溶液中的離子和有機分子的化學分析在化學、生物、環境和地質等學科中非常重要，是實驗類學科的基礎。然而，目前主要的儀器分析方法，包括光學分析法、電化學分析法和色譜分析法等這些先進化學分析進行的仍然是離線分析檢測，且通常面臨複雜而冗長的樣品製備和測試過程，並且需要笨重和昂貴的儀器。因此，探索新的物理化學機制，建立溶液普適應的原位、超快速、無損和自供電化學分析方法，用於多場景下有機和無機樣品，以及未知化學成分或化學成分不均勻樣品的檢測，是當前分析化學領域亟待解決的難題。
中科院北京奈米能源與系統研究所王中林院士團隊受液-固介面接觸起電和介面轉移電荷分佈啟發，設計將具有不同化學成分的液滴從絕緣聚合物薄膜表面滑過，實時記錄液滴滑動過程中的介面電荷轉移，並將沿液滴運動軌跡的電荷分佈模型用於建立摩擦電圖譜（TES）。透過摩擦電圖譜中峰位置和峰值電荷量來分析溶液化學成分，定性和定量分析的準確率高達93%，檢出限可達ppb級。
圖1:摩擦電化學分析圖譜的工作原理。(a) TES的工作原理和結構示意圖；(b-d)含有不同化學成分（H2SO4 (pH 3)、NaOH (pH 13) 和 Zn(NO3)2 (1M)）的液滴滑過FEP薄膜時的電流輸出曲線；(e-g) H2SO4、NaOH和Zn(NO3)2的特徵電荷轉移圖譜。Y代表液滴滑動距離（設定第一個電極的位置為0）。
這項工作研究了超過30種不同化學成分液滴的摩擦電圖譜，包括常見的酸、鹼、鹽和有機溶劑等，並建立了摩擦電圖譜資料庫。摩擦電化學分析圖譜的優勢在於方法簡單速度快，檢測速度為毫秒級別；可以實現原位實時分析；綠色無損，回收率幾乎為百分之百；所需樣品體積僅為微升級別，可用於檢測微量產物，大大提高檢測的速度和樣品的多樣性。為推進實時、小型、原位和自驅動分析化學儀器的商業化程序奠定了基礎。同時，透過實時、定量、定性的資料，摩擦電圖譜有望為基礎研究提供更全面的資訊，在環境監測、能源領域、催化機理研究和生物醫學領域開發廣闊的應用前景，促進科學研究的進步。該成果近期發表在化學領域頂級期刊J. Am. Chem. Soc.上。張金洋助理研究員和碩士生王雪嬌為該文章的共同第一作者，林世權副研究員、澳大利亞科廷大學Simone Ciampi教授和王中林院士是該文章的通訊作者。
論文資訊：
Triboelectric Spectroscopy for In Situ Chemical Analysis of Liquids, Jinyang Zhang, Xuejiao Wang, Long Zhang, Shiquan Lin, Simone Ciampi, Zhong Lin Wang，J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.3c13674
https://doi.org/10.1021/jacs.3c13674
來源：高分子科學前沿
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