Исследователи из Технологического института Джорджии показали, что замена обычных источников питания устройствами TENG для зарядки анализируемых молекул может повысить чувствительность масс-спектрометров до беспрецедентного уровня. Улучшение также позволяет проводить идентификацию с меньшими объемами образцов, потенциально сохраняя драгоценные биомолекулы или химические смеси, которые могут быть доступны только в незначительных количествах.Хотя механизм, с помощью которого происходит усиление, требует дальнейшего изучения, исследователи полагают, что уникальные аспекты выхода TENG — колебательное высокое напряжение и контролируемый ток — позволяют улучшить процесс ионизации, увеличивая подаваемое напряжение без повреждения образцов или прибора. . Об исследовании, которое было поддержано Национальным научным фондом, программой астробиологии НАСА и Министерством энергетики, сообщается 27 февраля в журнале Nature Nanotechnology.
«Наше открытие — это, по сути, новый и очень контролируемый способ заряжать молекулы», — сказал Факундо Фернандес, профессор Школы химии и биохимии Технологического института Джорджии, который использует масс-спектрометрию для изучения всего, от небольших молекул лекарств до крупных белков. «Мы точно знаем, сколько заряда мы производим с помощью этих наногенераторов, что позволяет нам достичь неслыханных уровней чувствительности — в масштабе зептомолей. Мы можем измерять буквально сотни молекул без маркировки».Фернандес и его группа исследователей работали с Чжун Линь Вангом, пионером в разработке технологии TENG. Ван, профессор Риджентс из Школы материаловедения и инженерии Технологического института Джорджии, сказал, что TENG обеспечивают постоянные уровни заряда, которые производят квантованные ионные импульсы регулируемой длительности, полярности и частоты.
«Ключевым моментом здесь является то, что общий заряд, доставляемый в каждом цикле, полностью контролируется и постоянен независимо от скорости срабатывания TENG», — сказал Ван, заведующий кафедрой Хайтауэр в Школе материаловедения и инженерии. «Это новое направление для трибоэлектрических наногенераторов, открывающее двери для использования этой технологии в разработке будущих приборов и оборудования. Это исследование демонстрирует еще одно практическое влияние технологии TENG».
Масс-спектрометрия измеряет отношение массы к заряду ионов для идентификации и количественного определения молекул как в простых, так и в сложных смесях. Технология используется в широком спектре научных областей и приложений, с молекулами от небольших лекарственных соединений до крупных биомолекул. Масс-спектрометрия используется в биомедицине, науке о продуктах питания, национальной безопасности, системной биологии, открытии лекарств и других областях.
Но при использовании традиционных методов масс-спектрометрии с электрораспылением до 99 процентов образца может быть потрачено впустую во время ионизации, сказал Фернандес, заведующий кафедрой биоаналитической химии Фонда Вассера Вулли. Во многом это связано с тем, что в обычных системах процесс масс-анализа импульсный или сканированный, а ионизация образцов — непрерывная. Новый импульсный источник питания TENG позволяет ученым синхронизировать ионизацию в соответствии с тем, что происходит внутри масс-спектрометра, в частности, в компоненте, известном как масс-анализатор.
Помимо улучшенной чувствительности и способности анализировать очень небольшие количества образцов, новый метод также позволяет осаждение ионов на поверхности, даже непроводящие. Это потому, что колеблющаяся ионизация создает последовательность чередующихся положительных и отрицательных зарядов, создавая чистую нейтральную поверхность, сказал Фернандес.Масс-спектрометрам требуется большое количество энергии для создания вакуума, необходимого для измерения отношения массы к заряду каждой молекулы.
Хотя возможно, что будущие устройства TENG могут питать весь миниатюрный масс-спектрометр, устройства TENG сейчас используются только для ионизации образцов.«Наногенераторы могут устранить большую часть системы масс-спектрометра, потому что им не потребуется более мощное устройство для производства ионов», — сказал Фернандес. «Это может быть особенно применимо к экстремальным и суровым условиям, например, на поле битвы или в космосе, где вам понадобится очень прочное и автономное устройство».Трибоэлектрические наногенераторы, разработанные Вангом в 2012 году, используют комбинацию трибоэлектрического эффекта и электростатической индукции для выработки небольшого количества электроэнергии от механического движения, такого как вращение, скольжение или вибрация. Трибоэлектрический эффект основан на том факте, что некоторые материалы становятся электрически заряженными после того, как они вступают в движущийся контакт с поверхностью, сделанной из другого материала.
Ван и его исследовательская группа разработали TENG с четырьмя различными режимами работы, включая вращающийся диск, который может быть идеальным для высокопроизводительных масс-спектрометрических экспериментов. Эта статья — первая публикация о применении TENG в усовершенствованном приборе.Команда Вана измерила уровни напряжения на масс-спектрометре ионизатора от 6000 до 8000 вольт. Стандартные ионизаторы обычно работают при напряжении менее 1500 вольт.
Эта технология использовалась как с ионизацией электрораспылением, так и с ионизацией плазменным разрядом, с возможностью генерирования импульсов однополярности или чередования полярностей.«Поскольку напряжение от этих наногенераторов велико, мы считаем, что размер капель образца может быть намного меньше, чем при обычном способе получения ионов», — сказал Фернандес. «Это увеличивает эффективность генерации ионов. Мы работаем в совершенно другом режиме электрораспыления, и это может полностью изменить способ использования этой технологии».
Технология TENG может быть модернизирована для существующих масс-спектрометров, как Фернандес уже сделал в своей лаборатории. После публикации статьи в журнале он надеется, что другие лаборатории начнут изучать использование устройств TENG в масс-спектрометрии и других областях. «Я вижу потенциал не только в аналитической химии, но также в синтезе, электрохимии и других областях, которые требуют контролируемого способа производства электрических зарядов», — сказал Фернандес.
Исследование было инициировано докторантами из двух лабораторных групп, Аньинь Ли и Юньлун Цзы. «Этот проект действительно показывает, как инновации могут происходить на стыке различных дисциплин, когда ученые могут свободно реализовывать новые идеи», — добавил Фернандес.