Sparsame Ionendüse
Triboelektrischer Nanogenerator ermöglicht hochgenaue Massenspektrometrie.
Aus vielen Bereichen sind Massenspektrometer nicht mehr wegzudenken. Dank ihrer extrem hohen Empfindlichkeit und ihrer Fähigkeit, Substanzen genau zu identifizieren, spielen sie in so unterschiedlichen Disziplinen wie Biologie, Chemie, Pharmazie, Materialwissenschaften und Sicherheitsanwendungen eine entscheidende Rolle. Dabei wird das zu untersuchende Material ionisiert, in einem Hochvakuum durch ein elektrisches Feld beschleunigt, durch ein Magnetfeld geschickt und schließlich nach seinem Verhältnis von Masse zu Ladung analysiert. So reichen sehr geringe Mengen einer Substanz bereits aus, um sie eindeutig zu bestimmen. Ein Manko beim gesamten Prozess ist jedoch, dass sich die Menge an analysiertem Material nicht exakt einstellen lässt. So entstehen üblicherweise Ionenströme von einigen Nano- bis Milliampere, von denen jedoch nur etliche Picoampere den Detektor erreichen.
Abb.: Dunkelfeldaufnahme des emittierten Nanoelektrosprays. (Bild: A. Li et al. / NPG)
Eine Forschergruppe um Zhong Lin Wang vom Georgia Institute of Technology in den USA hat nun einen neuartigen Nanogenerator entwickelt, der genau dieses Problem behebt und damit für eine noch höhere Nachweisempfindlichkeit, bessere Effizienz und schnellere Untersuchungen sorgen könnte. Da gängige Massenspektrometer hohe Spannungen und eine entsprechend aufwändige Elektrotechnik einsetzen, um ionisierte elektrische Sprays zu erzeugen, erhoffen sich die Forscher von ihren Nanogeneratoren zudem auch eine weitere Miniaturisierung und Vereinfachung bei höherer Bedienungssicherheit. Dabei konnten die Forscher eine Empfindlichkeit im Bereich von Zepto-
Die Nanogeneratoren bestehen aus zwei Elektroden und mindestens einem Paar triboelektrischer Schichten, die die Forscher aus dünnen Kupferfolien auf einem Kunststoffsubstrat fertigten. Durch mechanische Verschiebung dieser Schichten relativ zueinander entsteht eine Spannung an den Elektroden, die wiederum mit einer Nanospray-
Dank der hohen Spannung von triboelektrischen Nanogeneratoren von fünf bis neun Kilovolt konnten die Forscher sowohl Elektrospray-
Die Forscher entwickelten zwei unterschiedliche Typen von Nanogeneratoren. Der erste Typ arbeitet mit Ladungstrennung – ähnlich wie ein Plattenkondensator aus drei Scheiben, bei dem man eine der äußeren Scheiben senkrecht zu den anderen wegzieht. Der zweite Typ arbeitet mit paralleler Verschiebung. Dieser zweite Typ ermöglicht einerseits längere Pulse, wenn man die Platten langsam verschiebt, oder hochfrequente Pulse durch eine schnelle Hin-
Ein Molekül, das nicht zuletzt aufgrund von Sicherheitsanwendungen zum Test in niedrigen Konzentrationen dient, ist Kokain. Mittels moderner Massenspektrometrie können Forscher etwa anhand der Konzentration von Kokain oder verwandter Abbaustoffe in Flüssen den realen Konsum dieser Droge in großen Regionen abschätzen. Die Forscher um Wang untersuchten nun eine Probe mit einer sehr niedrig dosierten Kokainkonzentration von nur zehn Pikogramm pro Milliliter. Mit herkömmlichen Elektrospray-
Die Wissenschaftler wollen ihre Prototypen-Nanogenerator nun so weiterentwickeln, dass er sich für komplexe Aufgaben in der analytischen und Biochemie einsetzen lässt. Aufgrund seiner geringen Dimensionen eignet er sich auch für mobile Geräte. „Die triboelektrischen Nanogeneratoren eröffnen neue Möglichkeiten, um auch tragbare Massenspektrometer mit hoher Leistung auszustatten”, so Wang.
Dirk Eidemüller
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RK