本發(fā)明涉及電源領(lǐng)域，特別涉及為分析儀器離子源裝置、產(chǎn)生離子脈沖的方法，以及在材料分析、材料沉積和/或表面處理中的應(yīng)用和質(zhì)譜儀。

背景技術(shù)：

由于質(zhì)譜分析儀的高靈敏度和無(wú)法超越的分子獨(dú)特性，在生物醫(yī)藥、食品科學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)、藥物鑒定等各領(lǐng)域中都是一個(gè)關(guān)鍵性的分析工具。作為質(zhì)譜分析之前的一個(gè)環(huán)節(jié)，需要在離子源上加上一個(gè)電壓來(lái)(這個(gè)電壓通常作為基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù))將中性的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣相的離子。但是，這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生的離子量跟施加的電壓值并不存在一個(gè)直接的關(guān)系，這是因?yàn)?，分子質(zhì)譜分析系統(tǒng)中的離子源通常采用直流電源供電，用戶無(wú)法控制總的電荷產(chǎn)生量。因此在中性物質(zhì)離子化過(guò)程中，控制電荷的量經(jīng)常是不可能的一件事情。

另外，由于脈沖的、離子陷阱的低自然占空比，離子遷移率、菲涅爾變換、電荷探測(cè)和其他先進(jìn)的離子分析系統(tǒng)的使用，使得大部分的直流電產(chǎn)生的離子都被浪費(fèi)了。這樣一來(lái)，通過(guò)nA至uA量級(jí)的電流產(chǎn)生的離子，實(shí)際上只有pA的量級(jí)到達(dá)了質(zhì)譜分析部件中。所有這些復(fù)雜的東西的使用，極大影響了樣品的利用效率，限制了其探測(cè)極限、定量性和工作周期。

此外，傳統(tǒng)用來(lái)為離子源供能的高電壓源存在很多缺點(diǎn)，例如價(jià)格昂貴，不夠便攜，安全性低。許多特制的電子原件例如高壓開(kāi)關(guān)和變壓器需要在更為精密的高電壓脈沖、介電層極化、或電容誘導(dǎo)驅(qū)動(dòng)的電子噴霧離子化模式中使用到。最近報(bào)道的電荷脈沖觸發(fā)電子噴霧離子化為開(kāi)發(fā)更為簡(jiǎn)單、更為耐用、可重復(fù)控制的離子化過(guò)程提供了一種有效的途徑。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種實(shí)現(xiàn)在質(zhì)譜分析等系統(tǒng)中定量的控制總的離子化電荷的離子源裝置，克服了采用直流高壓電源在中性物質(zhì)離子化過(guò)程中，離子源無(wú)法控制電荷的量的問(wèn)題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種離子源裝置，包括摩擦納米發(fā)電機(jī)和離子源，其中，所述摩擦納米發(fā)電機(jī)為所述離子源提供電源。

根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述摩擦納米發(fā)電機(jī)為垂直接觸分離模式(CS)摩擦納米發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)為：

包括兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件，其中，第一部件包括摩擦層和設(shè)置在所述摩擦層上的第一電極層，第二部件包括第二電極層，在第一部件與第二部件互相垂直接觸分離相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)第二電極層與摩擦層互相接觸和分離，第一電極層和第二電極層為摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出端，第一電極層和第二電極層的邊緣之間連接運(yùn)動(dòng)觸發(fā)的開(kāi)關(guān)，在第一部件與第二部件互相垂直接觸分離到足夠距離后用以在摩擦層與第二電極層兩摩擦層接觸的時(shí)候重置其靜電狀態(tài)，以產(chǎn)生單極性的電荷脈沖。

優(yōu)選的，所述摩擦納米發(fā)電機(jī)為平行滑動(dòng)模式(LS)、單電極接觸結(jié)構(gòu)(SEC)、滑動(dòng)式摩擦層自由移動(dòng)結(jié)構(gòu)(SFT)或接觸式摩擦層自由移動(dòng)結(jié)構(gòu)(CFT)。

優(yōu)選的，還包括整流元件，用于將所述摩擦納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交替極性的電荷脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)閱螛O性的電荷脈沖，提供給所述離子源。

優(yōu)選的，還包括調(diào)節(jié)電阻，所述調(diào)節(jié)電阻與所述離子源串聯(lián)連接在所述摩擦納米發(fā)電機(jī)的兩個(gè)電極上。

優(yōu)選的，所述調(diào)節(jié)電阻的阻值范圍可以為0.001GΩ-10GΩ；優(yōu)選為1.25GΩ、1GΩ或0.5GΩ。

優(yōu)選的，所述摩擦納米發(fā)電機(jī)提供的電壓為5KV-9KV。

優(yōu)選的，所述離子源用于納電子噴霧離子化或等離子放電離子化。

還提供一種產(chǎn)生離子脈沖的方法，采用摩擦納米發(fā)電機(jī)為離子源提供電源，超過(guò)所述離子源的開(kāi)啟壓時(shí)產(chǎn)生離子脈沖。

優(yōu)選的，與所述離子源串聯(lián)連接調(diào)節(jié)電阻。

優(yōu)選的，所述調(diào)節(jié)電阻的阻值范圍為0.001GΩ-10GΩ。

優(yōu)選的，所述摩擦納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交替極性的電荷脈沖通過(guò)整流元件轉(zhuǎn)變?yōu)閱螛O性的電荷脈沖，提供給所述離子源。

優(yōu)選的，通過(guò)機(jī)械驅(qū)動(dòng)所述摩擦納米發(fā)電機(jī)來(lái)控制所述離子脈沖信號(hào)的持續(xù)時(shí)間、極性或頻率特性。

提供一種質(zhì)譜儀，包括上述任一項(xiàng)中所述的離子源裝置。

優(yōu)選的，所述摩擦納米發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和質(zhì)譜分析同步。

優(yōu)選的，將正負(fù)離子的交變極性噴霧和雙向切換的質(zhì)譜模式結(jié)合。

還提供，上述任一項(xiàng)中所述的離子源裝置、上述任一項(xiàng)中所述的產(chǎn)生離子脈沖的方法在材料沉積和/或表面處理中的應(yīng)用。

優(yōu)選的，在材料沉積時(shí)，采用交變極性電噴霧脈沖逐層沉積在絕緣基片表面。

還提供，上述任一項(xiàng)中所述的離子源裝置、上述任一項(xiàng)中所述的產(chǎn)生離子脈沖的方法在材料分析中的應(yīng)用。

優(yōu)選的，所述材料為可卡因、DNA、蛋白質(zhì)、二甲基甲基膦酸酯(DMMP)、己胺或三硝基甲苯(TNT)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明利用摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)在質(zhì)譜分析系統(tǒng)中定量的控制總的離子化電荷。摩擦納米發(fā)電機(jī)高的輸出電壓能夠產(chǎn)生單極性的或者正負(fù)交替極性的離子脈沖，這對(duì)于納電子噴霧離子化(nano-ESI)和等離子體放電離子化來(lái)說(shuō)是一種理想的方式。對(duì)于一個(gè)給定的納電子噴霧離子化發(fā)射器，在開(kāi)啟電荷為1nC的情況下(開(kāi)始噴射)，可以輸出能夠在1-5.5nC范圍內(nèi)精確控制的離子脈沖。并且噴霧脈沖產(chǎn)生的頻率最高可以達(dá)到近17Hz(單脈沖時(shí)間低至60ms)，脈沖的持續(xù)時(shí)間可以在60ms-5.5s之間按需求來(lái)調(diào)節(jié)。

通過(guò)摩擦納米發(fā)電機(jī)，噴霧離子的持續(xù)時(shí)間、脈沖頻率和極性都可以調(diào)節(jié)，并且能夠使樣品的消耗降到最低。摩擦納米發(fā)電機(jī)提供的(5KV-9KV)的高壓可以在低濃度下增強(qiáng)納電噴霧離子化的靈敏度，同時(shí)離子脈沖中少量的電荷能夠最大化樣品的利用率。可以實(shí)現(xiàn)極高的分析靈敏度。采用10pg/mL濃度的可卡因樣品，在樣品最少使用量每脈沖18pL的情況下實(shí)現(xiàn)了極高的質(zhì)譜分析靈敏度(高達(dá)約0.6zeptomole,zepto:10^-21)。

利用摩擦納米發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的質(zhì)譜分析儀，各種化學(xué)成分，小到有機(jī)分子，大到生物分子都可以成功的實(shí)現(xiàn)分析，并且天然蛋白的構(gòu)象能夠得到很好的保存。

通過(guò)摩擦納米發(fā)電機(jī)觸發(fā)的交變極性的電噴霧脈沖也可以被用到將材料以圖案化的方式沉積到導(dǎo)電和絕緣基底表面。

附圖說(shuō)明

附圖是用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書的一部分，與下面的具體實(shí)施方式一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1a至圖1e為5種結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2和圖3分別展示了CS-TENG和SF-TENG的工作機(jī)理；

圖4為整個(gè)噴射系統(tǒng)的等效電路圖；

圖5為TENG對(duì)于離子源的充電過(guò)程示意圖；

圖6為采用CS-TENG驅(qū)動(dòng)的發(fā)射器的離子化脈沖的時(shí)間電荷曲線；

圖7為采用SF模式的TENG調(diào)控的按需求的長(zhǎng)短持續(xù)時(shí)間控制、高頻率脈沖的總離子圖譜；

圖8為采用SF-TENG驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的交變極性的噴霧脈沖和SF-TENG整流后產(chǎn)生的單極性噴霧脈沖的總離子圖譜；

圖9為帶電噴霧在通過(guò)掩模板的空隙孔后，被聚焦或散焦示意圖；

圖10為將Alexa Fluor 488熒光正方形陣列沉積在絕緣玻璃蓋玻片上的照片；

圖11為在絕緣聚酰亞胺帶上沉積的圖案化結(jié)晶斑點(diǎn)照片。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的具體實(shí)施方式僅用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。

摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)作為一種可持續(xù)的供能源，能夠?qū)h(huán)境中的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)由兩個(gè)電極和至少一對(duì)摩擦電材料層構(gòu)成。這些摩擦層之間的相對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)打破了初始的靜電平衡，感應(yīng)電荷在電極上重新分布，這樣就在外接回路中產(chǎn)生電荷的輸出。將TENG應(yīng)用在自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，展示了其在生物醫(yī)療科學(xué)和個(gè)人電子設(shè)備領(lǐng)域巨大的應(yīng)用前景?；谀Σ疗痣姾挽o電感應(yīng)效應(yīng)，摩擦納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能具有確定的電荷量輸出特性(典型的輸出為每周期幾十到幾百uC/m²)，其輸出特性與功能材料的表面積成正比，并且在10M的長(zhǎng)時(shí)間周期工作下具有很好的穩(wěn)定輸出特性。這種在nC級(jí)別量化的電荷輸出性質(zhì)超越了傳統(tǒng)電源能夠達(dá)到的極限，這樣的一種獨(dú)特特性，極有可能作為一種在質(zhì)到電荷或則離子遷移率基礎(chǔ)分析應(yīng)用中解決電荷定量控制的離子產(chǎn)生器的簡(jiǎn)單方法。

本發(fā)明提供的作為離子源的驅(qū)動(dòng)電源的方法適用于所有摩擦納米發(fā)電機(jī)，這里僅列出5種結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機(jī)，

五種基本的結(jié)構(gòu)為垂直接觸分離模式(CS)、平行滑動(dòng)模式(LS)、單電極接觸結(jié)構(gòu)(SEC)、滑動(dòng)式摩擦層自由移動(dòng)結(jié)構(gòu)(SFT)和接觸式摩擦層自由移動(dòng)結(jié)構(gòu)(CFT)。下面參照附圖具體介紹每種模式發(fā)電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)：

垂直接觸分離模式(CS)摩擦納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖1a，兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件中，第一部件包括摩擦層a2和設(shè)置在摩擦層a2上的第一電極層a1，第二部件包括第二電極層a3，在第一部件與第二部件互相垂直接觸分離相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，第二電極層a3同時(shí)充當(dāng)另一個(gè)摩擦層，與摩擦層a2互相接觸和分離，摩擦層a2的材料與第二電極層a3的材料不同，第一電極層a1和第二電極層a3為摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出端，第一電極層a1和第二電極層a3之間連接外電路可以形成電信號(hào)輸出。第一電極層a1和第二電極層a3的邊緣之間連接運(yùn)動(dòng)觸發(fā)的開(kāi)關(guān)(S_c)，在第一部件與第二部件互相垂直接觸分離到足夠距離后用以在摩擦層a2與第二電極層a3兩摩擦層接觸的時(shí)候重置其靜電狀態(tài)，以產(chǎn)生單極性的電荷脈沖。

平行滑動(dòng)模式(LS)摩擦納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖1b，兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件中，第一部件包括摩擦層b2和設(shè)置在摩擦層b2上的第一電極層b1，第二部件包括第二電極層b3，在第一部件與第二部件互相平行滑動(dòng)時(shí)，第二電極層b3同時(shí)充當(dāng)另一個(gè)摩擦層，與摩擦層b2互相滑動(dòng)摩擦，摩擦層b2的材料與第二電極層b3的材料不同，第一電極層b1和第二電極層b2為摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出端，連接外電路可以形成電信號(hào)輸出。本發(fā)明中平行滑動(dòng)模式(LS)摩擦納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生交替極性的電荷脈沖，作為離子源的驅(qū)動(dòng)電源。

單電極接觸結(jié)構(gòu)(SEC)摩擦納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖1c，兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件中，第一部件包括摩擦層c2，第二部件包括第一電極層c1和第二電極層或等電位c3，在摩擦層c2與第二部件的第一電極層c1互相垂直接觸分離或者相對(duì)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，摩擦層c2的材料與第一電極層c1的材料不同，第一電極層c1和第二電極層c3為摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出端，連接外電路可以形成電信號(hào)輸出。本發(fā)明中單電極接觸結(jié)構(gòu)(SEC)摩擦納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生交替極性的電荷脈沖，作為離子源的驅(qū)動(dòng)電源。

滑動(dòng)式摩擦層自由移動(dòng)結(jié)構(gòu)(SFT)摩擦納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖1d，兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件中，第一部件包括摩擦層d2，第二部件包括互相分隔的第一電極層d1和第二電極層d3，在第一部件與第二部件互相滑動(dòng)時(shí)，摩擦層d2從第一電極層d1滑動(dòng)到第二電極層d3，第一電極層d1和第二電極層d3充當(dāng)另一個(gè)摩擦層，摩擦層d2的材料與第一電極層d1和第二電極層d3的材料不同，第一電極層d1和第二電極層d2為摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出端，連接外電路可以形成電信號(hào)輸出。本發(fā)明中滑動(dòng)式摩擦層自由移動(dòng)結(jié)構(gòu)(SFT)摩擦納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生交替極性的電荷脈沖，作為離子源的驅(qū)動(dòng)電源。

接觸式摩擦層自由移動(dòng)結(jié)構(gòu)(CFT)摩擦納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖1e，兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件中，第一部件包括摩擦層e2，第二部件包括互相分隔的第一電極層e1和第二電極層e3，摩擦層e2設(shè)置在第一電極層e1和第二電極層e3之間，摩擦層e2在兩個(gè)電極層之間運(yùn)動(dòng)分別與兩個(gè)電極層互相接觸分離，第一電極層d1或第二電極層d3充當(dāng)另一個(gè)摩擦層，摩擦層e2的材料與第一電極層e1和第二電極層e3的材料不同，第一電極層e1和第二電極層e3為摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出端，連接外電路可以形成電信號(hào)輸出。本發(fā)明中接觸式摩擦層自由移動(dòng)結(jié)構(gòu)(CFT)摩擦納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生交替極性的電荷脈沖，作為離子源的驅(qū)動(dòng)電源。

滑動(dòng)式摩擦層自由移動(dòng)結(jié)構(gòu)(SFT)和接觸式摩擦層自由移動(dòng)結(jié)構(gòu)(CFT)均為摩擦層自由移動(dòng)模式的摩擦納米發(fā)電機(jī)。

摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)的四種工作模式已經(jīng)被證實(shí)，每種模式有不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇，以適應(yīng)相應(yīng)的機(jī)械觸發(fā)條件。

下面結(jié)合附圖2至圖5，以垂直接觸分離模式(CS)摩擦納米發(fā)電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱CS-TENG)和滑動(dòng)式摩擦層自由移動(dòng)結(jié)構(gòu)(SFT)摩擦納米發(fā)電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱SF-TENG)為例，說(shuō)明摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出的電荷脈沖作為電源為與它們相耦合的納電噴霧離子化發(fā)射器提供電源的情況。其他三種結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機(jī)工作時(shí)與SF-TENG類似。

圖2中的CS-TENG和圖3中的SF-TENG分別被用來(lái)產(chǎn)生單極性和交替極性的電荷脈沖。為了產(chǎn)生單極性的電荷脈沖，一個(gè)運(yùn)動(dòng)觸發(fā)的開(kāi)關(guān)(S_c)被安裝在CS-TENG的邊緣，用以在兩摩擦層接觸的時(shí)候重置其靜電狀態(tài)。摩擦納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電荷用以提供給納電子噴霧離子化(簡(jiǎn)稱nano-ESI)發(fā)射器(納電噴霧發(fā)射器由針形圖來(lái)表示，豎直放置的長(zhǎng)方形代表一個(gè)用來(lái)收集離子電流的鋼片，離子電流大小通過(guò)一個(gè)皮安培計(jì)A測(cè)試)，或者施加在針尖電極上用以等離子體放電離子化。在等效電路圖4中，離子源(ion source)可以被視為：在超過(guò)開(kāi)啟壓時(shí)，能夠通過(guò)空氣而漏電的等效電容(C₂)，其中空氣電阻用R_air表示，漏電狀態(tài)可以等效簡(jiǎn)化為一個(gè)開(kāi)關(guān)S。TENG的每個(gè)工作周期都會(huì)造成一次漏電，從而產(chǎn)生電噴霧離子脈沖。這些因漏電產(chǎn)生的噴霧離子可以通過(guò)電表(A)來(lái)測(cè)量，或者通過(guò)質(zhì)譜儀來(lái)分析。

實(shí)驗(yàn)中觀察到的TENG觸發(fā)的電噴霧，表明了nano-ESI發(fā)射器上達(dá)到了近1kV的開(kāi)啟電壓。圖5展示了TENG在給一個(gè)離子源(C_{ion Source})充電的過(guò)程中的V-Q模擬曲線，圖這Voc-Qsc線代表了TENG在提供了一定量電荷后的電壓。當(dāng)發(fā)射器連接上后，電荷會(huì)傳輸?shù)诫x子源針尖上直到開(kāi)啟電壓瞬間產(chǎn)生離子化。由于nano-ESI發(fā)射器的電容相當(dāng)小，因此僅需要很少量的電荷就能使發(fā)射器達(dá)到開(kāi)啟電壓(V_onset)。然后一定數(shù)量的電荷會(huì)通過(guò)電噴霧離子的形式釋放掉，直到TENG的電壓降到開(kāi)啟電壓之下，這一過(guò)程由V_onset-Q_pulse的線表示。在達(dá)到這個(gè)開(kāi)啟電壓之后，被觸發(fā)的電子噴霧將會(huì)釋放如圖5中所示的一部分電荷(Q_pulse)，直到TENG的電壓降至開(kāi)啟電壓以下。如圖6中的測(cè)試的時(shí)間電荷曲線所示，證明了CS-TENG中這些離散的有用電荷能夠確保產(chǎn)生離子脈沖的高可重復(fù)性。與在傳統(tǒng)的脈沖電噴霧模式中通過(guò)稍微高于開(kāi)啟電壓的直流電壓源供電產(chǎn)生的隨機(jī)脈沖比較，CS-TENG能夠達(dá)到高很多的開(kāi)路電壓值，在錐尖噴射模式中產(chǎn)生的噴霧脈沖可以適用于各種需要的應(yīng)用。

為了定量的控制離子脈沖中離子的量(用Q_pulse)，如圖5中定性的物理模型可知，可以通過(guò)調(diào)節(jié)TENG的輸出性能，或則調(diào)節(jié)離子源的開(kāi)啟電壓來(lái)得以實(shí)現(xiàn)。對(duì)于一個(gè)給定TENG和發(fā)射器的裝置系統(tǒng)，可以通過(guò)如圖4中串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻R₁來(lái)降低加在離子源上的有效電壓，調(diào)節(jié)電阻R₁與離子源串聯(lián)連接，這等效于增加開(kāi)路電壓的方式來(lái)降低脈沖中的離子量。調(diào)節(jié)電阻R₁的阻值范圍可以為0.001GΩ至10GΩ，適用于所有結(jié)構(gòu)的TENG。如圖6中，分別采用1.25GΩ、1GΩ、0.5GΩ和0的調(diào)節(jié)電阻R₁分別能夠得到離子量為1.0，2.8，3.5和5.5nC的脈沖噴霧。在開(kāi)啟噴射情況下，對(duì)應(yīng)約1nC的開(kāi)啟電荷。如圖6所示，成功的噴射和不成功的下凹漣漪會(huì)有相同的產(chǎn)生概率。通過(guò)漣漪電荷的大小(漣漪作為最低值和噴霧作為最高值之間)可以估算出nano-ESI發(fā)射器的電容大小。在開(kāi)啟電壓為1000V的時(shí)候，針尖內(nèi)徑為2微米的發(fā)射器其電容值估計(jì)在0.3-1pF范圍。同樣的，一個(gè)內(nèi)徑為20微米的稍大發(fā)射器在1600V的開(kāi)啟電壓下，其電容估計(jì)為0.3-2.5pF。

除了能夠通過(guò)以上方法來(lái)控制離子化的電量，不同方向、速度或者頻率的機(jī)械驅(qū)動(dòng)的TENG也可以用來(lái)控制噴射離子脈沖信號(hào)的持續(xù)時(shí)間、極性和頻率等特性。使用CS-TENG，所有的電荷幾乎是在兩個(gè)摩擦層分離的短暫時(shí)間內(nèi)同時(shí)產(chǎn)生的。這樣一來(lái)，由于nano-ESI脈沖的持續(xù)時(shí)間主要是依靠在開(kāi)啟電壓之上的有效電荷來(lái)確定，這樣在不改變TENG尺寸的情況下，脈沖持續(xù)時(shí)間就不能簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)控制。但是對(duì)于SF-TENG來(lái)說(shuō)，其電荷的產(chǎn)生是在兩個(gè)摩擦面移動(dòng)的過(guò)程中不斷產(chǎn)生的。利用SF-TENG的這個(gè)特性，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)緩慢滑動(dòng)的方式來(lái)延長(zhǎng)噴霧脈沖，或則快速的切換滑動(dòng)的方向來(lái)提高噴霧脈沖的頻率。如圖7所示，通過(guò)質(zhì)譜儀的記錄，采用SF-TENG調(diào)控的按需求的長(zhǎng)短持續(xù)時(shí)間控制，高頻率脈沖的總離子圖譜，單個(gè)噴霧脈沖的時(shí)間可以在>5s到<75ms的范圍內(nèi)通過(guò)以上方式來(lái)調(diào)節(jié)。當(dāng)噴霧脈沖的頻率快于質(zhì)譜儀的采樣間隔，可以觀測(cè)到如圖中一個(gè)視乎連續(xù)的圖譜(圖7中最下部圖)。SF-TENG的突出特點(diǎn)在于能夠產(chǎn)生如圖8中所示的交變極性的噴霧脈沖，這個(gè)特性對(duì)于在UHPLC-MS(超高性能液相色譜-質(zhì)譜)和質(zhì)譜成像中提高分析物的覆蓋范圍提供了一種有效的途徑。當(dāng)在SF-TENG輸出端加上二極管整流橋等整流元件后，SF-TENG也能按需要產(chǎn)生單極性的噴霧脈沖(圖8中下部圖)。

本發(fā)明首次基于摩擦納米發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的質(zhì)譜分析中的離子源，成功的實(shí)現(xiàn)了納電子噴霧離子化和等離子放電離子化。摩擦納米發(fā)電機(jī)固定的電荷輸出特性提供了一種空前的對(duì)于離子產(chǎn)生的控制途徑。

由于TENG的分離電荷輸出，脈沖電噴霧離子信號(hào)輸出具有高重復(fù)性。在典型的實(shí)驗(yàn)中，質(zhì)譜的取樣頻率比脈沖產(chǎn)生的頻率高，總離子計(jì)時(shí)信號(hào)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差(RSD)只有3％。在微摩爾的濃度下，多種分析物在TENG驅(qū)動(dòng)的ESI質(zhì)譜和傳統(tǒng)的ESI靈敏度相當(dāng)。但是，在濃度接近檢測(cè)極限(LOD)時(shí)，TENG驅(qū)動(dòng)的ESI比傳統(tǒng)的ESI性能更好。例如，當(dāng)用平行反應(yīng)檢測(cè)模式下(m/z＝182的前驅(qū)物離子)分析稀釋后的10pg/ml可卡因樣品，標(biāo)準(zhǔn)直流(1-2千伏)ESI不能產(chǎn)生任何可以檢測(cè)的碎片離子。相比之下，使用相同的ESI噴霧器，SF-TENG(開(kāi)路電壓5-9千伏)驅(qū)動(dòng)的ESI可以在同樣濃度下能夠產(chǎn)生可檢測(cè)到的信號(hào)。而如果使用CS-TENG(開(kāi)路電壓1.6千伏)則不能做到，因此這種靈敏度的提高來(lái)自于SF-TENG的高電壓。需要指出的是：如果5-9千伏的直流電壓加在ESI上面，噴霧器會(huì)被電暈放電(閾值電壓2-2.5千伏)永久性的損壞。類似的靈敏度提升也可以在肽鏈的負(fù)離子模式分析中觀察到。長(zhǎng)時(shí)間的樣品消耗時(shí)間顯示了13.7nL的可卡因樣品(10pg/mL)會(huì)在748個(gè)噴霧脈沖中消耗掉，每個(gè)脈沖平均持續(xù)1.60±0.05秒。相對(duì)應(yīng)的每個(gè)脈沖消耗18pL，平均流量11pL/s。每個(gè)噴霧脈沖相對(duì)應(yīng)約0.6×10^-21摩爾(0.6zmol約360個(gè)分子)。

平行反應(yīng)檢測(cè)的質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致在m/z182.118在沒(méi)有分析物離子下沒(méi)有“噪聲”，因此使得估計(jì)信噪比LOD變得不可能。為了準(zhǔn)確估計(jì)LOD，我們使用了一種信號(hào)檢測(cè)概率的方法。實(shí)驗(yàn)顯示了隨著減少濃度而減少的碎片濃度檢測(cè)頻率，在m/z為182.118、105.034和150.092下，從13％到68％。對(duì)于m/z182.118碎片離子，對(duì)應(yīng)檢測(cè)概率50％和95％的可卡因濃度分別為8pg/mL(0.5zmol)和21pg/mL(1.3zmol)。實(shí)驗(yàn)證明如果能夠把TENG的驅(qū)動(dòng)和質(zhì)譜分析同步，那么這些性能可以進(jìn)一步提高。當(dāng)把SF-TENG ESI質(zhì)譜產(chǎn)生正負(fù)離子的交變極性噴霧和一個(gè)雙向切換的質(zhì)譜模式結(jié)合，同一實(shí)驗(yàn)可以產(chǎn)生兩套信息，被用于氨基酸混合物和蛋白質(zhì)樣品的分析中。對(duì)于蛋白質(zhì)，在用SF-TENG下，溶液相的構(gòu)象可以仍然保留。除了蛋白質(zhì)，其它生物分子例如DNA也可以從液相溶液中產(chǎn)生離子。傳統(tǒng)的直流高壓電源破壞性的電暈放電，作為一個(gè)液相電噴霧在高壓下的一個(gè)大問(wèn)題，在使用TENG過(guò)程中從來(lái)沒(méi)有發(fā)生過(guò)，這是因?yàn)橄鄬?duì)應(yīng)的短路電荷分別僅有約120納庫(kù)(nC)和140納庫(kù)(nC)。這里如果使用一個(gè)不銹鋼放電針?lè)旁谕瑯游恢?離質(zhì)譜儀入口5毫米)，連接在同樣的SF-TENG上，也不會(huì)產(chǎn)生電暈放電，這和ESI離子噴霧的結(jié)果相吻合。如果將針尖和質(zhì)譜的位置調(diào)整到1.5毫米，會(huì)產(chǎn)生高重復(fù)性的等離子體放電的離子信號(hào)，尖端RSD具有7％。對(duì)于目標(biāo)化合物的離子化，例如二甲基甲基膦酸酯(DMMP)、己胺和三硝基甲苯(TNT)，可以用正負(fù)雙模式下等離子體分析。

不僅僅是質(zhì)譜分析，TENG驅(qū)動(dòng)離子源獲得的離子束和帶電液滴也可以在材料制備和/或表面處理上發(fā)揮重要作用。在一個(gè)大氣壓下，具體的化合物能夠被傳輸?shù)奖砻嫔?，可以?yīng)用在微陣列測(cè)定和功能化表面上。使用SF-TENG，通過(guò)用交變極性分離電荷波包，可以達(dá)到在導(dǎo)電和絕緣表面無(wú)鞘的電噴霧沉積。一般來(lái)說(shuō)，在絕緣表面的電噴霧沉積會(huì)被靜電排斥效應(yīng)所阻擋，通常為了實(shí)現(xiàn)持續(xù)沉積，采用電中性的方法，例如采用轉(zhuǎn)換單向噴霧和反向電暈放電方法。用SF-TENG驅(qū)動(dòng)的ESI，交變極性電噴霧脈沖可以被一層層的逐層沉積在絕緣基片表面。可以使用COMSOL Multiphysics電勢(shì)模擬具體過(guò)程：第一次正向沉積之后，沉積表面電勢(shì)升高，因此并沒(méi)有足夠的電壓繼續(xù)噴霧；然后SF-TENG反向運(yùn)動(dòng)，相反方向的電勢(shì)差建立起來(lái)，反向噴霧可以使得沉積表面相對(duì)中性；再反向沉積后，負(fù)電荷積累在沉積表面，降低的電勢(shì)使得噴霧停止，然后噴霧的電性繼續(xù)反向，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。當(dāng)通過(guò)掩膜版的空隙中沉積時(shí)，帶電噴霧的聚焦在接地的導(dǎo)電基片或者散焦到絕緣基片上(圖9)，例如，方塊的圖案可以被沉積在絕緣玻璃基片上(圖10)。類似的，在絕緣聚酰亞胺帶上，沉積的圖案化結(jié)晶斑點(diǎn)(約300μm)相比作為散焦效應(yīng)的結(jié)果的掩模板空隙的孔徑(約200μm)較大(圖11)，其他較小的可見(jiàn)點(diǎn)是粘上的氣泡和灰塵顆粒。

通過(guò)摩擦納米發(fā)電機(jī)觸發(fā)的交變極性的電噴霧脈沖，也可以被用到將材料以圖案化的方式沉積到導(dǎo)電和絕緣基底表面。

以上結(jié)合附圖詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種簡(jiǎn)單變型，這些簡(jiǎn)單變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。例如，各部件的形狀、材質(zhì)和尺寸的變化。

另外需要說(shuō)明的是，在上述具體實(shí)施方式中所描述的各個(gè)具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過(guò)任何合適的方式進(jìn)行組合。為了避免不必要的重復(fù)，本發(fā)明對(duì)各種可能的組合方式不再另行說(shuō)明。此外，本發(fā)明的各種不同的實(shí)施方式之間也可以進(jìn)行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明所公開(kāi)的內(nèi)容。