质谱离子源技术用于电化学反应机理研究的进展

doi:10.6023/A20030070

化学学报 ›› 2020, Vol. 78 ›› Issue (6): 504-515.DOI: 10.6023/A20030070 上一篇下一篇

综述

质谱离子源技术用于电化学反应机理研究的进展

刘吉林^a,b,c, 于凯^a,c, 张洪^a,c, 姜杰^a,b,c

a 哈尔滨工业大学(威海) 海洋科学与技术学院威海 264209;
b 哈尔滨工业大学化工和化学学院哈尔滨 150001;
c 哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室哈尔滨 150090

投稿日期:2020-03-16 发布日期:2020-05-26
通讯作者: 姜杰 E-mail:jiejiang@hitwh.edu.cn
作者简介:刘吉林,男,2012年9月至2019年6月本硕毕业于吉林大学化学学院,2019年9月加入哈尔滨工业大学姜杰教授课题组攻读博士学位.研究方向为电化学-质谱技术和电化学反应机理研究;于凯,男,于芬兰奥博学术大学获得分析化学专业博士学位.哈尔滨工业大学(威海),海洋科学与技术学院,讲师.研究方向为电化学-质谱技术,电化学反应机理研究以及质谱离子源的开发与应用;张洪,男,于哈尔滨工业大学获得环境科学与工程专业博士学位;美国普渡大学分析化学访问学者.哈尔滨工业大学(威海),海洋科学与技术学院,讲师.研究方向为早期物质非生命合成,气-液界面反应以及高级氧化反应机理研究;姜杰,男,于吉林大学获得分析化学专业博士学位;卡内基梅隆大学博士后;斯坦福大学访问学者.哈尔滨工业大学(威海),海洋科学与技术学院,院长,教授,博士生导师;哈尔滨工业大学(威海)分析科学与技术研究中心负责人.研究方向为分析仪器的开发与应用,主要包括光谱、质谱、色谱、离子迁移谱等分析仪器的开发,并将其应用于海洋科学、环境、食品安全、工业分析、国土安全等领域.
基金资助:
项目受国家自然科学基金（No.21804027）资助.

Progress in the Study of Electrochemical Reaction by Mass Spectrometric Ionization Sources

Liu Ji-Lin^a,b,c, Yu Kai^a,c, Zhang Hong^a,c, Jiang Jie^a,b,c

a School of Marine Science and Technology, Harbin Institute of Technology at Weihai, Weihai 264209, China;
b School of Chemistry and Chemical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China;
c State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China

Received:2020-03-16 Published:2020-05-26
Supported by:
Project supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 21804027).

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摘要/Abstract

电化学反应是连续的动态变化过程，伴随着瞬时中间体和复杂结构物质的产生，因此，精确而有效地捕捉反应过程中的一系列产物，有助于准确推导其电化学反应机理，进而优化反应条件，提高反应效率.目前，主流的电化学在线监测技术包括光谱法、循环伏安法和线性极化曲线等，这些方法能够胜任反应过程中大部分物质的结构及组成变化检测，然而，为了更加系统和精确地掌握电化学反应过程中所有产物的信息，仍需进一步拓展实时、原位反应监测技术.质谱具有灵敏度高、选择性好、分析速度快、可以结构解析等特点，是一种理想的电化学反应研究手段.近年来，采用质谱法研究电化学反应机理的报道越来越多，尤其是采用以电喷雾离子源（Electrospray Ionization，ESI）及其衍生离子源为代表的常压离子源对电化学反应过程进行实时、原位监测已经成为研究热点.本综述主要介绍了近期发表的电化学-质谱联用技术，详细描述了其针对不同类型电化学反应监测要求而设计和开发的电化学离子源装置.

关键词: 电化学, 质谱, 微分电化学质谱, 电喷雾质谱, 敞开式离子源, 反应监测

Electrochemical reaction is a continuous dynamic process, accompanied by generation of short-lived intermediates and complex structural substances. Therefore, precisely and effectively capturing the products of the reaction process is helpful to accurately deduce its reaction mechanism, optimize the reaction parameters and improve the reaction efficiency. At present, the mainstream electrochemical on-line monitoring techniques include spectroscopy, cyclic voltammetry and linear polarization curves. These methods are capable to detect the structure and composition changes of most substances in the reaction process. However, in order to more systematically and accurately grasp the information of all products, the real-time and in situ reaction monitoring technologies needs to be further expanded. Mass spectrometry (MS) has the advantages of high sensitivity, good selectivity, rapid response time and structural analysis, making itself an ideal research method for electrochemical reactions. In recent years, more and more reports on the study of electrochemical reaction by MS have been published. In particular, ambient ionization sources such as electrospray ionization (ESI) and its derived ionization techniques developed for electrochemistry have become a research hotspot. This review introduced the recently published electrochemistry-mass spectrometry (EC-MS) techniques, and described the electrochemical ion sources that designed and developed for different types of electrochemical reactions.

Key words: electrochemistry, mass spectrometry, differential electrochemical mass spectrometry, electrospray ionization, ambient ionization, reaction monitoring

引用此文

刘吉林, 于凯, 张洪, 姜杰. 质谱离子源技术用于电化学反应机理研究的进展[J]. 化学学报, 2020, 78(6): 504-515.

Liu Ji-Lin, Yu Kai, Zhang Hong, Jiang Jie. Progress in the Study of Electrochemical Reaction by Mass Spectrometric Ionization Sources[J]. Acta Chimica Sinica, 2020, 78(6): 504-515.

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参考文献

[1] Kuhl, K. P.; Cave, E. R.; Abram, D. N.; Jaramillo, T. F. Energ. Environ. Sci. 2012, 5, 7050.
[2] Kramer, W. W.; Mccrory, C. C. L. Chem. Sci. 2016, 7, 2506.
[3] Ren, S.-X.; Joulié, D.; Salvatore, D.; Torbensen, K.; Wang, M.; Robert, M.; Berlinguette, C. P. Science 2019, 365, 367.
[4] Wang, K.; Chen, Y.-P.; Lei, Y.; Zhong, G.-X.; Liu, A.-L.; Zheng, Y.-J.; Sun, Z.-L.; Lin, X.-H.; Chen, Y.-Z. Microchim. Acta 2013, 180, 871.
[5] Schorr, N. B.; Jiang, A. G.; Joaquín R. L. Anal. Chem. 2018, 90, 7848.
[6] Li, C. Y.; Dong, J. C.; Jin, X.; Chen, S.; Panneerselvam, R.; Rudnev, A. V.; Yang, Z. L.; Li, J. F.; Wandlowski, T.; Tian, Z. Q. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 7648.
[7] Lin, X.-M.; Wu, D.-Y.; Gao, P.; Chen, Z.; Ruben, M.; Fichtner, M. Chem. Mater. 2019, 31, 3239.
[8] Benyoucef, A.; Boussalem, S.; Ferrahi, M. I.; Belbachir, M. Synthetic Met. 2010, 160, 1591.
[9] Liu, Y.; Berná, A.; Climent, V.; Feliu, J. M. Sensor. Actuat. B-Chem. 2015, 209, 781.
[10] Concha, B. M.; Chatenet, M.; Ticianelli, E. A.; Lima, F. H. B. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 12439.
[11] Boisseau, R.; Bussy, U.; Giraudeau, P.; Boujtita, M. Anal. Chem. 2015, 87, 372.
[12] Bussy, U.; Boujtita, M. Talanta 2015, 136, 155.
[13] Gomes. B. F.; Silva, P. F.; Lobo, C. M. S.; Santos, M. S.; Colnago, L. A. Anal. Chim. Acta 2017, 983, 91.
[14] Wang, J.; Lin, L.; He, Y.; Qin, H.; Yan, S.; Yang, K.; Li, A. Electrochim. Acta 2017, 254, 72.
[15] Lim, H.; Yilmaz, E.; Byon, H. R. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 3210.
[16] Villevieille, C.; Ebner, M.; Camer, J. L. G.; Marone, F.; Novak, P.; Wood, V. Adv. Mater. 2015, 27, 1676.
[17] Klein, F.; Pinedo, R.; Hering, P.; Polity, A.; Janek, J.; Adelhelm, P. J. Phys. Chem. C 2016, 120, 1400.
[18] Wu, X.; Villevieille, C.; Novak, P.E.; Kazzi, M. Phys. Chem. Chem. Phys. 2018, 20, 11123.
[19] Philippe, B.; Dedryvere, R.; Gorgoi, M.; Rensmo, H.; Gonbeau, D.; Edstrom, K. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 9829.
[20] Lutz, L.; Dachraoui, W.; Demortière, A.; Johnson, L. R.; Bruce, P. G.; Grimaud, A.; Tarascon, J. M. Nano Lett. 2018, 18, 1280.
[21] Lee, D.; Park, H.; Ko, Y.; Park, H.; Hyeon, T.; Kang, K.; Park, J. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 8047.
[22] Shang, T.; Wen, Y.; Xiao, D.; Gu, L.; Hu, Y.-S.; Li, H. Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1700709.
[23] Shen, J.; Kortlever, R.; Kas, R.; Birdja, Y. Y.; Morales, O. D.; Kwon, Y.; Yanez, I. L.; Schouten, K. J.; Mul, G.; Koper, M. T. Nat. Commun. 2015, 6, 8177.
[24] Minamimoto, H.; Osaka, R.; Murakoshi, K. Electrochim. Acta 2019, 304, 87.
[25] Zheng, Q.; Liu, Y.; Chen, Q.; Hu, M.; Helmy, R.; Sherer, E. C.; Welch, C. J.; Chen, H. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 14035.
[26] El-Aneed, A.; Cohen, A.; Banoub, J. Appl. Spectrosc. Rev. 2009, 44, 210.
[27] Bruckenstein, S.; Gadde, R. R. J. Am. Chem. Soc. 1971, 93, 793.
[28] Nuno, M.; Ball, R. J.; Bowen, C. R. J. Mass Spectrom. 2014, 49, 716.
[29] Kuckelmann, U.; Warscheid, S.; Hoffmann T. Anal. Chem. 2000, 72, 1905.
[30] Edward, C.; Fortner, J. Z.; Zhang, R. Anal. Chem. 2004, 76, 5436.
[31] Kalinoski, H. T.; Hacksell, U.; Barofsky, D. F.; Barofsky, E.; Daves, G. D. J. Am. Chem. Soc. 1985, 107, 6476.
[32] Haven, J. J.; Vandenbergh, J.; Junkers, T. Chem. Commun. 2015, 51, 4611.
[33] Rand, K. D.; Bache, N.; Nedertoft, M. M.; Jorgensen, T. Anal. Chem. 2011, 83, 8859.
[34] Paz-Schmidt, R. A.; Bonrath, W.; Plattner, D. A. Anal. Chem. 2009, 81, 3665.
[35] Pasilis, S. P.; Kertesz, V.; Van Berkel, G. J. Anal. Chem. 2008, 80, 1208.
[36] Takats, Z.; Wiseman, J. M.; Gologan, B.; Cooks, R. G. Science 2004, 306, 471.
[37] Petucci, C.; Diffendal, J.; Kaufman, D.; Mekonnen, B.; Terefenko, G.; Musselman, B. Anal. Chem. 2007, 79, 5064.
[38] Ashton, G. P.; Harding, L. P.; Parkes, G. M. B.; Pownall, S. E. Rapid Commun. Mass Spectrom. 2019, 1.
[39] Jusys, Z.; Massong, H.; Baltruschat, H. J. Electrochem. Soc. 1999, 146, 1093.
[40] Gao, Y.; Tsuji, H.; Hattori, H.; Kita, H. J. Electroanal. Chem. 1994, 372, 195.
[41] Hartung, T.; Baltruschat, H. Langmuir 1990, 6, 953.
[42] Wolter, O.; Heitbaum, J. Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 1984, 88, 2.
[43] Eggert, G.; Heitbaum, J. Electrochim. Acta 1986, 31, 1443.
[44] Jia, S.; Matsuda, S.; Tamura, S.; Shironita, S.; Umeda, M. Electrochim. Acta 2018, 261, 340.
[45] Zheng, Y.; Chen, W.; Zuo, X.-Q.; Cai, J.; Chen, Y.-X. Electrochem. Commun. 2016, 73, 38.
[46] Qu, Y.; Wang, L.; Li, C.; Gao, Y.; Sik, J. K.; Rao, J.; Yin, G. Int. J. Hydrogen Energ. 2017, 42, 228.
[47] Ju, K.-S.; Pak, S.-N.; Ri, C.-N.; Ryo, H.-S.; Kim, K.-I.; So, S.-R.; Ri, C.-K.; Ri, S.-P.; Nam, K.-W.; Pak, K.-S.; Qu, Y. T. Chem. Phys. Lett. 2019, 727, 78.
[48] Amin, H. M. A.; Baltruschat, H. Phys. Chem. Chem. Phys. 2017, 19, 25527.
[49] Bergmann, A.; Moreno, E. M.; Teschner, D.; Chernev, P.; Gliech, M.; de Araujo, J. F.; Reier, T.; Dau, H.; Strasser, P. Nat. Commun. 2015, 6, 8625.
[50] Amin, H. M. A.; Konigshoven, P.; Hegemann, M.; Baltruschat, H. Anal. Chem. 2019, 91, 12653.
[51] Rizo, R.; Lázaro, M. J.; Pastor, E.; Koper, M. T. M. ChemElectroChem 2016, 3, 2196.
[52] Wonders, A. H.; Housmans, T. H. M.; Rosca, V.; Koper, M. T. M. J. Appl. Electrochem. 2006, 36, 1215.
[53] Clark, E. L.; Bell, A. T. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 7012.
[54] Möller, S.; Barwe, S.; Masa, J.; Wintrich, D.; Seisel, S.; Baltruschat, H.; Schuhmann, W. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 59, 1585.
[55] Alwast, D.; Schnaidt, J.; Law, Y. T.; Behm, R. J. Electrochim. Acta 2016, 197, 290.
[56] Ma, S.; Wu, Y.; Wang, J.; Zhang, Y.; Zhang, Y.; Yan, X.; Wei, Y.; Liu, P.; Wang, J.; Jiang, K.; Fan, S.; Xu, Y.; Peng, Z. Nano Lett. 2015, 15, 8084.
[57] Zhou, B.; Guo, L.; Zhang, Y.; Wang, J.; Ma, L.; Zhang, W. H.; Fu, Z.; Peng, Z. Adv. Mater. 2017, 29, 30.
[58] Sun, B.; Kretschmer, K.; Xie, X.; Munroe, P.; Peng, Z.; Wang, G. Adv. Mater. 2017, 29, 48.
[59] Berkes, B. B.; Jozwiuk, A.; Sommer, H.; Brezesinski, T.; Janek, J. Electrochem. Commun. 2015, 60, 64.
[60] Bruins, A. P. TrAC-Trend. Anal. Chem. 2015, 70, 14.
[61] Willms, J. A.; Gleich, H.; Schrempp, M.; Menche, D.; Engeser, M. Chem. Eur. J. 2018, 24, 2663.
[62] Voss, J. M.; Duffy, E. M.; Marsh, B. M.; Garand, E. ChemPlusChem 2017, 82, 691.
[63] Cui, L.-L.; Wei, Z.-L.; Fei, Q.; Li, M. Chinese J. Anal. Chem. 2018, 47, 23. (崔利利, 魏忠林, 费强, 李明, 分析化学, 2018, 47, 23.)
[64] Iftikhar, I.; El-Nour, K.; Mohammed, A.; Brajter-Toth, A. Electrochim. Acta 2017, 249, 145.
[65] Iftikhar, I.; El-Nour, K.; Mohammed, A.; Brajter-Toth, A. Chem-ElectroChem 2018, 5, 1056.
[66] Brivio, M.; Liesener, A.; Oosterbroek, R. E.; Verboom, W.; Karst, U.; Berg, A.; Reinhoudt, D. N. Anal. Chem. 2005, 77, 6852.
[67] Liu, S.-J.; Yu, Z.-W.; Qiao, L.; Liu, B.-H. Sci. Rep. 2017, 7, 46669.
[68] Wan, Q.; Chen, S.; Badu-Tawiah, A. K. Chem. Sci. 2018, 9, 5724.
[69] Gary, J. V.; Baikal, F. Z. Anal. Chem. 1995, 67, 2916.
[70] Abonnenc, M.; Qiao, L.; Liu, B.; Girault, H. H. Annu. Rev. Anal. Chem. 2010, 3, 231.
[71] Qiu, R.; Zhang, X.; Luo, H.; Shao, Y. Chem. Sci. 2016, 7, 6684.
[72] Gu, C.; Nie, X.; Jiang, J.; Chen, Z.; Dong, Y.; Zhang, X.; Liu, J.; Yu, Z.; Zhu, Z.; Liu, J.; Liu, X.; Shao, Y. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 13212.
[73] Looi, W. D.; Brown, B.; Chamand, L.; Brajter-Toth, A. Anal. BioAnal. Chem. 2016, 408, 2227.
[74] Cheng, S.; Wu, Q.; Dewald, H. D.; Chen, H. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2017, 28, 1005.
[75] Lu, M.; Liu, Y.; Helmy, R.; Martin, G. E.; Dewald, H. D.; Chen, H. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2015, 26, 1676.
[76] Liu, Y.-M.; Perry, R. H. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2015, 26, 1702.
[77] Brown, T. A.; Chen, H.; Zare, R. N. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 11183.
[78] Brown, T. A.; Chen, H.; Zare, R. N. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 7274.
[79] Brown, T. A.; Hosseini-Nassab, N.; Chen, H.; Zare, R. N. Chem. Sci. 2016, 7, 329.
[80] Cheng, H.; Yan, X.; Zare, R. N. Anal. Chem. 2017, 89, 3191.
[81] Khanipour, P.; Lçffler, M.; Reichert, A. M.; Haase, F. T.; Mayrhofer, Karl J. J.; Katsounaros, I. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 7273.
[82] Khanipour, P.; Haschke, S.; Bachmann, J.; Mayrhofer, K. J. J.; Katsounaros, I. Electrochim. Acta 2019, 315, 67.
[83] Yu, K.; Zhang, H.; He, J.; Zare, R. N.; Wang, Y.; Li, L.; Li, N.; Zhang, D.; Jiang, J. Anal. Chem. 2018, 90, 7154.
[84] Zhang, H.; Yu, K.; Li, N.; He, J.; Qiao, L.; Li, M.; Wang, Y.; Zhang, D.; Jiang, J.; Zare, R. N. Analyst 2018, 143, 4247.
[85] Narayanan, R.; Basuri, P.; Jana, S. K.; Mahendranath, A.; Bose, S.; Pradeep, T. Analyst 2019, 144, 5404.
[86] Narayanan, R.; Sarkar, D.; Cooks, R. G.; Pradeep, T. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 5936.

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[1]	王志强, 苏进展. 磷酸钴修饰Cu₃V₂O₈/ZnO光阳极的动力学特性及光电化学水分解研究[J]. 化学学报, 2024, 82(1): 26-35.
[2]	李萍, 杨琪玉, 曾婧, 张然, 陈秋燕, 闫飞. 氟掺杂对可逆固体氧化物电池性能的影响及相关动力学研究[J]. 化学学报, 2024, 82(1): 36-45.
[3]	刘士琨, 邓程维, 姬峰, 闵宇霖, 李和兴. 高温质子交换膜燃料电池中阴极双催化层孔结构的设计研究^★[J]. 化学学报, 2023, 81(9): 1135-1141.
[4]	侯威, 么艳彩, 张礼知. 电化学还原去除水中含氧酸根离子研究进展^★[J]. 化学学报, 2023, 81(8): 979-989.
[5]	杨蓉婕, 周璘, 苏彬. 基于共价有机框架修饰电极的维生素A和C的选择性检测^★[J]. 化学学报, 2023, 81(8): 920-927.
[6]	刘坜, 郑刚, 范国强, 杜洪光, 谭嘉靖. 4-酰基/氨基羰基/烷氧羰基取代汉斯酯参与的有机反应研究进展[J]. 化学学报, 2023, 81(6): 657-668.
[7]	坎比努尔•努尔买买提, 王超, 罗时玮, 阿布都热西提•阿布力克木. 电化学条件下α,α,α-三卤(氯, 溴)甲基酮类化合物的选择性脱卤反应研究[J]. 化学学报, 2023, 81(6): 582-587.
[8]	张慧颖, 于淑艳, 李从举. 高分子聚合物基碳纳米膜的电催化降解污水性能及机理[J]. 化学学报, 2023, 81(4): 420-430.
[9]	李畅, 郑振东, 郑江南, 田瑞军. 基于可断裂双功能探针的糖蛋白分析^★[J]. 化学学报, 2023, 81(12): 1673-1680.
[10]	梁华润, 马浩轩, 段新荣, 于洁, 王灏珉, 李硕, 朱梦嘉, 陈爱兵, 郑晖, 张莹莹. 柔性电化学传感器及其在无创医学检测中的应用^★[J]. 化学学报, 2023, 81(10): 1402-1419.
[11]	成受明, 周波. 基于超高分辨质谱的溶解性有机质分子转化机理分析[J]. 化学学报, 2022, 80(8): 1106-1114.
[12]	王振华, 马聪, 方萍, 徐海超, 梅天胜. 有机电化学合成的研究进展[J]. 化学学报, 2022, 80(8): 1115-1134.
[13]	马行宇, 孙晖, 李江, 刘之洋, 周红军. 基于Li-N₂电池体系的“连续式”氮气还原合成氨[J]. 化学学报, 2022, 80(7): 861-866.
[14]	陈玉宛, 周雯, 李欣蔚, 杨开广, 梁振, 张丽华, 张玉奎. 基于液质联用技术的蛋白质-蛋白质相互作用研究进展^※[J]. 化学学报, 2022, 80(6): 817-826.
[15]	浩天瑞霖, 朱子煜, 蔡艳慧, 王微, 王祯, 梁阿新, 罗爱芹. 基于共价有机框架的电化学生物传感器在生物样品检测中的应用[J]. 化学学报, 2022, 80(11): 1524-1535.