一種離子源裝置、產生離子脈沖的方法、應用和質譜儀制造方法及圖紙

本發明專利技術提供一種離子源裝置、產生離子脈沖的方法，以及在材料分析、材料沉積和/或表面處理中的應用和質譜儀。該裝置包括摩擦納米發電機和離子源，其中，所述摩擦納米發電機為所述離子源提供電源。利用摩擦納米發電機高的輸出電壓能夠產生單極性的或者正負交替極性的離子脈沖，實現在質譜分析等系統中定量的控制總的離子化電荷，在分析過程中，不僅分辨率高，噴霧離子的持續時間、脈沖頻率和極性都可以調節，而且能夠使樣品的消耗降到最低。可以用來分析各種化學成分，并且天然蛋白的構象能夠得到很好的保存。

Ion source device, method for producing ion pulse, application and mass spectrometer

The present invention provides an ion source device, a method of generating an ion pulse, and an application and a mass spectrometer for material analysis, material deposition and / or surface treatment. The device comprises a friction nano generator and an ion source, wherein the friction nano generator provides power for the ion source. The output voltage of the high friction nano generator can produce unipolar or alternating positive and negative ion polarity pulse, quantitative mass spectrometry analysis in the control system of the total ionization charge, in the analysis process, not only high resolution, continuous time, ion spray and the polarity of the pulse frequency can be adjusted, but also can make sample consumption to a minimum. It can be used to analyze a variety of chemical components, and the conformation of natural proteins can be well preserved.

【技術實現步驟摘要】
一種離子源裝置、產生離子脈沖的方法、應用和質譜儀
本專利技術涉及電源領域，特別涉及為分析儀器離子源裝置、產生離子脈沖的方法，以及在材料分析、材料沉積和/或表面處理中的應用和質譜儀。
技術介紹
由于質譜分析儀的高靈敏度和無法超越的分子獨特性，在生物醫藥、食品科學、系統生物學、藥物鑒定等各領域中都是一個關鍵性的分析工具。作為質譜分析之前的一個環節，需要在離子源上加上一個電壓來(這個電壓通常作為基礎標準參數)將中性的物質轉化為氣相的離子。但是，這個過程中產生的離子量跟施加的電壓值并不存在一個直接的關系，這是因為，分子質譜分析系統中的離子源通常采用直流電源供電，用戶無法控制總的電荷產生量。因此在中性物質離子化過程中，控制電荷的量經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、電荷探測和其他先進的離子分析系統的使用，使得大部分的直流電產生的離子都被浪費了。這樣一來，通過nA至uA量級的電流產生的離子，實際上只有pA的量級到達了質譜分析部件中。所有這些復雜的東西的使用，極大影響了樣品的利用效率，限制了其探測極限、定量性和工作周期。此外，傳統用來為離子源供能的高電壓源存在很多缺點，例如價格昂貴，不夠便攜，安全性低。許多特制的電子原件例如高壓開關和變壓器需要在更為精密的高電壓脈沖、介電層極化、或電容誘導驅動的電子噴霧離子化模式中使用到。最近報道的電荷脈沖觸發電子噴霧離子化為開發更為簡單、更為耐用、可重復控制的離子化過程提供了一種有效的途徑。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種實現在質譜分析等系統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離子化過程中，離子源無法控制電荷的量的問題。為了實現上述目的，本專利技術提供一種離子源裝置，包括摩擦納米發電機和離子源，其中，所述摩擦納米發電機為所述離子源提供電源。根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述摩擦納米發電機為垂直接觸分離模式(CS)摩擦納米發電機，其結構為：包括兩個相對運動部件，其中，第一部件包括摩擦層和設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運動時，帶動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電機的輸出端，第一電極層和第二電極層的邊緣之間連接運動觸發的開關，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候重置其靜電狀態，以產生單極性的電荷脈沖。優選的，所述摩擦納米發電機為平行滑動模式(LS)、單電極接觸結構(SEC)、滑動式摩擦層自由移動結構(SFT)或接觸式摩擦層自由移動結構(CFT)。優選的，還包括整流元件，用于將所述摩擦納米發電機產生的交替極性的電荷脈沖轉變為單極性的電荷脈沖，提供給所述離子源。優選的，還包括調節電阻，所述調節電阻與所述離子源串聯連接在所述摩擦納米發電機的兩個電極上。優選的，所述調節電阻的阻值范圍可以為0.001GΩ-10GΩ；優選為1.25GΩ、1GΩ或0.5GΩ。優選的，所述摩擦納米發電機提供的電壓為5KV-9KV。優選的，所述離子源用于納電子噴霧離子化或等離子放電離子化。還提供一種產生離子脈沖的方法，采用摩擦納米發電機為離子源提供電源，超過所述離子源的開啟壓時產生離子脈沖。優選的，與所述離子源串聯連接調節電阻。優選的，所述調節電阻的阻值范圍為0.001GΩ-10GΩ。優選的，所述摩擦納米發電機產生的交替極性的電荷脈沖通過整流元件轉變為單極性的電荷脈沖，提供給所述離子源。優選的，通過機械驅動所述摩擦納米發電機來控制所述離子脈沖信號的持續時間、極性或頻率特性。提供一種質譜儀，包括上述任一項中所述的離子源裝置。優選的，所述摩擦納米發電機的驅動和質譜分析同步。優選的，將正負離子的交變極性噴霧和雙向切換的質譜模式結合。還提供，上述任一項中所述的離子源裝置、上述任一項中所述的產生離子脈沖的方法在材料沉積和/或表面處理中的應用。優選的，在材料沉積時，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，上述任一項中所述的離子源裝置、上述任一項中所述的產生離子脈沖的方法在材料分析中的應用。優選的，所述材料為可卡因、DNA、蛋白質、二甲基甲基膦酸酯(DMMP)、己胺或三硝基甲苯(TNT)。與現有技術相比，本專利技術的有益效果是：本專利技術利用摩擦納米發電機的輸出來實現在質譜分析系統中定量的控制總的離子化電荷。摩擦納米發電機高的輸出電壓能夠產生單極性的或者正負交替極性的離子脈沖，這對于納電子噴霧離子化(nano-ESI)和等離子體放電離子化來說是一種理想的方式。對于一個給定的納電子噴霧離子化發射器，在開啟電荷為1nC的情況下(開始噴射)，可以輸出能夠在1-5.5nC范圍內精確控制的離子脈沖。并且噴霧脈沖產生的頻率最高可以達到近17Hz(單脈沖時間低至60ms)，脈沖的持續時間可以在60ms-5.5s之間按需求來調節。通過摩擦納米發電機，噴霧離子的持續時間、脈沖頻率和極性都可以調節，并且能夠使樣品的消耗降到最低。摩擦納米發電機提供的(5KV-9KV)的高壓可以在低濃度下增強納電噴霧離子化的靈敏度，同時離子脈沖中少量的電荷能夠最大化樣品的利用率。可以實現極高的分析靈敏度。采用10pg/mL濃度的可卡因樣品，在樣品最少使用量每脈沖18pL的情況下實現了極高的質譜分析靈敏度(高達約0.6zeptomole,zepto:10-21)。利用摩擦納米發電機驅動的質譜分析儀，各種化學成分，小到有機分子，大到生物分子都可以成功的實現分析，并且天然蛋白的構象能夠得到很好的保存。通過摩擦納米發電機觸發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電和絕緣基底表面。附圖說明附圖是用來提供對本專利技術的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用于解釋本專利技術，但并不構成對本專利技術的限制。在附圖中：圖1a至圖1e為5種結構摩擦納米發電機的結構示意圖；圖2和圖3分別展示了CS-TENG和SF-TENG的工作機理；圖4為整個噴射系統的等效電路圖；圖5為TENG對于離子源的充電過程示意圖；圖6為采用CS-TENG驅動的發射器的離子化脈沖的時間電荷曲線；圖7為采用SF模式的TENG調控的按需求的長短持續時間控制、高頻率脈沖的總離子圖譜；圖8為采用SF-TENG驅動產生的交變極性的噴霧脈沖和SF-TENG整流后產生的單極性噴霧脈沖的總離子圖譜；圖9為帶電噴霧在通過掩模板的空隙孔后，被聚焦或散焦示意圖；圖10為將AlexaFluor488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晶斑點照片。具體實施方式以下結合附圖對本專利技術的具體實施方式進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用于說明和解釋本專利技術，并不用于限制本專利技術。摩擦納米發電機(TENG)作為一種可持續的供能源，能夠將環境中的機械能轉化為電能。摩擦納米發電機(TENG)由兩個電極和至少一對摩擦電材料層構成。這些摩擦層之間的相對機械運動打破了初始的靜電平衡，感應電荷在電極上重新分布，這樣就在外接回路中產生電荷的輸出。將TENG應用在自驅動系統中，展示了其在生物醫療科學和個人電本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種離子源裝置，其特征在于，包括摩擦納米發電機和離子源，其中，所述摩擦納米發電機為所述離子源提供電源。

【技術特征摘要】
1.一種離子源裝置，其特征在于，包括摩擦納米發電機和離子源，其中，所述摩擦納米發電機為所述離子源提供電源。2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述摩擦納米發電機為垂直接觸分離模式(CS)摩擦納米發電機，其結構為：包括兩個相對運動部件，其中，第一部件包括摩擦層和設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運動時，帶動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電機的輸出端，第一電極層和第二電極層的邊緣之間連接運動觸發的開關，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候重置其靜電狀態，以產生單極性的電荷脈沖。3.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述摩擦納米發電機為平行滑動模式(LS)、單電極接觸結構(SEC)、滑動式摩擦層自由移動結構(SFT)或接觸式摩擦層自由移動結構(CFT)。4.根據權利要求2所述的裝置，其特征在于，還包括整流元件，用于將所述摩擦納米發電機產生的交替極性的電荷脈沖轉變為單極性的電荷脈沖，提供給所述離子源。5.根據權利要求1-4中任一項所述的裝置，其特征在于，還包括調節電阻，所述調節電阻與所述離子源串聯連接在所述摩擦納米發電機的兩個電極上。6.根據權利要求5所述的裝置，其特征在于，所述調節電阻的阻值范圍可以為0.001GΩ-10GΩ；優選為1.25GΩ、1GΩ或0.5GΩ。7.根據權利要求1-6中任一項所述的裝置，其特征在于，所述摩擦納米發電機提供的電壓為5KV-9KV。8.根據權利要求1-7中任一項所述的裝置，其特征在于...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王中林，訾云龍，李安寅，郭恒宇，F·M·費爾南德茲，
申請(專利權)人：北京納米能源與系統研究所，
類型：發明
國別省市：北京,11