以观察和揭示MTH反应及相应的失活机理。该工作研究了使用催化剂HSAPO-34HZSM-5时,MTH完整反应过程中(诱导期、稳定期和失活期)甲醛以及其他产物实时的产量变化。实验结果发现甲醛和甲烷有类似的形成趋势,产量上也有紧密的联系,表明甲醛主要产生于甲醇在酸性位点上发生的歧化反应。将催化剂与Y2O3进行机械混合,可以发现反应产生的甲醛被消除,进而影响了MTH反应中烯烃到芳烃和芳烃到积碳的氢转移过程。同时实验还发现了甲醛产量的变化会影响到MTH反应中芳烃循环的贡献和乙烯的产量,从而进一步证实了乙烯的形成主要来源于烃池中的芳烃循环。这些研究成果更加明确了MTH反应中甲醛的形成和演化机理,将有助于新型催化剂的设计和改良。



目前该方法已经成为研究催化机理最先进手段之一,美国ALS光源、瑞士SLS光源以及法国SOILEI光源都开展了类似研究。


3、质谱成像


质谱成像技术是近来涌现出的一个新的研究领域。该技术的出现,大大提升了人们辨识诸如组织切片中生物分子分布和丰度的能力,帮助人们认识重大疾病等研究过程中的问题和现象,成为实际医学应用等领域的常规分析方法。本课题组发展了一种基于DESI的二次光电离质谱成像技术(DESI-PI-MSI),DESI-PI-MSI技术的关键是在DESI喷雾装置后引入一套光电离系统和高效离子传输管道(图1),可通过开、关光电离源,实现对多种极性和非极性组分的高灵敏度空间成像。研究表明,在正离子模式下,DESI-PI-MSI可将小鼠脑切片中的肌酸、胆固醇和GalCer脂质的检出限提高2个数量级以上;在负离子模式下,谷氨酰胺和部分脂质灵敏度也可提高数倍。此外,对于一些极性较强的神经递质和脂质,DESI-PI-MSI同样可以实现灵敏度的显著提高,从而为生物标志物的高灵敏度探测和药物代谢精确成像研究奠定了基础。