Triboelektriska nanogeneratorer (TENG) omvandlar mekanisk energi som skördas från miljön till elektricitet för att driva små enheter som sensorer eller för att ladda hemelektronik. Nu, forskare har utnyttjat dessa enheter för att förbättra laddningen av molekyler på ett sätt som dramatiskt ökar känsligheten hos en allmänt använd kemisk analysteknik.

Forskare vid Georgia Institute of Technology har visat att att ersätta konventionella nätaggregat med TENG-enheter för att ladda molekylerna som analyseras kan öka masspektrometrarnas känslighet till oöverträffade nivåer. Förbättringen möjliggör också identifiering med mindre provvolymer, potentiellt bevarande av värdefulla biomolekyler eller kemiska blandningar som kanske bara är tillgängliga i små mängder.

Även om mekanismen genom vilken förbättringen sker kräver mer studier, forskarna tror att de unika aspekterna av TENG-utgången - oscillerande högspänning och kontrollerad ström - tillåter förbättringar i joniseringsprocessen, öka spänningen utan att skada proverna eller instrumentet. Forskningen, som stöddes av National Science Foundation, NASA Astrobiology Program och Department of Energy, rapporteras 27 februari i tidskriften Naturens nanoteknik .

"Vår upptäckt är i grunden ett nytt och mycket kontrollerat sätt att lägga laddning på molekyler, " sa Facundo Fernández, en professor vid Georgia Techs School of Chemistry and Biochemistry som använder masspektrometri för att studera allt från små läkemedelsmolekyler till stora proteiner. "Vi vet exakt hur mycket laddning vi producerar med dessa nanogeneratorer, vilket gör att vi kan nå känslighetsnivåer som är ovanliga - på zeptomolskalan. Vi kan mäta ner till bokstavligen hundratals molekyler utan märkning."

Fernández och hans forskargrupp arbetade med Zhong Lin Wang, en pionjär inom utvecklingen av TENG-teknologin. Wang, en Regents-professor vid Georgia Techs School of Materials Science and Engineering, sa TENG ger konsekventa laddningsnivåer som producerar kvantiserade jonpulser med justerbar varaktighet, polaritet och frekvens.

"Nyckeln här är att den totala laddningen som levereras i varje cykel är helt kontrollerad och konstant oavsett hastigheten med vilken TENG utlöses, sa Wang, som innehar Hightower-stolen vid School of Materials Science and Engineering. "Detta är en ny riktning för de triboelektriska nanogeneratorerna och öppnar en dörr för att använda tekniken i utformningen av framtida instrumentering och utrustning. Denna forskning visar en annan praktisk effekt av TENG-teknik."

Masspektrometri mäter mass-till-laddning-förhållandet mellan joner för att identifiera och kvantifiera molekyler i både enkla och komplexa blandningar. Tekniken används inom ett brett spektrum av vetenskapliga områden och tillämpningar, med molekyler som sträcker sig från små läkemedelsföreningar till upp till stora biomolekyler. Masspektrometri används inom biomedicin, mat vetenskap, hemlandets säkerhet, systembiologi, läkemedelsupptäckt och andra områden.

Men i konventionell elektrospray massspecifik teknik, så mycket som 99 procent av provet kan gå till spillo under jonisering, sa Fernandez, som innehar Vasser Woolley Foundation-stolen i bioanalytisk kemi. Det beror till stor del på att i konventionella system, massanalysprocessen pulsas eller skannas, medan joniseringen av prover är kontinuerlig. Den nya TENG pulsade kraftkällan låter forskare tajma joniseringen så att den matchar vad som händer inuti masspektrometern, specifikt inom en komponent som kallas massanalysatorn.

Utöver förbättrad känslighet och förmågan att analysera mycket små provkvantiteter, den nya tekniken tillåter också jonavsättning på ytor, även icke-ledande sådana. Det beror på att den oscillerande joniseringen producerar en sekvens av alternerande positiva och negativa laddningar, producerar en nätneutral yta, sa Fernandez.

Masspektrometrar kräver stora mängder kraft för att skapa det vakuum som är nödvändigt för att mäta förhållandet mellan massa och laddning för varje molekyl. Även om det är möjligt att framtida TENG-enheter kan driva en hel miniatyrmasspektrometer, TENG-enheterna används nu bara för att jonisera prover.

"Nanogeneratorerna skulle kunna eliminera en stor del av masspektrometersystemet eftersom de inte skulle behöva en kraftfullare enhet för att göra jonerna, ", sa Fernández. "Detta kan vara särskilt tillämpligt på förhållanden som är extrema och hårda, som på ett slagfält eller i rymden, där du skulle behöva en mycket robust och fristående enhet."

Triboelektriska nanogeneratorer, utvecklad av Wang 2012, använda en kombination av den triboelektriska effekten och elektrostatisk induktion för att generera små mängder elektrisk kraft från mekanisk rörelse som rotation, glidning eller vibration. Den triboelektriska effekten drar fördel av det faktum att vissa material blir elektriskt laddade efter att de kommer i rörlig kontakt med en yta gjord av ett annat material. Wang och hans forskargrupp har utvecklat TENG med fyra olika arbetssätt, inklusive en roterande skiva som kan vara idealisk för masspektrometriexperiment med hög genomströmning. Denna artikel är den första publikationen om en tillämpning av TENG på ett avancerat instrument.

Wangs team har mätt spänningsnivåer vid massspecifik jonisator på mellan 6, 000 och 8, 000 volt. Standardjonisatorer fungerar normalt vid mindre än 1, 500 volt. Tekniken har använts med både elektrosprayjonisering och plasmaurladdningjonisering, med flexibiliteten att generera jonpulser med enkel polaritet eller alternerande polaritet.

"Eftersom spänningen från dessa nanogeneratorer är hög, vi tror att storleken på provdropparna kan vara mycket mindre än med det konventionella sättet att tillverka joner, ", sa Fernández. "Det ökar jongenereringseffektiviteten. Vi arbetar i en helt annan elektrosprayregim, och det kan helt förändra hur den här tekniken används."

TENG-tekniken skulle kunna eftermonteras till befintliga masspektrometrar, som Fernández redan har gjort i sitt labb. Med publiceringen av tidskriftsartikeln, han hoppas att andra labb kommer att börja utforska användningen av TENG-enheterna inom masspektrometri och andra områden. "Jag ser potential inte bara i analytisk kemi, men också i syntes, elektrokemi och andra områden som kräver ett kontrollerat sätt att producera elektriska laddningar, sa Fernandez.

Forskningen initierades av postdoktorer i de två laboratoriegrupperna, Anyin Li och Yunlong Zi. "Detta projekt visar verkligen hur innovation kan ske vid gränserna mellan olika discipliner när forskare är fria att driva nya idéer, " tillade Fernandez.