第二章 文獻探討
2.1 線上偵測有機反應的方法
根據 2011 年Workman4所整理的線上偵測方法，在 1999 年Farquharson 等人，利用拉曼光譜儀(Raman spectroscopy)搭配穩定的光纖系統的光感測 器，作為Raman probes對線上監測有機反應過程中的中間產物，研究其反 應機制。2004 年Besson5等人利用傅立葉轉換紅外光譜儀/減弱全反射光譜 儀 (fourier transform infrared spectroscopy/attenuated total reflection, FTIR/ATR) 線 上 偵 測 未 飽 和 酮 類 的 氫 催 化 反 應 ， 例 如 exocyclicα,β-unsaturated ketone，得到的產物藉由chiral auxiliary使反應具有 鏡相異構物選擇性的效果，以FTIR/ATR作為即時監測的工具，可對動力學 反應的實驗作線上偵測應用。
2007 年Schafer6等人利用mobile HPLC裝置與自動進樣設備(圖 2-1)將 有機反應瓶中的反應溶液抽樣偵測反應的進度，例如Suzuki coupling反應的 探討。此方式以極少的樣品量即可作即時分析，作為攜帶型的監測工具。
圖 2-1 mobile HPLC裝置與自動進樣設備6
2.2 線上分析質譜法
近年來有多個研究團隊開發以質譜法進行有機反應的線上分析，在 1998 年 Brum 與 Dell’Orco7利 用 線 上 的 大 氣 游 離 法(atmospheric pressure ionization, API)方式設計液相實驗裝置(圖 2-2)，先行利用光解的三苯乙烯分 子溶於甲醇先作光化學反應的模擬實驗，以證明此裝置可被應用於即時監 控反應動力學的變化。作者利用開發的的裝置研究液相的idoxifene光化學 轉換反應，即時偵測反應動力學結果並探討其反應機制。這種以傳統的 HPLC進樣系統方式直接與質譜儀連接，表現出質譜儀游離端與即時偵測裝 置的潛在應用性，作者設計此裝置介面希望成為一套即時偵測的探針 (in-situ probing)來對有機合成反應與其反應途徑作探討。
圖 2-2 利用API-MS與汞燈作光化學反應裝置示意圖7
2005 年Santos8等人也利用此API-MS質譜法搭配光化學反應裝置的概 念 作 線 上 偵 測 有 機 反 應 ， 探 究 反 應 機 制 。 作 者 設 計 一 微 型 反 應 器 (microreactor)作有機反應的反應槽介面，連接質譜儀作線上偵測，並說明 此裝置的優勢是能快速偵測反應結果。搭配HPLC管線與注射針幫浦而設計 了針對有機反應的即時偵測裝置(圖 2-3與圖 2-4)，搭配API-MS直接從溶液 中快速偵測反應的中間體(intermediate)，這將會對有機化學家在研究化學反 應的機制上獲得更多資訊。
圖 2-3 微型反應器混合分析液後直接和ESI游離源連接偵測8
圖 2-4 利用毛細管自動拉回的裝置控制反應時間裝置示意圖8
2.3 質譜線上偵測游離方式
質譜儀線上偵測的游離方式是由ESI游離源開始作應用，雖然直接注入 電噴霧游離質譜法(direct infusion electrospray ionization spectrometry)9-14與 膜進樣質譜法(membrane introduction mass spectrometry, MIMS)15-17已經有 了許多線上即時偵測的應用與研究，但為了改善前處理的步驟及避免樣品 變質，2007 年有直接分析即時離子化方法(direct analysis in real time, DART)18的發展，但由於DART游離所開發的裝置溫度過高 (250°C以上)，
會使反應物產生降解成熱不穩定的化合物而無法得到完整的質譜資訊。因 此發展了萃取式電噴灑游離法EESI作化學反應的線上即時偵測有機反應，
在2008 年Zenobi1團隊利用氮氣吹送方式將分析物與電噴灑液滴混合，以萃 取式電噴灑游離法與串聯式質譜儀作Michael addition反應的線上偵測，裝 置示意圖(圖 2-5)中可得知反應處與游離源為兩個不同場合，此種萃取進樣 與游離方式改善了反應基質會干擾質譜偵測的現象。
作者藉EESI 裝置介面搭配質譜儀得到反應機制與動力學資訊，協助提 高反應產率及降低對環境的損耗和污染。
圖 2-5 萃取式電噴灑游離法裝置示意圖1
雖然EESI 裝置以氮氣吹送的方式較利於質譜法對易揮發的分析物偵 測，改善了進樣時反應溶液的基質干擾，但無法得知反應中未被吹送出裝 置的物質資訊，仍具有偵測上的限制。
2009 年Zheng19等人研究酮類化合物在大氣環境下，以間-氯過氧苯甲酸 (meta-chloroperoxybenzoic acid, m-CPBA)作固態的氧化反應Baeyer-Villiger (BV)並搭配脫附電噴灑游離法DESI與質譜儀作反應的線上偵測工具，直接 將反應的產物以質譜法進行偵測，得到有關於固態的BV反應的即時動力學 結果，包括反應速率、動力學曲線等資訊。此裝置的開發將質譜儀的技術 擴充應用於直接固態有機反應偵測solid-state organic reactions (SSORs)，能 使結果得到一關於生成物與產物的質荷比、強度與時間的即時 3D資訊(圖 2-6)，更利於反應機制的探討。
圖 2-6 solid-state organic reaction生成物與產物的質荷比、強度與時間的即 時偵測結果19
2.4 質譜進樣方式: 毛細管裝置進樣
了解質譜法的游離方式後，以質譜法線上即時偵測有機反應的方法發展 上，我們將探討是如何將樣品導入質譜儀的游離源，目前採用的有毛細管 自動進樣裝置與雙重 T 型混合進樣裝置等不同的方式。針對毛細管自動進 樣的裝置，希望能在不外加電力設備或是氣動裝置及注射針幫浦下，就能 達到進樣的目的，好處是能減少能源的損耗。
在 2011 年Chen20團隊開發出毛細作用的即時偵測工具，以大氣游離法 對少量樣品進行直接偵測，不需外添加進樣裝置就能使樣品導入，以簡單、
可拋棄式與低成本的偵測裝置作應用。其團隊也推測裝置運行的機制如圖 2-7作說明，藉由毛細現象與電荷吸引將樣品導入質譜進樣端，同時達到自 動進樣與游離效果。
圖 2-7 以毛細作用直接進樣裝置樣品進樣與游離示意圖20
在 2012 年Chen21團隊以毛細管作線上質譜偵測時，用光學鏡頭拍攝進 樣過程(圖 2-8)，發現帶電分析物會受電牽引作用進樣而有毛細現象出現。
來印證裝置的毛細現象對於進樣具有輔助的效果。並在毛細管電壓大小對 於裝置進樣的影響探討上發現無電壓也能偵測得到分析物訊號，表示在毛 細管端就產生游離現象並同時以毛細作用將樣品導入。
2.5 質譜進樣方式: Venturi effect 裝置進樣
2011 年McCullough22等人利用EESI-MS質譜方式作有機反應的線上即 時偵測，將分析物以Venturi effect方式進樣，與ESI電噴灑液作萃取使分析 物帶電荷，不需額外動力推送分析物進入質譜作反應的即時偵測，可以得 到反應中的動力學曲線以及反應速率。得到即時監測水楊酸乙酯(ethyl salicylate)水解成水楊酸(salicylic acid)的動力學研究，其中發現此技術可以 偵測到中間產物水楊酸甲酯(methyl salicylate)的訊號(圖 2-9)，搭配設計的 Venturi pump裝置其中反應的質譜圖(圖 2-9)：(A)是啟動反應的偵測；(B) 反應25 分鐘後；(C)反應 25 分鐘後，可得到水楊酸乙酯水解的動力學研究。
圖 2-9 利用EESI對水楊酸乙酯水解反應即時偵測的時間質譜圖22
2011 年作者Santos23團隊以Venturi pump的抽樣方式作線上反應偵測(圖 2-10)，開發大氣游離法進樣方式Venturi Easy Ambient Sonic-Spray Ionization (V-EASI)利用氮氣的輔助產生Venturi effect作為樣品導入的方式將液態樣 品或是溶劑抽取並吹送至質譜儀，其中裝置的開發設計後也利用古柯鹼 (cocaine)與市售的sildenaphil tablet作裝置的質譜應用。V-EASI裝置以 Morita–Baylis–Hillman reaction(MBH reaction)作線上偵測得到隨時間變化
的即時質譜圖與反應的動力學變化結果(圖 2-11)。可以得到MBH reaction 的m/z 194 與m/z 306 的反應產物隨時間逐漸生成。
圖 2-10 Venturi pump裝置進樣圖以及Venturi effect抽樣原理圖23
圖 2-11 Venturi pump裝置線上偵測與動力學結果23
作者開發的Venturi pump 進樣裝置上，所使用的壓縮氮氣流量為 3.5 L/min 以及毛細管(fused-silica capillary)的外徑為 125 μm 進行游離進樣，並 研究以純甲醇作溶劑裝置吸取的進樣流速約20 μL/min;若為水溶液裝置的 流速約為5-10 μL/min。
2012 年作者Schwab24團隊更擴展利用Venturi easy ambient sonic-spray ionization (V-EASI)方式利用壓縮空氣瓶提供瞬間的高速氣流，可以在無施 加額外電壓下，使得裝置產生Venturi effect抽取樣品溶液，並利用壓縮空氣 作樣品的氣化與游離，達到質譜快速分析的結果(圖 2-12)，分別以正電模 式與負電模式偵測分析物(圖 2-13)。利用V-EASI快速偵測乙醯水楊酸分析 物作負電偵測模式，以及市售的sildenafil tablet測試裝置的可行性。以低成 本裝置結合直接質譜偵測已成為現在質譜法線上偵測的趨勢。
圖 2-12 V-EASI快速偵測實驗裝置示意圖與真實樣品圖24
圖 2-13 分別以正模式(A)以及負模式(B)對分析物做偵測的質譜圖24
2.6 質譜氮氣輔助樣品進樣探討
2011 年由Takada25等人發表了因質譜儀內部真空壓力小於外面待測樣 品氣壓，藉由氣流將樣品導入質譜儀中達到進樣效果，並應用此原理設計 一高通量的爆裂物成份快速偵測閘道，來快速檢測(圖 2-14)。
圖 2-14 利用壓力差作大氣游離進樣方式進行快速檢測裝置圖25
繼Venturi pump裝置發展後，於同年 2011 年Karl-Christian26團隊也利用 Venturi effect作樣品進入質譜儀游離源的導入方式，即時得到腦部組織特定 的Lipids質譜訊號，作為疾病診斷資訊。文獻提到可以利用氮氣管線裝置的 設計達到Venturi effect進樣並且發現此氮氣可以做為有效的霧化氣體，使得 特定組織成份可以形成氣態離子被質譜儀偵測。其中作者也對改裝的氮氣 氣壓大小對於分析物訊號強度的影響作研究(圖 2-15)，在裝置運行下約 10 bar的氮氣能達到理想的質譜進樣與偵測效果。
圖 2-15 氮氣進樣端裝置壓力大小對於訊號大小的影響比較26
2.7 質譜儀線上即時偵測應用
2.7.1 利用質譜儀搭配毛細管進樣裝置線上即時偵測反應
在 2010 年 Chen2等 人ultrasonication-assisted spray ionization mass spectrometry (UASI-MS) 以毛細管與超音波震盪器連接質譜儀直接進樣裝 置，將微量離心管接上毛細管作線上即時偵測水解反應，如圖 2-16的裝置
示意圖，利用UASIMS的連續偵測特性，作 4-O-benzyl-2,3,6-tri-O-benzoyl thioglucopyranoside的Zemplen reaction，可以得到隨時間變化的質譜圖資 訊。可以發現起始物m/z 711 隨反應時間，訊號強度逐漸遞減而生成m/z 607 的中間產物訊號與m/z 503 產物訊號，成功地運用開發的裝置得到反應的線 上偵測結果(圖 2-17)。
圖 2-16 UASI-MS作反應線上質譜偵測示意圖2
圖 2-17 Zemplen reaction對於時間變化的質譜圖2
2.7.2 線上偵測蛋白質水解反應
質譜法線上偵測除了應用於有機小分子的偵測分析外，也能對生化分子 作偵測，具有廣大的應用範圍。利用光學性質偵測蛋白質由酵素催化水解 反應的資訊在早期已建立，但以質譜學法建立其資訊可以有更佳的靈敏
質譜法線上偵測除了應用於有機小分子的偵測分析外，也能對生化分子 作偵測，具有廣大的應用範圍。利用光學性質偵測蛋白質由酵素催化水解 反應的資訊在早期已建立，但以質譜學法建立其資訊可以有更佳的靈敏