厉害了!我的质谱仪

　　你可能很难将小小的纳米发电机和质谱仪关联起来，但聪明的科学家们怎么能放过任何一个解决问题的机会?我们先来一小波关于质谱仪的科普：

　　质谱仪主要进行成分和结构分析，可以准确测定物质的分子量以及根据碎片特征进行化合物的结构分析。

　　分析时首先要将分子离子化，然后利用离子在电场或磁场中运动的性质，把离子按质荷比大小排列成谱，这就是质谱。然后利用不同离子的质荷比的不同，就能将不同分子分开啦。

　　那么问题来了，如何将分子离子化呢?简单的说，可以通过失去或者捕获电荷的方式生产力子，例如：电子发射、质子化或去质子化的方式。

　　但是这个步骤并不容易，首先效率很低，非常低，如果利用传统的高压电源，99%的能量是被浪费掉的，那都是钱啊!!!更重要的是，目前所有的离子化方法都无法对离子数量进行精确地控制，也就是说，精度不高。这就尴尬了!

　　摩擦纳米发电机有一个很重要的特性，它可以实现固定电荷量的高压输出。也就是说，如果能将它与质谱仪结合，不仅仅能够准确控制离子数量提高精度，设备的耗能也会大大降低，仪器可以小型化，进而应用于航天和军事等领域。

　　说起来容易，但解决这个问题，需要国际化的顶尖团队。在佐治亚理工学院、中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士和 FacundoFernández 教授共同指导下，李安寅博士和訾云龙博士组成的合作团队，用摩擦纳米发电机(TENG)驱动离子源，实现了离子源在电荷数量、正负极性、信号长短等诸多方面的精确控制，这项工作发表在 Nature Nanotechonlogy 上，思路之巧妙，控制之精确，请看下文!

　　首先，他们利用摩擦纳米发电机(TENG)将电喷雾离子化和等离子体放电离子化。由TENG提供的固定电荷量可以实现对离子化过程前所未有的精确控制，可以进行纳库精度(nanoColoumb)的可控离子产生。

　　另外样品消耗也大大减小，通过纳米发电机的驱动，离子脉冲的持续时间、频率、带电性都可以得到有效控制，这样就能将样品消耗降到最小。

　　与传统高电压技术相比，由于纳米发电机产生的电荷很少，避免了质谱分析中DC高电压下常见的电晕放电现象，首次实现了超高电压(5-9千伏)纳电喷雾(nanoESI)。

　　这篇 Nature Nanotechonlogy 对工作进行了非常详细的介绍，以下是简单的图文导读：

　　图1. 离子喷雾枪图片

　　摩擦纳米发电机所产生的离子源用于分析极其微量的化学和生物样品，其精度可以达到几百个分子。

　　图2. 通过 TENG实现离子化示意图。

　　a)实现接触-分离式摩擦发电机(CS)的力学图示。

　　b) 独立滑动式摩擦发电机(SF)的力学图式。

　　黄色：Cu电极层

　　蓝色：FEP层( ?uorinatedethylene propylene)

　　红色箭头：摩擦发电机电极的移动方向

　　脉冲：电子向离子源移动方向(e?,I)

　　尖针：纳米电雾发射枪

　　垂直方块：用于接受电子束的钢板，电流值可以用皮安电流表测得(图中的“A”)

　　c).纳米电子发射枪的暗场图像可以看到摩擦发电机发射的羽毛状电子束，长度单位：1毫米

　　d).在等效电路中，TENG用电容器(C1)和其他原件来表示(左虚线框)。nanoESI发射枪等效于电容器(C2)，可以按设定值发射出电荷，用右虚线框表示。发出的电荷(产生的离子)穿过发射枪和质谱仪(或皮安电流表A)之间的间隙。

　　另外，CS-TENG电极(a)接在一侧，可以在接触位置重设静电状态，图d中用开关CS表示。

　　图3. TENG对纳米电子喷雾的离子化实现精确控制

　　a)代表TENGs控制离子束过程VOC -QSC线代表TENGs提供一定电荷后的电压-电荷关系。当纳电喷雾接上时，只有当电压达到特定电压Vonset，电荷才会传递到这个离子源(Cion source)

　　接着，大量电荷以电喷雾的离子化形式释放，直到TENG电压降到设定值以下，用绿线Qpulse表示

　　b)时间-电荷图描述了单CS-TENG驱动的纳米喷雾发射器的离子化脉冲。四条线是使用了不同电阻的结果( 0 GΩ(黑), 0.5GΩ (蓝),1 GΩ(红) 和 1.25 GΩ(绿))，用于调控电荷。绿线对应一种设定条件，约50%电荷并能变成电子喷雾。

　　c)长时或短时的总离子时间记录图 。使用 SF-TENG得到按需产生的高频脉冲: >5 s (黑), 600 ms (蓝), 300 ms (红) and 60 ms (绿)。

　　d) 一次实验中交变极性喷雾脉冲(红+绿)的总离子时间记录。in one experiment and 另一实验中校正的单极脉冲(黑)。

　　纳米发电机可以帮助质谱仪提高在低浓度下的电喷雾离子源的灵敏度，并将样品的利用率最大化，而且，该纳米发电机已经成功检测各种有机小分子和生物大分子，并达到了可以检测到几百个分子的灵敏度。此外，纳米发电机驱动的交流离子喷雾还可以用于在绝缘表面进行沉积离子材料。

　　其实，该研究的意义并非如此，这项突破对摩擦纳米发电机(TENG)也同样具有开创性意义，这是第一次将纳米发电机用于设备仪器中，为以后类似的研究提供了思路。TENG取代了质谱设备上原有的离子喷雾电源，为小型质谱设备实现便携化并在极端条件下(例如军事或航天上)应用提供了可能，为了开展空间实验提供了极大地便利。