JACS：摩擦電圖譜（TES）用于溶液化學成分分析

1、研究背景：

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，且通常面臨復雜而冗長的樣品制備和測試過程，并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，用于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。

2、文章概述：

近日，中科院北京納米能源與系統研究所王中林院士團隊受液-固界面接觸起電和界面轉移電荷分布啟發，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界面電荷轉移，并將沿液滴運動軌跡的電荷分布模型用于建立摩擦電圖譜（TES）。通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。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、堿、鹽和有機溶劑等，并建立了摩擦電圖譜數據庫；同時，深入研究了溶液化學性質，包括酸堿性、濃度、陰陽離子種類、離子半徑和離子重量與液-固界面電荷轉移分布之間的作用關系，確定了摩擦電圖譜不同化學成分峰位置的唯一性。摩擦電化學分析圖譜的優勢在于方法簡單速度快，檢測速度為毫秒級別；可以實現原位實時分析；綠色無損，可實現樣品的實時回收，回收率幾乎為百分之百；所需樣品體積僅為微升級別，可用于檢測微量產物，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進程奠定了基礎。同時，通過實時、定量、定性的數據，摩擦電圖譜有望為基礎研究提供更全面的信息，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。該成果以“Triboelectric spectroscopy for in-situ chemical analysis of liquids”為題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。

3、圖文導讀：

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的特征電荷轉移圖譜。Y代表液滴滑動距離（設定第一個電極的位置為0）。

圖2:液滴中陽離子和陰離子種類對特征TES的影響。 (a-c)具有相同陰離子的1M MgSO₄、MnSO₄ 和 CuSO₄ 的TES； (d-f) 具有相同陽離子的1M NaI、NaNO₃和Na₂CO₃ 的TES； (g) FEP表面上陽離子競爭吸附和解吸的示意圖；(h) 陽離子（包括Na⁺、Mg²⁺、Mn²⁺和Cu²⁺）的離子半徑和原子質量； (i) 各種離子的流體動力學半徑； (j-k)本體溶液(j)和帶負電的固體界面(k)的中離子氛圍。

圖3: 摩擦電圖譜分析pH 和離子濃度。

(a-c) 不同 pH 值下 HCl 的TES。 (d-f)不同 pH 值 KOH 的TES。 (g-i)不同濃度 (0.5、0.8和1 M) 的K₃Fe(CN)₆的TES。

圖4: 摩擦電圖譜生成機理。

(a) TES離子識別工作原理：界面處離子競爭吸附和離子分布差異。 (b)TES中不同出峰位置處對應的離子。

4、結論：

本文受液-固界面接觸起電啟發，基于界面電荷轉移分布，設計將具有不同化學成分的液滴從絕緣聚合物表面滑過，利用液-固界面轉移電荷分布的差異性制作摩擦電圖譜，通過圖譜中峰位置的移動和峰值電荷量來分析溶液化學成分信息。揭示界面離子移動和雙電層形成動力學與液-固界面電荷分布間的關系，研究了表面電荷分布機理，建立了一種溶液普適性的化學分析新方法，為推進實時、原位和自驅動分析化學儀器的商業化進程奠定基礎，將在環境監測、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。

論文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.3c13674