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中美科學家開辟質譜分析儀研究新領域

更新時間:2018-12-28點擊次數(shù):516

在質譜分析中,離子化是將中性分子帶上電荷的關鍵的一步?,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)表于一期的《自然-納米技術》(Nature Nanotechnology)。
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,該研究實現(xiàn)了離子化過程中電荷數(shù)量的控制,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)便攜化并在條件下(例如軍事或航天上)應用提供了可能。
后,該研究作為一個將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。

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