научная статья по теме ПОЛИКАПИЛЛЯРНЫЙ ЭЛЕКТРОСПРЕЙНЫЙ ИСТОЧНИК ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПОТОКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ КАПЕЛЬ Физика

Текст научной статьи на тему «ПОЛИКАПИЛЛЯРНЫЙ ЭЛЕКТРОСПРЕЙНЫЙ ИСТОЧНИК ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПОТОКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ КАПЕЛЬ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 2, с. 139-144

ЛАБОРАТОРНАЯ ^^^^^^^^^^^^^^ ТЕХНИКА

УДК 532.522.2

ПОЛИКАПИЛЛЯРНЫЙ ЭЛЕКТРОСПРЕЙНЫЙ ИСТОЧНИК ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПОТОКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ КАПЕЛЬ

© 2014 г. Н. С. Фомина, С. В. Масюкевич*, Е. Н. Свиридович**, Н. Р. Галль

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Россия, 194021, С.-Петербург, ул. Политехническая, 26 *Институт аналитического приборостроения РАН Россия, 190103, С.-Петербург, Рижский просп., 26 **ОАО "Авангард" Россия, 195271, С.-Петербург, Кондратьевский просп., 72 E-mail: kolomna.88@mail.ru Поступила в редакцию 22.05.2013 г.

В вопросах исследования состава воздуха в закрытых помещениях на предмет обнаружения следовых концентраций загрязняющих и опасных веществ встает проблема о возможности формирования заряженного аэрозоля с последующим детектированием его компонент с помощью специализированного прибора. В данной работе предложено одно из возможных технических решений устройства, используемого для формирования заряженного аэрозоля из капель летучих жидкостей, концентрирования целевых компонент в воздухе и транспортировки их к входу детектора.

DOI: 10.7868/S0032816214010248

ВВЕДЕНИЕ

Одним из способов повышения предела обнаружения опасных веществ, присутствующих в воздухе в качестве следов, является вовлечение значительных объемов газа в процесс анализа с применением метода концентрирования примесей [1, 2]. Для эффективного концентрирования может быть использован заряженный аэрозоль, способный экстрагировать целевые компоненты из воздуха и переводить их в ионную форму. Для реализации такого подхода необходимо иметь устройство, способное создавать поток заряженного водного или водосодержащего аэрозоля и переносить его на значительные расстояния. Получающиеся ионы могут быть использованы для масс-спектрометрического анализа или для регистрации с помощью дрейф-спектрометра.

Наиболее подходящим способом для создания потока заряженных капель в атмосферном воздухе является метод электрораспыления [3]. В отличие от ионизации аэрозоля в коронном разряде он не создает высокореакционных продуктов плазмохимических реакций [4], способных существенно исказить результаты измерений по сравнению с исходными вследствие неконтролируемых взаимодействий и паразитной перезарядки.

Целью настоящей работы является разработка автономного устройства, способного генерировать потоки заряженных капель и транспортировать их на значительные, до 1 м, расстояния.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Электрораспыление (электроспрей (ESI)) широко используется в современной масс-спектро-метрии [5, 6]. Метод основан на физических принципах, изложенных ниже, и традиционно реализуется по схеме, представленной на рис. 1 [7]. Раствор 1, содержащий пробу или, наоборот, состоящий из чистых компонентов, подается из области атмосферного давления через тонкий проводящий капилляр 2, к которому приложено ускоряющее напряжение от противоэлектрода 5. На торце капилляра концентрируются силовые линии электрического поля, под действием которого мениск выходящей из капилляра жидкости деформируется в форме конуса — так называемого конуса Тейлора 3. При проникновении электрического поля в жидкость присутствующие в ней ионы разделяются по знаку, при этом в непосредственной близости от вершины конуса остаются ионы одного знака, т.е. эта область оказывается заряженной. При достижении достаточной концентрации заряда заряженные капли 4 отрываются и под совместным действием газовых потоков и сил электрического поля KE (K, м2/(В • с) — подвижность капель; E — вектор напряженности электрического поля (напряженность электрического поля измеряется в вольтах на метр)) начинают двигаться в направлении противоэлектрода. При этом ионы другого знака дрейфуют внутри жидкости к стенкам капилляра и нейтрализуются

Рис. 1. Схематическое изображение процесса электрораспыления. 1 — раствор; 2 — проводящий капилляр; 3 — мениск выходящей жидкости в форме конуса Тейлора; 4 — заряженные капли; 5 — противоэлектрод. Пунктирными линиями показано направление газодинамического воздушного потока, движущегося со скоростью У^.

на них, обеспечивая замыкание цепи и протекание в ней электрического тока.

При использовании в масс-спектрометрии электроспрея капли испаряются, находящиеся там ионы эмитируют наружу и через газодинамический интерфейс попадают в высоковакуумную область масс-спектрометра для анализа [8]. Если проба изначально содержалась в распыляемой жидкости, то такой метод позволяет определить ее состав. Другой вариант состоит в том, что капли поглощают из газовой фазы находящиеся там вещества, которые при испарении капель выходят в виде ионов [9]. За последние годы исследований было показано, что таким способом возможна ионизация практически всех известных соединений; разработаны методики, пригодные для различных компонент, и в обычных лабораторных условиях достигнута высокая чувствительность метода [10].

К сожалению, без принятия специальных мер невозможно эффективно распылять значительные потоки жидкости. Как показали наши эксперименты, распыление одиночным капилляром остается управляемым вплоть до потоков порядка 20—30 мкл/мин. При больших потоках не удается эффективно согласовать скорость распыления и скорость подачи, что приводит к нестабильности, в результате которой возникают большие, относительно слабо заряженные капли. Частично ситуация улучшается при использовании так называемого небуляризирующего газа, т.е. газового потока, подаваемого под большим давлением через трубку, расположенную соосно с распылительным капилляром. В этом случае двигающийся газ

способствует хорошему распылению и участвует в переносе капель [11]. Однако это также не решает проблемы.

Поликапиллярная система

Для получения достаточно значительных потоков мы использовали поликапиллярную электрораспылительную систему, как это было предложено в работе [12]. Однако, в отличие от цитируемой работы, мы расположили капилляры на значительной площади со средним расстоянием ~10 мм между их торцами. Это расстояние выбрано в первую очередь из соображений компоновки.

Для обеспечения однородности процесса электрораспыления необходимо, чтобы силовые линии поля концентрировались на торцах всех капилляров одновременно. Выполнение данного условия определяется расстоянием до плоского противо-электрода, межкапиллярным расстоянием и диаметром капилляров, однако, основную роль играет отношение межкапиллярного расстояния к диаметру, которое должно быть >4—5, в противном случае сборка капилляров начинает вести себя как единый электрод.

Для обеспечения однородности поля и большей компактности узла сборка капилляров имела цилиндрическую симметрию, что автоматически обеспечивало одинаковую величину электрического поля вблизи торцов всех капилляров. Это позволяло управлять электроспылением со всех капилляров путем подачи только одного напряжения.

ПОЛИКАПИЛЛЯРНЫЙ ЭЛЕКТРОСПРЕЙНЫЙ ИСТОЧНИК

141

Нами был выбран режим, при котором рабочий раствор подается со скоростью ~1 мл/мин, что определяется производительностью традиционно используемых шприцевых насосов. В этом случае необходимо использовать 50 распылительных капилляров, чтобы расход жидкости, приходящийся на один капилляр, составил 20 мкл/мин.

Роль газового транспорта при электрораспылении

В условиях, когда не используется движущийся газ, заряженные капли, перемещаясь по силовым линиям электрического поля, неизбежно попадают на электроды. В силу этого только электрическим способом невозможно обеспечить транспорт заряженных капель за пределы проти-воэлектрода. Однако в условиях воздушных потоков, движущихся от области распыления за пределы противоэлектрода, ситуация меняется.

При одновременном действии газа и стационарного электрического поля, в условиях установившегося движения, скорость заряженной капли может быть записана как [13]

Vdr = V + т, (1)

где Vg и Е — векторы скорости газа и напряженности электрического поля соответственно, а К, м2/(В • с) — коэффициент подвижности капель (скорость газа измеряется в метрах в секунду, а напряженность поля — в вольтах на метр). Соответствующие векторы схематически показаны на рис. 1. Видно, что в отсутствие движущегося газа заряженные капли в плотном атмосферном воздухе, действительно, движутся практически вдоль силовых линий поля, причем скорость капель пропорциональна напряженности поля. Наоборот, при отсутствии поля капли следуют за газом и в реальных условиях скорость капель определяется относительной эффективностью одновременного воздействия газа и электрического поля.

Подвижность капель по Стоксу выражается соотношением [14]

к = ?/(бяад, (2)

где q, Кл — заряд капли; Я, м — радиус капли; Па • с — коэффициент динамической вязкости воздуха. На практике радиусы капель при их возникновении составляют 1—50 мкм [15], а динамическая вязкость воздуха при комнатной температуре — 18.27 мкПа • с [16].

Средний заряд капли можно определить исходя из следующих условий: расход жидкости одного распылительного капилляра составляет 20 мкл/с, а средний ток заряженных капель — 100 нА. Предполагая, что средний размер капель составляет 10 мкм, легко рассчитать, что за 1 с создается ~105 капель. При этом электрический ток, создаваемый одной каплей, равен ~10-7 А/10-5 = 10-12 А. Таким образом, можно было бы полагать, что средний заряд

Диаметр капли, мкм Заряд, Кл Подвижность капель по Стоксу, м2/(В • с) Средняя скорость капель в среднем* поле, м/с

1 10—15 5.8 • 10—6 2.3

10 10—13 5.8 • 10—5 23

100 10—11 5.8 • 10—4 230

* Среднее поле 4 • 105 В/м.

капли радиусом 10 мкм составит 10—12 Кл, а заряд капли размером 100 мкм — 10—9 Кл.

Однако такой подход представляется неверным, так как он не учитывает стабильность капель в отношении Релеевского распада. В самом деле, стабильность капли определяется соотношением между расталкивающим усилием поверхностного заряда, стремящегося разорвать каплю, и силами поверхностного натяжения, удерживающими ее и придающими ей форму, близкую к сферической. В связи с этим представляется маловероятным, чтобы поверхностная плотность заряда капли существенно превышала

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком