摩擦納米發電機首次應用于高靈敏度質譜儀

　　目前，作為一種關鍵的分析技術，質譜分析已經被廣泛應用于生物醫藥、食品科學、國土安全、系統生物、藥物發現等領域。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。現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對離子數量進行精確控制。而且，如果使用傳統高壓電源，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展方向上具有重大瓶頸。并且，傳統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，實現了離子源在電荷數量、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，也是納米發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了前所未有的控制。該團隊實現了納庫精度（nanoColoumb）的可控離子產生，并提出了相關的物理模型。通過TENG的驅動，離子脈沖的持續時間、頻率、帶電性都可以得到有效控制，并實現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象，從而首次實現了超高電壓（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兩個領域的發展都具有開創性意義。

　　首先，該研究首次實現了離子化過程中電荷數量的精確控制，為質譜分析帶來了一個全新的可控參數，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“可控自驅動系統”奠定了基礎。

　　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. 摩擦納米發電機所產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。