厲害了，我的質譜儀

你可能很難將小小的納米發電機和質譜儀關聯起來，但聰明的科學家們怎麼能放過任何一個解決問題的機會？我們先來一小波關於質譜儀的科普：

質譜儀主要進行成分和結構分析，可以準確測定物質的分子量以及根據碎片特徵進行化合物的結構分析。

分析時首先要將分子離子化，然後利用離子在電場或磁場中運動的性質，把離子按質荷比大小排列成譜，這就是質譜。然後利用不同離子的質荷比的不同，就能將不同分子分開啦。

那麼問題來了，如何將分子離子化呢？簡單的說，可以通過失去或者捕獲電荷的方式生產力子，例如：電子發射、質子化或去質子化的方式。

但是這個步驟並不容易，首先效率很低，非常低，如果利用傳統的高壓電源，99%的能量是被浪費掉的，那都是錢啊！！！更重要的是，目前所有的離子化方法都無法對離子數量進行精確地控制，也就是說，精度不高。這就尷尬了！

摩擦納米發電機有一個很重要的特性，它可以實現固定電荷量的高壓輸出。也就是說，如果能將它與質譜儀結合，不僅僅能夠準確控制離子數量提高精度，設備的耗能也會大大降低，儀器可以小型化，進而應用於航天和軍事等領域。

說起來容易，但解決這個問題，需要國際化的頂尖團隊。在喬治亞理工學院、中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士和 FacundoFernández 教授共同指導下，李安寅博士和訾雲龍博士組成的合作團隊，用摩擦納米發電機（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，這項工作發表在 Nature Nanotechonlogy 上，思路之巧妙，控制之精確，請看下文！

首先，他們利用摩擦納米發電機（TENG）將電噴霧離子化和等離子體放電離子化。由TENG提供的固定電荷量可以實現對離子化過程前所未有的精確控制，可以進行納庫精度（nanoColoumb）的可控離子產生。

另外樣品消耗也大大減小，通過納米發電機的驅動，離子脈衝的持續時間、頻率、帶電性都可以得到有效控制，這樣就能將樣品消耗降到最小。

與傳統高電壓技術相比，由於納米發電機產生的電荷很少，避免了質譜分析中DC高電壓下常見的電暈放電現象，首次實現了超高電壓（5-9千伏）納電噴霧（nanoESI）。

這篇 Nature Nanotechonlogy 對工作進行了非常詳細的介紹，以下是簡單的圖文導讀：

圖1. 離子噴霧槍圖片

摩擦納米發電機所產生的離子源用於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。

圖2. 通過 TENG實現離子化示意圖。

a）實現接觸-分離式摩擦發電機（CS）的力學圖示。

b） 獨立滑動式摩擦發電機（SF）的力學圖式。

黃色：Cu電極層

藍色：FEP層（ ?uorinatedethylene propylene）

紅色箭頭：摩擦發電機電極的移動方向

脈衝：電子向離子源移動方向(e?,I)

尖針：納米電霧發射槍

垂直方塊：用於接受電子束的鋼板，電流值可以用皮安電流表測得（圖中的「A」）

c）.納米電子發射槍的暗場圖像可以看到摩擦發電機發射的羽毛狀電子束，長度單位：1毫米

d）.在等效電路中，TENG用電容器（C1）和其他原件來表示（左虛線框）。nanoESI發射槍等效於電容器（C2），可以按設定值發射出電荷，用右虛線框表示。發出的電荷（產生的離子）穿過發射槍和質譜儀（或皮安電流表A）之間的間隙。

另外，CS-TENG電極（a）接在一側，可以在接觸位置重設靜電狀態，圖d中用開關CS表示。

圖3. TENG對納米電子噴霧的離子化實現精確控制

a）代表TENGs控制離子束過程VOC -QSC線代表TENGs提供一定電荷後的電壓-電荷關係。當納電噴霧接上時，只有當電壓達到特定電壓Vonset，電荷才會傳遞到這個離子源（Cion source）

接著，大量電荷以電噴霧的離子化形式釋放，直到TENG電壓降到設定值以下，用綠線Qpulse表示

b）時間-電荷圖描述了單CS-TENG驅動的納米噴霧發射器的離子化脈衝。四條線是使用了不同電阻的結果（ 0 GΩ(黑), 0.5GΩ (藍),1 GΩ(紅) 和 1.25 GΩ(綠)），用於調控電荷。綠線對應一種設定條件，約50%電荷並能變成電子噴霧。

c）長時或短時的總離子時間記錄圖 。使用 SF-TENG得到按需產生的高頻脈衝: >5 s (黑), 600 ms (藍), 300 ms (紅) and 60 ms (綠)。

d） 一次實驗中交變極性噴霧脈衝（紅+綠）的總離子時間記錄。in one experiment and 另一實驗中校正的單極脈衝（黑）。

納米發電機可以幫助質譜儀提高在低濃度下的電噴霧離子源的靈敏度，並將樣品的利用率最大化，而且，該納米發電機已經成功檢測各種有機小分子和生物大分子，並達到了可以檢測到幾百個分子的靈敏度。此外，納米發電機驅動的交流離子噴霧還可以用於在絕緣表面進行沉積離子材料。

其實，該研究的意義並非如此，這項突破對摩擦納米發電機（TENG）也同樣具有開創性意義，這是第一次將納米發電機用於設備儀器中，為以後類似的研究提供了思路。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並在極端條件下（例如軍事或航天上）應用提供了可能，為了開展空間實驗提供了極大地便利。

來源：中國科學院北京納米能源研究所