基于核磁共振色谱的原位多组分精准检测——探针结构及检测溶剂的优化

复杂真实样品的快速精准分析方法在环境监测、生产过程控制、疾病诊断等领域具有重要应用。目前，复杂样品的分析主要依靠色谱-质谱联用技术，基于色谱和质谱信号可以对样品中的各个组分进行准确的指认。尽管可以提供高度可靠的检测结果，这些基于分离的分析方法较为耗时，而且难于用于动态变化样品的实时跟踪监测。相比而言，光谱及化学传感等方法具有原位快速的优点，但在应用于复杂多组分体系的检测时常常存在信号重叠、易受干扰等不足。

图1. 探针结构和溶剂对分析物检测效果的影响

中国科学院上海有机化学研究所的赵延川团队致力于研发基于核磁共振氟谱的新型分析检测技术以实现复杂真实样品的原位多组分精准分析。此前，该团队设计了一系列基于手性铝络合物的含氟核磁探针分子。这些探针分子具有空间受限的手性识别空腔，与手性分析物相互作用时可以产生类似色谱峰的特征氟谱信号用于进行手性区分检测 (Cell Reports Phy. Sci., 2020, 1, 100100)。研究阐明了识别过程的化学交换速度与分析检测手段的时间尺度相匹配是实现原位多组分检测的关键。近日，该团队与上海师范大学邓青海课题组合作，通过优化探针结构和检测所用溶剂，在无需分离情况下对复杂体系中二十多个组分进行同时分析，实现与液相色谱方法类似的区分检测能力。

该研究以钯络合物探针作为探索构效关系的模型，通过在钯络合物的氟原子邻位引入不同取代基，改变氟代芳环电子云的可极化性实现对¹⁹F 核磁检测窗口与分辨能力的调控。同时，取代基不同的位阻也会对探针侧壁的自由旋转产生影响，从而影响区分检测效果。

图2. 不同探针在CDCl₃中的区分检测效果

考虑到液相色谱方法中的流动相对分析结果具有重要影响，作者也对“原位色谱”检测所用溶剂进行了探索。以八种常见的溶剂作为检测基质，四种结构类似的生物胺作为分析物，作者发现当使用丙酮、DMSO、THF、CH₃OH等极性较大的溶剂时，区分效果一般。使用氯仿等类小极性溶剂可以获得较好的分辨效果。而氯苯、甲苯等芳香溶剂由于具有更好的屏蔽能力，可以进一步拓宽¹⁹F检测窗口从而使检测方法显现出卓越的分辨能力。

图3. 二苯胺取代的探针在不同溶剂中的检测效果

在确定了影响分辨能力的关键参数后，该研究考察了核磁共振色谱分析方法在复杂体系进行多组分检测时的分辨能力。研究表明，当利用二苯胺取代和乙氧基取代的两种含氟探针时，可以实现21种生物活性分子的同时区分检测，在无需分离的情况下获得类似于色谱的检测结果。值得指出的是，该方法无需分析物具有紫外吸收，可以同时检测中性分子及离子，因而在分析复杂生物样品的应用中具有独特优势。

图4. 二苯胺取代探针3c和乙氧基取代探针3a对21种分析物的同时检测

综上所述，该研究系统地探索了核磁共振氟谱探针结构及检测溶剂对核磁共振色谱分辨能力的影响，利用结构优化的探针及特定溶剂组合可以实现20多种生物相关分析物的同时检测。这对今后合理设计应用于复杂体系的原位精准检测探针具有重要的借鉴意义。

这一成果近期发表在Analytical Chemistry，论文的第一作者是中科院上海有机所与上海师范大学联合培养研究生董婵娟。上述研究得到了国家自然科学基金委的大力资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Tailoring Sensors and Solvents for Optimal Analysis of Complex Mixtures Via Discriminative ¹⁹F NMR Chemosensing

Chanjuan Dong, Zhenchuang Xu, Lixian Wen, Shengyuan He, Jian Wu, Qing-Hai Deng*, Yanchuan Zhao*

Anal. Chem., 2021, DOI: 10.1021/acs.analchem.0c04768

导师介绍

赵延川

http://zhaolab.renjucs.com/

https://www.x-mol.com/university/faculty/65906