Tribo-elektrische nanogeneratoren (TENG) zetten mechanische energie die uit de omgeving wordt geoogst om in elektriciteit voor het voeden van kleine apparaten zoals sensoren of voor het opladen van consumentenelektronica. Nutsvoorzieningen, onderzoekers hebben deze apparaten gebruikt om het opladen van moleculen te verbeteren op een manier die de gevoeligheid van een veelgebruikte chemische analysetechniek drastisch verhoogt.

Onderzoekers van het Georgia Institute of Technology hebben aangetoond dat het vervangen van conventionele voedingen door TENG-apparaten voor het opladen van de moleculen die worden geanalyseerd, de gevoeligheid van massaspectrometers tot ongekende niveaus kan verhogen. De verbetering maakt identificatie ook mogelijk met kleinere monstervolumes, mogelijk waardevolle biomoleculen of chemische mengsels behouden die mogelijk slechts in kleine hoeveelheden beschikbaar zijn.

Hoewel het mechanisme waarmee de verbetering plaatsvindt, meer onderzoek vereist, de onderzoekers geloven dat de unieke aspecten van de TENG-output - oscillerende hoge spanning en gecontroleerde stroom - verbeteringen in het ionisatieproces mogelijk maken, verhoging van de toegepaste spanning zonder de monsters of het instrument te beschadigen. Het onderzoek, die werd gesteund door de National Science Foundation, NASA Astrobiology Program en het ministerie van Energie, wordt op 27 februari gerapporteerd in het journaal Natuur Nanotechnologie .

"Onze ontdekking is in feite een nieuwe en zeer gecontroleerde manier om moleculen te laden, " zei Facundo Fernández, een professor aan de Georgia Tech's School of Chemistry and Biochemistry die massaspectrometrie gebruikt om alles te bestuderen, van kleine medicijnmoleculen tot grote eiwitten. "We weten precies hoeveel lading we produceren met behulp van deze nanogeneratoren, waardoor we gevoeligheidsniveaus kunnen bereiken die ongehoord zijn - op de zeptomol-schaal. We kunnen letterlijk honderden moleculen meten zonder te taggen."

Fernández en zijn onderzoeksteam werkten samen met Zhong Lin Wang, een pionier in het ontwikkelen van de TENG-technologie. Wang, een Regents-professor aan de Georgia Tech's School of Materials Science and Engineering, zei dat de TENG's consistente laadniveaus bieden die gekwantiseerde ionenpulsen met instelbare duur produceren, polariteit en frequentie.

"De sleutel hier is dat de totale lading die in elke cyclus wordt geleverd volledig gecontroleerd en constant is, ongeacht de snelheid waarmee de TENG wordt geactiveerd, " zei Wang, die de Hightower-leerstoel bekleedt aan de School of Materials Science and Engineering. "Dit is een nieuwe richting voor de tribo-elektrische nanogeneratoren en opent een deur voor het gebruik van de technologie bij het ontwerp van toekomstige instrumentatie en apparatuur. Dit onderzoek toont een ander praktisch effect van TENG-technologie aan."

Massaspectrometrie meet de massa-tot-ladingsverhouding van ionen om moleculen in zowel eenvoudige als complexe mengsels te identificeren en te kwantificeren. De technologie wordt gebruikt in een breed scala van wetenschappelijke gebieden en toepassingen, met moleculen variërend van kleine medicijnverbindingen tot grote biomoleculen. Massaspectrometrie wordt gebruikt in de medische biologie, voedingswetenschap, binnenlandse veiligheid, systeembiologie, drug discovery en andere gebieden.

Maar bij conventionele elektrospray massaspec-technieken, maar liefst 99 procent van het monster kan worden verspild tijdens ionisatie, zei Fernandez, die de Vasser Woolley Foundation Chair in Bioanalytical Chemistry bekleedt. Dat komt grotendeels omdat in conventionele systemen, het massa-analyseproces wordt gepulseerd of gescand, terwijl de ionisatie van monsters continu is. Met de nieuwe TENG gepulseerde stroombron kunnen wetenschappers de ionisatie timen om overeen te komen met wat er in de massaspectrometer gebeurt, specifiek binnen een component die bekend staat als de massa-analysator.

Naast verbeterde gevoeligheid en de mogelijkheid om zeer kleine monsterhoeveelheden te analyseren, de nieuwe techniek maakt ook ionenafzetting op oppervlakken mogelijk, zelfs niet-geleidende. Dat komt omdat de oscillerende ionisatie een reeks afwisselende positieve en negatieve ladingen produceert, het produceren van een net neutraal oppervlak, zei Fernandez.

Massaspectrometers hebben grote hoeveelheden energie nodig om het vacuüm te creëren dat essentieel is voor het meten van de massa-tot-ladingverhouding van elk molecuul. Hoewel het mogelijk is dat toekomstige TENG-apparaten een hele miniatuur massaspectrometer van stroom kunnen voorzien, de TENG-apparaten worden nu alleen gebruikt om monsters te ioniseren.

"De nanogeneratoren zouden een groot deel van het massaspectrometersysteem kunnen elimineren, omdat ze geen krachtiger apparaat nodig hebben om de ionen te maken, Fernández zei. "Dit kan met name van toepassing zijn op omstandigheden die extreem en hard zijn, zoals op een slagveld of in de ruimte, waar je een zeer robuuste en op zichzelf staande eenheid nodig zou hebben."

Tribo-elektrische nanogeneratoren, ontwikkeld door Wang in 2012, gebruik een combinatie van het tribo-elektrisch effect en elektrostatische inductie om kleine hoeveelheden elektrisch vermogen te genereren uit mechanische beweging zoals rotatie, glijden of trillen. Het tribo-elektrisch effect maakt gebruik van het feit dat bepaalde materialen elektrisch geladen worden nadat ze in bewegend contact komen met een oppervlak van een ander materiaal. Wang en zijn onderzoeksteam hebben TENG's ontwikkeld met vier verschillende werkmodi, inclusief een roterende schijf die ideaal kan zijn voor massaspectrometrie-experimenten met hoge doorvoer. Dit artikel is de eerste publicatie over een toepassing van TENG op een geavanceerd instrument.

Het team van Wang heeft spanningsniveaus gemeten bij de massaspecionisator tussen 6, 000 en 8, 000 volt. Standaard ionisatoren werken normaal gesproken bij minder dan 1, 500 volt. De technologie is gebruikt bij zowel elektrospray-ionisatie als plasmaontladingsionisatie, met de flexibiliteit om ionenpulsen met een enkele polariteit of alternerende polariteit te genereren.

"Omdat de spanning van deze nanogeneratoren hoog is, wij geloven dat de grootte van de monsterdruppels veel kleiner kan zijn dan bij de conventionele manier om ionen te maken, " zei Fernández. "Dat verhoogt de efficiëntie van de ionengeneratie. We opereren in een heel ander electrospray regime, en het zou de manier waarop deze technologie wordt gebruikt volledig kunnen veranderen."

De TENG-technologie kan achteraf worden ingebouwd in bestaande massaspectrometers, zoals Fernández al heeft gedaan in zijn lab. Met publicatie van het tijdschriftartikel, hij hoopt dat andere laboratoria het gebruik van de TENG-apparaten in massaspectrometrie en andere gebieden zullen gaan onderzoeken. "Ik zie niet alleen potentieel in analytische chemie, maar ook in synthese, elektrochemie en andere gebieden die een gecontroleerde manier vereisen om elektrische ladingen te produceren, ' zei Fernandez.

Het onderzoek is geïnitieerd door postdoctorale fellows in de twee laboratoriumgroepen, Anyin Li en Yunlong Zi. "Dit project laat echt zien hoe innovatie kan plaatsvinden op de grenzen tussen verschillende disciplines wanneer wetenschappers vrij zijn om nieuwe ideeën na te streven, " voegde Fernandez eraan toe.