什么是电喷雾?

电喷雾的优势   | 纳流电喷雾的优势

一般意义而言,电喷雾是一种通过静电场带电产生细微的液态气溶胶,而不是更为熟悉的气压辅助方式。还记得那些香水瓶子上的按钮吗?当你按压按钮,香水气雾从喷嘴涌出。通过按压按钮将空气压入管子,香水液体被气体吹成小液滴。而电喷雾,就像它的名字一样,用的是电而不是气体来形成小液滴。在电喷雾中,液体通过喷嘴,让其处在高电场中使其带电产生小液滴。在喷嘴中带电的液体因承受越来越多的电荷因此而变得不稳定,随之带电液体到达了一个临界点,这时它不能再承受更多的电荷,在喷嘴的出口端分裂,随后变成细小、高度带电的液滴。

Diagram of ionized droplets in electrospray

这些细小的液滴直径小于10 µm(1 µm是1m的百万分之一,它们在电场范围朝着与它们自身电荷相反的表面运动。在运动过程中,液滴会随着溶剂分子从表面蒸发而迅速收缩。因电荷不能被蒸发,因此液滴中电荷之间的距离急剧缩短。如果液滴找不到地方及时驱散它所带的电荷,等电荷数量到达一个临界点,液滴就会被再次剧烈分散。物理学家John Zeleny在1914年最先注意到(Zeleny, J. The Physical Review 3 (1914):69-91),电喷雾过程将对质谱学产生深远影响,可进行高分子量物质如生物大分子的结构分析,并且还能连接液相色谱法直接分析。

在工业方面,电喷雾被用于金属表面油漆和镀层涂布。精细的喷雾得到了光滑的薄膜涂层,油漆被自然地吸附到金属上,因此涂料被更有效地利用。这种方法降低了成本,减少了有机溶剂用量,也减小了环境污染。电喷雾缩微版本被认为可用于下一代微型卫星。静电喷雾可被开发为高校、低耗的离子推进引擎。

当电喷雾作为一种软电离方法用于化学分析时,“电喷雾离子化(ESI)”这个术语被广泛接受。离子化是指从典型的固态或液态化学品中产生气相离子的过程。之所以被称之为“软电离”是因为离子化的分子在这个过程中不会碎裂或分裂。在质谱法中离子化是关键的,因为只有离子才能被精确测量。一旦知道了离子的质量,就测定它的化学组成。当质谱仪结合了ESI,其价值是无法估量的,尤其是对生物大分子的分析,比如蛋白质和DNA。

质谱法最常用的电喷雾装置是用一根尖锐的空心金属管,比如注射器针头,通过泵把液体引入针管。在针管出口加上高电压,针尖被置于质谱入口前端,称之为反电极,通常是接地电位。

Diagram of nanospray experimental setup

当加上高电压至一定值时,针管内的液体被拉出形成精细持续的雾状液滴,快速朝反电极方向运动。

发生在喷针尖端的电喷雾过程,可以通过高倍显微镜观察。当液体开始离开喷针,它们带上电荷呈圆锥状,一般被称为泰勒锥Taylor cone,这个术语是为了纪念Mr. G.I. Taylor在1964年描述了这一现象。液体呈泰勒锥是因为在带电后圆柱形能比球体携带更多的电荷。

Magnified image of Taylor cone and plume

看一下实际过程

在锥尖,液体再次改变形状变成细射流。然而这股细射流变得不稳定,被分散成细小雾状液滴。由于这些细小液滴都带着同极性的高电荷,它们互相间强烈排斥,因此这些细小液滴相互远离,遍布于很大的表面积范围。通过动画可看到整个过程发生的实际画面

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