摘要：近年来，水微液滴化学的发展备受瞩目。水微液滴展现出了很多不同于体相水的性质：它能够加速化学反应，使其比在体相水中变快多个数量级；一些在体相水中不会发生的反应在微液滴中却变得可以进行。在这些奇特的现象中，羟基自由基（OH•）在水微液滴中自发生成无疑是最令人瞩目的

缘起：微液滴产生OH•及其捕获

近年来，水微液滴化学的发展备受瞩目。水微液滴展现出了很多不同于体相水的性质：它能够加速化学反应，使其比在体相水中变快多个数量级；一些在体相水中不会发生的反应在微液滴中却变得可以进行。在这些奇特的现象中，羟基自由基（OH•）在水微液滴中自发生成无疑是最令人瞩目的反应之一。多位学者提出，微液滴气液界面存在高达109 V/m的极高电场，该电场的存在会解离氢氧根（OH-），生成OH•和电子。在此前的研究中，一直缺乏直接的观测证据来证实OH•的存在。

2022年，南开大学张新星教授和斯坦福大学Zare教授课题组通过气动喷雾（PN）技术将纯水喷洒成微液滴（图1a），使用LTQ-XL质谱仪成功地观察到了以OH•-H3O+阳离子（m/z 36）形式存在的OH•（图1b），并使用咖啡因（Caf）和褪黑素（Mlt）捕获了它（Angew. Chem. Int. Ed.2022, 61, e202207587）。该工作自发表后的两年内被引用百余次。后续很多其他不同实验室发表的论文也都重复验证了这一结果。

图1. 微液滴中羟基自由基以OH•-H3O+的形式存在

在该工作中，研究者发现随着气动喷雾的气压增大，微液滴的体积逐渐减小，微液滴的表面积体积比相应增大，此时检测到的OH•-H3O+阳离子信号更强（图1c），表明微液滴的气液界面对OH•有非常重要的意义。除此之外，作者还用氘代水重复实验（图1d），进一步确认了OH•的存在。随后，研究者使用咖啡因和褪黑素两个常见的自由基捕获剂来捕获OH•，咖啡因和褪黑素均被OH•氧化。上述产物的结构信息均通过二级质谱中的CID（碰撞诱导解离）方法得到了证实。他们还观察到，当喷洒的溶液含有咖啡因和褪黑素分子时，质谱中OH•-H3O+信号强度会明显减弱，这一现象也证实了是微液滴中产生的OH•氧化了这两个分子。

图2. 使用咖啡因和褪黑素捕获OH•

文中指出，(H4O2)+可以通过多种方式产生，包括紫外光电离、电子轰击、飞秒多光子电离、或软 X 射线照射等。而本项研究中，(H4O2)+是在微液滴条件下生成的。以往将(H4O2)+解释为水二聚体阳离子是不完全准确的。实际上，水二聚阳离子是能量较高的异构体，它会在140飞秒之内通过分子内质子迁移转变为OH•-H3O+。而在微液滴中生成的(H4O2)+是能量更低、更稳定的OH•-H3O+结构。耶鲁大学、斯坦福大学等多所院校的学者通过理论计算、真空红外信使光谱、超快电子衍射法等方法均验证了上述事实。

该文特别强调，研究者所观察到的OH•-H3O+不是来自 (H2O-OH2)+的超快质子转移的结果。相反，它是自发形成的•OH在水微滴表面与水合阳离子重新结合的结果。这是因为生成(H2O-OH2)+需要先电离一个水分子，但H2O的电离能12.6 eV远高于OH-的电子解离能1.8 eV（由•OH的电子亲和能决定）。

事变：伯克利Williams和Chen无法重复上述实验

然而，在2024年的一项研究中，美国加利福尼亚大学伯克利分校Evan R. Williams教授和Casey J. Chen二人对上述结论提出了质疑（Angew. Chem. Int. Ed.2024, 136, e202407433）。他们采用纳米电喷雾（nESI）和振动网式雾化器（VMN）生成微液滴，并使用Orbitrap Elite质谱仪进行检测，结果没有观察到OH•-H3O+ (m/z 36) 或Caf (m/z 212) 和Mlt (m/z 250) 的氧化产物。基于上述结果，他们判断之前发表的论文中观察到的通过气动喷雾（PN）生成的OH•-H3O+ (m/z 36) 或Caf (m/z 212) 和Mlt (m/z 250) 的氧化产物是因为气动喷雾产生的微液滴可能由于潜在的空化、场电离、放电等因素而被“活化”。

Williams和Chen二人使用nESI的方式分别产生了水、100 μM褪黑素溶液、100 μM咖啡因溶液的微液滴。之所以选择nESI，是因为他们认为nESI产生的微液滴是未被活化的，并且产生的微液滴的体积是几种方式中最小的。在更小的体积中，表面积体积比更大，应该有更多OH•-H3O+及氧化产物出现。然而实验结果（图3）显示，在m/z 36处并未发现信号，咖啡因的氧化比例小于0.03%，褪黑素的氧化比例约为0.8%，均远小于前文。

图3. 采用nESI方式分别产生的水、咖啡因和褪黑素溶液的微液滴的质谱图

Williams和Chen二人进一步使用振动网式雾化器重复了上述三个实验。振动网式雾化器产生的微液滴直径范围在2 μm-20 μm之间，寿命在160 ms以上。实验结果（图4）显示，在m/z 36处并未发现信号，咖啡因的氧化比例小于0.04%，褪黑素的氧化比例小于0.3%，均远小于之前发表的论文。后续过程中作者增大了反应距离，也并未发现结果有所改变。

图4. 采用VMN方式分别产生的水、咖啡因和褪黑素溶液的微液滴的质谱图

根据这些结果，Williams和Chen二人认为在张新星教授和Zare教授的论文中观察到的OH•-H3O+的产生，是由于微液滴在气动喷雾过程中发生了活化。他们指出，气动喷雾可能向液滴传递了能量。

回应：张新星率六校研究者再回应

面对上述情况，张新星教授与Zare教授讨论后，决定不选择以“comment”的形式进行回应，而是另外发表一篇完整的论文来回应。他们认为，不直接“comment”是希望更多的人从这些工作中学到有价值的内容，而非进一步引起争执。经商讨后，他们将论文投稿至Analytical Chemistry 杂志，经两轮审稿后发表。

该论文的作者团队涵盖了南开大学、斯坦福大学、德州农工大学、江汉大学、约翰霍普金斯大学、北京师范大学等六所高校的研究人员。实验分别在南开大学、斯坦福大学、德州农工大学、江汉大学、广东联捷生物科技有限公司（本文第一作者飞赴该公司进行实验，而非外包实验）等五个不同的实验室进行了重复验证。

在文章中，张新星教授等研究者提出，无论使用上述三种喷雾方法中的任何一种，在目前研究的体系中，均能看到m/z 36处的信号峰以及咖啡因和褪黑素的氧化产物信号峰。而Williams和Chen二人之所以没有观测到这些物种，仅仅是因为这些脆弱的自由基无法在他们使用的质谱仪中存活——这一原因虽然浅显，但却至关重要。

在文中，研究者们将100 μM褪黑素、100 μM咖啡因和纯水通过PN、VMN和nESI三种方式生成微液滴，并在LTQ-XL质谱仪上的线性离子阱质量分析器、Orbitrap Elite质谱仪上的Velos Pro双压线性离子阱质量分析器以及同一Orbitrap Elite质谱仪上的orbitrap质量分析器上进行检测。

图5. 褪黑素溶液采用三种方式生成微液滴，并经过三种质量分析器分析的质谱图

图6. 咖啡因溶液采用三种方式生成微液滴，并经过三种质量分析器分析的质谱图

图7. 纯水采用三种方式生成微液滴，并经过两种质量分析器分析的质谱图

图5、图6和图7分别展示了100 μM褪黑素、100 μM咖啡因和纯水通过三种喷雾方法和多种质量分析器测试的结果。对于褪黑素和咖啡因两种分子，使用LTQ-XL质谱仪在三种喷雾方法下都可以明确的观察到它们各自的氧化产物，在使用Orbitrap Elite质谱仪上的Velos Pro双压线性离子阱质量分析器时，同样也可以观察到氧化产物，但是信号强度明显低于LTQ-XL质谱仪。当使用同一Orbitrap Elite质谱仪上的orbitrap质量分析器时，三种雾化方法都不能观察到褪黑素和咖啡因氧化产物的任何信号，这一点与Williams和Chen二人报告的结果一致。对于纯水中m/z 36处的OH•-H3O+离子，使用LTQ-XL质谱仪时，三种喷雾方法都观察到了OH•-H3O+信号，而使用Orbitrap Elite质谱仪上的Velos Pro双压线性离子阱质量分析器时，m/z 36处的信号则要弱得多。

图8. 三种不同质谱仪的质量分析器示意图

由上述结果可以得到结论，实验信号的变化仅仅是由于所使用质谱仪的不同而造成的，并非是不同雾化方法产生微液滴的差异引起的。研究者们详细对比了三种不同质谱仪的差异：LTQ-XL质谱仪配备了一个简单的线性离子阱（图8a），而Orbitrap Elite质谱仪上的Velos Pro质量分析器有两个线性离子阱（图8b）：其中一个是高压阱（5 × 10-3 Torr）另一个是低压阱（4 × 10-4 Torr）。通过Velos Pro测量的离子必须通过高压阱，在这里它们与氦原子发生碰撞并冷却，然后进行质量分析。这个过程虽然提高了分辨率，但脆弱离子会因为在高压区域发生碰撞而损失。图8c展示了Orbitrap Elite质谱仪上的orbitrap分析器及其前置的离子光学系统。在通过Velos Pro双压阱之后，离子需要飞行更长的距离，包括质量过滤器和C-trap，然后才能进入orbitrap中。在这个过程中，更长的飞行时间和更高的电场都有可能使本就脆弱的离子无法存活。

综上，这三种方法生成的微液滴没有显示出明显差异。值得一提的是，此前Cooks课题组用nESI喷雾法发表了超过10,000个捕获OH•的例子，均展示了类似的结果（Front. Chem.2022, 10, 903774. DOI: 10.3389/fchem.2022.903774）。而同样使用nESI的Williams和Chen二人不知什么原因似乎并未注意到这些例子。

该工作近期发表在Analytical Chemistry 上，南开大学张新星教授、斯坦福大学Richard Zare教授、江汉大学夏宇教授为论文的通讯作者，南开大学博士研究生邢栋、高煦峰为论文的并列第一作者，北京师范大学朱重钦、德州农工大学Madison E. Edwards、约翰霍普金斯大学Chiyu Liang参与该工作。

启示：不要轻易相信你的质谱仪；微液滴的本征性质促进了这些反应

值得一提的是，在近日发表的另一项工作中，南开大学张新星教授团队发展了两种产生“非活化微液滴”的方法，解决了因外部能量输入可能影响微液滴反应而引发的争论，得出了“微液滴化学加速化学反应是由于微液滴的本征性质而非外界能量导致液滴活化”这一关键性结论（J. Am. Chem. Soc., 2025, DOI: 10.1021/jacs.5c01072，点击阅读详细）。

此次科学问题的讨论带来了两点启示：（一）质谱仪由于其复杂的离子光学系统，未检测到某离子并非意味着它不存在，脆弱离子可能“热死”，可能“撞死”，也可能“老死”；当然，检测到某离子也不代表其一定存在（如源内裂解导致的假产物）；（二）现有的证据指向是微液滴的本征性质——而非微液滴的活化——促成了微液滴化学。

Challenges in Detecting Hydroxyl Radicals Generated in Water Droplets with Mass Spectrometry

Dong Xing, Xufeng Gao, Huan Chen, Jianze Zhang, Madison E. Edwards, Chiyu Liang, Chongqin Zhu, Yifan Meng, Richard N. Zare*, Yu Xia*, Xinxing Zhang*

Anal. Chem. 2025, 10.1021/acs.analchem.5c00386

来源：X一MOL资讯