Electrospray/zh

电喷雾是一种现象，当对毛细管内的流体施加电场时，就会发生这种现象。驱动静电力会激发带电液滴的喷射，这些液滴会经历蒸发和库仑爆炸的循环过程，理想情况下会形成气相离子或极细的液态气溶胶。虽然这项技术已在质谱分析领域得到广泛应用，^但也有文献记载其在其他诸多领域也具有应用价值，例如工业喷涂、颗粒沉积和基因治疗^。

然而，这些现代应用掩盖了一个事实：电喷雾背后的基本科学原理并非新生事物。事实上，它的起源可以追溯到瑞利勋爵于1882年发表的论文《论带电液体导体的平衡》。^{[ 1 ]}三十多年后，约翰·泽莱尼成为第一个目睹电喷雾现象的人，随后发表了题为《液体点的放电及其表面电场强度的静水压测量方法》的论文，记录了他的观察结果。^{[ 1 ]此后，泰勒、芬恩、多尔以及其他一些研究人员的持续研究不断推进着科学界对电喷雾的理解及其}应用范围。^{[ 1 ] [ 2 ]}

工作原理

文献将电喷雾过程分为 3 个独特的阶段：^{[ 3 ]}

1. 起始和排放
2. 液滴裂变
3. 气相离子生成

下面将逐一讨论这些步骤，并描述各种机械和电化学因素所起的作用。装置概览如图 1 所示。

发病和发病

在静止状态下，由于缺乏足够强的电场来驱动发射器尖端的溶剂汽化，电喷雾系统中不会观察到任何活动。发射开始的阈值电场可以用以下关系式来表征：^{[ 3 ]}

在哪里：

通过向毛细管内的液体施加电压^W来形成泰勒锥^W，从而引发电喷雾（见图 1）。所需电压 V_{_onset} 的大小取决于以下关系：^{[ 1 ]}

在哪里：

通过改变施加的电压，可以控制发射极处的电场强度 E_{_ES ，并最终将其提高到足以形成泰勒锥的水平。E_ES}可以通过以下公式计算：^{[ 3 ]}

在哪里：

由此产生的带电液滴羽流在电场的作用下加速向对电极运动，随后发生一系列液滴分裂事件。

液滴裂变

一旦液滴悬浮在空中，其结构完整性便取决于表面张力与溶剂化离子产生的静电斥力之间的平衡。在达到瑞利极限之前，表面张力能够抑制斥力，防止液滴破碎。然而，由于蒸发作用，液滴尺寸的持续缩小逐渐使电荷彼此靠近，斥力也随之成比例地增大。最终，瑞利极限被突破，液滴发生库仑爆炸，分裂成多个子液滴，并在这些子液滴中重新开始分裂过程（见图3）。突破瑞利极限并发生分裂时的电荷量q_{_R}可以用以下数学关系式描述：^{[ 4 ]}

在哪里：

但这只是一个一般性指导原则，因为许多实验室报告称，瑞利放电（又称粒子裂变）的发生率达到该值的 70% 至 120%。^{[ 4 ]}

气相离子发生

目前提出了两种模型来解释离子最终如何进入气相。第一种模型称为离子蒸发模型（IEM），它假设极小（直径几十纳米）液滴中存在的静电斥力足以迫使离子从表面解吸。^{[ 4 ]}而电荷残留模型（CRM）则简单地认为蒸发和库仑爆炸的循环持续进行，直至最终产生气相离子。^{[ 4 ]}目前尚未确定哪种模型占主导地位，事实上，在不同的条件下（液滴尺寸、电荷密度等），这两种模型都可能有效，甚至可能相互交织。^{[ 3 ]}

^{在离子交换膜（IEM）中，可以通过考察吉布斯自由能W}的变化来确定离子从溶剂表面蒸发的可能性。如果总值为负，且活化能^W势垒被克服，则反应可以自发进行。Iribarne 和 Thomson 的模型以及 Born 的模型都试图从数学上解释这一现象，但前者未能考虑许多因素，而后者已被实验证明严重低估了自由能。^{[ 3 ]}

CRM认为，裂变和溶剂蒸发导致的渐进碎片化最终产生气相离子，但这种观点本身也存在一些问题。一旦液滴尺寸达到几纳米，由于（假设的）等电荷分布的丧失以及开尔文方程引起的蒸气压^{W的变化，瑞利方程便不再适用。[ 3 ]}相反，人们认为剩余的离子被捕获在溶剂分子凸起中，最终通过离子交换膜（IEM）蒸发的是离子，而不是溶剂。^{[ 4 ]}

让电喷雾技术成为现实

尽管电喷雾装置的核心设计和组成部件基本相同，但根据具体应用，通常需要进行定制。下文将介绍构建基本直流电^{喷雾装置的过程，并详细说明针对不同用途可能需要进行的修改。}

材料和工具要求

搭建一套电喷雾装置的基本要求如下：

• 电源^W能够产生至少 1 kV 的电压（在大多数情况下，电流输出是次要考虑因素）。所需的具体数值会因应用而异。高压倍压器^W或许可以作为一种更经济的替代方案，但这仍需进一步证实。
• 发射器通常是一根直径约为 0.1 毫米或更小的钢毛细管（记住，直径越小，产生喷雾所需的电压就越低）。值得注意的是，一些研究小组已经开始使用二氧化硅基毛细管^{[ 5 ]}，这带来了其自身的一些优点和缺点，而另一些研究小组则在发射器内部使用二氧化硅整体材料来产生新的效果^{[ 6 ] 。}
• 在发射极的对面放置一个接地（导电）^{电极。这可以很简单，比如一块与大地接触的金属板。}
• 任何所需化学品/试剂。

此外，某些应用程序可能需要其他组件，例如：

• 用于向发射器输送溶剂的可精确控制溶剂泵。
• 高压输出变压器、射频放大器和波形发生器（如果采用交流电^W，这是一种较新的方法，而不是传统的直流电）。^{[ 7 ]、[ 8 ]}
• 可能需要一个带有雾化器^{W的封闭腔室来输送氮气，以防止电晕放电W}。
• 特性分析设备，例如电压表^W、电流表^W、望远镜设备和相机。

就工具而言，本文所述的基本设计并不需要任何特殊工具。在某些情况下，根据所研究项目的类型，可能需要更专业的设备，例如微量移液器拉制仪。^{[ 5 ]，[ 9 ]}

施工

电喷涂系统的实际组装很简单，设计图也相对直观（见图 4）。根据您的具体应用，一些细节可能会有所不同。例如：

• 可能需要使用溶剂储罐和可精细控制的溶剂泵来补充发射器的溶剂。
• 发射器尖端到目标/地面的距离会因应用类型而异（例如，在质谱分析中可能只有几毫米，而对于基因治疗，通常接近 2 厘米）。
• 需要封闭的舱室环境和氮气雾化器。

文献本身对于如何最佳组装电喷雾装置并确保其正常工作的细节其实比较模糊，因此，如果有人在这方面有个人经验，非常感谢您的贡献。

操作

设备组装完毕后，通常只需几个步骤即可启动运行：

1. 将溶剂装入喷嘴/储液罐。
2. 确保目标材料已正确设置。
3. 仔细检查第 1 点和第 2 点，并确保仪器与任何可能导电的材料隔离。
4. 启动电源。

电喷雾开始后，可以监测反应直至完成，此时应关闭电源。操作过程中务必避免与设备近距离接触，这一点至关重要，因为操作过程中产生的电压可能致命或造成严重的人身伤害。

维护该装置时，必须特别注意避免发射极尖端受到物理应力，以防止变形。此外，所有组件都应存放在干燥的环境中，以最大程度地减少金属表面的腐蚀。

电喷雾技术的应用与创新

电喷雾是一种功能强大且适应性强的工具，已广泛应用于各个行业，并成为科研领域的重要工具。以下仅列举其部分应用领域：

• 质谱分析^{[ 2 ]、[ 9 ]、[ 10 ]} ——如前所述，电喷雾已被应用于质谱分析中，通过减少样品用量来提高分析物的分辨率。其原理已得到较为充分的表征（尽管仍存在争议），但由于该技术需要质谱仪，而市面上常见的质谱仪通常已与专用的电喷雾装置联用，因此在该领域进行创新较为困难。
• 纳米粒子的制备^{[ 1 ]} ——电喷雾蒸发和裂变阶段所形成的小体积已被用作可控反应容器，从而能够制备已知尺寸的无机纳米粒子。这在量子点领域尤为重要^，因为尺寸会影响其发射波长。然而，除此之外，电喷雾在纳米制造中的应用仍然是一个相对较新且尚未开发的领域，具有巨大的潜力。
• 微阵列的制备^{[ 11 ] ——微阵列是生物诊断的关键工具，它}是一种快速、高通量的方法，可用于表征和潜在分离未知物质。利用电喷雾技术，该过程可以实现自动化，从而快速生产此类芯片，同时仍可用于点免疫结合和DNA杂交^检测，并提高单位面积上的信息密度。
• 基因治疗^{[ 12 ]} ——电喷雾技术最新涌现的应用领域之一是生物技术和基因工程。日本的研究人员已成功利用电喷雾装置诱导真核细胞和细菌细胞发生转化，与现有技术相比，该方法细胞毒性更低、易于重复使用且便于携带。该领域的应用前景广阔，并有望在各种环境下实现商业化。
• 药物生产^{[ 7 ]} ——药物研发的关键领域之一在于如何将治疗药物输送到所需部位，同时避免药物降解或影响患者其他组织。在这方面，微囊化^技术提供了一种可能的解决方案。科学家们已经证明，电喷雾技术可以实现这一目标，将药物包裹在其他材料的“外壳”内，从而赋予药物在体内新的特性。
• 可生物降解纤维支架^{[ 7 ]} ——静电喷雾法被认为是一种合成可生物降解微纤维的潜在方法，这些微纤维可用于多种医疗程序。初步研究表明，它们可用作组织工程支架^，以及用于生物医学植入物的类似口罩的涂层，以预防炎症反应。
• 下一代“芯片实验室^”系统^{[ 13 ]} ——随着科学的诸多方面不断小型化，制造能够在狭小空间内快速执行各种湿反应的“芯片实验室”设备的潜力也在不断提升。由于电喷雾技术在这些领域具有很高的应用价值，目前的研究正致力于将该工艺缩小到足以集成到未来芯片实验室中的尺寸。
• 薄膜沉积^{W [ 14 ]} - 电喷涂应用最广泛的领域之一或许在于将薄膜沉积到基材表面。电喷涂过程中产生的小型带电粒子具有很高的涂覆效率，理论上可广泛应用于各种工业领域，赋予材料新的表面性能。

电喷雾与可持续性

电喷雾技术在两个主要方面对可持续发展具有益处，即它有可能制造出可以发挥各种作用的新型纳米颗粒和薄膜。

对于纳米颗粒，人们提出了许多可持续应用方案，这些方案可以整合电喷雾装置的制备方法。以下列举部分应用示例：

• 利用纳米颗粒净化地下水。
• 改进第二代（主要通过薄膜技术）和第三代太阳能电池^W。
• 颗粒功能化材料（例如，在服装中添加银纳米颗粒以达到抗菌效果）。

对于薄膜而言，还有许多其他选择可以帮助促进可持续发展目标的实现：

• 自清洁表面。
• 碳封存薄膜。
• 如上所述，在第二代太阳能电池中。

值得注意的是，利用电喷雾技术进行基因工程的最新进展可能有助于更快地培育出性能更优的作物/牲畜品种。这反过来又可以减少农业生产所需的土地面积，使农业能够在更恶劣的气候条件下蓬勃发展（降低食品运输成本），并可能避免使用风险更高的病虫害防治方法（例如杀虫剂和除草剂）。

参考文献