Электрораспыление - Electrospray

Эта статья о спреях, вызванных высоким напряжением. Для масс-спектрометрического образования ионов см. ионизация электрораспылением.

Название электроспрей используется для устройства, в котором используется электричество для диспергирования жидкости или для мелкодисперсного аэрозоля, образующегося в результате этого процесса. Высокое напряжение подается на жидкость, подаваемую через излучатель (обычно стеклянный или металлический капилляр). В идеале жидкость, достигающая наконечника эмиттера, образует Конус Тейлора, который испускает струю жидкости через свою вершину. Варикозные волны на поверхности струи приводят к образованию мелких и сильно заряженных капель жидкости, которые радиально рассеиваются за счет Кулон отталкивание.

История

В конце 16 века Уильям Гилберт^[1] намеревался описать поведение магнитных и электростатических явлений. Он заметил, что в присутствии заряженного кусочка янтаря капля воды деформировалась в конус. Этот эффект явно связан с электроспреями, хотя Гилберт не записал никаких наблюдений, связанных с диспергированием жидкости под действием электрического поля.

В 1750 г. французский священнослужитель и физик Жан-Антуан (аббат) Нолле отметил, что вода, текущая из судна, будет аэрозольно, если судно будет электрифицировано и размещено рядом с электрическим заземлением. Он также отметил, что аналогично «человек, наэлектризованный подключением к высоковольтному генератору, не будет нормально истекать кровью, если порежется; кровь будет брызгать из раны».^[2]

В 1882 г. Лорд Рэйли теоретически оценил максимальное количество заряда, которое может нести капля жидкости;^[3] это теперь известно как «предел Рэлея». Его предсказание, что капля, достигающая этого предела, будет выбрасывать тонкие струи жидкости, было подтверждено экспериментально более 100 лет спустя.^[4]

В 1914 г. Джон Зеленый опубликовал работу о поведении капель жидкости на концах стеклянных капилляров.^[5] В этом отчете представлены экспериментальные данные о нескольких режимах работы электроспрея (капельный, разрывной, пульсирующий и конусно-струйный). Спустя несколько лет Зеленый сделал первые покадровые снимки динамического жидкого мениска.^[6]

Между 1964 и 1969 гг. Сэр Джеффри Ингрэм Тейлор создал теоретическую основу для электрораспыления.^[7][8][9] Тейлор смоделировал форму конуса, образованного жидкой каплей под действием электрического поля; эта характерная форма капли теперь известна как Конус Тейлора. Далее он работал с Дж. Р. Мельчером над разработкой «модели вытекающего диэлектрика» для проводящих жидкостей.^[10]

Механизм

Крупный план электрораспылительного устройства. На изображении видна струя ионизированного спрея.

Чтобы упростить обсуждение, в следующих параграфах будет рассмотрен случай положительного электроспрея с высоким напряжением, приложенным к металлическому эмиттеру. Рассмотрена классическая электрораспылительная установка, эмиттер которой расположен на расстоянии ${\displaystyle d\,}$ от заземленного противоэлектрода. Распыляемая жидкость характеризуется своей вязкостью. ${\displaystyle (\mu )\,}$, поверхностное натяжение ${\displaystyle (\gamma )\,}$, проводимость ${\displaystyle (\kappa )\,}$, а относительная диэлектрическая проницаемость ${\displaystyle (\epsilon _{r})\,}$.

Влияние малых электрических полей на жидкие мениски

Под действием поверхностного натяжения мениск жидкости принимает полусферическую форму на конце излучателя. Применение положительного напряжения ${\displaystyle V\,}$ индуцирует электрическое поле:^[11]

${\displaystyle E={2V \over r\ln(4d/r)}}$

куда ${\displaystyle r\,}$ - радиус кривизны жидкости. Это поле приводит к поляризации жидкости: отрицательные / положительные носители заряда мигрируют к / от электрода, к которому приложено напряжение. При напряжениях ниже определенного порога жидкость быстро достигает новой равновесной геометрии с меньшим радиусом кривизны.

Конус Тейлора

Напряжения выше порога втягивают жидкость в конус. сэр Джеффри Ингрэм Тейлор описал теоретическую форму этого конуса, исходя из предположений, что (1) поверхность конуса является эквипотенциальной поверхностью и (2) конус существует в установившемся состоянии равновесия.^[7] Чтобы соответствовать обоим этим критериям, электрическое поле должно иметь азимутальный симметрия и иметь ${\displaystyle R^{1/2}\,}$ зависимость, чтобы уравновесить поверхностное натяжение и произвести конус. Решение этой проблемы:

${\displaystyle V=V_{0}+AR^{1/2}P_{1/2}(\cos \theta _{0})\,}$

куда ${\displaystyle V=V_{0}\,}$ (эквипотенциальная поверхность) существует при значении ${\displaystyle \theta _{0}}$ (независимо от R), образуя эквипотенциальный конус. Магический угол, необходимый для ${\displaystyle V=V_{0}\,}$ для всех R является нулем Полином Лежандра порядка 1/2, ${\displaystyle P_{1/2}(\cos \theta _{0})\,}$. Есть только один ноль между 0 и ${\displaystyle \pi \,}$ на 130,7099 °, что является дополнением теперь известного угла Тейлора 49,3 °.

Развитие сингулярности

Вершина конического мениска не может становиться бесконечно маленькой. Особенность возникает, когда гидродинамический время отдыха ${\displaystyle \tau _{H}={\mu r \over \gamma }}$ становится больше, чем заряд время отдыха ${\displaystyle \tau _{C}={\epsilon _{r}\epsilon _{0} \over \kappa }}$.^[12] Неопределенные символы обозначают характерную длину. ${\displaystyle (r)\,}$ и диэлектрическая проницаемость вакуума ${\displaystyle (\epsilon _{0})\,}$. Из-за внутренней варикозной нестабильности заряженная струя жидкости, выброшенная через вершину конуса, разбивается на мелкие заряженные капли, которые радиально рассеиваются объемным зарядом.

Замыкание электрической цепи

Заряженная жидкость выбрасывается через вершину конуса и захватывается противоэлектродом в виде заряженных капель или положительных ионов. Чтобы уравновесить потерю заряда, избыточный отрицательный заряд нейтрализуется электрохимически на эмиттере. Несбалансированность между величиной заряда, генерируемого электрохимически, и величиной заряда, потерянного на вершине конуса, может привести к нескольким рабочим режимам электрораспыления. Для конусно-струйного электрораспыления потенциал на границе раздела металл / жидкость саморегулируется, генерируя такое же количество заряда, какое теряется через вершину конуса.^[13]

Приложения

Электрораспылительная ионизация

Электрораспыление стало широко использоваться в качестве источника ионизации для масс-спектрометрии после Фенн группа успешно продемонстрировала его использование в качестве источника ионов для анализа больших биомолекул.^[14]

Источник ионов жидкого металла

А источник жидких металлов (LMIS) использует электрораспыление в сочетании с жидким металлом для образования ионы.^[15][16] Ионы образуются в результате полевого испарения на кончике конуса Тейлора. Ионы из LMIS используются в ионная имплантация И в сфокусированный ионный пучок инструменты.

Электропрядение

Основная статья: Электропрядение

Как и в случае со стандартным электрораспылением, приложение высокого напряжения к раствору полимера может привести к образованию конической формы струи. Если струя превращается в очень тонкие волокна вместо того, чтобы разбиваться на мелкие капли, этот процесс известен как электроспиннинг .

Коллоидные двигатели

Основная статья: Коллоидный двигатель

Электрораспылительные методы используются в качестве малой тяги. электрическая тяга ракетные двигатели контролировать спутники, так как точно контролируемый выброс частиц обеспечивает точное и эффективное толкание.

Осаждение частиц для наноструктур

Электрораспыление можно использовать в нанотехнологии,^[17] например, для осаждения отдельных частиц на поверхности. Это делается путем опрыскивания коллоиды в среднем содержит только одну частицу на каплю. Растворитель испаряется, оставляя аэрозоль поток одиночных частиц желаемого типа. Ионизирующие свойства процесса не имеют решающего значения для применения, но могут использоваться в электростатические осадки частиц.

Осаждение ионов в качестве прекурсоров для наночастиц и наноструктур

Вместо депозита наночастицы, наночастицы и наноструктуры также могут быть изготовлены на месте путем осаждения ионов металлов в желаемых местах. Электрохимическое восстановление ионов до атомов и сборка in situ считались механизмом формирования наноструктуры.

Изготовление носителей лекарств

Электрораспыление привлекло внимание в области доставки лекарств, и его использовали для изготовления носителей лекарств, включая полимерные микрочастицы, используемые в иммунотерапия^[18] а также липоплексы, используемые для нуклеиновая кислота Доставка.^[19] Частицы лекарственного средства субмикронного размера, созданные электрораспылением, обладают повышенной скоростью растворения, что увеличивает биодоступность из-за увеличенной площади поверхности.^[20] Таким образом, можно уменьшить побочные эффекты лекарств, поскольку для того же эффекта достаточно меньшей дозировки.

Очистители воздуха

Электрораспыление используется в некоторых очистители воздуха. Взвешенные в воздухе частицы можно заряжать с помощью электроспрея аэрозоля, манипулировать ими с помощью электрического поля и собирать на заземленном электроде. Такой подход сводит к минимуму производство озон что характерно для других типов очистителей воздуха.

Смотрите также

• Фокусировка потока

Рекомендации

1. Гилберт, В. (1628) De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure (О магните и магнитных телах и об этом великом магните на Земле), Лондон, Питер Шорт
2. Гримм, Рональд Л. (2006). "2" (PDF). Фундаментальные исследования механизмов и применения масс-спектрометрии с индуцированной капельной ионизацией и масс-спектрометрии с электрораспылением (Кандидат наук.). Библиотека Калифорнийского технологического института. Получено 17 мая, 2013.
3. Рэлей, Л. (1882). «О равновесии жидких проводящих масс, заряженных электричеством» (PDF). Философский журнал. 14 (1): 184–186. Дои:10.1080/14786448208628425.
4. Гомес, А; Тан, К. (1994). «Заряд и деление капель в электростатических брызгах». Физика жидкостей. 6 (1): 404–414. Bibcode:1994ФФл .... 6..404Г. Дои:10.1063/1.868037.
5. Зеленый, Дж. (1914). «Электрический разряд из жидких точек и гидростатический метод измерения электрической напряженности на их поверхностях». Физический обзор. 3 (2): 69. Bibcode:1914ПхРв .... 3 ... 69З. Дои:10.1103 / PhysRev.3.69.
6. Зеленый, Дж. (1917). «Неустойчивость наэлектризованных жидких поверхностей». Физический обзор. 10 (1): 1–6. Bibcode:1917ПхРв ... 10 .... 1З. Дои:10.1103 / PhysRev.10.1.
7. Джеффри Тейлор (1964). «Распад капель воды в электрическом поле». Труды Королевского общества А. 280 (1382): 383–397. Bibcode:1964RSPSA.280..383T. Дои:10.1098 / rspa.1964.0151. JSTOR  2415876.
8. Тейлор, Г. (1965). «Сила, приложенная электрическим полем к длинному цилиндрическому проводнику». Труды Лондонского королевского общества A: математические, физические и инженерные науки. 291 (1425): 145–158. Bibcode:1966RSPSA.291..145T. Дои:10.1098 / RSPA.1966.0085.
9. Джеффри Ингрэм Тейлор и М. Д. Ван Дайк (1969). «Самолеты с электрическим приводом». Труды Лондонского королевского общества A: математические, физические и инженерные науки. 313 (1515): 453–475. Bibcode:1969RSPSA.313..453T. Дои:10.1098 / rspa.1969.0205.
10. Мелчер, Дж. Р. и Тейлор, Г. (1969) Электрогидродинамика: обзор роли межфазных касательных напряжений. Annual Review of Fluid Mechanics, 1, 111-146.
11. Л. Б. Лоеб; А. Ф. Кип; Г. Г. Хадсон; У. Х. Беннетт (1941). «Импульсы в отрицательной короне точка-плоскость». Физический обзор. 60 (10): 714–722. Bibcode:1941ПхРв ... 60..714Л. Дои:10.1103 / PhysRev.60.714.
12. Фернандес де ла Мора, Дж. И Лоссерталес, И. Г. (1994). «Ток, излучаемый высокопроводящими конусами Тейлора». Журнал гидромеханики. 260: 155–184. Bibcode:1994JFM ... 260..155D. Дои:10.1017 / S0022112094003472.
13. Ван Беркель, Г. Дж .; Чжоу, Ф. М. (1995). «Характеристика источника ионов с электрораспылением как электролитической ячейки с регулируемым током». Аналитическая химия. 67 (17): 2916–2923. Дои:10.1021 / ac00113a028.
14. Fenn, J. B .; Mann, M .; Meng, C.K .; Wong, S. F .; Уайтхаус, К. М. (2007). «Ионизация электрораспылением для масс-спектрометрии больших биомолекул». Наука. 246 (4926): 64–71. Bibcode:1989 Наука ... 246 ... 64F. CiteSeerX  10.1.1.522.9458. Дои:10.1126 / science.2675315. PMID  2675315.
15. Суонсон, Л. (1983). «Источники жидких ионов металлов: механизм и применение». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. 218 (1–3): 347–353. Bibcode:1983НИМПР.218..347С. Дои:10.1016/0167-5087(83)91005-0. ISSN  0167-5087.
16. Clampitt, R. (1981). «Достижения в области источников ионов расплавленного металла». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. 189 (1): 111–116. Bibcode:1981НИМПР.189..111С. Дои:10.1016 / 0029-554X (81) 90132-4. ISSN  0167-5087.
17. Салата, О.В. (2005). «Инструменты нанотехнологии: Электрораспыление». Современная нанонаука. 1 (1): 25–33. Bibcode:2005CNan .... 1 ... 25S. Дои:10.2174/1573413052953192.
18. Дуонг, А. Д. (2013). «Инкапсуляция электрораспылением резиквимода, агониста толл-подобных рецепторов, в полимерные микрочастицы для лечения висцерального лейшманиоза». Молекулярная фармацевтика. 10 (3): 1045–1055. Дои:10.1021 / mp3005098. ЧВК  3857017. PMID  23320733.
19. Ву, Ю. (2009). «Коаксиальное электрогидродинамическое распыление: новый одноэтапный метод для получения инкапсулированных олигодезоксинуклеотидом наночастиц липоплекс». Молекулярная фармацевтика. 6 (5): 1371–1379. Дои:10.1021 / mp9000348. PMID  19499922.
20. Radacsi, N .; Ambrus, R .; Szunyogh, T .; Szabó-Révész, P .; Станкевич, А .; ван дер Хейден, А. и тер Хорст, Дж. Х. (2012). «Электрораспылительная кристаллизация для наноразмерных фармацевтических препаратов с улучшенными свойствами». Рост кристаллов и дизайн. 12 (7): 3514–3520. Дои:10.1021 / cg300285w.