摩擦納米發(fā)電機首次應(yīng)用于高靈敏度質(zhì)譜儀

　　目前，作為一種關(guān)鍵的分析技術(shù)，質(zhì)譜分析已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥、食品科學(xué)、國土安全、系統(tǒng)生物、藥物發(fā)現(xiàn)等領(lǐng)域。質(zhì)譜分析是基于質(zhì)量-電荷比(m/z)的分析方法，具有高靈敏度、高準確度、普遍適用等優(yōu)勢。

　　在質(zhì)譜分析中，離子化是將中性分子帶上電荷的關(guān)鍵的第一步?，F(xiàn)在商用的離子化方法大多依靠直流(DC)高壓在離子源中將樣品分子轉(zhuǎn)化為氣相離子。但是，在電離化過程中，離子的數(shù)量(Q)并不受電壓(V)控制。因此，當(dāng)前所有的離子化方法都沒有實現(xiàn)對離子數(shù)量進行精確控制。而且，如果使用傳統(tǒng)高壓電源，絕大部分（99%）的電荷/電流以及離子是浪費掉的。因而，目前質(zhì)譜分析在提高靈敏度、樣品利用率以及占空比等發(fā)展方向上具有重大瓶頸。并且，傳統(tǒng)使用的高壓電源具有耗費高、難以攜帶、不安全等缺點。

　　固定電荷量的高壓輸出恰好是摩擦納米發(fā)電機（TENG）的一個本質(zhì)特性。在佐治亞理工學(xué)院、中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林和Facundo Fernández共同指導(dǎo)下，李安寅和訾云龍組成了跨院系合作團隊，用TENG驅(qū)動離子源，實現(xiàn)了離子源在電荷數(shù)量、正負極性、信號長短等諸多方面的精確控制。該工作為質(zhì)譜分析提供了一個全新的可控參數(shù)，也是納米發(fā)電機在大型分析儀器首次應(yīng)用。相關(guān)工作開辟了嶄新的研究和應(yīng)用領(lǐng)域，并于近日發(fā)表于最新一期的《自然-納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）(圖1）。

　　首先，該團隊利用TENG成功實現(xiàn)了電噴霧離子化和等離子體放電離子化。由TENG提供的固定電荷量對離子化過程實現(xiàn)了前所未有的控制。該團隊實現(xiàn)了納庫精度（nanoColoumb）的可控離子產(chǎn)生，并提出了相關(guān)的物理模型。通過TENG的驅(qū)動，離子脈沖的持續(xù)時間、頻率、帶電性都可以得到有效控制，并實現(xiàn)了最小化的樣品消耗。TENG的微量電荷避免了質(zhì)譜分析中DC高電壓下常見的電暈放電現(xiàn)象，從而首次實現(xiàn)了超高電壓（5-9千伏）納電噴霧（nanoESI）。該方法提高在低濃度下的電噴霧離子源的靈敏度，并最大化樣品的利用率。TENG驅(qū)動的離子化所實現(xiàn)的質(zhì)譜分析被成功用于檢測各種有機小分子和生物大分子，并達到了可以檢測到幾百個分子的靈敏度。TENG驅(qū)動的交流離子噴霧還被用于在絕緣表面進行沉積離子材料。

　　該研究對于質(zhì)譜分析和TENG兩個領(lǐng)域的發(fā)展都具有開創(chuàng)性意義。

　　首先，該研究首次實現(xiàn)了離子化過程中電荷數(shù)量的精確控制，為質(zhì)譜分析帶來了一個全新的可控參數(shù)，提高了分析精度，提供了分析非常少量樣品的能力，為化學(xué)、生物檢測的質(zhì)譜方法的瓶頸難題提供了新的可能。并且，使用TENG可以使研究人員將噴霧時間與質(zhì)譜分析時間同步起來，實現(xiàn)樣品的最大化利用。

　　同時，TENG取代了質(zhì)譜設(shè)備上原有的離子噴霧電源，為小型質(zhì)譜設(shè)備實現(xiàn)便攜化并在極端條件下（例如軍事或航天上）應(yīng)用提供了可能。

　　最后，該研究作為第一個將TENG用在設(shè)備儀器中的研究，證實了TENG作為提供高電壓的一種簡單、安全而有效的方法，為類似相關(guān)研究提供了思路，為TENG驅(qū)動不同儀器和過程從而實現(xiàn)“可控自驅(qū)動系統(tǒng)”奠定了基礎(chǔ)。

　　論文信息：A. Li*, Y. Zi*, H. Guo, Z.L. Wang#, F.M. Fernández#, Triboelectric Nanogenerators for Sensitive Nano-Coulomb Molecular Mass Spectrometry, Nature Nanotechnology, DOI: 10.1038/NNANO.2017.17 (2017).

　　圖1. TENG驅(qū)動離子化過程的示意圖和電噴霧離子化過程的照片。長度單位：1毫米。

　　圖2. 摩擦納米發(fā)電機所產(chǎn)生的離子元用于分析極其微量的化學(xué)和生物樣品，其精度可以達到幾百個分子。