高速侧向成像揭示解吸电喷雾电离中微液滴-表面相互作用的动态机制及其对质谱分析的意义

《Cell Reports Physical Science》：High-speed edgewise imaging unveils microdroplet-surface interactions in desorption electrospray ionization

为解决DESI（解吸电喷雾电离）过程中液滴-表面相互作用机制不明确的问题，研究人员采用高速侧向成像技术开展微液滴行为研究，直接观察到四种不同的液滴行为模式，包括液冠形成、喷射及类库仑分裂等次级液滴生成现象。该研究首次可视化DESI中次级液滴的运动轨迹与生成动力学，为优化电离效率和开发新型离子源设计提供了关键实验依据。

　　

在质谱分析技术飞速发展的今天，解吸电喷雾电离（Desorption Electrospray Ionization, DESI）作为一种重要的常压电离技术，因其无需复杂样品前处理即可直接分析固体表面的特性，被广泛应用于食品检测、疾病诊断、法医学以及二维/三维分子成像等领域。然而尽管DESI技术已诞生近二十年，其核心机制——特别是带电微液滴与样品表面之间的相互作用过程——仍存在诸多未解之谜。传统的理论模型主要依赖于计算机模拟推断液滴的碰撞、薄膜形成和次级液滴产生过程，缺乏直接的实验观测证据，这严重制约了该技术在灵敏度和重现性方面的进一步提升。

为解决这一难题，由Bo-Hai Yeh、Decibel P. Elpa和Pawel L. Urban组成的研究团队在《Cell Reports Physical Science》上发表了最新成果。他们创新性地采用高速侧向成像技术（High-speed edgewise imaging），首次实现了对DESI过程中微液滴行为的高时空分辨率观测，揭示了此前仅能通过模拟推测的液滴动态相互作用机制。

研究团队通过自主搭建的DESI模拟平台，结合高端高速相机（i-SPEED 727）和精密光学系统，在无雾化气体和50 psi雾化气体压力两种条件下，对聚四氟乙烯（PTFE）表面的液滴行为进行了系统研究。关键技术方法包括：1）使用自制DESI离子源配合真空模拟系统；2）以253,658 fps的超高帧率捕捉液滴运动；3）通过边缘观测几何配置消除传统显微镜的视野遮挡问题；4）利用Xcitex ProAnalyst软件进行液滴尺寸、速度和运动轨迹的定量分析。

研究结果部分通过四大类液滴行为的高清图像序列展示了丰富的发现：

液滴-表面相互作用的分类

研究人员观察到四种典型行为模式：部分初级液滴未接触表面即飞向离子入口（条件1）；部分撞击表面后直接融入液膜（条件2）；部分撞击后产生向前运动的次级液滴（条件3）；更值得注意的是，部分撞击会产生同时向前和向后运动的次级液滴（条件4）。统计显示条件2的出现频率最高（46.0%），条件3次之（38.7%），而条件4虽罕见（2.7%）却揭示了此前未被认识的液滴运动复杂性。

次级液滴的生成机制

通过微秒级影像分析，研究团队捕捉到液冠（crown）形成和后续喷射（jetting）的动态过程（图4）。这些喷射产生的次级液滴部分朝向质谱仪入口运动，部分则出现罕见的反向运动轨迹，甚至观察到液滴在表面滚动中发生周期性库仑分裂的现象（图5）。这种滚动液滴在雾化气体作用下变形，在凸起端形成微型泰勒锥（Taylor cone），持续发射亚微米级次级液滴，为 analyte 提取提供了更长的表面接触时间。

雾化气体的关键作用

对比实验表明，雾化气体的存在显著改变了液滴行为模式。无气体条件下，液滴主要受真空泵引力影响悬浮运动（中位直径12.5μm，速度6.4 m/s）；而50 psi气体压力使液滴速度提升近9倍（中位速度56.8 m/s），直径分布更集中（中位直径10.1μm），且仅在此条件下才能观察到次级液滴的产生。动能计算显示初级液滴最大动能可达4.44 GeV量级，远超此前文献报道值。

液滴参数的定量分析

对300个次级液滴的统计分析表明（图6），其直径分布为4.6-31.9μm（中值9.2μm），速度范围1.8-40.2 m/s（中值15.5 m/s），且直径与速度、 ejection angle（喷射角度）之间均无显著相关性。这种参数离散性揭示了DESI过程的复杂随机本质。

研究结论强调，该工作通过直接可视化手段证实了DESI的“液滴拾取”（droplet pickup）机制，同时发现了传统理论未能涵盖的新现象——如反向运动液滴、表面滚动液滴的周期性分裂等。这些发现不仅深化了对电离和 analyte 传输机制的理解，更重要的是为优化DESI源设计提供了实证基础：例如通过调控雾化气体压力控制液滴动能，或利用表面改性引导液滴运动轨迹。尽管该技术目前因分辨率限制难以捕捉纳米液滴，但其高达2.6μm/pixel的空间分辨能力和微秒级时间分辨率已为后续研究建立了新标准。这项研究从实验角度填补了DESI机制研究的关键空白，推动了常压电离技术从经验性操作向机理驱动设计的范式转变。