一种离子源装置、产生离子脉冲的方法、应用和质谱仪与流程

本发明涉及电源领域，特别涉及为分析仪器离子源装置、产生离子脉冲的方法，以及在材料分析、材料沉积和/或表面处理中的应用和质谱仪。

背景技术：

由于质谱分析仪的高灵敏度和无法超越的分子独特性，在生物医药、食品科学、系统生物学、药物鉴定等各领域中都是一个关键性的分析工具。作为质谱分析之前的一个环节，需要在离子源上加上一个电压来(这个电压通常作为基础标准参数)将中性的物质转化为气相的离子。但是，这个过程中产生的离子量跟施加的电压值并不存在一个直接的关系，这是因为，分子质谱分析系统中的离子源通常采用直流电源供电，用户无法控制总的电荷产生量。因此在中性物质离子化过程中，控制电荷的量经常是不可能的一件事情。

另外，由于脉冲的、离子陷阱的低自然占空比，离子迁移率、菲涅尔变换、电荷探测和其他先进的离子分析系统的使用，使得大部分的直流电产生的离子都被浪费了。这样一来，通过nA至uA量级的电流产生的离子，实际上只有pA的量级到达了质谱分析部件中。所有这些复杂的东西的使用，极大影响了样品的利用效率，限制了其探测极限、定量性和工作周期。

此外，传统用来为离子源供能的高电压源存在很多缺点，例如价格昂贵，不够便携，安全性低。许多特制的电子原件例如高压开关和变压器需要在更为精密的高电压脉冲、介电层极化、或电容诱导驱动的电子喷雾离子化模式中使用到。最近报道的电荷脉冲触发电子喷雾离子化为开发更为简单、更为耐用、可重复控制的离子化过程提供了一种有效的途径。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种实现在质谱分析等系统中定量的控制总的离子化电荷的离子源装置，克服了采用直流高压电源在中性物质离子化过程中，离子源无法控制电荷的量的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种离子源装置，包括摩擦纳米发电机和离子源，其中，所述摩擦纳米发电机为所述离子源提供电源。

根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述摩擦纳米发电机为垂直接触分离模式(CS)摩擦纳米发电机，其结构为：

包括两个相对运动部件，其中，第一部件包括摩擦层和设置在所述摩擦层上的第一电极层，第二部件包括第二电极层，在第一部件与第二部件互相垂直接触分离相对运动时，带动第二电极层与摩擦层互相接触和分离，第一电极层和第二电极层为摩擦纳米发电机的输出端，第一电极层和第二电极层的边缘之间连接运动触发的开关，在第一部件与第二部件互相垂直接触分离到足够距离后用以在摩擦层与第二电极层两摩擦层接触的时候重置其静电状态，以产生单极性的电荷脉冲。

优选的，所述摩擦纳米发电机为平行滑动模式(LS)、单电极接触结构(SEC)、滑动式摩擦层自由移动结构(SFT)或接触式摩擦层自由移动结构(CFT)。

优选的，还包括整流元件，用于将所述摩擦纳米发电机产生的交替极性的电荷脉冲转变为单极性的电荷脉冲，提供给所述离子源。

优选的，还包括调节电阻，所述调节电阻与所述离子源串联连接在所述摩擦纳米发电机的两个电极上。

优选的，所述调节电阻的阻值范围可以为0.001GΩ-10GΩ；优选为1.25GΩ、1GΩ或0.5GΩ。

优选的，所述摩擦纳米发电机提供的电压为5KV-9KV。

优选的，所述离子源用于纳电子喷雾离子化或等离子放电离子化。

还提供一种产生离子脉冲的方法，采用摩擦纳米发电机为离子源提供电源，超过所述离子源的开启压时产生离子脉冲。

优选的，与所述离子源串联连接调节电阻。

优选的，所述调节电阻的阻值范围为0.001GΩ-10GΩ。

优选的，所述摩擦纳米发电机产生的交替极性的电荷脉冲通过整流元件转变为单极性的电荷脉冲，提供给所述离子源。

优选的，通过机械驱动所述摩擦纳米发电机来控制所述离子脉冲信号的持续时间、极性或频率特性。

提供一种质谱仪，包括上述任一项中所述的离子源装置。

优选的，所述摩擦纳米发电机的驱动和质谱分析同步。

优选的，将正负离子的交变极性喷雾和双向切换的质谱模式结合。

还提供，上述任一项中所述的离子源装置、上述任一项中所述的产生离子脉冲的方法在材料沉积和/或表面处理中的应用。

优选的，在材料沉积时，采用交变极性电喷雾脉冲逐层沉积在绝缘基片表面。

还提供，上述任一项中所述的离子源装置、上述任一项中所述的产生离子脉冲的方法在材料分析中的应用。

优选的，所述材料为可卡因、DNA、蛋白质、二甲基甲基膦酸酯(DMMP)、己胺或三硝基甲苯(TNT)。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用摩擦纳米发电机的输出来实现在质谱分析系统中定量的控制总的离子化电荷。摩擦纳米发电机高的输出电压能够产生单极性的或者正负交替极性的离子脉冲，这对于纳电子喷雾离子化(nano-ESI)和等离子体放电离子化来说是一种理想的方式。对于一个给定的纳电子喷雾离子化发射器，在开启电荷为1nC的情况下(开始喷射)，可以输出能够在1-5.5nC范围内精确控制的离子脉冲。并且喷雾脉冲产生的频率最高可以达到近17Hz(单脉冲时间低至60ms)，脉冲的持续时间可以在60ms-5.5s之间按需求来调节。

通过摩擦纳米发电机，喷雾离子的持续时间、脉冲频率和极性都可以调节，并且能够使样品的消耗降到最低。摩擦纳米发电机提供的(5KV-9KV)的高压可以在低浓度下增强纳电喷雾离子化的灵敏度，同时离子脉冲中少量的电荷能够最大化样品的利用率。可以实现极高的分析灵敏度。采用10pg/mL浓度的可卡因样品，在样品最少使用量每脉冲18pL的情况下实现了极高的质谱分析灵敏度(高达约0.6zeptomole,zepto:10^-21)。

利用摩擦纳米发电机驱动的质谱分析仪，各种化学成分，小到有机分子，大到生物分子都可以成功的实现分析，并且天然蛋白的构象能够得到很好的保存。

通过摩擦纳米发电机触发的交变极性的电喷雾脉冲也可以被用到将材料以图案化的方式沉积到导电和绝缘基底表面。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1a至图1e为5种结构摩擦纳米发电机的结构示意图；

图2和图3分别展示了CS-TENG和SF-TENG的工作机理；

图4为整个喷射系统的等效电路图；

图5为TENG对于离子源的充电过程示意图；

图6为采用CS-TENG驱动的发射器的离子化脉冲的时间电荷曲线；

图7为采用SF模式的TENG调控的按需求的长短持续时间控制、高频率脉冲的总离子图谱；

图8为采用SF-TENG驱动产生的交变极性的喷雾脉冲和SF-TENG整流后产生的单极性喷雾脉冲的总离子图谱；

图9为带电喷雾在通过掩模板的空隙孔后，被聚焦或散焦示意图；

图10为将Alexa Fluor 488荧光正方形阵列沉积在绝缘玻璃盖玻片上的照片；

图11为在绝缘聚酰亚胺带上沉积的图案化结晶斑点照片。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

摩擦纳米发电机(TENG)作为一种可持续的供能源，能够将环境中的机械能转化为电能。摩擦纳米发电机(TENG)由两个电极和至少一对摩擦电材料层构成。这些摩擦层之间的相对机械运动打破了初始的静电平衡，感应电荷在电极上重新分布，这样就在外接回路中产生电荷的输出。将TENG应用在自驱动系统中，展示了其在生物医疗科学和个人电子设备领域巨大的应用前景。基于摩擦起电和静电感应效应，摩擦纳米发电机产生的电能具有确定的电荷量输出特性(典型的输出为每周期几十到几百uC/m²)，其输出特性与功能材料的表面积成正比，并且在10M的长时间周期工作下具有很好的稳定输出特性。这种在nC级别量化的电荷输出性质超越了传统电源能够达到的极限，这样的一种独特特性，极有可能作为一种在质到电荷或则离子迁移率基础分析应用中解决电荷定量控制的离子产生器的简单方法。

本发明提供的作为离子源的驱动电源的方法适用于所有摩擦纳米发电机，这里仅列出5种结构的摩擦纳米发电机，

五种基本的结构为垂直接触分离模式(CS)、平行滑动模式(LS)、单电极接触结构(SEC)、滑动式摩擦层自由移动结构(SFT)和接触式摩擦层自由移动结构(CFT)。下面参照附图具体介绍每种模式发电机的典型结构：

垂直接触分离模式(CS)摩擦纳米发电机的结构参见图1a，两个相对运动部件中，第一部件包括摩擦层a2和设置在摩擦层a2上的第一电极层a1，第二部件包括第二电极层a3，在第一部件与第二部件互相垂直接触分离相对运动时，第二电极层a3同时充当另一个摩擦层，与摩擦层a2互相接触和分离，摩擦层a2的材料与第二电极层a3的材料不同，第一电极层a1和第二电极层a3为摩擦纳米发电机的输出端，第一电极层a1和第二电极层a3之间连接外电路可以形成电信号输出。第一电极层a1和第二电极层a3的边缘之间连接运动触发的开关(S_c)，在第一部件与第二部件互相垂直接触分离到足够距离后用以在摩擦层a2与第二电极层a3两摩擦层接触的时候重置其静电状态，以产生单极性的电荷脉冲。

平行滑动模式(LS)摩擦纳米发电机的结构参见图1b，两个相对运动部件中，第一部件包括摩擦层b2和设置在摩擦层b2上的第一电极层b1，第二部件包括第二电极层b3，在第一部件与第二部件互相平行滑动时，第二电极层b3同时充当另一个摩擦层，与摩擦层b2互相滑动摩擦，摩擦层b2的材料与第二电极层b3的材料不同，第一电极层b1和第二电极层b2为摩擦纳米发电机的输出端，连接外电路可以形成电信号输出。本发明中平行滑动模式(LS)摩擦纳米发电机产生交替极性的电荷脉冲，作为离子源的驱动电源。

单电极接触结构(SEC)摩擦纳米发电机的结构参见图1c，两个相对运动部件中，第一部件包括摩擦层c2，第二部件包括第一电极层c1和第二电极层或等电位c3，在摩擦层c2与第二部件的第一电极层c1互相垂直接触分离或者相对滑动运动时，摩擦层c2的材料与第一电极层c1的材料不同，第一电极层c1和第二电极层c3为摩擦纳米发电机的输出端，连接外电路可以形成电信号输出。本发明中单电极接触结构(SEC)摩擦纳米发电机产生交替极性的电荷脉冲，作为离子源的驱动电源。

滑动式摩擦层自由移动结构(SFT)摩擦纳米发电机的结构参见图1d，两个相对运动部件中，第一部件包括摩擦层d2，第二部件包括互相分隔的第一电极层d1和第二电极层d3，在第一部件与第二部件互相滑动时，摩擦层d2从第一电极层d1滑动到第二电极层d3，第一电极层d1和第二电极层d3充当另一个摩擦层，摩擦层d2的材料与第一电极层d1和第二电极层d3的材料不同，第一电极层d1和第二电极层d2为摩擦纳米发电机的输出端，连接外电路可以形成电信号输出。本发明中滑动式摩擦层自由移动结构(SFT)摩擦纳米发电机产生交替极性的电荷脉冲，作为离子源的驱动电源。

接触式摩擦层自由移动结构(CFT)摩擦纳米发电机的结构参见图1e，两个相对运动部件中，第一部件包括摩擦层e2，第二部件包括互相分隔的第一电极层e1和第二电极层e3，摩擦层e2设置在第一电极层e1和第二电极层e3之间，摩擦层e2在两个电极层之间运动分别与两个电极层互相接触分离，第一电极层d1或第二电极层d3充当另一个摩擦层，摩擦层e2的材料与第一电极层e1和第二电极层e3的材料不同，第一电极层e1和第二电极层e3为摩擦纳米发电机的输出端，连接外电路可以形成电信号输出。本发明中接触式摩擦层自由移动结构(CFT)摩擦纳米发电机产生交替极性的电荷脉冲，作为离子源的驱动电源。

滑动式摩擦层自由移动结构(SFT)和接触式摩擦层自由移动结构(CFT)均为摩擦层自由移动模式的摩擦纳米发电机。

摩擦纳米发电机(TENG)的四种工作模式已经被证实，每种模式有不同的结构设计和材料选择，以适应相应的机械触发条件。

下面结合附图2至图5，以垂直接触分离模式(CS)摩擦纳米发电机(以下简称CS-TENG)和滑动式摩擦层自由移动结构(SFT)摩擦纳米发电机(以下简称SF-TENG)为例，说明摩擦纳米发电机输出的电荷脉冲作为电源为与它们相耦合的纳电喷雾离子化发射器提供电源的情况。其他三种结构的摩擦纳米发电机工作时与SF-TENG类似。

图2中的CS-TENG和图3中的SF-TENG分别被用来产生单极性和交替极性的电荷脉冲。为了产生单极性的电荷脉冲，一个运动触发的开关(S_c)被安装在CS-TENG的边缘，用以在两摩擦层接触的时候重置其静电状态。摩擦纳米发电机产生的电荷用以提供给纳电子喷雾离子化(简称nano-ESI)发射器(纳电喷雾发射器由针形图来表示，竖直放置的长方形代表一个用来收集离子电流的钢片，离子电流大小通过一个皮安培计A测试)，或者施加在针尖电极上用以等离子体放电离子化。在等效电路图4中，离子源(ion source)可以被视为：在超过开启压时，能够通过空气而漏电的等效电容(C₂)，其中空气电阻用R_air表示，漏电状态可以等效简化为一个开关S。TENG的每个工作周期都会造成一次漏电，从而产生电喷雾离子脉冲。这些因漏电产生的喷雾离子可以通过电表(A)来测量，或者通过质谱仪来分析。

实验中观察到的TENG触发的电喷雾，表明了nano-ESI发射器上达到了近1kV的开启电压。图5展示了TENG在给一个离子源(C_{ion Source})充电的过程中的V-Q模拟曲线，图这Voc-Qsc线代表了TENG在提供了一定量电荷后的电压。当发射器连接上后，电荷会传输到离子源针尖上直到开启电压瞬间产生离子化。由于nano-ESI发射器的电容相当小，因此仅需要很少量的电荷就能使发射器达到开启电压(V_onset)。然后一定数量的电荷会通过电喷雾离子的形式释放掉，直到TENG的电压降到开启电压之下，这一过程由V_onset-Q_pulse的线表示。在达到这个开启电压之后，被触发的电子喷雾将会释放如图5中所示的一部分电荷(Q_pulse)，直到TENG的电压降至开启电压以下。如图6中的测试的时间电荷曲线所示，证明了CS-TENG中这些离散的有用电荷能够确保产生离子脉冲的高可重复性。与在传统的脉冲电喷雾模式中通过稍微高于开启电压的直流电压源供电产生的随机脉冲比较，CS-TENG能够达到高很多的开路电压值，在锥尖喷射模式中产生的喷雾脉冲可以适用于各种需要的应用。

为了定量的控制离子脉冲中离子的量(用Q_pulse)，如图5中定性的物理模型可知，可以通过调节TENG的输出性能，或则调节离子源的开启电压来得以实现。对于一个给定TENG和发射器的装置系统，可以通过如图4中串联调节电阻R₁来降低加在离子源上的有效电压，调节电阻R₁与离子源串联连接，这等效于增加开路电压的方式来降低脉冲中的离子量。调节电阻R₁的阻值范围可以为0.001GΩ至10GΩ，适用于所有结构的TENG。如图6中，分别采用1.25GΩ、1GΩ、0.5GΩ和0的调节电阻R₁分别能够得到离子量为1.0，2.8，3.5和5.5nC的脉冲喷雾。在开启喷射情况下，对应约1nC的开启电荷。如图6所示，成功的喷射和不成功的下凹涟漪会有相同的产生概率。通过涟漪电荷的大小(涟漪作为最低值和喷雾作为最高值之间)可以估算出nano-ESI发射器的电容大小。在开启电压为1000V的时候，针尖内径为2微米的发射器其电容值估计在0.3-1pF范围。同样的，一个内径为20微米的稍大发射器在1600V的开启电压下，其电容估计为0.3-2.5pF。

除了能够通过以上方法来控制离子化的电量，不同方向、速度或者频率的机械驱动的TENG也可以用来控制喷射离子脉冲信号的持续时间、极性和频率等特性。使用CS-TENG，所有的电荷几乎是在两个摩擦层分离的短暂时间内同时产生的。这样一来，由于nano-ESI脉冲的持续时间主要是依靠在开启电压之上的有效电荷来确定，这样在不改变TENG尺寸的情况下，脉冲持续时间就不能简单的实现控制。但是对于SF-TENG来说，其电荷的产生是在两个摩擦面移动的过程中不断产生的。利用SF-TENG的这个特性，实现了通过缓慢滑动的方式来延长喷雾脉冲，或则快速的切换滑动的方向来提高喷雾脉冲的频率。如图7所示，通过质谱仪的记录，采用SF-TENG调控的按需求的长短持续时间控制，高频率脉冲的总离子图谱，单个喷雾脉冲的时间可以在>5s到<75ms的范围内通过以上方式来调节。当喷雾脉冲的频率快于质谱仪的采样间隔，可以观测到如图中一个视乎连续的图谱(图7中最下部图)。SF-TENG的突出特点在于能够产生如图8中所示的交变极性的喷雾脉冲，这个特性对于在UHPLC-MS(超高性能液相色谱-质谱)和质谱成像中提高分析物的覆盖范围提供了一种有效的途径。当在SF-TENG输出端加上二极管整流桥等整流元件后，SF-TENG也能按需要产生单极性的喷雾脉冲(图8中下部图)。

本发明首次基于摩擦纳米发电机驱动的质谱分析中的离子源，成功的实现了纳电子喷雾离子化和等离子放电离子化。摩擦纳米发电机固定的电荷输出特性提供了一种空前的对于离子产生的控制途径。

由于TENG的分离电荷输出，脉冲电喷雾离子信号输出具有高重复性。在典型的实验中，质谱的取样频率比脉冲产生的频率高，总离子计时信号的相对标准差(RSD)只有3％。在微摩尔的浓度下，多种分析物在TENG驱动的ESI质谱和传统的ESI灵敏度相当。但是，在浓度接近检测极限(LOD)时，TENG驱动的ESI比传统的ESI性能更好。例如，当用平行反应检测模式下(m/z＝182的前驱物离子)分析稀释后的10pg/ml可卡因样品，标准直流(1-2千伏)ESI不能产生任何可以检测的碎片离子。相比之下，使用相同的ESI喷雾器，SF-TENG(开路电压5-9千伏)驱动的ESI可以在同样浓度下能够产生可检测到的信号。而如果使用CS-TENG(开路电压1.6千伏)则不能做到，因此这种灵敏度的提高来自于SF-TENG的高电压。需要指出的是：如果5-9千伏的直流电压加在ESI上面，喷雾器会被电晕放电(阈值电压2-2.5千伏)永久性的损坏。类似的灵敏度提升也可以在肽链的负离子模式分析中观察到。长时间的样品消耗时间显示了13.7nL的可卡因样品(10pg/mL)会在748个喷雾脉冲中消耗掉，每个脉冲平均持续1.60±0.05秒。相对应的每个脉冲消耗18pL，平均流量11pL/s。每个喷雾脉冲相对应约0.6×10^-21摩尔(0.6zmol约360个分子)。

平行反应检测的质谱实验导致在m/z182.118在没有分析物离子下没有“噪声”，因此使得估计信噪比LOD变得不可能。为了准确估计LOD，我们使用了一种信号检测概率的方法。实验显示了随着减少浓度而减少的碎片浓度检测频率，在m/z为182.118、105.034和150.092下，从13％到68％。对于m/z182.118碎片离子，对应检测概率50％和95％的可卡因浓度分别为8pg/mL(0.5zmol)和21pg/mL(1.3zmol)。实验证明如果能够把TENG的驱动和质谱分析同步，那么这些性能可以进一步提高。当把SF-TENG ESI质谱产生正负离子的交变极性喷雾和一个双向切换的质谱模式结合，同一实验可以产生两套信息，被用于氨基酸混合物和蛋白质样品的分析中。对于蛋白质，在用SF-TENG下，溶液相的构象可以仍然保留。除了蛋白质，其它生物分子例如DNA也可以从液相溶液中产生离子。传统的直流高压电源破坏性的电晕放电，作为一个液相电喷雾在高压下的一个大问题，在使用TENG过程中从来没有发生过，这是因为相对应的短路电荷分别仅有约120纳库(nC)和140纳库(nC)。这里如果使用一个不锈钢放电针放在同样位置(离质谱仪入口5毫米)，连接在同样的SF-TENG上，也不会产生电晕放电，这和ESI离子喷雾的结果相吻合。如果将针尖和质谱的位置调整到1.5毫米，会产生高重复性的等离子体放电的离子信号，尖端RSD具有7％。对于目标化合物的离子化，例如二甲基甲基膦酸酯(DMMP)、己胺和三硝基甲苯(TNT)，可以用正负双模式下等离子体分析。

不仅仅是质谱分析，TENG驱动离子源获得的离子束和带电液滴也可以在材料制备和/或表面处理上发挥重要作用。在一个大气压下，具体的化合物能够被传输到表面上，可以应用在微阵列测定和功能化表面上。使用SF-TENG，通过用交变极性分离电荷波包，可以达到在导电和绝缘表面无鞘的电喷雾沉积。一般来说，在绝缘表面的电喷雾沉积会被静电排斥效应所阻挡，通常为了实现持续沉积，采用电中性的方法，例如采用转换单向喷雾和反向电晕放电方法。用SF-TENG驱动的ESI，交变极性电喷雾脉冲可以被一层层的逐层沉积在绝缘基片表面。可以使用COMSOL Multiphysics电势模拟具体过程：第一次正向沉积之后，沉积表面电势升高，因此并没有足够的电压继续喷雾；然后SF-TENG反向运动，相反方向的电势差建立起来，反向喷雾可以使得沉积表面相对中性；再反向沉积后，负电荷积累在沉积表面，降低的电势使得喷雾停止，然后喷雾的电性继续反向，进入下一个循环。当通过掩膜版的空隙中沉积时，带电喷雾的聚焦在接地的导电基片或者散焦到绝缘基片上(图9)，例如，方块的图案可以被沉积在绝缘玻璃基片上(图10)。类似的，在绝缘聚酰亚胺带上，沉积的图案化结晶斑点(约300μm)相比作为散焦效应的结果的掩模板空隙的孔径(约200μm)较大(图11)，其他较小的可见点是粘上的气泡和灰尘颗粒。

通过摩擦纳米发电机触发的交变极性的电喷雾脉冲，也可以被用到将材料以图案化的方式沉积到导电和绝缘基底表面。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。例如，各部件的形状、材质和尺寸的变化。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。