化学反应几乎是所有生物过程的基础，包括用于制造新药物的反应。然而，这些反应通常需要相当长的时间，并需要苛刻的条件或材料——这可能会阻碍改变生命的药物的及时开发。
普渡大学研究员Graham Cooks及其Aston Labs团队开发了一种方法，利用微小、快速移动的液滴来加速化学反应，无需使用高温或催化剂——催化剂通常是加速化学反应所需的物质。他们的研究发表在《美国化学学会杂志》上。
Cooks表示："我们的实验室已经培养了合成可用于各种用途的新化合物的能力。" Cooks是普渡大学理学院James Tarpo Jr.和Margaret Tarpo化学系的Henry Bohn Hass杰出化学教授，也是普渡癌症研究所(PICR)的成员。
他说："我们使用的质谱技术传统上被视为纯粹的分析工具，但我们已经能够利用它不仅快速筛选材料，还能进行适合制药和农业产品的新型化学反应。"
这项新技术基于Cooks为质谱开发的先进平台，该平台用于根据分子的质量和电荷来识别化合物。在传统质谱仪中，带电粒子或离子是从材料样品中产生的——这个过程称为电离——然后进入仪器。
进入仪器后，电场或磁场根据它们的质量与电荷比分离这些离子。这种分析产生一种称为质谱的图表，有助于识别样品材料中所有不同类型的分子。
质谱用于各种目的，例如检测血液中的生物标志物或药物、识别环境中的污染物以及检测化学品或危险材料。然而，它通常因样品准备时间而变慢——样品必须经过清洁和纯化——才能进行分析。
更快、更好的分析
Cooks开发了一个更先进的平台——一个自动化的高通量脱附电喷雾电离(DESI)质谱系统——该系统是非破坏性的，可以处理"脏"材料，这意味着样品可以直接从现场提取并用于未来的实验。该系统还使用机械臂在各个组件之间转移样品，从而实现工作流程自动化并减少人工干预。
样品被排列在载玻片上，DESI的喷嘴用含有带电液滴的溶剂喷洒它们。喷雾和样品之间的冲击"提升"组分分子——这个过程称为脱附——并将它们引导到一个将分子输送到质谱仪进行分析的管中。
由于不需要准备，该系统每秒可以分析大约一个样品。它还可以使用高密度载玻片快速运行数千次实验，这些载玻片在一个紧密排列的网格内容纳数千个微小、精确定位的材料液滴。
Cooks表示："传统的质谱平台可能需要几分钟才能分析一个样品。使用我们的系统，我们可以每秒生成一个反应，这意味着我们每小时可以完成约3,600次实验。当药物开发等过程可能需要10-15年时，任何可以加速时间表的事情都至关重要。"
这项技术已提交给普渡创新技术商业化办公室，该办公室已通过美国专利商标局申请并获得了多项专利。
现场合成
除了分析优势外，Cooks的DESI平台还可以合成化合物。该系统被编程为在两种模式之间切换：分析和合成。两种模式之间的唯一区别是样品点与仪器入口点之间的距离。对于分析，入口更靠近载玻片，因此带电液滴需要行进的距离更短。对于合成，入口离载玻片更远，因此液滴行进的距离更长。有了这段额外的长度和时间，液滴就充当了微小、超快的微反应器。
PICR研究助理教授、Aston Labs成员Nicolás Morato表示，这种现象发生是因为化学物质在这些微小DESI液滴的表面聚集。这是一个独特的环境，化合物可以在液滴飞入质谱仪之前在空气中更快地反应。
Morato说："这些反应的进行速度比在大体积溶液中快一百万倍。我们正在利用这种能力快速合成可用于开发各种药物（如癌症治疗和抗生素）以及保护作物的农业材料的化学物质库。"
"相同的DESI系统也可用于在创建后立即测试这些化学物质的活性。我们可以生成数千种抗癌药物候选物，并使用相同的技术测试它们对癌症相关酶的作用效果，甚至可以直接在癌细胞中进行测试。"
Cooks和他的团队使用DESI系统合成了氮杂环化合物，这些化合物对开发某些类型的药物和工业产品至关重要。创建这些化合物可能耗时且昂贵，因为它们通常需要高温、长时间的孵育和催化剂。然而，DESI系统使相同的化学转化能够在环境条件下发生，无需额外材料。
Morato表示："我们的系统需要更少的资源来完成相同的工作。通过使用微液滴化学，我们消除了对热量、催化剂和其他苛刻条件或材料的需求。"
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