水是最常见的溶剂和生化反应的介质，其高活性中间体——水自由基阳离子（H₂O^+•）曾被理论界深入研究，但其实验研究被认为必须在超低温、高真空条件下才有可能观测到，且丰度信号极低，严重制约了其深入研究与应用探索。2022年，在Cooks教授影响和指导下，陈焕文教授团队提出“能量决定离子形态与寿命”的观点，并据此开发了能量可调电晕放电离子化技术，获得了高丰度的水二聚体自由基阳离子 (H₂O)₂^+•（m/z 36）质谱信号（丰度达100%，最高绝对强度超过10⁷ cps），并验证了 (H₂O)₂^+•存在两种构型：质子转移构型^•OH-H₃O⁺ 和两中心三电子构型 (H₂O•••OH₂)⁺（CCS Chem., 2022, 4, 1224）。其中质子转移构型 ^•OH-H₃O⁺ 是全局能量最低异构体。

值得注意的是，(H₂O)₂^+• 的质谱信号（m/z 36）与微液滴化学研究中观测的^•OH-H₃O⁺ 复合物具有相同的质荷比。这一现象可能以以下两个机制进行解释：（1）微液滴气-液界面的高电场（10⁹ V/m）不仅可能解离OH⁻生成^•OH，进而与H₃O⁺结合为^•OH-H₃O⁺；（2）强电场亦可能直接电离水分子形成H₂O^+•，再团簇化为(H₂O)₂^+• 。这两种机制本质上都体现了电场驱动下活性中间体的生成过程。需要特别指出的是，^•OH-H₃O⁺是(H₂O)₂^+• 的不同结构表达形式。

1. 微液滴m/z 36质谱峰的学术争议：是^•OH-H₃O⁺，还是NH₄⁺(H₂O)？

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，使其比在体相水中提高多个数量级；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。

质谱是微液滴化学的主要研究手段之一，但是^•OH不带电，无法通过质谱直接检测。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技术将纯水喷洒成微液滴，使用低分辨LTQ-XL质谱仪成功地观察到了H₄O₂^+•离子，该离子的结构是^•OH-H₃O⁺（m/z 36），即以氢键结合了水合质子的^•OH，并用咖啡因和褪黑素捕获了该^•OH（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202207587）。这一发现表明，质谱中H₄O₂⁺的存在是^•OH存在的象征。

图1. 微液滴中羟基自由基以OH•-H₃O⁺的形式存在。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202207587

该结果支撑了大量关于有机合成、材料合成、污染物降解的研究。尤其是化学工程、环境化学、有机合成等领域的许多科研人员，利用微液滴界面形成的^•OH物种开展了系列研究，并在JACS、Angew、PNAS 等期刊发表了许多高影响的研究成果。

质疑声音：在科学探索的历程中每项重要的科学发现往往都会经历质疑和验证的过程，在微液滴中发现^•OH的检测也不例外。2025年，加州大学伯克利分校的Evan Williams等人通过高分辨质谱分析对上述结论提出质疑，认为m/z 36信号实际来源于常见的铵根离子（NH₄⁺）与水分子形成的NH₄⁺(H₂O)，该离子的质量为36.0444 Da，而非^•OH-H₃O⁺的36.0206（ACS Central Sci. 2025, 11, 622）。Williams等人猜测，水滴中的铵根可能来自于人的呼吸，尽管在他们的前一项工作中使用同样的质谱仪，却并未检测到NH₄⁺(H₂O)的存在（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 136, e202407433）。

图2. m/z 36信号来源于NH₄⁺(H₂O)？图片来源：ACS Central Sci. 2025, 11, 622

2. 回复质疑

为回复上述质疑，南开大学等六家单位通过系统的控制变量实验开展研究，并于2025年初发表了联合回应。他们指出，Williams未能观测到^•OH-H₃O⁺信号，很可能是因为该自由基离子的脆弱性，在高分辨质谱仪的复杂传输路径中，脆弱的^•OH-H₃O⁺物种容易发生解离而无法检测，导致信号丢失。这一现象，根据陈焕文和Cooks等科学家“能量决定离子形态与寿命”的观点，其实很容易解释。也就是说，“未检测到”并不等于“不存在”，这一现象可能反映了仪器对特定物种的捕获效率差异（Anal. Chem., 2025, 97, 7995，点击阅读详细）。

图3. 未观测到^•OH-H₃O⁺信号，是因为其脆弱易解离？图片来源：Anal. Chem., 2025, 97, 7995

然而，“未检测到不代表不存在”只是弱证据，其说服力不如“检测到并确证存在”。这使得争议陷入僵局：要确证^•OH-H₃O⁺的存在，高分辨质谱无疑是最权威的工具。而市面上常见的高分辨质谱仪不光价格昂贵，内部结构还通常十分复杂，经常伴随着高气压区域、高电压区域、离子飞行时间长等问题，使得^•OH-H₃O⁺这样的脆弱离子无法存活。

这些技术难题不仅使得争议陷入僵局，也让建立在^•OH生成基础上的大量跨学科研究（涉及到物理化学、环境化学、化学工程、分析化学、材料科学等领域）面临不确定性。当前，科学界迫切需要构建一套系统性的研究方法来化解这一争议。

当务之急，需要用高分辨质谱检测到微液滴中的^•OH-H₃O⁺！

3. 一锤定音：

科学争议的解决往往依赖于技术的进步和多方验证。2025年6月17日，东华理工大学张小平博士团队与江西中医药大学陈焕文教授团队在Analytical Chemistry 上发表了一篇研究成果，通过高分辨质谱、碰撞解离质谱、同位素标记技术和电子顺磁共振谱（EPR）等多技术联用策略，为微液滴中^•OH-H₃O⁺的存在提供了确凿证据，为持续亢奋的学术争议画上了圆满的句号。

研究团队意识到，要确证^•OH-H₃O⁺的存在并回应质疑，单一技术手段可能不够充分，必须结合多种互补的分析方法进行交叉验证。他们遵循“能量决定离子形态与寿命”的原则，设计了一套系统的实验方案，将高分辨质谱、碰撞解离分析、同位素标记和电子顺磁共振等技术有机结合，从不同角度验证m/z 36离子的本质。这种多技术联用策略不仅提高了结论的可靠性，也为今后研究脆弱自由基离子提供了方法学参考。

（1）高分辨质谱与精确质量匹配

NH₄⁺(H₂O)和^•OH-H₃O⁺的精确质量不同，分别为36.0444 Da和36.0206 Da。该团队尝试了多种高分辨质谱仪后，最终发现某些型号仪器设计更有利于脆弱离子的存活。他们在m/z 36.0207处捕获到清晰的信号（图4a），与^•OH-H₃O⁺的理论值（36.0206 Da）仅相差3.3 ppm，这一精确质量匹配排除了NH₄⁺(H₂O)（理论质量36.0444 Da）的可能性，证实了水微液滴中^•OH-H₃O⁺的存在。为验证这一发现的普适性，该团队还测试了大气压化学电离源等不同电离源，在所有情况下均能检测到m/z 36.0207的信号，表明^•OH-H₃O⁺的形成是普遍现象。考虑到该离子的脆弱性，尽管该型号质谱仪检测到了^•OH-H₃O⁺的存在，其实际丰度也可能被仪器严重低估。

（2）碰撞解离分析

然而，研究团队并未止步于精确质量测量。他们进一步利用串联质谱技术研究了m/z 36的解离行为。如图4b所示，当对m/z 36进行碰撞诱导解离时，主要碎片离子为丢失中性碎片^•OH，形成m/z 19（H₃O⁺），这一解离模式与^•OH-H₃O⁺的结构预期完全一致。如果m/z 36为NH₄⁺(H₂O)，则其串联质谱结果将丢失中性H₂O形成高强度的m/z 18（NH₄⁺），这与实验观察结果不符。

（3）同位素标记实验

为进一步加强论证，研究团队进行了同位素标记实验，这是分析化学中鉴定分子组成和结构的经典方法。图4c、4d分别为D₂O和H₂¹⁸O标记的实验结果，该实验结果及其相关碰撞解离质谱实验结果确证了^•OH-H₃O⁺的形成。当使用D₂O代替H₂O时，m/z 36信号如预期地位移至m/z 40（^•OD-D₃O⁺），其CID行为也相应改变，主要丢失^•OD形成m/z 22（D₃O⁺）。更为精巧的是H₂¹⁸O标记实验：如果m/z 36为NH₄⁺(H₂O)，则H₂¹⁸O同位素标记后形成的高强度离子m/z 38应为NH₄⁺(H₂¹⁸O)，其碰撞解离谱理应得到碎片离子m/z 18（NH₄⁺）；然而实验观察到m/z 38信号解离形成碎片离子m/z 19（H₃O⁺）和m/z 21（H₃¹⁸O⁺）（图4e），表明m/z 38为 (H₄¹⁶O¹⁸O)^+•。这些同位素标记模式为^•OH-H₃O⁺的结构提供了第三个独立证据，排除了铵离子的可能性。

（4）EPR验证

此外，研究团队还采用电子顺磁共振（EPR）光谱直接检测^•OH和H₂O^+•的存在。EPR是检测未配对电子的最权威技术，特别适合自由基研究。如图4f所示，当使用DMPO（5,5-二甲基-1-吡咯啉-N-氧化物）作为自旋捕获剂时，观察到了特征的DMPO-^•OH加合物的四重分裂信号，以及DMPO-H₂O^+•加合物的六重分裂信号。这些EPR信号为微液滴中的^•OH-H₃O⁺存在提供了最直接的证据，与质谱结果相互验证，构成了完整的证据链。

图4. 不同方法表征^•OH-H₃O⁺。(a) 高分辨质谱. (b) m/z 36的串联质谱. (c) 同位素D₂O标记实验. (d) 同位素H₂¹⁸O标记实验. (e) m/z 38的串联质谱. (f) EPR捕获OH。图片来源：Anal. Chem.

在确证^•OH-H₃O⁺存在的基础上，研究团队进一步探索了不同电离方式对形成m/z 36的影响。如图5所示，他们测试了电晕放电、微波等离子体、介质阻挡放电和电喷雾等多种电离技术，发现所有情况都能检测到高强度m/z 36的信号，表明^•OH-H₃O⁺的形成是普遍现象，不依赖于特定的电离方式，证实了此前大量低分辨质谱工作的正确性。

图5. 不同电离技术检测^•OH-H₃O⁺。(a, e)电晕放电电离装置及其质谱结果。(b, f)微波等离子体炬及其质谱结果。(c, g)介质阻挡放电电离及其质谱结果。(d, h)电喷雾电离及其质谱结果。图片来源：Anal. Chem.

综合所有证据，研究团队建立了令人信服的案例，确证微液滴中检测到的m/z 36信号确实对应于^•OH-H₃O⁺，而非NH₄⁺(H₂O)。这一结论不仅解决了分析化学上的争议，也为微液滴界面存在超高电场和特殊化学环境提供了有力支持。研究同时指出，伯克利团队的阴性结果，很可能与所使用的质谱仪对脆弱离子的传输效率相关，而非^•OH-H₃O⁺不存在。这一发现，对今后质谱仪器设计具有重要启示：为研究脆弱中间体，可能需要优化离子传输路径，减少高压区域和缩短飞行时间。

4. 结论与意义

东华理工大学张小平团队与江西中医药大学陈焕文团队这项发表在Analytical Chemistry 上的关键研究，通过高分辨质谱、串联质谱、同位素标记和电子顺磁共振等多技术，确证微液滴中/水蒸气电离中m/z 36为水自由基阳离子，而非NH₄⁺(H₂O)。微液滴化学中^•OH-H₃O⁺形成的合理性再次得到确认。

这场争议也凸显了现代分析化学面临的挑战和机遇。一方面，研究瞬态、脆弱中间体的确证表征的需求日益增长，而传统分析仪器往往是为稳定物种优化的，未必是解决这类问题的最优工具；另一方面，技术进步正不断突破这些限制，如更高灵敏度的检测器、更温和的离子传输系统、更快的数据采集方法等。这场争议生动展现了科学认知的动态本质——科学知识并非一成不变的教条，而是通过不断地质疑、验证和修正不断完善的过程。这一过程促使研究者以更严谨的学术态度、更系统的研究方法探索奇妙化学世界，更好地认知我们熟悉的水，最终推动整个领域在理论与技术层面迈向新高度。

正如历史所证明的那样，真理越辩越明，科学正是在这样的良性争议中不断前进。

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Detection and characterization of water radical cations by mass spectrometry and electron paramagnetic resonance spectroscopy

Xiaoping Zhang*, Minmin Duan, Konstantin Chingin, Roman Balabin, Lijuan Liu, Xinglei Zhang, Huanwen Chen*

Anal. Chem. 2025, DOI: 10.1021/acs.analchem.5c03067