Los nanogeneradores triboeléctricos (TENG) convierten la energía mecánica recolectada del medio ambiente en electricidad para alimentar pequeños dispositivos como sensores o para recargar productos electrónicos de consumo. Ahora, Los investigadores han aprovechado estos dispositivos para mejorar la carga de moléculas de una manera que aumenta drásticamente la sensibilidad de una técnica de análisis químico ampliamente utilizada.

Investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia han demostrado que reemplazar las fuentes de alimentación convencionales con dispositivos TENG para cargar las moléculas que se analizan puede aumentar la sensibilidad de los espectrómetros de masas a niveles sin precedentes. La mejora también permite que la identificación se realice con volúmenes de muestra más pequeños, potencialmente conservando preciosas biomoléculas o mezclas químicas que pueden estar disponibles solo en cantidades diminutas.

Aunque el mecanismo por el cual se lleva a cabo la mejora requiere más estudio, Los investigadores creen que los aspectos únicos de la salida TENG (alto voltaje oscilante y corriente controlada) permiten mejoras en el proceso de ionización. aumentando el voltaje aplicado sin dañar las muestras o el instrumento. La investigación, que fue apoyado por la National Science Foundation, Programa de Astrobiología de la NASA y el Departamento de Energía, se informa el 27 de febrero en la revista Nanotecnología de la naturaleza .

"Nuestro descubrimiento es básicamente una forma nueva y muy controlada de cargar las moléculas, "dijo Facundo Fernández, profesor de la Escuela de Química y Bioquímica de Georgia Tech que utiliza la espectrometría de masas para estudiar todo, desde pequeñas moléculas de fármacos hasta grandes proteínas. "Sabemos exactamente cuánta carga producimos con estos nanogeneradores, permitiéndonos alcanzar niveles de sensibilidad que son inauditos - en la escala zeptomole. Podemos medir literalmente cientos de moléculas sin etiquetar ".

Fernández y su equipo de investigación trabajaron con Zhong Lin Wang, pionero en el desarrollo de la tecnología TENG. Wang, un profesor de Regents en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Georgia Tech, dijo que los TENG proporcionan niveles de carga consistentes que producen pulsos de iones cuantificados de duración ajustable, polaridad y frecuencia.

"La clave aquí es que la carga total entregada en cada ciclo está completamente controlada y es constante independientemente de la velocidad a la que se activa el TENG, "dijo Wang, quien ocupa la Cátedra Hightower en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales. "Esta es una nueva dirección para los nanogeneradores triboeléctricos y abre una puerta para usar la tecnología en el diseño de instrumentación y equipos futuros. Esta investigación demuestra otro impacto práctico de la tecnología TENG".

La espectrometría de masas mide la relación masa-carga de los iones para identificar y cuantificar moléculas en mezclas simples y complejas. La tecnología se utiliza en una amplia gama de campos y aplicaciones científicos, con moléculas que van desde pequeños compuestos farmacológicos hasta grandes biomoléculas. La espectrometría de masas se utiliza en biomedicina, ciencia de los Alimentos, seguridad nacional, Biologia de sistemas, descubrimiento de fármacos y otras áreas.

Pero en las técnicas convencionales de espectrometría de masas por electropulverización, hasta el 99 por ciento de la muestra puede desperdiciarse durante la ionización, dijo Fernández, quien ocupa la Cátedra de la Fundación Vasser Woolley en Química Bioanalítica. Eso se debe principalmente a que en los sistemas convencionales, el proceso de análisis masivo es pulsado o escaneado, mientras que la ionización de las muestras es continua. La nueva fuente de energía pulsada TENG permite a los científicos cronometrar la ionización para que coincida con lo que está sucediendo dentro del espectrómetro de masas. específicamente dentro de un componente conocido como analizador de masas.

Más allá de la sensibilidad mejorada y la capacidad de analizar cantidades de muestra muy pequeñas, la nueva técnica también permite la deposición de iones en superficies, incluso los no conductores. Eso es porque la ionización oscilante produce una secuencia de cargas alternas positivas y negativas, produciendo una superficie neta neutra, Fernández dijo.

Los espectrómetros de masas requieren grandes cantidades de energía para crear el vacío esencial para medir la relación masa-carga de cada molécula. Si bien es posible que los futuros dispositivos TENG puedan alimentar un espectrómetro de masas en miniatura completo, los dispositivos TENG ahora se utilizan solo para ionizar muestras.

"Los nanogeneradores podrían eliminar una gran parte del sistema de espectrómetro de masas porque no necesitarían un dispositivo más potente para producir los iones". Fernández dijo. "Esto podría ser particularmente aplicable a condiciones que son extremas y duras, como en un campo de batalla o en el espacio, donde necesitaría una unidad muy robusta y autónoma ".

Nanogeneradores triboeléctricos, desarrollado por Wang en 2012, utilizar una combinación del efecto triboeléctrico y la inducción electrostática para generar pequeñas cantidades de energía eléctrica a partir del movimiento mecánico, como la rotación, deslizamiento o vibración. El efecto triboeléctrico aprovecha el hecho de que ciertos materiales se cargan eléctricamente después de entrar en contacto móvil con una superficie hecha de un material diferente. Wang y su equipo de investigación han desarrollado TENG con cuatro modos de trabajo diferentes, incluyendo un disco giratorio que puede ser ideal para experimentos de espectrometría de masas de alto rendimiento. Este artículo es la primera publicación sobre una aplicación de TENG a un instrumento avanzado.

El equipo de Wang ha medido niveles de voltaje en el ionizador de especificación de masas de entre 6, 000 y 8, 000 voltios. Los ionizadores estándar normalmente funcionan a menos de 1, 500 voltios. La tecnología se ha utilizado tanto con ionización por electropulverización como con ionización por descarga de plasma, con la flexibilidad de generar pulsos de iones de polaridad única o alterna.

"Debido a que el voltaje de estos nanogeneradores es alto, Creemos que el tamaño de las gotas de muestra puede ser mucho menor que con la forma convencional de hacer iones, Fernández dijo. Eso aumenta la eficiencia de generación de iones. Estamos operando en un régimen de electropulverización completamente diferente, y podría cambiar completamente la forma en que se utiliza esta tecnología ".

La tecnología TENG podría adaptarse a los espectrómetros de masas existentes, como ya ha hecho Fernández en su laboratorio. Con la publicación del artículo de la revista, espera que otros laboratorios comiencen a explorar el uso de los dispositivos TENG en espectrometría de masas y otras áreas. "Veo potencial no solo en la química analítica, pero también en síntesis, electroquímica y otras áreas que requieren una forma controlada de producir cargas eléctricas, "Dijo Fernández.

La investigación fue iniciada por becarios postdoctorales en los dos grupos de laboratorio, Anyin Li y Yunlong Zi. "Este proyecto realmente muestra cómo la innovación puede ocurrir en los límites entre diferentes disciplinas cuando los científicos son libres de perseguir nuevas ideas, ", Agregó Fernández.