I nanogeneratori triboelettrici (TENG) convertono l'energia meccanica raccolta dall'ambiente in elettricità per alimentare piccoli dispositivi come sensori o per ricaricare l'elettronica di consumo. Ora, i ricercatori hanno sfruttato questi dispositivi per migliorare la carica delle molecole in modo da aumentare notevolmente la sensibilità di una tecnica di analisi chimica ampiamente utilizzata.

I ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno dimostrato che la sostituzione degli alimentatori convenzionali con dispositivi TENG per caricare le molecole analizzate può aumentare la sensibilità degli spettrometri di massa a livelli senza precedenti. Il miglioramento consente anche di eseguire l'identificazione con volumi di campione più piccoli, potenzialmente conservando preziose biomolecole o miscele chimiche che possono essere disponibili solo in quantità minime.

Sebbene il meccanismo con cui avviene il miglioramento richieda più studio, i ricercatori ritengono che gli aspetti unici dell'uscita TENG - alta tensione oscillante e corrente controllata - consentano miglioramenti nel processo di ionizzazione, aumentando la tensione applicata senza danneggiare i campioni o lo strumento. La ricerca, che è stato sostenuto dalla National Science Foundation, Programma di astrobiologia della NASA e il Dipartimento dell'Energia, è riportato il 27 febbraio sulla rivista Nanotecnologia della natura .

"La nostra scoperta è fondamentalmente un modo nuovo e molto controllato di caricare le molecole, " disse Facundo Fernández, un professore della Scuola di Chimica e Biochimica della Georgia Tech che utilizza la spettrometria di massa per studiare qualsiasi cosa, dalle piccole molecole di farmaci alle grandi proteine. "Sappiamo esattamente quanta carica produciamo utilizzando questi nanogeneratori, permettendoci di raggiungere livelli di sensibilità inauditi - alla scala dello zeptomole. Possiamo misurare letteralmente centinaia di molecole senza etichettare".

Fernández e il suo gruppo di ricerca hanno lavorato con Zhong Lin Wang, un pioniere nello sviluppo della tecnologia TENG. Wang, un professore di Regents presso la School of Materials Science and Engineering della Georgia Tech, ha detto che i TENG forniscono livelli di carica coerenti che producono impulsi ionici quantizzati di durata regolabile, polarità e frequenza.

"La chiave qui è che la carica totale erogata in ogni ciclo è interamente controllata e costante indipendentemente dalla velocità con cui viene attivato il TENG, " ha detto Wang, che detiene la cattedra Hightower presso la School of Materials Science and Engineering. "Questa è una nuova direzione per i nanogeneratori triboelettrici e apre una porta per l'utilizzo della tecnologia nella progettazione di strumentazione e apparecchiature future. Questa ricerca dimostra un altro impatto pratico della tecnologia TENG".

La spettrometria di massa misura il rapporto massa-carica degli ioni per identificare e quantificare le molecole in miscele sia semplici che complesse. La tecnologia è utilizzata in un'ampia gamma di campi e applicazioni scientifiche, con molecole che vanno da piccoli composti farmacologici fino a grandi biomolecole. La spettrometria di massa è utilizzata in biomedicina, scienza del cibo, sicurezza nazionale, biologia dei sistemi, scoperta di farmaci e altre aree.

Ma nelle tecniche convenzionali di spettroscopia di massa dell'elettrospray, fino al 99% del campione può essere sprecato durante la ionizzazione, disse Fernández, che detiene la cattedra della Fondazione Vasser Woolley in chimica bioanalitica. Ciò è in gran parte dovuto al fatto che nei sistemi convenzionali, il processo di analisi di massa è pulsato o scansionato, mentre la ionizzazione dei campioni è continua. La nuova fonte di energia pulsata TENG consente agli scienziati di sincronizzare la ionizzazione in modo che corrisponda a ciò che sta accadendo all'interno dello spettrometro di massa, specificamente all'interno di un componente noto come analizzatore di massa.

Oltre a una migliore sensibilità e alla capacità di analizzare quantità di campioni molto piccole, la nuova tecnica permette anche la deposizione ionica sulle superfici, anche non conduttrici. Questo perché la ionizzazione oscillante produce una sequenza di cariche positive e negative alternate, producendo una superficie nettamente neutra, ha detto Fernandez.

Gli spettrometri di massa richiedono grandi quantità di energia per creare il vuoto essenziale per misurare il rapporto massa-carica di ciascuna molecola. Sebbene sia possibile che i futuri dispositivi TENG possano alimentare un intero spettrometro di massa in miniatura, i dispositivi TENG sono ora utilizzati solo per ionizzare i campioni.

"I nanogeneratori potrebbero eliminare una grossa fetta del sistema dello spettrometro di massa perché non avrebbero bisogno di un dispositivo più potente per produrre gli ioni, " Fernández ha detto. "Questo potrebbe essere particolarmente applicabile a condizioni estreme e dure, come su un campo di battaglia o nello spazio, dove avresti bisogno di un'unità molto robusta e autonoma."

Nanogeneratori triboelettrici, sviluppato da Wang nel 2012, utilizzare una combinazione dell'effetto triboelettrico e dell'induzione elettrostatica per generare piccole quantità di energia elettrica dal movimento meccanico come la rotazione, scivolamento o vibrazione. L'effetto triboelettrico sfrutta il fatto che alcuni materiali si caricano elettricamente dopo essere entrati in contatto in movimento con una superficie costituita da un materiale diverso. Wang e il suo team di ricerca hanno sviluppato TENG con quattro diverse modalità di lavoro, compreso un disco rotante che può essere ideale per esperimenti di spettrometria di massa ad alto rendimento. Questo articolo è la prima pubblicazione su un'applicazione di TENG a uno strumento avanzato.

Il team di Wang ha misurato i livelli di tensione presso lo ionizzatore a spettroscopia di massa compresi tra 6, 000 e 8, 000 volt. Gli ionizzatori standard funzionano normalmente a meno di 1, 500 volt. La tecnologia è stata utilizzata sia con la ionizzazione elettrospray che con la ionizzazione a scarica di plasma, con la flessibilità di generare impulsi ionici a polarità singola o alternata.

"Poiché la tensione di questi nanogeneratori è alta, crediamo che la dimensione delle goccioline del campione possa essere molto più piccola rispetto al modo convenzionale di produrre ioni, " Fernández ha detto. "Ciò aumenta l'efficienza della generazione di ioni. Stiamo operando in un regime di elettrospray completamente diverso, e potrebbe cambiare completamente il modo in cui viene utilizzata questa tecnologia".

La tecnologia TENG potrebbe essere adattata agli spettrometri di massa esistenti, come ha già fatto Fernández nel suo laboratorio. Con la pubblicazione dell'articolo di giornale, spera che altri laboratori inizino a esplorare l'uso dei dispositivi TENG nella spettrometria di massa e in altre aree. "Vedo il potenziale non solo nella chimica analitica, ma anche in sintesi, elettrochimica e altre aree che richiedono un modo controllato di produrre cariche elettriche, " ha detto Fernandez.

La ricerca è stata avviata da borsisti post-dottorato nei due gruppi di laboratorio, Anyin Li e Yunlong Zi. "Questo progetto mostra davvero come l'innovazione possa avvenire ai confini tra diverse discipline quando gli scienziati sono liberi di perseguire nuove idee, " ha aggiunto Fernández.