This page is an automatic translation to Korean of Electrospray.This translation is distributed in the hope that it will be useful, but without any guarantee of accuracy.Read more...

Figure 1: An artistic rendering that provides an overview of electrospray.

Electrospray is a phenomenon that results from the application of an electric field to fluid contained in a small capillary. The driving electrostatic force incites the emission of charged droplets that cycle through phases of evaporation and coulombic explosion, ideally resulting in the formation of gas-phase ions or a very fine liquid aerosol. Though this technique has found widespread use in the area of mass spectrometry,^W it has also been documented to function in a wide range of other applications such as industrial painting, particle deposition, and gene therapy.^W

This array of modern uses, however, belies the fact that the basic science behind electrospray is anything but new. Indeed, it can trace its origins all the way back to Lord Rayleigh's article, "On the equilibrium of liquid conducting masses charged with electricity" published in 1882.^[1] A little over 30 years thereafter, John Zeleny became the first man to witness an electrospray event, and subsequently published his observations in "The electrical discharge from liquid points, and a hydrostatic method of measuring the electric intensity at their surfaces."^[1] Since then, continuing research by Taylor, Fenn, Dole, and a number of other researchers have continued to push forward science's understanding and range of applications for electrospray.^[1],[2]

How it Works

Figure 2: A schematic showing the half angle, θ₀, of the Taylor cone.

As a process, the literature segregates the electrospray event into a series of 3 unique phases:^[3]

1. Onset and Emission
2. Droplet Fission
3. Gas-Phase Ion Generation

Below, each of these steps will be discussed individually and the governing roles that various mechanical and electrochemical factors play will be described. An overview of the apparatus can be found in Figure 1.

Onset and Emission

At rest, no activity is witnessed in an electrospray system due to the lack of a sufficiently strong electric field to drive the vaporization of solvent at the emitter tip. The threshold electric field at which emission begins has been characterized by the relationship:^[3]

Einitial ≈ √((2γcosθ0) / (ε0rc))

Where:

γ = the surface tensionW of the solventθ0; = the cone half angle (see Figure 2)ε0 = the vacuum permitivityW of the solventrc = the radius of the emitter orifice

Initiation of electrospray via formation of a Taylor cone^W is achieved by applying a voltage^W to liquid housed in a capillary (see Figure 1). The magnitude of the voltage needed, V_onset, is dependent upon the following relationship:^[1]

Vonset ∝ 1/√(rc/γ)

Where:

γ = the surface tension of the solventrc = the radius of the emitter orifice

By varying this applied voltage, the electric field at the emitter, E_ES, can be manipulated and eventually increased to levels that create the Taylor cone. E_ES can be calculated via the following equation:^[3]

EES = (2VES) / (rcln(4d/rc))

Where:

VES = the applied voltagerc = the radius of the emitter orificed = the distance between the emitter orifice and the counter electrode

The resulting plume of charged airborne droplets are accelerated towards the counter electrode due to the electric field, and subsequently undergo a series of droplet fission events.

Droplet Fission

Figure 3: Diagram of an airborne droplet as it undergoes the fission process.

Once airborne, the liquid droplets' structural integrity becomes dependent upon the struggle of surface tension with the electrostatic repulsion that results from the solvated ions. Up to a point, known as the Rayleigh limit, surface tension will hold the repulsive forces in check and prevent droplet fragmentation. Due to evaporation, however, continuous shrinkage in droplet size gradually brings the charges closer together, increasing repulsion proportionally. Eventually, the Rayleigh limit is overcome and the droplet undergoes Coulombic explosion, splitting into progeny droplets in which the process is reset (see Figure 3). The amount of charge, q_R, at which the Rayleigh limit is exceeded and fission occurs has been described by the mathematical relationship:^[4]

qR = 8π√(ε0γr3)

Where:

ε0 = the vacuum permitivity of the solventγ = the surface tension of the solventr = the radius of the droplet

This is only a general guideline, however, as a number of labs have reported Rayleigh discharge (a.k.a. particle fission) at 70% to 120% of this value.^[4]

Gas-Phase Ion Generation

이온이 결국 기체상으로 들어가는 방법을 설명하기 위해 두 가지 모델이 제시되었습니다. IEM(이온 증발 모델)으로 알려진 첫 번째 모델은 매우 작은(수십 nm 직경) 액적에 존재하는 정전기적 반발력이 실제로 이온이 표면에서 탈착되도록 할 만큼 충분히 강하다고 가정합니다. ^[4] 반면에 전하 잔류 모델(CRM)은 증발과 쿨롱 폭발의 주기가 최종적으로 기상 이온이 생성될 때까지 계속된다는 점을 간단히 설명합니다. ^[4] 어느 것이 우세한지는 아직 결정되지 않았으며, 서로 다른 상황(액적 크기, 전하 밀도 등)에서 두 가지 모델이 실행 가능하거나 심지어 혼합될 수도 있다는 것이 실제로 가능합니다. ^[삼]

IEM에서 용매 표면에서 이온 증발 가능성은 Gibbs 자유 에너지 ^W 의 관련 변화를 조사하여 결정할 수 있습니다 . 전체 값이 음수이고 활성화 에너지 ^W 장벽을 극복하면 반응이 자발적으로 발생할 수 있습니다. Iribarne과 Thomson의 모델과 Born의 모델은 둘 다 이 사건을 수학적으로 설명하려고 합니다. 그러나 전자는 여러 요인을 고려하지 못하고 후자는 실험적으로 자유 에너지를 심각하게 과소평가하는 것으로 나타났습니다. ^[삼]

그러나 핵분열과 용매 증발로 인한 점진적인 단편화로 인해 기체상 이온이 생성된다는 CRM의 견해에는 나름의 어려움이 있습니다. 액적이 단지 몇 nm의 크기에 도달하면 레일리 방정식은 (가정된) 동일한 전하 분포의 손실로 인해 무너지고 켈빈 방정식 ^W 로 인해 증기압 ^W 가 이동합니다 . ^[3] 대신, 나머지 이온은 용매가 아닌 이온이 결국 IEM을 통해 증발하는 용매 분자 팽창에 갇힌 것으로 생각됩니다. ^[4]

전기분무를 현실로 만들기

그림 4: 전기 분무 설정을 자세히 설명하는 회로도입니다. 장비 및 적용 분야에 따라 차이가 크기 때문에 치수는 생략되었습니다.

전기 분무 장치를 구성하는 데 사용되는 중앙 디자인과 구성 요소는 본질적으로 동일하지만 응용 분야에 따라 맞춤화가 필요한 경우가 많습니다. 아래에서는 기본 직류 ^WES 장치를 구성하는 과정을 설명하고 다양한 용도에 필요할 수 있는 수정 사항을 자세히 설명합니다.

재료 및 도구 요구 사항

전기 분무 장치 설정을 위한 절대 기본 요구 사항은 다음과 같습니다.

• 최소 1kV의 전위차를 생성할 수 있는 전원 공급 장치 W ^{( 대부분의 경우 전류 출력은 두 번째 고려 사항입니다).} 필요한 정확한 값은 애플리케이션에 따라 크게 달라집니다. 고전압 배율기 ^W를 더 저렴한 대안으로 사용할 수 있지만 이는 아직 입증되지 않았습니다 .
• 이미터는 일반적으로 직경이 0.1mm 이하인 강철 모세관입니다(직경이 작을수록 스프레이를 생성하는 데 필요한 전압이 낮아진다는 점을 기억하십시오). 일부 그룹에서는 장점과 단점이 있는 실리카 기반 모세관을 사용하기 시작했으며 ^[5] , 다른 그룹에서는 새로운 효과를 만들기 위해 방출기 내부에 실리카 모놀리스를 사용했습니다. ^[6]
• 이미터 반대쪽에 배치할 접지 (전기) ^{W 전극.} 이것은 지구와 접촉하는 금속판만큼 간단할 수 있습니다.
• 원하는 용도에 필요한 모든 화학물질/시약.

또한 일부 응용 프로그램에는 다음과 같은 다른 구성 요소가 필요할 수 있습니다.

• 이미터에 공급하기 위한 정밀하게 제어 가능한 솔벤트 펌프입니다.
• 고전압 출력 트랜스포머, RF 증폭기, 파형 발생기( 기존의 직류를 사용하는 것이 아닌 새로운 방법인 교류 ^{W 를 추구하는 경우). [7] , [8]}
• 코로나 방전 ^W 을 방지하려면 질소를 공급하는 분무기 ^W 가 있는 폐쇄형 챔버가 필요할 수 있습니다 .
• 전압계 ^W , 전류계 ^W , 망원 장비 및 카메라와 같은 특성화 장비 .

도구와 관련하여 여기에 설명된 기본 설계에는 특별한 것이 필요하지 않습니다. 어떤 경우에는 탐색 중인 프로젝트 유형에 따라 마이크로파이펫 풀러와 같은 보다 특수한 장치가 필요할 수 있습니다. ^{[5] , [9]}

건설

전기분무 시스템의 실제 조립은 간단하고 계획도 비교적 간단합니다(그림 4 참조). 응용 프로그램에 따라 몇 가지 사항이 다를 수 있습니다. 몇 가지 예는 다음과 같습니다.

• 미세하게 제어 가능한 솔벤트 펌프와 함께 솔벤트 저장소를 사용하여 방출기를 보충해야 할 수도 있습니다.
• 방출기 팁에서 표적/지면까지의 거리는 적용 유형에 따라 다릅니다(예: 질량 분석법에서는 단 몇 mm일 수 있지만 유전자 치료의 경우 일반적으로 2cm에 가깝습니다).
• 폐쇄된 챔버 환경과 질소 분무기의 필요성.

실제로 문헌 자체는 전기 분무 장치를 최적으로 조립하고 작동을 보장하는 세부 사항에 대해 모호하므로 이 분야에 개인적인 경험이 있는 사람이 있다면 귀하의 기여에 크게 감사하겠습니다.

작업

장치가 적절하게 조립되면 일반적으로 작동을 시작하는 데 필요한 몇 가지 단계가 전부입니다.

1. 방출기/저장소에 용매를 로드합니다.
2. 대상 물질이 올바르게 설정되었는지 확인하십시오.
3. 1과 2를 다시 확인하고 기기가 잠재적인 전도성 물질로부터 절연되어 있는지 확인하십시오.
4. 전원을 활성화하십시오.

전기분무가 시작된 후 반응이 완료될 때까지 모니터링할 수 있으며 완료될 때 전원을 비활성화해야 합니다. 절차 중에 도달한 전압은 잠재적으로 치명적이거나 심각한 개인 상해를 일으킬 수 있으므로 작동 중에는 장치에 가까이 접근하거나 접촉하지 않는 것이 매우 중요합니다.

장치를 유지 관리할 때 변형을 방지하기 위해 이미터 팁에 물리적 응력이 가해지지 않도록 특별한 주의를 기울여야 합니다. 또한 금속 표면의 부식을 최소화하려면 모든 구성 요소를 습기가 없는 환경에 보관해야 합니다.

Electrospray를 이용한 작업 및 혁신

Electrospray는 다양한 산업 분야와 연구 도구로 응용되는 강력하고 적응력이 뛰어난 도구입니다. 다음은 채용된 몇 가지 영역입니다.

• 질량 분석법 ^{[2] , [9] , [10]} - 앞서 언급한 바와 같이 전기분무는 샘플 크기를 축소하여 분석물의 분리능을 향상시키는 데 도움을 주기 위해 질량 분석법에 사용되었습니다. 메커니즘은 상대적으로 잘 특성화되어 있지만 여전히 논쟁의 여지가 있지만 이 분야에서는 혁신이 어렵습니다. 왜냐하면 일반적으로 특별히 적합한 전기 분무 장치와 이미 결합되어 상업적으로 이용 가능한 질량 분석기가 필요하기 때문입니다.
• 나노입자 제조 ^[1] - 전기분무의 증발 및 핵분열 단계에서 달성된 작은 부피는 제어된 반응 용기로 활용되어 알려진 크기의 무기 나노입자를 제조할 수 있게 되었습니다. 이는 크기가 감지되는 방출 파장에 영향을 미치는 양자점 ^W 영역에서 특히 중요합니다 . 그러나 이 외에도 나노제조에 전기분무를 사용하는 것은 많은 잠재력을 지닌 상대적으로 새롭고 미개척된 분야로 남아 있습니다.
• 마이크로어레이 제작 ^{W , [11]} - 마이크로어레이는 생물학적 진단의 핵심 도구이며 알려지지 않은 물질을 특성화하고 잠재적으로 분리하기 위한 빠르고 고도로 다중화 가능한 방법을 나타냅니다. 전기분무를 활용하면 도트 면역 결합 및 DNA 혼성화 ^W 분석에 여전히 사용할 수 있는 방식으로 이러한 칩을 신속하게 생산하기 위해 프로세스를 로봇화할 수 있고 특정 표면 단위에 사용할 수 있는 정보 밀도를 높일 수 있다고 가정되었습니다.
• 유전자 치료 ^[12] - 전기분무의 최신 응용 분야 중 하나는 생명공학 및 유전공학 분야입니다. 일본의 연구자들은 전기분무 장치를 활용하여 진핵생물과 박테리아 세포의 변형을 유도하는 데 성공했으며, 이는 현재 기술과 비교할 때 세포 독성이 적고 재사용이 용이하며 휴대성이 뛰어난 방법을 입증했습니다. 이 분야의 응용 분야는 여전히 열려 있으며 다양한 환경에서 쉽게 상용화 기회를 제공할 수 있습니다.
• 의약품 생산 ^[7] - 의약품 개발의 핵심 영역 중 하나는 도중에 분해되거나 다른 환자 조직에 영향을 주지 않고 치료 물질을 필요한 위치에 전달하는 것입니다. 이런 점에서 마이크로 캡슐화 ^W는 이 문제를 피할 수 있는 방법을 제공합니다. 과학자들은 전기분무를 사용하여 약물을 다른 물질의 "껍질" 내부에 격리시켜 신체 내에서 새로운 특성을 부여할 수 있음을 보여주었습니다.
• 생분해성 섬유 지지체 ^[7] - 전기분무는 다양한 의료 절차에 사용될 수 있는 생분해성 마이크로섬유를 합성하는 추정 방법으로 연루되어 있습니다. 초기 연구에서는 조직 공학용 ^지지체 및 염증 반응 예방을 위한 생체의학 임플란트용 마스크형 코팅으로서의 유용성을 보여주었습니다 .
• 차세대 " 랩온어칩( lab-on-a-chip) ^W " 시스템 ^[13] - 과학의 여러 측면이 계속해서 소형화됨에 따라 다양한 습식 반응을 신속하게 수행할 수 있는 "랩온어칩(lab-on-a-chip)" 장치 제조 가능성 작은 공간에서 계속해서 개선되고 있습니다. 이러한 분야에서 전기분무의 높은 적용 가능성으로 인해 현재 연구에서는 미래 칩 연구실의 기능으로 통합될 수 있는 크기로 프로세스를 축소하려고 시도하고 있습니다.
• 박막 증착 ^{W [14]} - 아마도 전기분무 적용의 가장 광범위한 영역 중 하나는 기판 표면에 박막을 증착하는 것입니다. 전기분무 중에 방출되는 작은 전하 입자는 높은 코팅 효율을 갖는 것으로 밝혀졌으며 이론적으로 광범위한 산업 분야에서 재료에 새로운 표면 특성을 부여하는 데 사용될 수 있습니다.

전기분무와 지속가능성

전기분무가 지속 가능한 개발에 도움이 되는 두 가지 주요 영역은 다양한 역할을 수행할 수 있는새로운 나노입자 와 박막을 제조할 수 있는 잠재력에 있습니다.

나노입자의 경우 제조 목적으로 전기분무 장치의 사용을 통합할 수 있는 많은 지속 가능한 응용 프로그램이 제안되었습니다. 이들의 샘플링에는 다음이 포함됩니다.

• 나노입자로 지하수를 청소합니다 .
• 2세대(주로 박막 기술을 통해) 및 3세대 태양전지 개선 ^W .
• 입자 기능화 소재(예: 항균 효과가 있는 의류 의 은나노 입자).

박막의 경우 지속 가능성 목표 달성을 촉진하는 데 도움이 될 수 있는 다양한 다른 옵션도 있습니다.

• 자체 청소 표면.
• 탄소 격리 박막.
• 위에서 언급한 바와 같이 2세대 태양전지에서는.

또한 전기분무를 통한 유전공학 분야의 새로운 발전으로 우수한 성능을 보이는 작물/가축 품종의 보다 신속한 개발이 촉진될 수 있다는 점도 주목할 가치가 있습니다. 이는 결과적으로 농업 운영에 필요한 토지의 양을 줄이고, 더 가혹한 기후에서 농업이 번창할 수 있도록 하며(식량 운송 비용 감소), 더 위험한 형태의 해충 방제(예: 살충제 및 제초제)의 필요성을 없앨 수 있습니다. .

참고자료