Los nanogeneradores triboeléctricos TENG convierten la energía mecánica cosechada del medio ambiente en electricidad para alimentar dispositivos pequeños 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 sensibilidadde 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 la identificación con volúmenes de muestra más pequeños, potencialmenteconservar biomoléculas preciosas o mezclas químicas que pueden estar disponibles solo en pequeñas cantidades.
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 muestras oLa investigación, que fue apoyada por la National Science Foundation, el 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 Facultad 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 usando estos nanogeneradores, lo que nos permite alcanzar niveles de sensibilidad que son desconocidos, en la escala de zeptomoles. Podemos medir literalmente hasta cientos de moléculas sin etiquetar ".
Fernández y su equipo de investigación trabajaron con Zhong Lin Wang, un pionero en el desarrollo de la tecnología TENG. Wang, profesor de Regentes 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 ajustablesduración, polaridad y frecuencia.
"La clave aquí es que la carga total entregada en cada ciclo es completamente controlada y constante, independientemente de la velocidad a la que se active 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 futuros instrumentos y equipos. Esta investigación demuestra otro impacto práctico de la tecnología TENG ".
La espectrometría de masas mide la relación masa-carga de iones para identificar y cuantificar moléculas en mezclas simples y complejas. La tecnología se utiliza en una amplia gama de campos y aplicaciones científicas, con moléculas que van desde pequeños compuestos de drogas hastabiomoléculas grandes. La espectrometría de masas se utiliza en biomedicina, ciencias de los alimentos, seguridad nacional, biología de sistemas, descubrimiento de fármacos y otras áreas.
Pero en las técnicas convencionales de especificación 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. Esto se debe principalmente a que en los sistemas convencionales, el proceso de análisis de masas espulsada o escaneada, 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 sucede 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 las no conductoras. Esto se debe a que la ionización oscilante produce una secuencia de cargas positivas y negativas alternas, produciendo un neutro netosuperficie, dijo Fernández.
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 dispositivos TENG futuros puedan alimentar un espectrómetro de masas en miniatura completo, los dispositivos TENG ahora se usan solo paraionizar muestras
"Los nanogeneradores podrían eliminar una gran parte del sistema de espectrómetro de masas porque no necesitarían un dispositivo más potente para hacer los iones", dijo Fernández. "Esto podría ser particularmente aplicable a condiciones extremas y duras, comoen un campo de batalla o en el espacio, donde necesitarías una unidad muy robusta y autónoma ".
Los nanogeneradores triboeléctricos, desarrollados por Wang en 2012, utilizan una combinación del efecto triboeléctrico y la inducción electrostática para generar pequeñas cantidades de energía eléctrica a partir del movimiento mecánico, como rotación, deslizamiento o vibración. El efecto triboeléctrico aprovecha el hecho de que ciertos materialesse 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, incluido un disco giratorio que puede ser ideal para experimentos de espectrometría de masas de alto rendimiento.la primera publicación sobre una aplicación de TENG a un instrumento avanzado.
El equipo de Wang ha medido los niveles de voltaje en el ionizador de especificación de masa de entre 6,000 y 8,000 voltios. Los ionizadores estándar normalmente operan a menos de 1,500 voltios. La tecnología se ha utilizado tanto con ionización por electroaspersión como por ionización de descarga de plasma, con la flexibilidad de generar un solopolaridad o pulsos de iones de polaridad 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", dijo Fernández. "Eso aumenta la eficiencia de generación de iones. Estamos operando enun régimen de electrospray 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 lo hizo 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 ". Ivemos potencial no solo en química analítica, sino también en síntesis, electroquímica y otras áreas que requieren una forma controlada de producir cargas eléctricas ", dijo Fernández.
La investigación fue iniciada por becarios posdoctorales en los dos grupos de laboratorio, Anyin Li y Yunlong Zi. "Este proyecto realmente muestra cómo la innovación puede suceder en los límites entre las diferentes disciplinas cuando los científicos son libres de buscar nuevas ideas", agregó Fernández.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Original escrito por John Toon. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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