WEST LAFAYETTE — 化学反应是几乎所有生物过程的基石，包括用于制造新药物的过程。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及时开发。
普渡大学研究者格雷厄姆·库克斯(Graham Cooks)和他的团队在阿斯顿实验室(Aston Labs)开发了一种方法，利用快速移动的微小液滴来加速化学反应，无需使用高温或催化剂——这些通常是加速化学反应所需的物质。
"我们的实验室已经培养出合成可用于多种用途的新化合物的能力，"库克斯说道，他是普渡大学理学院詹姆斯·塔普罗 Jr. 和玛格丽特·塔普罗化学系(James Tarpo Jr. and Margaret Tarpo Department of Chemistry)的亨利·博恩·哈斯杰出化学教授(Henry Bohn Hass Distinguished Professor of Chemistry)，同时也是普渡癌症研究所(PICR)的成员。"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，还能进行有利于制药和农业产品的新型化学反应。"
这种新技术基于库克斯为质谱开发的先进平台，质谱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，从材料样本中生成带电粒子或离子——这个过程称为电离——然后进入仪器。一旦进入内部，电场或磁场会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，有助于识别样本材料中所有不同类型的分子。
质谱用于多种用途，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，以及检测化学物质或危险材料。然而，它通常因样本准备所需时间而变慢——样本必须经过清洁和纯化——才能进行分析。
更快、更好的分析
库克斯开发了更先进的平台——一种自动、高通量的解吸电喷雾电离(DESI)质谱系统——该系统是非破坏性的，可以处理"脏"材料，这意味着样本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本，从而自动化工作流程并限制人工干预。
样本排列在载玻片上，DESI的喷嘴用含有带电液滴的溶剂喷射它们。喷雾和样本之间的冲击"提升"成分分子——这个过程称为解吸——并将它们引导到一个将分子输送到质谱仪进行分析的管子中。
由于不需要准备，该系统可以大约每秒分析一个样本。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中容纳数千个精确放置的微小材料液滴。
"传统的质谱平台可能需要几分钟才能分析一个样本。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，"库克斯说。"当一个过程，如药物开发，可能需要10-15年时，任何你能做的来加快时间线的事情都至关重要。"
这项技术已被披露给普渡创新技术商业化办公室(Purdue Innovates Office of Technology Commercialization)，该办公室已向美国专利商标局申请并获得了多项专利。
即时合成
除了分析优势外，库克斯的DESI平台还能合成化合物。该系统被编程为在两种模式之间切换：分析和合成。模式之间的唯一区别是样本点与仪器入口点之间的距离。对于分析，入口更靠近载玻片，因此带电液滴需要更短的距离旅行。对于合成，入口离载玻片更远，因此液滴需要更长的距离旅行。有了这段额外的长度和时间，液滴充当了微型、超快的微型反应器。
尼古拉斯·莫拉托(Nicolás Morato)，PICR的研究助理教授和阿斯顿实验室成员，表示这种现象发生是因为化学物质在这些微小DESI液滴的表面聚集在一起。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。
"这些反应的进行速度比在大块溶液中快一百万倍，"莫拉托说。"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，以及保护作物的农用材料的化学物质库。同一个DESI系统还可以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，并测试它们对抗与癌症相关的酶的效果，甚至直接在癌细胞中测试，全部使用相同的技术。"
在发表在《美国化学学会杂志》上的一项研究中，库克斯和他的团队使用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既耗时又昂贵，因为它们通常需要高温、长时间孵化和催化剂。然而，DESI系统使相同的化学转化可以在环境条件下发生，无需额外材料。
"我们的系统用更少的资源做同样多的工作，"莫拉托说。"使用微滴化学，我们消除了对热量、催化剂和其他苛刻条件或材料的需求。"
库克斯的研究是普渡大学"One Health Initiative"的一部分，该倡议将人类、植物和动物健康的研究汇集在一起。它支持该倡议对高级化学的关注，普渡大学的教职员工研究复杂的化学系统并开发新技术和应用。
这项工作由国家卫生研究院国家推进转化科学中心(NCATS)资助，作为ASPIRE(创新研究探索专用平台)合作研究计划的一部分。ASPIRE的目标是开发尖端的自动化技术以及数据生成和分析工具，以快速创建和绘制新的化学空间对可药物生物空间的地图。库克斯团队开发的系统是通过ASPIRE计划开发的一套工具和技术之一，旨在通过大大加速从化学合成到生物测试的周期来解决临床前药物开发中的转化差距。
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