大气采样质谱仪能够将中性水微滴激活并电离至数兆电子伏（MeV）的能量水平，同时使其带有高达200,000以上的电荷。这一现象对水分子稳定性以及微滴中的异常化学反应具有重要的影响

《ACS Central Science》：Atmospheric Sampling Mass Spectrometers Activate and Ionize Neutral Water Microdroplets to MeV Energies and up to 200,000+ Charges: Implications for Water Stability and Unusual Chemistry in Microdroplets

中性水微滴经质谱仪大气接口时与金属毛细管接触产生电荷剥离，形成高带电微滴（最高200,000+电荷），其动能达数百MeV，通过气动加速和表面电场作用驱动化学反应，反驳了中性微滴自发电离的假说。

　　在当前的研究中，科学家们探讨了中性水微滴在大气压采样质谱仪中的行为及其与电荷产生的关系。通过实验发现，中性水微滴在进入质谱仪的不锈钢毛细管后，会经历一系列物理过程，最终形成高电荷状态的微滴。这一过程涉及多种机制，包括与毛细管表面的接触电荷转移以及由于压力变化和剪切力导致的微滴破裂。这些机制使得微滴在进入质谱仪后能够产生大量电荷，从而在分析中展现出独特的化学行为。

实验中使用的设备是一种定制的电荷检测仪器，它能够测量微滴的电荷状态，并且与质谱仪的常规大气压采样接口相似。该仪器通过一个由24个导电管组成的差分阵列检测器，记录微滴穿过检测器时产生的信号。由于所有离子光学组件都接地，因此在整个仪器中没有静电效应干扰。通过分析这些信号，研究人员能够确定微滴的电荷量和大小，以及它们在质谱仪中所经历的物理过程。

研究发现，通过液氮冷凝形成的中性水微滴在进入质谱仪后，能够形成带有正电荷的微滴，其电荷量可以达到数万甚至数十万。这些微滴在进入毛细管时与金属表面发生相互作用，导致电子被剥离，从而形成高电荷状态的微滴。与此同时，还观察到少数负电荷微滴的形成，这可能与微滴在毛细管中的破裂有关。这些微滴的电荷分布显示出正电荷微滴占主导地位，而负电荷微滴则相对较少，这表明接触电荷转移是主要的电荷产生机制。

为了验证这些发现，研究人员使用了不同的方法生成水微滴，包括电喷雾电离（ESI）、机械振动喷雾雾化器和液氮冷凝。这些方法在实验中分别被用来研究微滴在不同条件下的电荷状态和行为。实验结果显示，无论是通过电喷雾电离还是振动喷雾雾化器生成的微滴，它们在进入质谱仪后都能形成高电荷状态，且其电荷分布和行为与通过液氮冷凝生成的中性微滴相似。这表明，无论微滴最初是否为中性，它们在进入质谱仪后都会经历电荷的积累和变化。

进一步的实验表明，液氮冷凝生成的中性微滴在进入毛细管后，会因与金属表面的相互作用而发生电荷转移，从而形成高电荷状态的微滴。这一过程的能量来源于毛细管两端的压力差，以及微滴在进入质谱仪过程中与周围气体的碰撞和热激活。实验中还测量了微滴的运动速度和动能，发现即使单个水分子的动能较低，但整个微滴的动能却可以达到数百万电子伏特，足以驱动多种化学反应的发生。

此外，研究人员还探讨了中性微滴是否可能自发地产生离子。通过实验排除了光子、高能电子或热能直接导致中性微滴离子化的可能性。实验中，研究人员使用了光屏蔽装置来防止外部光对微滴的干扰，并且没有观察到任何离子化的迹象。这表明，中性微滴的离子化主要来源于与毛细管表面的接触电荷转移，而非自发的物理或化学过程。

在质谱分析中，研究人员还使用了不同的样品进行测试，包括1,12-十二烷二胺和乙酸。实验结果显示，这些样品在没有液氮的情况下不会产生任何离子，但在液氮冷凝产生的微滴进入质谱仪后，能够形成相应的正离子和负离子。例如，1,12-十二烷二胺在液氮冷凝微滴的参与下，能够形成单电荷和双电荷的离子，而乙酸则能形成乙酸盐及其与乙酸的复合物。这些结果进一步支持了液氮冷凝微滴在质谱分析中能够产生电荷并驱动化学反应的观点。

研究还指出，微滴在进入质谱仪过程中会经历显著的蒸发，这会导致溶液中的反应物浓度增加，从而加速化学反应的发生。例如，在实验中观察到的双分子氧化反应速率加快，这一现象可能与微滴蒸发导致的反应物浓度增加有关。这种浓度效应在许多研究中被忽视，但实验结果表明，它可能是导致某些异常化学反应的重要因素。

综上所述，这项研究揭示了中性水微滴在进入质谱仪过程中如何通过接触电荷转移和微滴破裂等机制形成高电荷状态，并且这些高电荷微滴在质谱分析中能够驱动多种化学反应的发生。这些发现不仅为理解微滴在质谱仪中的行为提供了新的视角，还可能对某些异常化学反应的解释产生重要影响。此外，研究结果也表明，许多在常规质谱实验中观察到的异常化学反应，实际上可能是由微滴的高电荷状态和浓度效应共同作用的结果，而非单纯依赖于微滴表面的电场。因此，在未来的研究中，需要更加全面地考虑这些因素，以准确解释微滴在质谱分析中的化学行为。