科学家建立摩擦起电特征图谱，可检测环境污染来源，准确率达93%

溶液化学分析，是人们获得物质组成、物质结构等信息的一种科学手段。在化学、生物、环境和地质等学科中有着重要地位。

同时，它也是实验类学科的基础，并一直是实验研究和理论研究中的热点课题，例如化学成分分析、食品检测和环境痕量分析等。

目前，主要的仪器分析方法有光学分析法、电化学分析法和色谱分析法。然而，它们均受限于以下三个方面：

其一，对样品的检测仍然采取离线分析检测的方法，所得到的结果都是静态的而非直观的现场数据。

传统的光学分析法、电化学分析法和色谱分析法，通常在样品采集后需要将样品带回实验室进行分析。

由于分析结果不是实时获取的，因此不能满足实时测量环境的多样化需求。而且，较复杂的样品前处理过程，大大降低了检测速率。

其二，对样品化学成分信息存在一定要求。例如，传统的光学分析法要求样品具有一定的透明性、吸收特性或荧光性质，以便光线能够与样品相互作用。

而电化学分析方法需要样品具有良好的导电性，色谱分析法则对样品的溶解性和浓度有一定要求。

其三，样品制备过程复杂、仪器昂贵笨重，大大降低了便携性和检测速度。

因此，非常有必要通过发展新的分析原理，建立有效且实用的原位、实时和价廉的新型动态分析检测方法。

基于以上难点与挑战，中国科学院北京纳米能源与系统研究所张金洋助理研究员和团队，首次将液固界面摩擦起电和界面转移电荷分布加以结合。

图 | 张金洋（来源：张金洋）

他们利用摩擦起电与液滴运动轨迹位置之间的函数关系作为液滴的摩擦起电特征图谱（TES，triboelectric spectroscopy），开发了液-固界面电荷转移图谱，通过分析图谱中峰位置和峰值电荷量，实现了溶液中离子种类和含量的快速检测。

通过此方法他们测量了常见的 30 余种酸、碱、盐和有机溶剂并建立了谱图数据库，其定性和定量准确率可达 93%。

实验结果证明：不同离子在液滴滑动方向具有可分辨的唯一转移电荷分布，这为新型便携式化学原位分析仪器的开发奠定了基础和平台。

（来源：JACS）

预计 TES 将在环境监测、催化机理研究、生物医学领域和行星科学领域具有广阔的应用前景。

例如，TES 可用于监测水体中的溶解氧、废水中的有害物质等。结合先进的无线传输技术，可以实时监测环境参数，从而帮助人们更好地理解环境变化和污染来源。

（来源：JACS）

事实上早在 2021 年，张金洋和团队就利用液-固界面摩擦起电和电荷转移原理，通过在固体薄膜下方布置两个具有一定间距的电极测量液滴滑过固体表面产生的摩擦电荷，初步证明了液-固界面摩擦起电转移电荷的不均匀分布。

他们在实验中发现尽管两个电极探针的尺寸一致，但两个点位的电荷转移量却有明显区别。同时，含有不同化学成分和离子浓度的液滴电荷转移量之间也可区分[1]。

在上述发现的基础之上，2023 年课题组将电极密度扩展至 432 个独立电极探针（电极探针尺寸为 0.12mm²），借此开发了实时探测液-固界面电荷转移高分辨分布的新方法 [2]。

当时，他们发现界面电荷转移并不会随着液滴在塑料薄膜表面持续运动而逐渐增大。为了验证实验的准确性，他们进行了大量的重复实验和计算。

最终，课题组证明液-固界面电荷转移的不均匀分布受液滴中离子种类影响。

基于此，该团队又利用液-固界面转移电荷在液滴滑动方向分布的差异性，开发了液-固界面摩擦电图谱，通过分析图谱中峰位置的移动和峰值电荷量，实现了溶液中离子种类和含量的快速检测。

日前，相关论文以《用于液体原位化学分析的摩擦电谱》（Triboelectric Spectroscopy for In Situ Chemical Analysis of Liquids）为题发在 JACS 上 [3]。

张金洋和中国科学院北京纳米能源与系统研究所硕士生王雪娇是共同一作，中国科学院北京纳米能源与系统研究所林世权研究员和王中林院士、以及澳大利亚科廷大学西蒙纳·锡安培（Simone Ciampi）教授担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：JACS）

而在接下来，他们希望通过电路集成和微电脑控制，真正实现摩擦电图谱的远程原位实时监测，以用于真实场景下环境污染物的实时监测。

参考资料：

1.ACS Nano, 2021, 15, 14830

2.ACS Nano, 2023, 17, 1646-1652

3.Zhang, J., Wang, X., Zhang, L., Lin, S., Ciampi, S., & Wang, Z. L. Triboelectric Spectroscopy for In Situ Chemical Analysis of Liquids. Journal of the American Chemical Society.2024, 146, 6125–6133

排版：希幔