Electrospray – Wikipedia

Posted on by lordneo

Bài viết này là về thuốc xịt gây ra điện áp cao. Đối với sự hình thành ion khối phổ, xem ion hóa electrospray.

Tên electrospray được sử dụng cho một thiết bị sử dụng điện để phân tán chất lỏng hoặc cho khí dung tốt từ quá trình này. Điện áp cao được đặt vào một chất lỏng được cung cấp qua bộ phát (thường là mao quản bằng thủy tinh hoặc kim loại). Lý tưởng nhất là chất lỏng chạm tới đỉnh đầu phát tạo thành hình nón Taylor, phát ra một tia chất lỏng qua đỉnh của nó. Sóng biến đổi trên bề mặt máy bay phản lực dẫn đến sự hình thành các giọt chất lỏng nhỏ và tích điện cao, bị phân tán triệt để do lực đẩy Coulomb.

Lịch sử [ chỉnh sửa ]

Vào cuối thế kỷ 16, William Gilbert [1] đã đặt ra để mô tả hành vi của các hiện tượng từ tính và tĩnh điện. Ông quan sát thấy rằng, với sự hiện diện của một mảnh hổ phách tích điện, một giọt nước biến dạng thành hình nón. Hiệu ứng này rõ ràng có liên quan đến điện giật, mặc dù Gilbert không ghi lại bất kỳ quan sát nào liên quan đến sự phân tán chất lỏng dưới tác dụng của điện trường.

Vào năm 1750, giáo sĩ và nhà vật lý người Pháp Jean-Antoine (Abbé) Nollet lưu ý nước chảy từ một con tàu sẽ aerosol hóa nếu con tàu được điện khí hóa và đặt gần mặt đất điện. Ông cũng lưu ý rằng tương tự "một người, được điện khí hóa bằng cách kết nối với máy phát điện cao thế, sẽ không chảy máu bình thường nếu anh ta tự cắt; máu sẽ phun ra từ vết thương". [2]

Vào năm 1882, Lord Rayleigh về mặt lý thuyết đã ước tính lượng điện tích tối đa mà một giọt chất lỏng có thể mang theo; [3] giờ đây được gọi là "giới hạn Rayleigh". Dự đoán của ông rằng một giọt nước đạt đến giới hạn này sẽ ném ra các tia chất lỏng tốt đã được xác nhận bằng thực nghiệm hơn 100 năm sau. [4]

Năm 1914, John Zeleny đã công bố công trình về hành vi của các giọt chất lỏng tại sự kết thúc của mao mạch thủy tinh. [5] Báo cáo này trình bày bằng chứng thực nghiệm cho một số chế độ vận hành điện giật (nhỏ giọt, vỡ, đập và phản lực hình nón). Một vài năm sau đó, Zeleny đã chụp được những hình ảnh thời gian trôi đi đầu tiên của sụn lỏng. [6]

Trong khoảng thời gian từ năm 1964 đến 1969, Sir Geoffrey Ingram Taylor đã tạo ra nền tảng lý thuyết về điện giật. mô hình hóa hình dạng của hình nón được hình thành bởi giọt chất lỏng dưới tác dụng của điện trường; hình dạng giọt đặc trưng này hiện được gọi là hình nón Taylor. Ông tiếp tục làm việc với JR Melcher để phát triển "mô hình điện môi bị rò rỉ" để dẫn chất lỏng. [10]

Cơ chế [ chỉnh sửa ]

Cận cảnh một thiết bị điện giật, phản lực ion hóa có thể nhìn thấy phun trong hình ảnh. Một thiết lập electrospray cổ điển được xem xét, với bộ phát nằm ở khoảng cách d { displaystyle d ,}

từ một điện cực đối kháng được nối đất. Chất lỏng được phun được đặc trưng bởi độ nhớt của nó ( μ ) { displaystyle ( mu) ,}

sức căng bề mặt [19659028] ( γ ) { displaystyle ( gamma) ,}

độ dẫn

( { displaystyle ( kappa) ,}

và độ thấm tương đối

( ϵ r ) kiểu hiển thị ( epsilon _ {r}) ,}

.

Ảnh hưởng của điện trường nhỏ đến menisci lỏng [ chỉnh sửa ]

Dưới tác dụng của sức căng bề mặt, sụn lỏng giả định hình dạng bán cầu ở đầu phát xạ. Áp dụng điện áp dương

V { displaystyle V ,}

sẽ tạo ra điện trường: [11]

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

trong đó

r { displaystyle r ,}

là bán kính cong của chất lỏng. Trường này dẫn đến phân cực chất lỏng: các hạt mang điện tích âm / dương di chuyển tới / ra khỏi điện cực nơi đặt điện áp. Ở điện áp dưới một ngưỡng nhất định, chất lỏng nhanh chóng đạt đến hình dạng cân bằng mới với bán kính cong nhỏ hơn.

Hình nón Taylor [ chỉnh sửa ]

Điện áp trên ngưỡng hút chất lỏng thành hình nón. Ngài Geoffrey Ingram Taylor đã mô tả hình dạng lý thuyết của hình nón này dựa trên các giả định rằng (1) bề mặt của hình nón là một bề mặt đẳng thế và (2) hình nón tồn tại ở trạng thái cân bằng trạng thái ổn định. [7] Để đáp ứng cả hai tiêu chí này. điện trường phải có tính đối xứng phương vị và có

R 1 / 2 { displaystyle R ^ {1/2} ,}

phụ thuộc vào việc cân bằng sức căng bề mặt và tạo ra hình nón. Giải pháp cho vấn đề này là:

V = V 0 + A R 1 / 2 P 1 [196590] / 2 ( cos ⁡ θ 0 ) { displaystyle V = V_ {0} ^ {1/2} P_ {1/2} ( cos theta _ {0}) ,}

trong đó

V = V 0 { displaystyle V = V_ {0} ,}

(bề mặt đẳng thế) tồn tại ở một giá trị

θ 0 { displaystyle theta _ {0}}

(không phân biệt R) tạo ra hình nón đẳng thế. Góc ma thuật cần thiết cho

V = V 0 { displaystyle V = V_ {0} ,}

với tất cả R là một số 0 của Đa thức Legendre theo thứ tự 1/2,

P 1 / 2 ( cos ⁡ θ 0 ) { displaystyle P_ {1/2} ( cos theta _ {0}) ,}

. Chỉ có một số 0 trong khoảng từ 0 đến

π { displaystyle pi ,}

ở 130,7099 °, đây là phần bổ sung của Taylor hiện nổi tiếng 49.3 góc.

Sự phát triển đơn lẻ [ chỉnh sửa ]

Đỉnh của sụn hình nón không thể trở nên nhỏ vô hạn. Một điểm kỳ dị phát triển khi thời gian thư giãn thủy động lực học

τ H = μ r γ { displaystyle tau _ {H} mu r over gamma}}

trở nên lớn hơn thời gian thư giãn phí

τ C = ϵ [19659042] r ϵ 0 κ { displaystyle tau _ {C} = { epsilon _ {r} epsilon _ {0} over kappa}

. [12] Các biểu tượng không xác định là viết tắt của chiều dài đặc trưng

( r ) ) ,}

và độ thấm chân không

( ϵ 0 ) { displaystyle ( epsilon _ {0} ) ,}

. Do sự mất ổn định nội tại, tia chất lỏng tích điện được đẩy qua đỉnh hình nón vỡ thành những giọt nhỏ tích điện, được phân tán triệt để bởi điện tích không gian.

Đóng mạch điện [ chỉnh sửa ]

Chất lỏng tích điện được đẩy qua đỉnh hình nón và được giữ lại trên điện cực đếm dưới dạng các giọt tích điện hoặc ion dương. Để cân bằng tổn thất điện tích, điện tích âm vượt quá được trung hòa điện hóa tại bộ phát. Sự mất cân bằng giữa lượng điện tích được tạo ra điện hóa và lượng điện tích bị mất ở đỉnh hình nón có thể dẫn đến một số chế độ vận hành điện giật. Đối với các tia điện phản lực hình nón, tiềm năng ở giao diện kim loại / chất lỏng tự điều chỉnh để tạo ra cùng một lượng điện tích như đã mất qua đỉnh hình nón. [13]

Ứng dụng [ chỉnh sửa ] [19659186] Ion hóa Electrospray [ chỉnh sửa ]

Electrospray được sử dụng rộng rãi làm nguồn ion hóa cho phép đo phổ khối sau khi nhóm Fenn chứng minh thành công việc sử dụng nó làm nguồn ion cho phân tích sinh khối lớn. [14]

Nguồn ion kim loại [ chỉnh sửa ]

Nguồn ion kim loại lỏng (LMIS) sử dụng electrospray kết hợp với kim loại lỏng để tạo thành ion. [15][16] Các ion được tạo ra bởi sự bay hơi trường ở đầu Taylor nón. Các ion từ LMIS được sử dụng trong cấy ion và trong các dụng cụ chùm ion tập trung.

Electrospinning [ chỉnh sửa ]

Tương tự như electrospray tiêu chuẩn, việc áp dụng điện áp cao vào dung dịch polymer có thể dẫn đến sự hình thành hình học phản lực hình nón. Nếu máy bay phản lực biến thành các sợi rất mịn thay vì vỡ thành các giọt nhỏ, quá trình này được gọi là đốt điện .

Máy đẩy keo [ chỉnh sửa ]

Kỹ thuật Electrospray được sử dụng làm động cơ tên lửa đẩy điện lực đẩy thấp để điều khiển vệ tinh, vì việc phóng hạt có thể điều khiển chính xác.

Sự lắng đọng của các hạt cho cấu trúc nano [ chỉnh sửa ]

Electrospray có thể được sử dụng trong công nghệ nano, ví dụ [17] để lắng đọng các hạt đơn lẻ trên bề mặt. Điều này được thực hiện bằng cách phun keo trung bình chỉ chứa một hạt trên mỗi giọt. Dung môi bay hơi, để lại một dòng aerosol gồm các hạt đơn lẻ thuộc loại mong muốn. Tính chất ion hóa của quá trình không quan trọng đối với ứng dụng nhưng có thể được sử dụng trong kết tủa tĩnh điện của các hạt.

Sự lắng đọng các ion làm tiền chất cho các hạt nano và cấu trúc nano [ chỉnh sửa ]

Thay vì lắng đọng các hạt nano, các hạt nano và cấu trúc nano cũng có thể được chế tạo tại các vị trí của các hạt nano. Sự khử điện hóa của các ion thành nguyên tử và lắp ráp tại chỗ được cho là cơ chế hình thành cấu trúc nano.

Chế tạo các chất mang ma túy [ chỉnh sửa ]

Electrospray đã thu hút được sự chú ý trong lĩnh vực vận chuyển thuốc, và nó đã được sử dụng để chế tạo các chất mang ma túy bao gồm các vi hạt polymer ] cũng như lipoplexes được sử dụng để phân phối axit nucleic. [19] Các hạt thuốc có kích thước dưới micromet được tạo ra bởi electrospray có tốc độ hòa tan tăng, do đó tăng sinh khả dụng do diện tích bề mặt tăng lên. [20] Tác dụng phụ của thuốc có thể do đó được giảm, vì liều lượng nhỏ hơn là đủ cho cùng một tác dụng.

Máy lọc không khí [ chỉnh sửa ]

Electrospray được sử dụng trong một số máy lọc không khí. Hạt lơ lửng trong không khí có thể được tích điện bằng bình điện khí dung, được điều khiển bằng điện trường và được thu thập trên điện cực nối đất. Cách tiếp cận này giảm thiểu việc sản xuất ozone thường thấy đối với các loại máy lọc không khí khác.

Tài liệu tham khảo [ chỉnh sửa ]

  1. ^ Gilbert, W. (1628) De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure (Trên nam châm và từ tính, trên That Great Magnet the Earth), London, Peter Short
  2. ^ Grimm, Ronald L. (2006). "2". Các nghiên cứu cơ bản về các cơ chế và ứng dụng của phép đo phổ khối ion hóa trường nhỏ giọt và phép đo khối phổ Electrospray (PDF) (Ph.D.). Thư viện Caltech . Truy xuất 17 tháng 5, 2013 .
  3. ^ Rayleigh, L. (1882). "Trên trạng thái cân bằng của các khối dẫn điện lỏng được tích điện". Tạp chí triết học . 14 (1): 184 Tái186. doi: 10.1080 / 14786448208628425.
  4. ^ Gomez, A; Đường, K (1994). "Sạc và phân hạch các giọt trong thuốc xịt tĩnh điện". Vật lý chất lỏng . 6 (1): 404 Từ414. Mã số: 1994PhFl …. 6..404G. doi: 10.1063 / 1.868037.
  5. ^ Zeleny, J. (1914). "Sự phóng điện từ các điểm chất lỏng và phương pháp thủy tĩnh để đo cường độ điện ở bề mặt của chúng". Đánh giá vật lý . 3 (2): 69. Mã số: 1914PhRv …. 3 … 69Z. doi: 10.1103 / PhysRev.3,69.
  6. ^ Zeleny, J. (1917). "Sự không ổn định của bề mặt chất lỏng điện khí hóa". Đánh giá vật lý . 10 (1): 1 trận6. Mã số: 1917PhRv … 10 …. 1Z. doi: 10.1103 / PhysRev.10.1.
  7. ^ a b Geoffrey Taylor (1964). "Sự tan rã của các giọt nước trong điện trường". Thủ tục tố tụng của Hội Hoàng gia A . 280 (1382): 383 bóng394. Mã số: 1964RSPSA.280..383T. doi: 10.1098 / rspa.1964.0151. JSTOR 2415876.
  8. ^ Taylor, G. (1965). "Lực tác dụng bởi một điện trường trên một dây dẫn hình trụ dài". Kỷ yếu của Hiệp hội Hoàng gia Luân Đôn A: Khoa học toán học, vật lý và kỹ thuật . 291 (1425): 145 Tắt158. Mã số: 1966RSPSA.291..145T. doi: 10.1098 / rspa.1966.0085.
  9. ^ Geoffrey Ingram Taylor và M. D. Van Dyke (1969). "Máy bay phản lực chạy bằng điện". Kỷ yếu của Hiệp hội Hoàng gia Luân Đôn A: Khoa học toán học, vật lý và kỹ thuật . 313 (1515): 453 Tiết485. Mã số: 1969RSPSA.313..453T. doi: 10.1098 / rspa.1969.0205.
  10. ^ Melcher, J. R. & Taylor, G. (1969) Electrohydrodynamics: Đánh giá về vai trò của ứng suất cắt liên vùng. Đánh giá hàng năm về cơ học chất lỏng, 1, 111-146
  11. ^ L. B. Loeb; A. F. Kíp; G. G. Hudson; W. H. Bennett (1941). "Xung trong corona điểm âm đến mặt phẳng". Đánh giá vật lý . 60 (10): 714 Ảo722. Mã số: 1941PhRv … 60..714L. doi: 10.1103 / PhysRev.60.714.
  12. ^ Fernández de la Mora, J. & Loscertales, I. G. (1994). "Dòng điện phát ra từ nón Taylor có tính dẫn điện cao". Tạp chí cơ học chất lỏng . 260 : 155 Từ184. Mã số: 1994JFM … 260..155D. doi: 10.1017 / S0022112094003472.
  13. ^ Van Berkel, G. J.; Chu, F. M. (1995). "Đặc tính của nguồn ion electrospray là tế bào điện phân dòng được kiểm soát". Hóa phân tích . 67 (17): 2916 Tiết2923. doi: 10.1021 / ac00113a028.
  14. ^ Fenn, J. B.; Mann, M.; Mạnh, C.K.; Vương, S. F.; Nhà trắng, C. M. (2007). "Ion hóa Electrospray cho phép đo phổ khối của các phân tử sinh học lớn". Khoa học . 246 (4926): 64 điêu71. Mã số: 1989Sci … 246 … 64F. CiteSeerX 10.1.1.522.9458 . doi: 10.1126 / khoa học.2675315. PMID 2675315.
  15. ^ Swanson, L.W. (1983). "Nguồn ion kim loại lỏng: Cơ chế và ứng dụng". Dụng cụ và phương pháp hạt nhân trong nghiên cứu vật lý . 218 (1 Lỗi3): 347 Điêu353. Mã số: 1983NIMPR.218..347S. doi: 10.1016 / 0167-5087 (83) 91005-0. ISSN 0167-5087.
  16. ^ Kẹpitt, R. (1981). "Những tiến bộ trong nguồn ion trường kim loại nóng chảy". Dụng cụ và phương pháp hạt nhân trong nghiên cứu vật lý . 189 (1): 111 Phản16. Mã số: 1981NucIM.189..111C. doi: 10.1016 / 0029-554X (81) 90132-4. ISSN 0167-5087.
  17. ^ Salata, O.V. (2005). "Công cụ của công nghệ nano: Electrospray". Khoa học nano hiện tại . 1 : 25 Ảo33. Mã số: 2005CNan …. 1 … 25S. doi: 10.2174 / 1573413052953192.
  18. ^ Duong, A.D. (2013). "Đóng gói Electrospray của Receptor Agonist Resiquimod trong các vi hạt polymer để điều trị bệnh Leishmania nội tạng". Dược phẩm phân tử . 10 (3): 1045 Tiết1055. doi: 10.1021 / mp3005098. PMC 3857017 . PMID 23320733.
  19. ^ Wu, Y. (2009). "Phun đồng trục điện động lực: Một kỹ thuật một bước mới lạ để chuẩn bị các hạt nano Lipoplex đóng gói Oligodeoxynucleotide". Dược phẩm phân tử . 6 (5): 1371 Ảo1379. doi: 10.1021 / mp9000348. PMID 19499922.
  20. ^ Radacsi, N.; Ambrus, R.; Szunyogh, T.; Szabó-Révész, P.; Stankiewicz, A.; van der Heijden, A. & ter Horst, J. H. (2012). "Kết tinh Electrospray cho dược phẩm nano với các đặc tính được cải thiện". Thiết kế và tăng trưởng pha lê . 12 (7): 3514 Tiết3520. doi: 10.1021 / cg300285w.