摩擦納米發(fā)電機首次與高靈敏度質譜儀成功結合

作者： 2017年03月03日 來源： 瀏覽量：
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【亞洲儀表網(wǎng)訊】摩擦納米發(fā)電機首次與高靈敏度質譜儀成功結合，該研究對于質譜分析和TENG兩個領域的發(fā)展都具有開創(chuàng)性意義。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和生物樣品，其精度可以達到幾百個分
【亞洲儀表網(wǎng)訊】摩擦納米發(fā)電機首次與高靈敏度質譜儀成功結合，該研究對于質譜分析和TENG兩個領域的發(fā)展都具有開創(chuàng)性意義。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和生物樣品，其精度可以達到幾百個分子。
目前，作為一種關鍵的分析技術，質譜分析已經(jīng)被廣泛應用于生物醫(yī)藥、食品科學、國土安全、系統(tǒng)生物、藥物發(fā)現(xiàn)等領域。質譜分析是基于質量-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。
在質譜分析中，離子化是將中性分子帶上電荷的關鍵的第一步?，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)的一個本質特性。在佐治亞理工學院、中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林和Facundo Fernández共同指導下，李安寅和訾云龍組成了跨院系合作團隊，用TENG驅動離子源，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用。相關工作開辟了嶄新的研究和應用領域，并于近日發(fā)表于最新一期的《自然-納米技術》(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，并提出了相關的物理模型。通過TENG的驅動，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驅動的離子化所實現(xiàn)的質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。
該研究對于質譜分析和TENG兩個領域的發(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、生物檢測的質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取代了質譜設備上原有的離子噴霧電源，為小型質譜設備實現(xiàn)便攜化并在極端條件下(例如軍事或航天上)應用提供了可能。
最后，該研究作為第一個將TENG用在設備儀器中的研究，證實了TENG作為提供高電壓的一種簡單、安全而有效的方法，為類似相關研究提供了思路，為TENG驅動不同儀器和過程從而實現(xiàn)“可控自驅動系統(tǒng)”奠定了基礎。
TENG驅動離子化過程的示意圖和電噴霧離子化過程的照片
圖1. TENG驅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。
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和生物樣品
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和生物樣品，其精度可以達到幾百個分子。

（責任編輯：LLX QQ：2355779321）

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