Triboelektriske nanogeneratorer øger massespektrometriydelsen

Triboelektriske nanogeneratorer (TENG) konverterer mekanisk energi høstet fra miljøet til elektricitet til at drive små enheder såsom sensorer eller til genopladning af forbrugerelektronik. Nu, forskere har udnyttet disse enheder til at forbedre opladningen af ​​molekyler på en måde, der dramatisk øger følsomheden af ​​en udbredt kemisk analyseteknik.

Forskere ved Georgia Institute of Technology har vist, at udskiftning af konventionelle strømforsyninger med TENG-enheder til opladning af de molekyler, der analyseres, kan øge følsomheden af ​​massespektrometre til hidtil usete niveauer. Forbedringen gør det også muligt at foretage identifikation med mindre prøvevolumener, potentielt bevare dyrebare biomolekyler eller kemiske blandinger, der muligvis kun er tilgængelige i små mængder.

Selvom mekanismen, hvormed forbedringen finder sted, kræver mere undersøgelse, forskerne mener, at de unikke aspekter af TENG-output - oscillerende højspænding og kontrolleret strøm - muliggør forbedringer i ioniseringsprocessen, øge den påførte spænding uden at beskadige prøver eller instrumentet. Forskningen, som blev støttet af National Science Foundation, NASA Astrobiology Program og Department of Energy, er rapporteret 27. februar i journalen Natur nanoteknologi .

"Vores opdagelse er dybest set en ny og meget kontrolleret måde at sætte ladning på molekyler på, " sagde Facundo Fernández, en professor ved Georgia Tech's School of Chemistry and Biochemistry, der bruger massespektrometri til at studere alt fra små lægemiddelmolekyler til store proteiner. "Vi ved nøjagtigt, hvor meget ladning vi producerer ved hjælp af disse nanogeneratorer, giver os mulighed for at nå følsomhedsniveauer, der er uhørt - på zeptomol-skalaen. Vi kan måle ned til bogstaveligt talt hundredvis af molekyler uden at mærke. "

Fernández og hans forskerhold arbejdede sammen med Zhong Lin Wang, en pioner inden for udvikling af TENG-teknologien. Wang, professor i Regents i Georgia Tech's School of Materials Science and Engineering, sagde TENG'erne giver ensartede opladningsniveauer, der producerer kvantiserede ionimpulser af justerbar varighed, polaritet og frekvens.

"Nøglen her er, at den samlede ladning, der leveres i hver cyklus, er fuldstændig kontrolleret og konstant uanset den hastighed, hvormed TENG udløses, " sagde Wang, der besidder Hightower-stolen på School of Materials Science and Engineering. "Dette er en ny retning for de triboelektriske nanogeneratorer og åbner en dør for at bruge teknologien i design af fremtidig instrumentering og udstyr. Denne forskning viser en anden praktisk virkning af TENG-teknologi."

Massespektrometri måler masse-til-ladning-forholdet mellem ioner for at identificere og kvantificere molekyler i både simple og komplekse blandinger. Teknologien bruges på tværs af en bred vifte af videnskabelige områder og applikationer, med molekyler lige fra små lægemiddelforbindelser på op til store biomolekyler. Massespektrometri bruges i biomedicin, fødevarevidenskab, hjemland sikkerhed, systembiologi, lægemiddelopdagelse og andre områder.

Men i konventionelle elektrospray-massespecifikationsteknikker, så meget som 99 procent af prøven kan gå til spilde under ionisering, sagde Fernandez, der har Vasser Woolley Foundation -stolen i bioanalytisk kemi. Det er i høj grad fordi i konventionelle systemer, masseanalyseprocessen pulseres eller scannes, mens ioniseringen af ​​prøver er kontinuerlig. Den nye TENG pulserende strømkilde gør det muligt for forskere at time ioniseringen, så den matcher, hvad der sker inde i massespektrometeret, specifikt inden for en komponent kendt som masseanalysatoren.

Ud over forbedret følsomhed og evnen til at analysere meget små prøvemængder, den nye teknik tillader også ionaflejring på overflader, selv ikke-ledende. Det er fordi den oscillerende ionisering producerer en sekvens af skiftende positive og negative ladninger, producerer en nettoneutral overflade, Sagde Fernández.

Massespektrometre kræver store mængder strøm til at skabe det vakuum, der er afgørende for at måle masse-til-ladning-forholdet for hvert molekyle. Selvom det er muligt, at fremtidige TENG -enheder kan drive et helt miniaturemassespektrometer, TENG-enhederne bruges nu kun til at ionisere prøver.

"Nanogeneratorerne kunne eliminere en stor del af massespektrometersystemet, fordi de ikke ville have brug for en mere kraftfuld enhed til at lave ionerne, " sagde Fernández. "Dette kunne være særligt anvendeligt til forhold, der er ekstreme og barske, såsom på en slagmark eller i rummet, hvor du har brug for en meget robust og selvstændig enhed."

Triboelektriske nanogeneratorer, udviklet af Wang i 2012, bruge en kombination af den triboelektriske effekt og elektrostatisk induktion til at generere små mængder elektrisk strøm fra mekanisk bevægelse såsom rotation, glidning eller vibration. Den triboelektriske effekt drager fordel af det faktum, at visse materialer bliver elektrisk ladede, efter at de kommer i bevægelse med en overflade fremstillet af et andet materiale. Wang og hans forskerhold har udviklet TENG'er med fire forskellige arbejdstilstande, inklusive en roterende skive, der kan være ideel til massespektrometrieksperimenter med høj gennemløb. Denne artikel er den første publikation om en anvendelse af TENG på et avanceret instrument.

Wangs team har målt spændingsniveauer ved massespecifikatoren på mellem 6, 000 og 8, 000 volt. Standardionisatorer fungerer normalt ved mindre end 1, 500 volt. Teknologien er blevet brugt med både elektrospray-ionisering og plasmaudladningsionisering, med fleksibiliteten til at generere ionimpulser med enkelt polaritet eller vekslende polaritet.

"Fordi spændingen fra disse nanogeneratorer er høj, vi mener, at størrelsen af ​​prøvedråberne kan være meget mindre end med den konventionelle måde at fremstille ioner på, " sagde Fernández. "Det øger iongenereringseffektiviteten. Vi opererer i et helt andet elektrospray -regime, og det kan fuldstændig ændre den måde, denne teknologi bruges på."

TENG-teknologien kunne eftermonteres på eksisterende massespektrometre, som Fernández allerede har gjort i sit laboratorium. Med offentliggørelse af tidsskriftartiklen, han håber, at andre laboratorier vil begynde at udforske brugen af ​​TENG-enhederne inden for massespektrometri og andre områder. "Jeg ser potentiale ikke kun i analytisk kemi, men også i syntese, elektrokemi og andre områder, der kræver en kontrolleret måde at producere elektriske ladninger på, "Sagde Fernández.

Forskningen er igangsat af postdoc-stipendiater i de to laboratoriegrupper, Anyin Li og Yunlong Zi. "Dette projekt viser virkelig, hvordan innovation kan ske ved grænserne mellem forskellige discipliner, når videnskabsmænd er frie til at forfølge nye ideer, " tilføjede Fernandez.