エレクトロスプレー

エレクトロスプレーという名称は、電気を用いて液体を分散させる装置、あるいはこのプロセスによって生成される微細なエアロゾルに用いられます。エミッター（通常はガラスまたは金属製の毛細管）を通して供給される液体に高電圧が印加されます。理想的には、エミッターの先端に到達した液体はテイラーコーンを形成し、その頂点から液体ジェットを噴出します。ジェット表面に発生する波動によって、小さく高電荷を帯びた液滴が形成され、クーロン反発によって放射状に分散します。

歴史

16世紀後半、ウィリアム・ギルバート[ 1 ]は磁気現象と静電気現象の挙動を記述しようと試みました。彼は、帯電した琥珀の存在下で水滴が円錐状に変形することを観察しました。ギルバートは電界の影響下での液体の分散に関する観察結果を一切記録していませんが、この現象は明らかに電気スプレーと関連しています。

1750年、フランスの牧師で物理学者のジャン＝アントワーヌ（アベ）・ノレは、容器に電気を流し、電気接地の近くに置いた場合、容器から流れる水がエアロゾル化することに気づきました。[ 2 ]

1882年、レイリー卿は液滴が運ぶことができる最大の電荷量を理論的に推定しました。[ 3 ]これは現在「レイリー限界」として知られています。この限界に達した液滴は微細な液体のジェットを噴出するという彼の予測は、100年以上後に実験的に確認されました。[ 4 ]

1914年、ジョン・ゼレニーはガラス毛細管の先端における液滴の挙動に関する研究論文を発表しました。[ 5 ]この論文では、いくつかのエレクトロスプレー動作モード（滴下、バースト、脈動、コーンジェット）の実験的証拠が示されています。[ 6 ]数年後、ゼレニーは動的液体メニスカスの最初のタイムラプス画像を撮影しました。[ 7 ]

1964年から1969年にかけて、ジェフリー・イングラム・テイラー卿はエレクトロスプレーの理論的根拠を提示しました。[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]テイラーは、電界の影響下にある液滴が形成する円錐形状をモデル化しました。この特徴的な液滴形状は現在、テイラーコーンとして知られています。彼はさらに、JRメルチャーと共同で導電性流体の「漏れ誘電体モデル」を開発しました。[ 11 ]

電気スプレーに関する年別の出版物の log(N+1) 数: 特許ファミリーは Questel-Orbit から、非特許は Web of Science および SciFinder-N から取得。

エレクトロスプレーに関する論文数は、ジョン・フェン氏（2002年ノーベル化学賞受賞）らが質量分析法のためのエレクトロスプレーイオン化を発見した1990年頃から大幅に増加し始めました（右図参照）。

機構

エレクトロスプレー装置のクローズアップ。前面のエミッターチップが右向きに向いている。画像内にはイオン化されたスプレーのジェットが見える。

議論を簡略化するため、以下の段落では、金属エミッターに高電圧を印加した正極性エレクトロスプレーの場合を取り上げます。エミッターが接地された対電極から離れた位置に配置された、典型的なエレクトロスプレー構成を想定します。噴霧される液体は、粘度、表面張力、導電率、および比誘電率によって特徴付けられます。 d{\displaystyle d\,}（μ）{\displaystyle (\mu )\,}（γ）{\displaystyle (\gamma )\,}（κ）{\displaystyle (\kappa )\,}（ϵr）{\displaystyle (\epsilon _{r})\,}

液体メニスカスに対する微小電界の影響

表面張力の影響により、液体のメニスカスはエミッターの先端で半球状になります。正電圧を印加すると、電界が誘導されます。[ 12 ]V{\displaystyle V\,}

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

ここで、は液体の曲率半径です。この電界は液体の分極を引き起こし、負/正電荷キャリアは電圧が印加された電極に向かって/そこから離れて移動します。ある閾値以下の電圧では、液体は急速に曲率半径が小さい新しい平衡形状に達します。 r{\displaystyle r\,}

テイラーコーン

閾値を超える電圧は液体を円錐状に引き寄せます。ジェフリー・イングラム・テイラー卿は、(1) 円錐の表面が等電位であること、(2) 円錐が定常平衡状態にあること、という仮定に基づいて、この円錐の理論的な形状を説明しました。[ 8 ]これらの両方の条件を満たすには、電界は方位対称性を持ち、表面張力と釣り合い、円錐を形成するための依存性を持つ必要があります。この問題の解決策は次のとおりです。 R1/2{\displaystyle R^{1/2}\,}

V＝V0+あR1/2P1/2（コス⁡θ0）{\displaystyle V=V_{0}+AR^{1/2}P_{1/2}(\cos \theta _{0})\,}

ここで、（等電位面）は（Rに関わらず）の値で存在し、等電位円錐を形成します。すべてのR値において、に必要な角度は、 1/2次のルジャンドル多項式の零点です。0と130.7°の間に零点は1つしかなく、これはテイラーの有名な49.3°の角度の補角です。 V＝V0{\displaystyle V=V_{0}\,}θ0{\displaystyle \theta _{0}}V＝V0{\displaystyle V=V_{0}\,}P1/2（コス⁡θ0）{\displaystyle P_{1/2}(\cos \theta _{0})\,}π{\displaystyle \pi \,}

シンギュラリティの発展

円錐メニスカスの頂点は無限に小さくなることはできない。流体力学的緩和時間が 電荷緩和時間よりも大きくなると、特異点が生じる。[ 13 ]未定義の記号は特性長さと真空誘電率を表す。固有の静脈瘤不安定性により、円錐の頂点から噴出された帯電液体ジェットは小さな帯電液滴に分裂し、空間電荷によって放射状に分散する。 τH＝μrγ{\displaystyle \tau_{H}={\mur\over\gamma}}τC＝ϵrϵ0κ{\displaystyle \tau_{C}={\epsilon_{r}\epsilon_{0}\over\kappa}}（r）{\displaystyle (r)\,}（ϵ0）{\displaystyle (\epsilon _{0})\,}

電気回路を閉じる

帯電した液体は円錐の頂点から噴出され、帯電した液滴または正イオンとして対電極上に捕捉されます。電荷損失を相殺するため、過剰な負電荷はエミッターで電気化学的に中和されます。電気化学的に生成された電荷量と円錐の頂点で失われた電荷量との間の不均衡は、エレクトロスプレーの様々な動作モードにつながる可能性があります。円錐ジェットエレクトロスプレーでは、金属/液体界面の電位が自己調整し、円錐の頂点で失われた電荷量と同量の電荷を生成します。[ 14 ]

アプリケーション

エレクトロスプレーイオン化

フェングループが巨大生体分子の分析のためのイオン源としてエレクトロスプレーの使用を実証した後、エレクトロスプレーは質量分析のイオン化源として広く使用されるようになりました。 [ 15 ]

液体金属イオン源

液体金属イオン源（LMIS）は、液体金属とエレクトロスプレーを組み合わせてイオンを生成します。[ 16 ] [ 17 ]イオンはテイラーコーンの先端での電界蒸発によって生成されます。LMISから生成されたイオンは、イオン注入や集束イオンビーム装置に使用されます。

電界紡糸

標準的なエレクトロスプレーと同様に、ポリマー溶液に高電圧を印加することで、円錐状のジェット形状を形成できます。ジェットが小さな液滴に分裂するのではなく、非常に細い繊維に変化するプロセスは、エレクトロスピニングと呼ばれます。

コロイドスラスタ

エレクトロスプレー技術は、細かく制御可能な粒子噴射により正確で効果的な推力が得られるため、 衛星を制御するための低推力電気推進ロケットエンジンとして使用されます。

ナノ構造のための粒子の堆積

エレクトロスプレーはナノテクノロジーにおいて利用され、[ 18 ]、例えば単一粒子を表面に堆積させるのに用いられる。これは、平均して1滴あたり1個の粒子のみを含むコロイドを噴霧することによって行われる。溶媒が蒸発し、所望の種類の単一粒子からなるエアロゾル流が残る。このプロセスのイオン化特性は応用上重要ではないが、粒子の 静電沈降に利用される可能性がある。

ナノ粒子およびナノ構造の前駆体としてのイオンの堆積

ナノ粒子を堆積させる代わりに、金属イオンを所望の場所に堆積させることで、ナノ粒子およびナノ構造をその場で作製することも可能です。イオンを電気化学的に還元して原子にし、その場で組み立てることが、ナノ構造形成のメカニズムであると考えられていました。

薬物キャリアの製造

エレクトロスプレーは薬物送達の分野で注目を集めており、免疫療法に使用されるポリマー微粒子[ 19 ]や核酸送達に使用されるリポプレックス[ 20 ]などの薬物キャリアの製造に使用されています。エレクトロスプレーによって生成されたサブマイクロメートルサイズの薬物粒子は溶解速度が速く、表面積の増加によりバイオアベイラビリティが向上します。[ 21 ]より少ない投与量で同じ効果が得られるため、薬物の副作用を軽減できます。

空気清浄機

一部の空気清浄機では、エレクトロスプレー方式が採用されています。空気中に浮遊する粒子は、エアロゾルエレクトロスプレーによって帯電され、電界によって制御され、接地電極上に集められます。この方式により、他のタイプの空気清浄機でよく見られるオゾンの発生を最小限に抑えることができます。

参照

参考文献

  1. ^ギルバート、W.ゲツケ、G.ロッホマン、W.ロロス、P. Hallervord、J. (1628)。Tractatatus Siue Physiologia Nova De Magnete, Magneticisqve Corporibvs Et Magno Magnete Tellure: Sex libris comprehensus [磁石と磁性体、そしてその偉大な磁石、地球について] (ラテン語)。OCLC  894978464。
  2. ^ジャン＝アントワーヌ、ノレ (1749)。Recherches sur les Cause Particulieres des phenomenes electriques et sur les effets nuisibles ou avantageux, qu'on peut enAttendre [電気現象の特定の原因と、予想される有害または有利な影響に関する研究] (フランス語)。
  3. ^レイリー、L. (1882). 「電気を帯びた液体伝導体の平衡について」(PDF) .哲学雑誌. 14 (1): 184–6 . doi : 10.1080/14786448208628425 .
  4. ^ Gomez, A; Tang, K (1994). 「静電スプレーにおける液滴の電荷と分裂」.流体物理学. 6 (1): 404– 414. Bibcode : 1994PhFl....6..404G . doi : 10.1063/1.868037 .
  5. ^ Zeleny, J. (1914). 「液体点からの放電とその表面における電界強度の静水圧測定法」 . Physical Review . 3 (2): 69. Bibcode : 1914PhRv....3...69Z . doi : 10.1103/PhysRev.3.69 .
  6. ^ Marginean, I (2023). 「スプレー電流測定によるエレクトロスプレー軸方向レジームの分類」 . International Journal of Mass Spectrometry . 495-117150 . doi : 10.1016/j.ijms.2023.117150 .
  7. ^ Zeleny, J. (1917). 「帯電した液体表面の不安定性」. Physical Review . 10 (1): 1– 6. Bibcode : 1917PhRv...10....1Z . doi : 10.1103/PhysRev.10.1 .
  8. ^ a bテイラー、ジェフリー(1964). 「電界中における水滴の崩壊」Proceedings of the Royal Society A . 280 (1382): 383– 397. Bibcode : 1964RSPSA.280..383T . doi : 10.1098/rspa.1964.0151 . JSTOR 2415876 . 
  9. ^ Taylor, G. (1965). 「電界が長円筒導体に及ぼす力」. Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences . 291 (1425): 145– 158. Bibcode : 1966RSPSA.291..145T . doi : 10.1098/rspa.1966.0085 .
  10. ^ Taylor, Geoffrey Ingram; Van Dyke, MD (1969). 「電動ジェット機」. Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences . 313 (1515): 453– 475. Bibcode : 1969RSPSA.313..453T . doi : 10.1098/rspa.1969.0205 .
  11. ^ Melcher, JR; Taylor, G. (1969). 「電気流体力学：界面せん断応力の役割に関するレビュー」Annual Review of Fluid Mechanics . 1 (1): 111– 146. doi : 10.1146/annurev.fl.01.010169.000551 .
  12. ^ Loeb, LB; Kip, AF; Hudson, GG; Bennett, WH (1941). 「負の点対面コロナにおけるパルス」. Physical Review . 60 (10): 714– 722. Bibcode : 1941PhRv...60..714L . doi : 10.1103/PhysRev.60.714 .
  13. ^ Fernández de la Mora, J.; Loscertales, IG (1994). 「高導電性テイラーコーンから放出される電流」. Journal of Fluid Mechanics . 260 : 155–184 . Bibcode : 1994JFM...260..155D . doi : 10.1017/S0022112094003472 .
  14. ^ Van Berkel, GJ; Zhou, FM (1995). 「制御電流電解セルとしてのエレクトロスプレーイオン源の特性評価」.分析化学. 67 (17): 2916–23 . doi : 10.1021/ac00113a028 .
  15. ^ Fenn, JB; Mann, M.; Meng, CK; Wong, SF; Whitehouse, CM (2007). 「大型生体分子の質量分析のためのエレクトロスプレーイオン化」. Science . 246 (4926): 64– 71. Bibcode : 1989Sci...246...64F . CiteSeerX 10.1.1.522.9458 . doi : 10.1126/science.2675315 . PMID 2675315 .  
  16. ^ Swanson, LW (1983). 「液体金属イオン源：メカニズムと応用」.核物理学研究における計測と方法. 218 ( 1–3 ): 347–353 . Bibcode : 1983NIMPR.218..347S . doi : 10.1016/0167-5087(83)91005-0 . ISSN 0167-5087 . 
  17. ^ Clampitt, R. (1981). 「溶融金属電界イオン源の進歩」.核物理学研究における計測・計測法. 189 (1): 111–6 . Bibcode : 1981NIMPR.189..111C . doi : 10.1016/0029-554X(81)90132-4 . ISSN 0167-5087 . 
  18. ^ Salata, OV (2005). 「ナノテクノロジーのツール：エレクトロスプレー」Current Nanoscience . 1 (1): 25– 33. Bibcode : 2005CNan....1...25S . doi : 10.2174/1573413052953192 .
  19. ^ Duong, AD (2013). 「内臓リーシュマニア症治療のためのポリマー微粒子へのToll様受容体作動薬レシキモドのエレクトロスプレーカプセル化」 . Molecular Pharmaceutics . 10 (3): 1045–55 . doi : 10.1021/mp3005098 . PMC 3857017. PMID 23320733 .  
  20. ^ Wu, Y. (2009). 「同軸電気流体力学的噴霧：オリゴデオキシヌクレオチドをカプセル化したリポプレックスナノ粒子を調製するための新しいワンステップ技術」.分子薬学. 6 (5): 1371–9 . doi : 10.1021/mp9000348 . PMID 19499922 . 
  21. ^ Radacsi、N.;アンブラス、R.ズニョッグ、T.シャボ＝レベス、P.スタンキーヴィッツ、A.ファン・デル・ハイデン、A.テル・ホルスト、JH (2012)。 「特性が改善されたナノサイズ医薬品のためのエレクトロスプレー結晶化」。結晶の成長と設計。12 (7): 3514–20 .土井: 10.1021/cg300285w。
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