研究背景

2025年12月9日，南开大学化学学院、有机新物质创造前沿科学中心张新星教授团队与斯坦福大学Richard N. Zare教授团队合作，在《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》期刊发表题为“Droplet-on-demand mass spectrometry revealscurvature-dependent interfacial reactivity inaqueous microdroplets”的研究成果，南开大学有机新物质创造前沿科学中心为论文通讯单位。

该研究开发了一种新型压电驱动单液滴质谱平台，首次实现了对单个、尺寸可控微液滴中化学反应的实时直接分析，系统揭示了液滴曲率通过调控界面电场强度来主导其内部反应效率的普遍规律。

研究内容

研究团队首先构建了一套压电按需液滴生成系统，该系统可产生直径在5至150微米范围内精确控制的单个水性微滴，并将其直接送入质谱仪进样口。高速成像证实液滴在飞行过程中未与质谱毛细管接触，排除了外部激发干扰，确保了观测到的反应活性完全源自微液滴自身环境。

为了探究曲率对界面反应活性的影响，研究人员利用该平台考察了多种类型的反应。在以苯甲醛和苯胺的席夫碱缩合为代表的中性分子偶联反应中，尽管反应不涉及自由基或电子转移，但产物质谱信号强度随液滴尺寸的变化呈现出清晰的规律。当将产物的信号强度归一化至液滴表面积后，发现单位界面面积的反应活性随着液滴半径增大（即曲率减小）而单调下降。研究者将此归因于曲率放大的界面电场促进了反应物的极化与取向排列，从而加速了反应。

在涉及自由基的过程研究中，团队以质荷比36的信号作为羟基自由基生成的指标。虽然自由基的绝对产量随液滴总表面积增加而上升，但其增长趋势低于仅由表面积决定的线性预期。经过表面积归一化后，单位面积生成的羟基自由基量同样随液滴曲率增大而显著增加。

研究进一步在褪黑素氧化和甲基紫精还原这两个氧化还原反应中，观察到了更为复杂的动态平衡。对于褪黑素氧化，单位界面面积的产品生成率随曲率增大而提高，但总产物产率（氧化产物占总检测物种的比例）却呈现先升后降的“钟形”曲线，在直径约30微米处达到峰值。类似地，甲基紫精还原为自由基阳离子的产率也在约15微米直径处出现最大值。这种非单调性被解释为曲率增大会同步强化两种竞争效应：一方面，更强的界面电场促进了反应物（如自由基或电子）的生成；另一方面，过高的反应物密度也加剧了副反应，如自由基的双分子复合或电子被环境中其他物种捕获，从而导致主反应产率在超过最佳尺寸后下降。此外，对比实验发现，与传统喷雾产生的高密度液滴群相比，单液滴体系在某些反应（如咖啡因氧化）中表现出较低的信号。

相关装置在天开园天津微液滴创新科技有限公司商品化，相关视频如下：

文献信息

Yu Xia ,  Xufeng Gao ,  Juan Li ,  Richard N. Zare ,  Bolei Chen ,  Xinxing Zhang. Droplet-on- demand mass spectrometry revealscurvature-dependent interfacial reactivity inaqueous microdroplets. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. DOI: 10.1073/pnas.2519491122

来源：BioPeers