颠覆性发现，3张图，发了一篇JACS：重新审视“微液滴化学”！

微液滴化学的争议核心

近年来，基于电喷雾产生的微液滴被广泛报道能够加速化学反应并实现独特的氧化还原转化，如无催化剂的固氮、氧化反应、键断裂和缩合反应等。这些发现激发了合成化学和界面反应科学领域的极大兴趣，研究者普遍认为带电微液滴可作为能够触及非平衡反应路径的独特反应环境。然而，支撑这些结论的关键证据——低质荷比自由基离子的检测及其机制解释——一直存在巨大争议。特别是，在电喷雾质谱中广泛检测到的接近m/z 36的离子，被许多研究团队归属为水二聚体自由基阳离子(H₂O)₂⁺•，并据此推断液滴内生成了H₂O⁺•和羟基自由基等强氧化物种。与此同时，氮中心自由基阳离子如N₂⁺•也被引用支持电喷雾和声波喷雾中的氮活化研究。这些低质荷比自由基物种被普遍视为微液滴界面氧化还原化学的“机制报告分子”。然而，这些离子仅在脱溶剂并经过质谱离子光学系统传输后才被检测，其组成和丰度可能在离子-分子反应、离子-表面相互作用和碰撞活化过程中发生改变。加之在该质量范围内，候选元素组成之间的质量差异仅为几十毫道尔顿，使得元素归属对质量精度的要求极为苛刻。因此，检测到的自由基离子是否真实对应于微液滴内部存在的活性物种，其机制意义一直悬而未决。

电晕放电是活性离子的主要来源

基于内标精确质量测定，新南威尔士大学William A. Donald课题组对低质荷比离子进行了元素组成归属，并证明H₂O⁺•、N₂⁺•、N₃⁺•和O₂⁺•等自由基阳离子在电喷雾启动时即已形成——无论是否通过同一发射针注入溶剂，在多种离子源配置下均能观察到。这一结果表明，这些离子的形成并不需要微液滴的存在。精确质量测量进一步显示，广泛报道的m/z 36离子对应于氨化水簇合物NH₄⁺(H₂O)，而非水二聚体自由基阳离子(H₂O)₂⁺•。低质荷比自由基离子的分布强烈依赖于背景气体组成和施加电压，但在有电喷雾液滴和无电喷雾液滴的条件之间保持高度相关性——包括在能够生成具有天然样电荷态分布的非变性蛋白质离子的条件下也是如此。这些数据表明，在广泛的操作条件下，放电驱动的气相化学可伴随电喷雾电离同时发生。综上，本研究证明电晕放电是电喷雾微液滴实验中低质荷比自由基离子的主要来源，无需借助任何“液滴特有贡献”即可解释观测到的离子分布。这一发现凸显了在进行机制归属时，采用能够区分放电驱动过程和液滴相反应性的实验对照的重要性。相关论文以“Reactive Ions in Aqueous Electrospray Microdroplet Experiments Originate from Electrical Discharge”为题，发表在JACS上。

精细实验揭示离子来源真相

研究团队首先在未改装的商品化锥孔电喷雾源（Waters Z-spray/Premier构型）上，于封闭氮气氛围中以相同电喷雾启动电压（+3.4 kV）进行了三组对照实验：发射针不注入液体（“干燥”条件）、源腔内放置水储槽（“加湿”条件）、以及直接注入水的电喷雾条件（图1）。令人惊讶的是，当水通过发射针注入时，谱图中出现了H₃O⁺(H₂O)ₙ（n=0至26）、NH₄⁺(H₂O)ₙ（n=0至6）以及H₂O⁺•、N₂⁺•、N₃⁺•和O₂⁺•等自由基阳离子（图1c）。m/z 36附近的信号在36.0441处呈现为单一峰，经精确质量测定（三次独立测量均值36.0438±0.0007，95%置信区间±0.0017），归属为NH₄⁺(H₂O)，未在水二聚体自由基阳离子的理论质量处观察到任何贡献。更关键的发现来自“干燥氮气+无液体注入”条件：谱图完全由N⁺、N₂⁺和N₃⁺等氮中心自由基阳离子主导（图1a）。而仅向源腔内引入少量水蒸气（仍无液体注入），即出现了O₂⁺和H₂O⁺等含氧自由基离子（图1b），其分布与直接注入水时高度相似（图1c）。这一系列对照实验无可辩驳地证明：自由基阳离子的生成既不依赖于微液滴，甚至不依赖于液体是否注入——仅需水蒸气的存在即可。电晕放电与电喷雾电离在实验条件下同时发生，且足以解释所有观测到的低质荷比自由基阳离子，谱图中未出现任何“液滴特有”的特征。

图1. 无论水是以蒸气形式还是微液滴形式引入，低质荷比自由基阳离子均在电喷雾启动时形成。使用配备不锈钢发射针的商品化电喷雾质谱仪（Waters Premier），在氮气氛围中、相同发射针电压下采集的正离子模式质谱图。(a) 干燥N₂，不注入液体。(b) 加湿N₂，不注入液体。(c) 水电喷雾，其他所有操作参数不变。相关离子的理论m/z值已标出。

为进一步验证这一结论在不同操作条件下的普适性，研究团队转向纳电喷雾配置。在实验室空气环境中，使用内径约2 μm的纳喷雾发射针，分别以纯水注入和空发射针（无任何液体）两种情况对比（图2）。结果显示，两种条件下观测到的低质荷比自由基阳离子分布几乎完全相同（图2a、2b），主要包括O₂⁺•、NO⁺、N₂⁺•和H₂O⁺•，以及NH₄⁺及其水合簇合物。在实验室空气中，氧中心自由基阳离子占据主导——这与氮气氛围下氮中心离子主导的分布形成鲜明对照，恰好符合不同气体的电离能差异（O₂ 12.07 eV，H₂O 12.62 eV，N₂ 15.58 eV）和高电场放电中的优先电离规律。类似的结果在使用约20 μm内径发射针、不同电压施加方式（铂丝插入溶液或发射针导电涂层）、不同发射针-质谱入口距离（2至10 mm）以及不同质谱平台（线性离子阱）的实验中均被复现。这一系列横跨不同流速、发射针尺寸、电极构型和仪器平台的实验，强有力地证明低质荷比离子的形成是一种普遍存在的放电现象，而非某个特定源配置的特例。

最令人信服的证据来自非变性蛋白质质谱实验。研究团队在纳喷雾发射针中注入30 μM溶菌酶的200 mM乙酸铵溶液（pH 7），在非变性条件下进行电离（图2c、2d）。当四极杆设置为传输低质荷比离子时，观测到了与前述实验相同的O₂⁺•等自由基阳离子分布（图2c）。而仅调整四极杆设置以传输高质荷比离子后，立即检测到了具有天然样电荷态分布的质子化溶菌酶离子——这是蛋白质保持其天然构象的标志性信号（图2d）。更重要的是，两种离子在5分钟采集时间内信号稳定（相对均方根偏差≤7%），且伴随着延伸至n=108的NH₄⁺(H₂O)ₙ高水合簇合物（图2d）。这表明离子在形成和传输过程中经历了极低的碰撞活化，排除了传输过程中低质荷比离子选择性丢失的人为假象。这一结果直接证明：低质荷比自由基阳离子与非变性蛋白质离子在相同的源条件下同时生成——电晕放电驱动的离子化过程与常规电喷雾电离可以共存且互不干扰。

研究团队进一步考察了负离子模式。在实验室空气中，无论发射针为空针还是装有水，负离子谱图均表现出高度相似的分布，包括O₂⁻•(H₂O)ₙ（n=0-3）、O₃⁻•(H₂O)ₙ（n=0-3）以及在m/z 62附近的NO₃⁻。后者尤其值得注意——负离子模式中硝酸根的形成在以往研究中曾被解读为微液滴内氮固定反应的证据。而本研究中无论是否形成液滴均能检测到硝酸根，说明其形成同样无需液滴相化学的参与，与电晕放电过程一致。

背景气体切换实验进一步强化了“放电主导”的结论。当将源腔内的氮气氛围更换为实验室空气后，微流电喷雾源产生的自由基阳离子分布立即从氮中心主导（N₂⁺•、N₃⁺•）转变为氧中心主导（O₂⁺•），N₂⁺•和H₂O⁺•被强烈抑制。即使氮气仍然是空气的主要组分，但由于O₂的电离能显著低于N₂和H₂O，放电过程选择性电离氧气。值得注意的是，发射针内无液体注入时呈现完全相同的选择性变化。这表明离子分布完全由发射针周围的背景气体组成决定，而非液滴内的凝聚相过程。

图2. 使用纳喷雾发射针，无论发射针尖端是否存在液态水，以及在与生成完整蛋白质离子相同的源条件下，低质荷比自由基阳离子均可形成。在实验室空气中、相同发射针电压（+1.5 kV）下采集的正离子模式质谱图。(a) 发射针尖端有水。(b) 空发射针。(c, d) 含有30 μM溶菌酶的200 mM乙酸铵溶液（pH 7），四极杆设置为传输(c)低质荷比离子和(d)高质荷比离子。

电压依赖性实验结果构成了放电机制的关键证据（图3）。研究团队在加湿氮气（无液体注入）和水注入两种条件下，测量了H₃O⁺(H₂O)、H₃O⁺以及H₂O⁺•、N₂⁺•和N₃⁺•等离子的丰度随发射针电压（+3.4 kV至+5.0 kV）的变化。电喷雾启动电压在两种条件下完全相同（+3.4 kV）。随着电压升高，所有离子的丰度均增加。更重要的是，对两种条件下匹配电压点的丰度进行线性回归，显示出极强的线性相关性（R²=0.91-0.99），丰度最高的离子呈现接近1:1的线性关系。这表明：引入液态水（形成微液滴）相对于水仅以蒸气形式存在，并未改变离子形成的电场依赖性。如果液滴特有化学反应对这些离子有独立的实质性贡献，则在蒸气仅存和水注入条件之间应观察到显著偏离，但实际并未出现。

图3. 在无液体注入（加湿N₂）和水注入（电喷雾）条件下，主要低质荷比离子的丰度均随发射针电压的增加而增加，且两种条件下高度相关。阴影区域表示±1个标准差（n=3）。

总结与展望：重新审视微液滴化学的机制证据

综上所述，本研究通过系统而严谨的实验设计，无可争议地证明了：在电喷雾微液滴实验中广泛被引用作为液滴界面氧化还原化学证据的低质荷比自由基离子（包括H₂O⁺•、N₂⁺•、O₂⁺•以及争议多年的m/z 36离子），实际上源自电晕放电过程，而非微液滴内部的化学反应。这些离子在发射针内无任何液体时即可生成，形成于电喷雾启动电压下，其分布完全由背景气体组成和施加电压决定，与是否形成液滴无关。研究团队通过内标精确质量测定（针对10-50低质荷比区域优化传输条件）明确将m/z 36离子归属为NH₄⁺(H₂O)，彻底终结了其作为(H₂O)₂⁺•的长期误读。这些发现对于整个微液滴化学领域具有根本性的警示意义：低质荷比自由基离子的存在不能作为微液滴内发生氧化还原反应的证据。未来的研究必须设计能够区分放电驱动过程和液滴相反应性的实验对照，包括但不限于：无液滴注入的空白对照、背景气体组成的严格调控、电场依赖性的系统考察，以及高精度质量测量对离子归属的确证。唯有如此，才能准确厘清微液滴界面是否真正具有独特的反应化学，以及哪些反应路径确实源于液滴环境而非放电副反应。