Электроспрей

Название «электроспрей» используется для обозначения устройства, использующего электричество для диспергирования жидкости, или для мелкодисперсного аэрозоля, образующегося в результате этого процесса. прикладывают высокое напряжение К жидкости, подаваемой через эмиттер (обычно стеклянный или металлический капилляр), . В идеале жидкость, достигающая кончика 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 кулоновского отталкивания.

История

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

В 1750 году французский священнослужитель и физик Жан-Антуан (Аббе) Нолле заметил, что вода, вытекающая из сосуда, будет образовывать аэрозоли, если сосуд будет электрифицирован и помещен рядом с электрическим заземлением. ^{[ 2 ]}

В 1882 году лорд Рэлей теоретически оценил максимальное количество заряда, которое может нести капля жидкости; ^{[ 3 ]} теперь это известно как «предел Рэлея». Его предсказание о том, что капля, достигшая этого предела, будет выбрасывать мелкие струи жидкости, было подтверждено экспериментально более 100 лет спустя. ^{[ 4 ]}

В 1914 году Джон Зелени опубликовал работу о поведении капель жидкости на концах стеклянных капилляров. ^{[ 5 ]} В этом отчете представлены экспериментальные данные для нескольких режимов работы электрораспыления (капельный, взрывной, пульсирующий и конусно-струйный). Несколько лет спустя Зеленый сделал первые покадровые изображения динамического жидкостного мениска. ^{[ 6 ]}

Между 1964 и 1969 годами сэр Джеффри Ингрэм Тейлор разработал теоретическую основу электрораспыления. ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]}^{[ 9 ]} Тейлор смоделировал форму конуса, образуемого каплей жидкости под действием электрического поля; эта характерная форма капли теперь известна как конус Тейлора . Далее он работал с Дж. Р. Мельчером над разработкой «модели дырявого диэлектрика» для проводящих жидкостей. ^{[ 10 ]}

Число публикаций об электрораспылении начало значительно расти примерно в 1990 году (как показано на рисунке справа), когда Джон Фенн (Нобелевская премия по химии 2002 года) и другие открыли ионизацию электрораспылением для масс-спектрометрии .

log(N+1) количество публикаций об электрораспылении по годам: семейства патентов от Questel-Orbit, непатенты от Web of Science и от SciFinder-N.

Механизм

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

Влияние малых электрических полей на мениски жидкости

Под действием поверхностного натяжения мениск жидкости принимает на кончике эмиттера полусферическую форму. Применение положительного напряжения $V\,$ создаст электрическое поле: ^{[ 11 ]}

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

где $r\,$ – радиус кривизны жидкости. Это поле приводит к поляризации жидкости: отрицательные/положительные носители заряда мигрируют к электроду, к которому приложено напряжение, или от него. При напряжениях ниже определенного порога жидкость быстро достигает новой равновесной геометрии с меньшим радиусом кривизны.

Конус Тейлора

Напряжения выше порога стягивают жидкость в конус. Сэр Джеффри Ингрэм Тейлор описал теоретическую форму этого конуса, основываясь на предположениях, что (1) поверхность конуса является эквипотенциальной поверхностью и (2) конус существует в состоянии устойчивого равновесия. ^{[ 7 ]} Чтобы соответствовать обоим этим критериям, электрическое поле должно иметь азимутальную симметрию и иметь $R^{1/2}\,$ зависимость, чтобы сбалансировать поверхностное натяжение и создать конус. Решение этой проблемы следующее:

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

где $V=V_{0}\,$ (эквипотенциальная поверхность) существует при значении $\theta _{0}$ (независимо от R), образуя эквипотенциальный конус. Магический угол, необходимый для $V=V_{0}\,$ для всех R является нулем полинома Лежандра порядка 1/2, $P_{1/2}(\cos \theta _{0})\,$ . Между 0 и 0 имеется только один ноль. $\pi \,$ под углом 130,7099°, что является дополнением к ныне знаменитому углу Тейлора в 49,3°.

Развитие сингулярности

Вершина конического мениска не может стать бесконечно маленькой. Сингулярность развивается, когда время гидродинамической релаксации $\tau _{H}={\mu r \over \gamma }$ становится больше времени релаксации заряда $\tau _{C}={\epsilon _{r}\epsilon _{0} \over \kappa }$ . ^{[ 12 ]} Неопределенные символы обозначают характерную длину. $(r)\,$ и диэлектрическая проницаемость вакуума $(\epsilon _{0})\,$ . Из-за внутренней варикозной нестабильности струя заряженной жидкости, выбрасываемая через вершину конуса, разбивается на мелкие заряженные капли, которые радиально рассеиваются пространственным зарядом.

Замыкание электрической цепи

Заряженная жидкость выбрасывается через вершину конуса и захватывается на противоэлектроде в виде заряженных капель или положительных ионов. Чтобы компенсировать потерю заряда, избыточный отрицательный заряд электрохимически нейтрализуется на эмиттере. Дисбаланс между количеством заряда, генерируемого электрохимическим путем, и количеством заряда, потерянного на вершине конуса, может привести к нескольким режимам работы электрораспыления. При конусно-струйном электрораспылении потенциал на границе раздела металл/жидкость саморегулируется, создавая то же количество заряда, которое теряется через вершину конуса. ^{[ 13 ]}

Приложения

Ионизация электрораспылением

Электроспрей стал широко использоваться в качестве источника ионизации для масс-спектрометрии после того, как группа Фенна успешно продемонстрировала его использование в качестве источника ионов для анализа больших биомолекул. ^{[ 14 ]}

Источник ионов жидкого металла

Источник ионов жидкого металла (LMIS) использует электрораспыление в сочетании с жидким металлом для образования ионов . ^{[ 15 ]}^{[ 16 ]} Ионы производятся путем испарения в полевых условиях на кончике конуса Тейлора. Ионы из LMIS используются при ионной имплантации и в инструментах с фокусированным ионным пучком .

Электропрядение

Подобно стандартному электрораспылению, приложение высокого напряжения к раствору полимера может привести к образованию конусно-струйной геометрии. Если струя превращается в очень тонкие волокна, а не разбивается на мелкие капли, этот процесс известен как электропрядение .

Коллоидные двигатели

Методы электрораспыления используются в качестве электрических ракетных двигателей малой тяги для управления спутниками , поскольку точно контролируемый выброс частиц обеспечивает точную и эффективную тягу.

Осаждение частиц для наноструктур

Электроспрей может быть использован в нанотехнологиях . ^{[ 17 ]} например, для нанесения отдельных частиц на поверхности. Это осуществляется путем распыления коллоидов, содержащих в среднем только одну частицу на каплю. Растворитель испаряется, оставляя поток аэрозоля из отдельных частиц желаемого типа. Ионизирующие свойства этого процесса не имеют решающего значения для применения, но могут быть использованы при электростатическом осаждении частиц.

Осаждение ионов как прекурсоров наночастиц и наноструктур

Вместо осаждения наночастиц наночастицы и наноструктуры также можно изготавливать на месте путем осаждения ионов металлов в нужные места. Считалось, что электрохимическое восстановление ионов до атомов и сборка in situ являются механизмом формирования наноструктур.

Изготовление носителей лекарств

Электроспрей привлек внимание в области доставки лекарств и использовался для изготовления носителей лекарств, включая полимерные микрочастицы, используемые в иммунотерапии. ^{[ 18 ]} а также липоплексы, используемые для доставки нуклеиновых кислот . ^{[ 19 ]} Частицы лекарственного препарата субмикронного размера, созданные электрораспылением, обладают повышенной скоростью растворения, что повышает биодоступность за счет увеличенной площади поверхности. ^{[ 20 ]} Таким образом, побочные эффекты лекарств можно уменьшить, поскольку для того же эффекта достаточно меньших доз.

Очистители воздуха

Электроспрей используется в некоторых очистителях воздуха . Частицы, взвешенные в воздухе, можно заряжать с помощью аэрозольного электрораспыления, манипулировать электрическим полем и собирать на заземленном электроде. Такой подход сводит к минимуму выработку озона , который характерен для других типов очистителей воздуха.

См. также

Фокусировка потока

Ссылки

^ Гилберт, В.; Гетцке, Г.; Лохманн, В.; Роллос, П.; Халлерворд, Дж. (1628 г.). Tractatus Siue Physiologia Nova De Magnete, Magneticisqve Corporibvs Et Magno Magnete terleture: Six libris comprehensus [ О магните и магнитных телах, и об этом великом магните - Земле ] (на латыни). OCLC 894978464 .
^ Гримм, Рональд Л. (2006). «2 Обзор предыдущих исследований в области динамики заряженных частиц, капель в электрических полях и ионизации электрораспылением». Фундаментальные исследования механизмов и применения масс-спектрометрии с ионизацией капель и масс-спектрометрии электрораспылением (PDF) (доктор философии). Калифорнийский технологический институт . Проверено 17 мая 2013 г.
^ Рэлей, Л. (1882). «О равновесии жидких проводящих масс, заряженных электричеством» (PDF) . Философский журнал . 14 (1): 184–6. дои : 10.1080/14786448208628425 .
^ Гомес, А; Тан, К. (1994). «Заряд и деление капель в электростатических распылителях». Физика жидкостей . 6 (1): 404–414. Бибкод : 1994PhFl....6..404G . дои : 10.1063/1.868037 .
^ Зеленый, Дж. (1914). «Электрический разряд из жидких точек и гидростатический метод измерения напряженности электрического тока на их поверхности» . Физический обзор . 3 (2): 69. Бибкод : 1914PhRv....3...69Z . дои : 10.1103/PhysRev.3.69 .
^ Зеленый, Дж. (1917). «Неустойчивость наэлектризованных поверхностей жидкости». Физический обзор . 10 (1): 1–6. Бибкод : 1917PhRv...10....1Z . дои : 10.1103/PhysRev.10.1 .
^ Jump up to: ^а ^б Тейлор, Джеффри (1964). «Распад капель воды в электрическом поле». Труды Королевского общества А. 280 (1382): 383–397. Бибкод : 1964RSPSA.280..383T . дои : 10.1098/rspa.1964.0151 . JSTOR 2415876 .
^ Тейлор, Г. (1965). «Сила, действующая электрическим полем на длинный цилиндрический проводник». Труды Лондонского королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 291 (1425): 145–158. Бибкод : 1966RSPSA.291..145T . дои : 10.1098/rspa.1966.0085 .
^ Тейлор, Джеффри Ингрэм; Ван Дайк, доктор медицины (1969). «Самолеты с электроприводом». Труды Лондонского королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 313 (1515): 453–475. Бибкод : 1969RSPSA.313..453T . дои : 10.1098/rspa.1969.0205 .
^ Мельчер, младший; Тейлор, Г. (1969). «Электрогидродинамика: обзор роли межфазных сдвиговых напряжений». Ежегодный обзор механики жидкости . 1 (1): 111–146. дои : 10.1146/annurev.fl.01.010169.000551 .
^ Леб, Л.Б.; Кип, А.Ф.; Хадсон, Дж.Г.; Беннетт, штат Вашингтон (1941). «Импульсы в отрицательной двухплоскостной короне». Физический обзор . 60 (10): 714–722. Бибкод : 1941PhRv...60..714L . дои : 10.1103/PhysRev.60.714 .
^ Фернандес де ла Мора, Дж.; Лоссерталес, ИГ (1994). «Ток, излучаемый конусами Тейлора с высокой проводимостью». Журнал механики жидкости . 260 : 155–184. Бибкод : 1994JFM...260..155D . дои : 10.1017/S0022112094003472 .
^ Ван Беркель, Дж.Дж.; Чжоу, FM (1995). «Характеристика источника ионов электрораспыления как электролитической ячейки с регулируемым током». Аналитическая химия . 67 (17): 2916–23. дои : 10.1021/ac00113a028 .
^ Фенн, Дж.Б.; Манн, М.; Мэн, СК; Вонг, Сан-Франциско; Уайтхаус, CM (2007). «Ионизация электрораспылением для масс-спектрометрии крупных биомолекул». Наука . 246 (4926): 64–71. Бибкод : 1989Sci...246...64F . CiteSeerX 10.1.1.522.9458 . дои : 10.1126/science.2675315 . ПМИД 2675315 .
^ Суонсон, Л.В. (1983). «Источники ионов жидких металлов: механизм и применение». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . 218 (1–3): 347–353. Бибкод : 1983НИМПР.218..347С . дои : 10.1016/0167-5087(83)91005-0 . ISSN 0167-5087 .
^ Клэмпитт, Р. (1981). «Достижения в области полевых источников ионов из расплавленного металла». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . 189 (1): 111–6. Бибкод : 1981НИМПР.189..111С . дои : 10.1016/0029-554X(81)90132-4 . ISSN 0167-5087 .
^ Салата, О.В. (2005). «Инструменты нанотехнологий: Электроспрей». Современная нанонаука . 1 (1): 25–33. Бибкод : 2005CNan....1...25S . дои : 10.2174/1573413052953192 .
^ Дуонг, AD (2013). «Инкапсуляция электроспрей агониста Toll-подобных рецепторов резикимода в полимерные микрочастицы для лечения висцерального лейшманиоза» . Молекулярная фармацевтика . 10 (3): 1045–55. дои : 10.1021/mp3005098 . ПМК 3857017 . ПМИД 23320733 .
^ Ву, Ю. (2009). «Коаксиальное электрогидродинамическое распыление: новый одноэтапный метод получения наночастиц Lipoplex, инкапсулированных в олигодезоксинуклеотиды». Молекулярная фармацевтика . 6 (5): 1371–9. дои : 10.1021/mp9000348 . ПМИД 19499922 .
^ Радачи, Н.; Амбрус, Р.; Шунег, Т.; Сабо-Ревес, П.; Станкевич А.; ван дер Хейден, А.; тер Хорст, Дж. Х. (2012). «Кристаллизация электроспрей для наноразмерных фармацевтических препаратов с улучшенными свойствами». Рост и дизайн кристаллов . 12 (7): 3514–20. дои : 10.1021/cg300285w .

[gilbert-1] Гилберт, В.; Гетцке, Г.; Лохманн, В.; Роллос, П.; Халлерворд, Дж. (1628 г.). Tractatus Siue Physiologia Nova De Magnete, Magneticisqve Corporibvs Et Magno Magnete terleture: Six libris comprehensus [ О магните и магнитных телах, и об этом великом магните - Земле ] (на латыни). OCLC 894978464 .

[2] Гримм, Рональд Л. (2006). «2 Обзор предыдущих исследований в области динамики заряженных частиц, капель в электрических полях и ионизации электрораспылением». Фундаментальные исследования механизмов и применения масс-спектрометрии с ионизацией капель и масс-спектрометрии электрораспылением (PDF) (доктор философии). Калифорнийский технологический институт . Проверено 17 мая 2013 г.

[3] Рэлей, Л. (1882). «О равновесии жидких проводящих масс, заряженных электричеством» (PDF) . Философский журнал . 14 (1): 184–6. дои : 10.1080/14786448208628425 .

[4] Гомес, А; Тан, К. (1994). «Заряд и деление капель в электростатических распылителях». Физика жидкостей . 6 (1): 404–414. Бибкод : 1994PhFl....6..404G . дои : 10.1063/1.868037 .

[5] Зеленый, Дж. (1914). «Электрический разряд из жидких точек и гидростатический метод измерения напряженности электрического тока на их поверхности» . Физический обзор . 3 (2): 69. Бибкод : 1914PhRv....3...69Z . дои : 10.1103/PhysRev.3.69 .

[6] Зеленый, Дж. (1917). «Неустойчивость наэлектризованных поверхностей жидкости». Физический обзор . 10 (1): 1–6. Бибкод : 1917PhRv...10....1Z . дои : 10.1103/PhysRev.10.1 .

[Taylor1964-7] Jump up to: ^а ^б Тейлор, Джеффри (1964). «Распад капель воды в электрическом поле». Труды Королевского общества А. 280 (1382): 383–397. Бибкод : 1964RSPSA.280..383T . дои : 10.1098/rspa.1964.0151 . JSTOR 2415876 .

[Taylor1965-8] Тейлор, Г. (1965). «Сила, действующая электрическим полем на длинный цилиндрический проводник». Труды Лондонского королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 291 (1425): 145–158. Бибкод : 1966RSPSA.291..145T . дои : 10.1098/rspa.1966.0085 .

[Taylor1969-9] Тейлор, Джеффри Ингрэм; Ван Дайк, доктор медицины (1969). «Самолеты с электроприводом». Труды Лондонского королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 313 (1515): 453–475. Бибкод : 1969RSPSA.313..453T . дои : 10.1098/rspa.1969.0205 .

[MelcherTaylor-10] Мельчер, младший; Тейлор, Г. (1969). «Электрогидродинамика: обзор роли межфазных сдвиговых напряжений». Ежегодный обзор механики жидкости . 1 (1): 111–146. дои : 10.1146/annurev.fl.01.010169.000551 .

[11] Леб, Л.Б.; Кип, А.Ф.; Хадсон, Дж.Г.; Беннетт, штат Вашингтон (1941). «Импульсы в отрицательной двухплоскостной короне». Физический обзор . 60 (10): 714–722. Бибкод : 1941PhRv...60..714L . дои : 10.1103/PhysRev.60.714 .

[12] Фернандес де ла Мора, Дж.; Лоссерталес, ИГ (1994). «Ток, излучаемый конусами Тейлора с высокой проводимостью». Журнал механики жидкости . 260 : 155–184. Бибкод : 1994JFM...260..155D . дои : 10.1017/S0022112094003472 .

[13] Ван Беркель, Дж.Дж.; Чжоу, FM (1995). «Характеристика источника ионов электрораспыления как электролитической ячейки с регулируемым током». Аналитическая химия . 67 (17): 2916–23. дои : 10.1021/ac00113a028 .

[14] Фенн, Дж.Б.; Манн, М.; Мэн, СК; Вонг, Сан-Франциско; Уайтхаус, CM (2007). «Ионизация электрораспылением для масс-спектрометрии крупных биомолекул». Наука . 246 (4926): 64–71. Бибкод : 1989Sci...246...64F . CiteSeerX 10.1.1.522.9458 . дои : 10.1126/science.2675315 . ПМИД 2675315 .

[Swanson1983-15] Суонсон, Л.В. (1983). «Источники ионов жидких металлов: механизм и применение». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . 218 (1–3): 347–353. Бибкод : 1983НИМПР.218..347С . дои : 10.1016/0167-5087(83)91005-0 . ISSN 0167-5087 .

[Clampitt1981-16] Клэмпитт, Р. (1981). «Достижения в области полевых источников ионов из расплавленного металла». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . 189 (1): 111–6. Бибкод : 1981НИМПР.189..111С . дои : 10.1016/0029-554X(81)90132-4 . ISSN 0167-5087 .

[17] Салата, О.В. (2005). «Инструменты нанотехнологий: Электроспрей». Современная нанонаука . 1 (1): 25–33. Бибкод : 2005CNan....1...25S . дои : 10.2174/1573413052953192 .

[18] Дуонг, AD (2013). «Инкапсуляция электроспрей агониста Toll-подобных рецепторов резикимода в полимерные микрочастицы для лечения висцерального лейшманиоза» . Молекулярная фармацевтика . 10 (3): 1045–55. дои : 10.1021/mp3005098 . ПМК 3857017 . ПМИД 23320733 .

[19] Ву, Ю. (2009). «Коаксиальное электрогидродинамическое распыление: новый одноэтапный метод получения наночастиц Lipoplex, инкапсулированных в олигодезоксинуклеотиды». Молекулярная фармацевтика . 6 (5): 1371–9. дои : 10.1021/mp9000348 . ПМИД 19499922 .

[20] Радачи, Н.; Амбрус, Р.; Шунег, Т.; Сабо-Ревес, П.; Станкевич А.; ван дер Хейден, А.; тер Хорст, Дж. Х. (2012). «Кристаллизация электроспрей для наноразмерных фармацевтических препаратов с улучшенными свойствами». Рост и дизайн кристаллов . 12 (7): 3514–20. дои : 10.1021/cg300285w .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]