WO2018008063A1 - Electric discharge nozzle for electrospray - Google Patents
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- B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
- B05B5/00—Electrostatic spraying apparatus; Spraying apparatus with means for charging the spray electrically; Apparatus for spraying liquids or other fluent materials by other electric means
- B05B5/025—Discharge apparatus, e.g. electrostatic spray guns
Definitions
- the present invention relates to an electrospray discharge nozzle for spraying a liquid by a so-called electrospray ionization method.
- the discharge nozzle for electrospray has a capillary that is a thin tubular member. Then, a high voltage is applied between the discharge nozzle and the counter electrode to make the liquid passing through the tubular member into fine droplets having an excessive charge and sprayed toward the counter electrode.
- the electrospray ionization method is a liquid spray technique that utilizes the electrospray phenomenon, also called electrostatic spraying, and applies a high voltage between the point-like liquid and the counter electrode to charge the liquid with an excessive charge. In this technique, fine droplets are sprayed toward the counter electrode.
- liquid spray technology using electrospray ionization has expanded its application range to coating organic EL and biopolymers on substrates, forming nanometer-sized fibers, electrostatic coating, and introducing samples into mass spectrometers. ing.
- the electrospray phenomenon is considered as follows, although there are many unclear points.
- a high voltage of several thousand volts is applied between a metal capillary 50 that is a thin tube and a counter electrode 51, and a liquid 52 that is a sample is caused to flow through the capillary 50.
- the liquid 52 that comes out at the tip of the capillary 50 forms a liquid pool 52a.
- a strong electric field toward the counter electrode 51 exists at the tip of the capillary 50.
- the negative ions electrophoresed on the inside reach the surface of the capillary 50 and cause an oxidation reaction under a high electric field.
- the negative ions that is, electrons, are imparted to the capillary 50 to be neutralized.
- the positive ions that have electrophoresed on the surface of the liquid pool 52 a at the tip receive a strong electromagnetic attraction force toward the counter electrode 51, and the tip of the liquid pool 52 a tends to extend toward the counter electrode 51.
- surface tension acts on the liquid 52 in the liquid pool 52a. Surface tension is a force that reduces the surface area of a liquid. Therefore, it works in a direction to prevent the tip of the liquid pool 52a from extending.
- the liquid pool 52a at the tip of the capillary 50 has a conical shape with a vertex angle, that is, an angle of the tip portion of approximately 90 degrees.
- the liquid 52 having such a conical shape is called a Taylor cone.
- the tip of the Taylor cone extends toward the counter electrode 51 and finally becomes a droplet 53 charged with an excessive charge.
- the tip of the liquid pool 52a returns to a rounded shape. Thereafter, the tip of the liquid pool 52a forms a Taylor cone again, and the droplet 53 charged with an excessive charge is separated and released. Excess positive ions in the droplet 53 separated and ejected are repelled by the Coulomb force and gather on the surface of the droplet 53.
- the droplet 53 has a small volume and is excessively charged. Therefore, a large force acts outward on the surface of the droplet 53.
- the droplet 53 is reduced in volume due to the evaporation of the solvent during the flight. As the volume of the droplet 53 decreases, the charge density increases and the outward force on the surface increases.
- the limit called the Rayleigh limit is reached, the droplet 53 is split into a large number of fine droplets 53a.
- the fine droplet 53a generated by the division is also charged with an excessive charge. Therefore, when the solvent is vaporized, the Rayleigh right limit is reached again and re-split. By repeating such splitting, the droplet 53 finally generates gas phase ions and is sprayed on the counter electrode 51.
- the generation of gas phase ions by repeated splitting is due to Coulomb repulsion and is also called Coulomb explosion.
- a high voltage is applied between the capillary 50 and the counter electrode 51 to generate a strong electric field at the tip of the capillary 50, and an electromagnetic attraction force that overcomes the surface tension is accumulated in the liquid pool 52a. Need to occur.
- the necessary voltage is several thousand volts.
- a liquid such as water requires a particularly high voltage because of its high surface tension.
- the applied voltage is preferably low because of the configuration of the power supply device 54. Further, when the voltage applied to the capillary 50 is high, corona discharge is generated near the tip of the capillary, and the formation of a stable Taylor cone is hindered.
- the present invention can reduce the voltage applied to the discharge nozzle necessary for causing the electrospray phenomenon, and can generate corona discharge near the tip of the capillary. Electrospray that can be suppressed, and that the Taylor cone can be formed continuously and stably even when the surface tension of the liquid to be sprayed is large, and the liquid can be finely atomized and sprayed well. Discharge nozzle is provided.
- the discharge nozzle for electrospray according to claim 1 of the present invention is a discharge nozzle for spraying a liquid by an electrospray ionization method, and includes a tubular member, a needle-like member, and a hydrophilic portion.
- the tubular member passes through the liquid to be sprayed.
- the needle-like member is attached to the center of the tubular member in a state of being electrically connected to the tubular member, and the tip portion projects from the discharge side end portion of the tubular member.
- a hydrophilic part is provided in the surface of the part which protrudes from the said discharge side edge part among the surface of the discharge side edge part of the said tubular member, and the said acicular member.
- the tip of the needle-like member protruding from the discharge side end of the tubular member has a large curvature and is closer to the counter electrode than the discharge side end of the tubular member.
- An electric field stronger than the discharge side end is formed.
- a stronger electric field is generated even when the applied voltage is the same as that of a conventional discharge nozzle having no needle-like member. Therefore, the voltage causing the electrospray phenomenon can be made lower than that of the conventional type, and the burden on the power source can be reduced.
- the voltage applied to the discharge nozzle can be lowered, there is an effect that the occurrence of corona discharge near the tip of the discharge nozzle is also suppressed.
- the hydrophilic portion is provided on the surface of the discharge side end portion of the tubular member and the surface of the needle-like member protruding from the discharge side end portion, the surface tension of the liquid to be sprayed is high.
- the liquid is well adapted to the surface of the discharge side end portion of the tubular member and the surface of the portion of the needle-like member protruding from the discharge side end portion. Therefore, the Taylor cone can be formed continuously and stably at the tip of the discharge nozzle, and the liquid can be finely atomized and sprayed well.
- the angle of the tip of the needle-like member is set in the range of 20 degrees to 80 degrees.
- the angle of the tip of the needle-like member is set in the range of 20 degrees to 80 degrees in this way, the contact area between the surface of the needle-like member and the liquid is increased, and the needle-like member is formed on the surface of the needle-like member.
- the liquid film can be thinned. Therefore, the electric charge easily moves from the needle-like member to the liquid, and the Taylor cone can be continuously formed in a more stable state at the tip of the discharge nozzle.
- the tip of the needle-like member is rounded.
- a tip having no acute angle portion can be realized, and the tip of the needle-like member can be prevented from being exposed from the Taylor cone, that is, the liquid film. . Therefore, generation
- the electrospray discharge nozzle further includes an adjusting unit that adjusts the length of the needle-like member protruding from the discharge side end of the tubular member.
- an adjusting unit that adjusts the length of the needle-like member protruding from the discharge side end of the tubular member.
- Sectional drawing of the discharge nozzle for electrospray which concerns on one Embodiment
- Enlarged view showing the tip of the needle-shaped member
- the enlarged view which shows the front-end
- a discharge nozzle 1 illustrated in FIG. 1 is an electrospray discharge nozzle that sprays a liquid by an electrospray ionization method, and includes a tubular member 2, a needle-like member 3, and a support block 4.
- the tubular member 2 is composed of a thin metal cylindrical tube, and a fixed side end portion 2 a which is one end portion is attached to the support block 4.
- the needle-like member 3 is a thin metal needle-like member formed with a sharp tip, and is inserted through the support block 4 into the center of the tubular member 2.
- the support block 4 is made of metal and supports the tubular member 2 and the needle-like member 3 in a state of being electrically connected.
- a flow path 5 through which the sample liquid L supplied to the tubular member 2 passes is formed inside the support block 4.
- the liquid L supplied from the flow path 5 into the tubular member 2 passes through a gap formed between the inner peripheral surface of the tubular member 2 and the outer peripheral surface of the needle-like member 3, and the discharge side end of the tubular member 2. It flows out from the part 2b.
- a DC high voltage is applied to the tubular member 2 and the needle-like member 3 from the power source 6 via the support block 4.
- the discharge nozzle 1 further includes an adjustment unit 7.
- the adjustment part 7 adjusts the length of the needle-like member 3 protruding from the discharge side end part 2 b of the tubular member 2.
- the adjustment part 7 is comprised by the gear mechanism etc. which move the acicular member 3 along the longitudinal direction of the tubular member 2, for example.
- the maximum protrusion amount of the needle-like member 3 is set to a length approximately twice the diameter of the tubular member 2.
- the minimum protrusion amount of the needle-like member 3 is set at the same position as the discharge-side end portion 2b of the tubular member 2 at the tip end portion of the needle-like member 3, that is, “0” that does not protrude.
- the adjustment part 7 can change the protrusion amount of the front-end
- the maximum protrusion amount and the minimum protrusion amount of the needle-like member 3 can be appropriately changed and set according to the size and shape of the tubular member 2 and the needle-like member 3, the surface tension of the liquid to be sprayed, and the like.
- the angle ⁇ of the distal end portion of the needle-like member 3 is set to any angle in the range of 20 degrees to 80 degrees. In this case, it is preferable to set the angle ⁇ of the tip of the needle-like member 3 to approximately 40 degrees.
- the angle ⁇ of the distal end portion of the needle-like member 3 can be defined as an angle formed by inclined lines L1 and L2 obtained by extending the inclined surface of the distal end portion.
- tip part of the acicular member 3 does not have an acute angle part, but is rounded.
- the degree of roundness of the distal end portion of the needle-like member 3, that is, the radius R of the distal end portion referred to as a so-called round is preferably set in a range of approximately 1/50 to 1/5 of the diameter of the needle-like member 3.
- the radius of the tip portion may be set to about 0.1 mm.
- the four electrons move to the discharge nozzle 1 and move to the power source 6 and further to the counter electrode 10 via the wiring cable as the droplets charged with positive ions described later fly toward the counter electrode 10. Then, the positive charges carried to the counter electrode 10 are neutralized by droplets charged to positive ions.
- a strong attraction force toward the counter electrode 10 is applied to the positive ions that have moved to the surface of the liquid pool La on the counter electrode 10 side by a strong electric field. Due to this strong suction force, the tip of the liquid pool La extends toward the counter electrode 10.
- surface tension acts on the liquid pool La, and the surface tension acts in a direction that prevents the tip of the liquid pool La from extending toward the counter electrode 10.
- the liquid pool La forms a conical shape called a Taylor cone at its tip.
- the applied voltage is higher than the voltage at which the Taylor cone is formed, the tip of the Taylor cone further extends toward the counter electrode 10.
- the liquid at the tip part is separated from the liquid pool La, and as shown in FIG.
- the discharge nozzle 1 includes a metal needle-like member 3 at the center of a metal tubular member 2, and the tip of the needle-like member 3 has a pointed shape. It protrudes from the opening of the part 2b.
- a positive potential is applied to the discharge nozzle 1
- the surface of the metal portion of the discharge nozzle 1 is positively charged and generates an electric field toward the counter electrode 10.
- the electric field on the surface of the metal portion becomes stronger as the sharp portion has a larger curvature and the portion closer to the counter electrode 10 having a negative potential. Therefore, in a conventional discharge nozzle that does not include a needle-like member at the center of the tubular member, a strong electric field is intensively generated at the cylindrical end of the discharge side end portion of the tubular member.
- a strong electric field is generated at the tip of the needle-like member 3 in addition to the cylindrical end of the discharge-side end 2b of the tubular member 2.
- the tip of the needle-like member 3 has a generally pointed shape as a whole, and is closer to the counter electrode 10 than the discharge-side end 2 b of the tubular member 2. Therefore, an electric field stronger than the cylindrical end of the discharge side end 2 b of the tubular member 2 is formed at the tip of the needle-like member 3. Therefore, the positive ions in the liquid pool La tend to concentrate on the tip of the needle-like member 3 where a stronger electric field is generated.
- an electrospray phenomenon can be caused by a voltage lower than that of a conventional discharge nozzle that does not include a needle-like member. If the voltage applied to the discharge nozzle 1 can be lowered, the burden on the power source 6 is reduced. Moreover, if the voltage applied to the discharge nozzle 1 can be lowered, the occurrence of corona discharge near the tip of the discharge nozzle 1 can be suppressed. Thus, according to the discharge nozzle 1 having the needle-like member 3 of the present embodiment, the voltage causing the electrospray phenomenon can be made lower than that of the conventional type, and the occurrence of corona discharge can be suppressed.
- the discharge nozzle 1 which concerns on this embodiment, when the liquid L passes the narrow clearance gap between the internal peripheral surface of the tubular member 2, and the outer peripheral surface of the needle-shaped member 3, it is the needle-shaped member 3's. Contact the surface. Then, the liquid L that has reached the discharge side end portion 2 b of the tubular member 2 further flows while contacting the surface of the tip portion of the needle-like member 3. At this time, if a high voltage is applied to the needle-like member 3, a Taylor cone is formed at the tip of the needle-like member 3 to cause an electrospray phenomenon, and the liquid L becomes a charged droplet and becomes a counter electrode. Jump out toward the 10th.
- the liquid L contacts the surface of the tip of the needle-like member 3 to which a high voltage is applied before being sprayed as droplets.
- An electrochemical reaction occurs on the surface of the needle-like member 3. That is, when the applied voltage is positive, the negative ions in the liquid are neutralized by supplying electrons to the needle-like member 3. The neutral molecule separates positive ions and negative ions and gives negative ions to the needle-like member 3. The positive ions go to the tip of the Taylor cone.
- the amount of electrochemical reaction generated is determined by the contact area between the liquid L and the needle-like member 3, and the larger the amount of electrochemical reaction generated, the more positive droplets can be retained and sprayed. . Therefore, it is preferable to bring the liquid L into contact with the surface of the needle-like member 3 over a wider area.
- the discharge nozzle 1 is formed on the surface of the discharge side end 2 b of the tubular member 2 and the surface of the portion of the needle-like member 3 protruding from the discharge side end 2 b.
- the hydrophilic part 8 which exhibits hydrophilicity is provided.
- the hydrophilic portion 8 of the tubular member 2 is integrally provided as a part of the tubular member 2 by performing a plasma irradiation process on the surface of the discharge side end portion 2b of the tubular member 2.
- the hydrophilic portion 8 of the needle-like member 3 is integrally provided as a part of the needle-like member 3 by performing a plasma irradiation process on the surface of the tip portion of the needle-like member 3.
- the hydrophilic portion 8 is considered to be formed by such a cleaning effect by the plasma irradiation treatment. In the present embodiment, it is preferable to provide at least the hydrophilic portion 8 having a water contact angle of 10 degrees or less.
- the hydrophilic portion 8 of the tubular member 2 is preferably provided at least on the cylindrical end and the outer peripheral surface of the discharge side end portion 2b of the tubular member 2. That is, the liquid L flowing out between the tubular member 2 and the needle-shaped member 3 first forms a substantially spherical liquid mass including the outer peripheral surface of the discharge side end 2b at the discharge side end 2b of the tubular member 2. Then, a liquid pool La extending toward the counter electrode 10 is formed. Therefore, by providing the hydrophilic portion 8 at the cylindrical end and the outer peripheral surface of the discharge side end portion 2b of the tubular member 2 in contact with the liquid L in the initial stage before the liquid pool La is formed, the liquid pool La is formed. From the initial stage before formation, the contact area between the liquid L and the metal portion of the discharge nozzle 1, that is, the tubular member 2 can be increased.
- the hydrophilic portion 8 of the needle-like member 3 is provided at least in a region including the surface of the portion protruding from the discharge side end portion 2b of the tubular member 2 in a state where the needle-like member 3 protrudes to the maximum protruding amount.
- the discharge nozzle 1 according to the present embodiment has a configuration in which the protruding amount of the needle-like member 3 can be adjusted.
- the hydrophilic portion 8 in a region including the surface of the portion protruding from the discharge side end portion 2b of the tubular member 2 with the needle-like member 3 protruding to the maximum protruding amount, the needle-like member 3 Regardless of the amount of protrusion, the contact area between the liquid L and the surface of the tip of the needle-like member 3 protruding from the discharge-side end 2b of the tubular member 2 can be ensured to the maximum extent.
- the amount of electrochemical reaction that occurs before the liquid L reaches the Taylor cone at the tip increases.
- the amount of positive ions per unit flow rate of the liquid L reaching the Taylor cone at the tip is much larger than that of a conventional discharge nozzle having no needle-like member when the flow rate is the same.
- the amount of positive ions per unit flow rate of the liquid L that has reached the Taylor cone at the tip is much larger than that of a discharge nozzle that does not have a hydrophilic portion if the flow rate is the same. It is considered that the amount of positive ions carried away by one droplet that jumps out from the tip of the Taylor cone is almost constant. Therefore, according to the discharge nozzle 1 of the present embodiment, it is possible to discharge a larger amount of sufficiently charged droplets.
- the hydrophilic portion 8 is provided on the surface of the discharge side end 2b of the tubular member 2 and the surface of the needle-like member 3 that protrudes from the discharge side end 2b. Yes. According to this configuration, even when the surface tension of the liquid L to be sprayed is large, the liquid L protrudes from the discharge side end 2 b of the surface of the discharge side end 2 b of the tubular member 2 and the needle-like member 3. Become familiar with the surface of the part to be. Therefore, the Taylor cone can be formed continuously and stably at the tip of the discharge nozzle 1, and the liquid L can be finely atomized and sprayed well.
- the angle ⁇ of the tip of the needle-like member 3 is set in the range of 20 degrees to 80 degrees. According to this configuration, the liquid film formed on the surface of the needle-like member 3 can be made thin while increasing the contact area between the surface of the needle-like member 3 and the liquid L. Therefore, the electric charge easily moves from the needle-like member 3 to the liquid L, and the Taylor cone can be continuously formed at the tip of the discharge nozzle 1 in a more stable state.
- the inclined lines L1 and L2 that define the angle ⁇ of the distal end portion of the needle-like member 3 may not be a straight line, and may be, for example, a gently curved curve. That is, the tip portion of the needle-like member 3 may have a slightly curved surface instead of a sharp pointed shape.
- the tip of the needle-like member 3 is rounded. According to this configuration, it is possible to realize the tip of the needle-like member 3 that does not have an acute angle portion, and it is possible to avoid the tip of the needle-like member 3 from being exposed from the Taylor cone, that is, the liquid film. Therefore, generation
- the length of the needle-like member 3 protruding from the discharge side end 2 b of the tubular member 2 can be adjusted by the adjusting portion 7.
- the protruding length of the needle-like member 3 according to the surface tension of the liquid L a continuously stable Taylor cone is formed at the tip of the discharge nozzle 1. Easy state can be realized.
- the tubular member 2 may be made of a nonconductive material such as glass instead of metal. By configuring the tubular member 2 with a non-conductive material, the occurrence of corona discharge near the tip of the tubular member 2 can be further suppressed.
- the method of forming the hydrophilic portion 8 is not limited to the plasma irradiation treatment, and may be a hydrothermal treatment or an ultraviolet irradiation treatment, for example. That is, various techniques can be adopted as long as an element that exhibits hydrophilicity can be formed on the surface of a metal member.
- the hydrophilic portion 8 is not formed by the above-described treatment, for example, and may be configured by coating the surface of a metal member with a hydrophilic material.
- the base material which comprises the hydrophilic part 8 is not restricted to a metal member, For example, by plating the surface of a resin component and performing various hydrophilic treatments on the surface The hydrophilic portion 8 may be configured.
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Abstract
Description
本発明は、いわゆるエレクトロスプレーイオン化法により液体を噴霧するエレクトロスプレー用放電ノズルに関する。 The present invention relates to an electrospray discharge nozzle for spraying a liquid by a so-called electrospray ionization method.
エレクトロスプレー用放電ノズルは、細い管状部材であるキャピラリーを備える。そして、放電ノズルと対向電極との間に高電圧を印加して、管状部材を通過する液体を過剰な電荷を帯びた微細な液滴にし、対向電極に向けて噴霧させる。エレクトロスプレーイオン化法は、静電噴霧とも呼ばれるエレクトロスプレー現象を利用した液体噴霧技術であり、点状の液体と対向電極との間に高電圧を印加することにより、液体を過剰な電荷を帯びた微細な液滴にして対向電極に向けて噴霧させる技術である。近年、エレクトロスプレーイオン化法による液体噴霧技術は、有機ELや生体高分子の基板上へのコーティング、ナノメートルサイズのファイバーの形成、静電塗装、質量分析計における試料導入等に応用範囲が拡大している。 The discharge nozzle for electrospray has a capillary that is a thin tubular member. Then, a high voltage is applied between the discharge nozzle and the counter electrode to make the liquid passing through the tubular member into fine droplets having an excessive charge and sprayed toward the counter electrode. The electrospray ionization method is a liquid spray technique that utilizes the electrospray phenomenon, also called electrostatic spraying, and applies a high voltage between the point-like liquid and the counter electrode to charge the liquid with an excessive charge. In this technique, fine droplets are sprayed toward the counter electrode. In recent years, the liquid spray technology using electrospray ionization has expanded its application range to coating organic EL and biopolymers on substrates, forming nanometer-sized fibers, electrostatic coating, and introducing samples into mass spectrometers. ing.
エレクトロスプレー現象は、未解明な点も多いが大略次のように考えられている。図6の原理図に示すように、細管である金属製のキャピラリー50と対向電極51との間に数千Vの高電圧を印加し、試料である液体52をキャピラリー50に流す。キャピラリー50の先端に出た液体52は、液だまり52aを形成する。キャピラリー50の先端部には、対向電極51に向かう強い電場が存在する。キャピラリー50側が正電位の場合、液だまり52a中の正イオンは液表面側に、負イオンは内側に電気泳動する。内側に電気泳動した負イオンは、キャピラリー50の表面に到達して高電場の下で酸化反応を起こし、負電荷つまり電子をキャピラリー50に与えて中性化する。先端の液だまり52aの表面に電気泳動した正イオンは、対向電極51に向けて強い電磁吸引力を受け、液だまり52aの先端部が対向電極51に向かって伸びようとする。一方、液だまり52aの液体52には表面張力が働く。表面張力は、液体の表面積を小さくする力である。そのため、液だまり52aの先端部が伸びるのを阻止する方向に働く。
The electrospray phenomenon is considered as follows, although there are many unclear points. As shown in the principle diagram of FIG. 6, a high voltage of several thousand volts is applied between a
電磁吸引力と表面張力による力とが釣り合ったとき、キャピラリー50の先端の液だまり52aは、頭頂角、つまり、先端部の角度が概ね90度の円錐形状となる。このように円錐形状となった液体52は、テイラーコーンと呼ばれる。電磁吸引力がテイラーコーンが形成される電圧より高いと、テイラーコーンの先端は、対向電極51に向けて伸びていき、遂には、過剰な電荷を帯電した液滴53となって分離する。液滴53の分離により過剰な電荷が排出されると、液だまり52aの先端は、丸みを帯びた形に戻る。その後、液だまり52aの先端は、再びテイラーコーンを形成し、過剰な電荷を帯電した液滴53を分離して、放出させる。分離して飛び出した液滴53が有する過剰な正イオンは、クーロン力で反発しあって液滴53の表面に集まる。
When the electromagnetic attraction force and the force due to surface tension are balanced, the
液滴53は、その体積が小さく、また、電荷を過剰に帯電している。そのため、液滴53の表面には、外向きに大きな力が働く。液滴53は、飛行中に溶媒が気化して体積が減少する。液滴53の体積が減少すると、電荷の密度が増加し、表面の外向きの力は大きくなっていく。そして、Raylrigh極限と呼ばれる極限に達すると、液滴53は、多数の微細な液滴53aに分裂する。分裂で生じた微細な液滴53aも、過剰な電荷を帯電している。そのため、溶媒が気化することにより、再びRaylrigh極限に達して再分裂する。このような分裂の繰り返しにより、液滴53は、最終的に気相イオンを生成し、対向電極51に噴霧される。このような分裂の繰り返しによる気相イオンの生成は、クーロン斥力によるため、クーロン爆発とも呼ばれる。
The
こうしたエレクトロスプレー現象を生じさせるには、キャピラリー50と対向電極51との間に高電圧を印加してキャピラリー50の先端部に強力な電場を発生させ、表面張力に打ち勝つ電磁吸引力を液だまり52aに生じさせる必要がある。このとき、必要な電圧は数千Vになる。例えば水のような液体は、表面張力が強いため、特に高い電圧を必要とする。印加電圧は、電源装置54の構成上、低い方が好ましい。また、キャピラリー50に印加する電圧が高いと、キャピラリーの先端付近でコロナ放電が発生し、安定したテイラーコーンの形成が妨げられる。
In order to cause such an electrospray phenomenon, a high voltage is applied between the capillary 50 and the
上述した従来技術の課題を解決するために、本発明は、エレクトロスプレー現象を生じさせるために必要な放電ノズルへの印加電圧を低くすることができ、キャピラリーの先端付近でのコロナ放電の発生を抑制することができ、また、噴霧する液体の表面張力が大きい場合であってもテイラーコーンを連続的に安定して形成することができ液体の微細化および噴霧を良好に行うことができるエレクトロスプレー用放電ノズルを提供する。 In order to solve the above-mentioned problems of the prior art, the present invention can reduce the voltage applied to the discharge nozzle necessary for causing the electrospray phenomenon, and can generate corona discharge near the tip of the capillary. Electrospray that can be suppressed, and that the Taylor cone can be formed continuously and stably even when the surface tension of the liquid to be sprayed is large, and the liquid can be finely atomized and sprayed well. Discharge nozzle is provided.
本発明の請求項1に記載のエレクトロスプレー用放電ノズルは、エレクトロスプレーイオン化法により液体を噴霧する放電ノズルであって、管状部材、針状部材、親水性部を備える。管状部材は、噴霧する液体が通過する。針状部材は、前記管状部材に電気的に接続された状態で前記管状部材の中心に取り付けられ、先端部が前記管状部材の放電側端部から突出する。親水性部は、前記管状部材の放電側端部の表面および前記針状部材のうち前記放電側端部から突出する部分の表面に設けられる。
The discharge nozzle for electrospray according to
この構成によれば、管状部材の放電側端部から突出した針状部材の先端部は、曲率が大きく、且つ、管状部材の放電側端部よりも対向電極に近い距離にあるため、管状部材の放電側端部よりも強い電界が形成される。これにより、針状部材を備えていない従来型の放電ノズルに比べて印加電圧が同じでも強い電界が生ずる。そのため、エレクトロスプレー現象を生じさせる電圧を従来型よりも低くすることができ、電源の負担を軽減できる。また、放電ノズルへの印加電圧を低くできるので、放電ノズルの先端付近でのコロナ放電の発生も抑制される効果を奏する。また、管状部材の放電側端部の表面および針状部材のうち放電側端部から突出する部分の表面に親水性部が備えられているので、噴霧する液体の表面張力が大きい場合であっても、当該液体が管状部材の放電側端部の表面および針状部材のうち放電側端部から突出する部分の表面に良く馴染むようになる。そのため、放電ノズルの先端部においてテイラーコーンを連続的に安定して形成することができ、液体の微細化および噴霧を良好に行うことができる。 According to this configuration, the tip of the needle-like member protruding from the discharge side end of the tubular member has a large curvature and is closer to the counter electrode than the discharge side end of the tubular member. An electric field stronger than the discharge side end is formed. As a result, a stronger electric field is generated even when the applied voltage is the same as that of a conventional discharge nozzle having no needle-like member. Therefore, the voltage causing the electrospray phenomenon can be made lower than that of the conventional type, and the burden on the power source can be reduced. In addition, since the voltage applied to the discharge nozzle can be lowered, there is an effect that the occurrence of corona discharge near the tip of the discharge nozzle is also suppressed. Further, since the hydrophilic portion is provided on the surface of the discharge side end portion of the tubular member and the surface of the needle-like member protruding from the discharge side end portion, the surface tension of the liquid to be sprayed is high. In addition, the liquid is well adapted to the surface of the discharge side end portion of the tubular member and the surface of the portion of the needle-like member protruding from the discharge side end portion. Therefore, the Taylor cone can be formed continuously and stably at the tip of the discharge nozzle, and the liquid can be finely atomized and sprayed well.
また、請求項2に記載のエレクトロスプレー用放電ノズルによれば、針状部材の先端部の角度は、20度から80度の範囲で設定されている。このように針状部材の先端部の角度を20度から80度の範囲で設定することにより、針状部材の表面と液体との接触面積の増加を図りつつ、針状部材の表面に形成される液膜を薄くできる。よって、電荷が針状部材から液体に移動しやすくなり、放電ノズルの先端部においてテイラーコーンを一層安定した状態で連続的に形成することができる。
Further, according to the discharge nozzle for electrospray according to
請求項3に記載のエレクトロスプレー用放電ノズルによれば、針状部材の先端部は、丸まっている。このように針状部材の先端部を丸めることにより、鋭角部分を有しない先端部を実現することができ、針状部材の先端部がテイラーコーンつまり液膜から露出することを回避することができる。よって、コロナ放電の発生を抑えることができ、放電ノズルの先端部においてテイラーコーンを一層安定した状態で連続的に形成することができる。
According to the discharge nozzle for electrospray according to
請求項4に記載のエレクトロスプレー用放電ノズルによれば、管状部材の放電側端部から突出する針状部材の長さを調整する調整部をさらに備える。この構成によれば、例えば液体の表面張力の大きさに応じて針状部材の突出長さを適宜調整することにより、放電ノズルの先端部において連続的に安定したテイラーコーンが形成されやすい状態を実現することができる。
According to the discharge nozzle for electrospray according to
以下、エレクトロスプレー用放電ノズルに係る一実施形態について図面を参照しながら説明する。図1に例示する放電ノズル1は、エレクトロスプレーイオン化法により液体を噴霧するエレクトロスプレー用放電ノズルであり、管状部材2、針状部材3、支持ブロック4を備える。管状部材2は、金属製の細い円筒管で構成されており、一方の端部である固定側端部2aが支持ブロック4に取り付けられている。針状部材3は、先端部が尖った形状に形成された金属製の細い針状の部材であり、支持ブロック4を貫通して管状部材2の中心に挿入されている。針状部材3の先端部は、管状部材2の他方側の端部である放電側端部2bの開口から突出する。支持ブロック4は、金属製であり、管状部材2と針状部材3を電気的に接続した状態で支持する。支持ブロック4の内部には、管状部材2に供給される試料液体Lを通す流路5が形成されている。流路5から管状部材2内に供給される液体Lは、管状部材2の内周面と針状部材3の外周面との間に形成される隙間を通過して管状部材2の放電側端部2bから流出する。管状部材2および針状部材3には、電源6から支持ブロック4を介して直流高電圧が印加される。
Hereinafter, an embodiment of an electrospray discharge nozzle will be described with reference to the drawings. A
放電ノズル1は、さらに調整部7を備える。調整部7は、管状部材2の放電側端部2bから突出する針状部材3の長さを調整するものである。調整部7は、例えば、針状部材3を管状部材2の長手方向に沿って移動させる歯車機構などで構成される。この場合、針状部材3の最大突出量は、管状部材2の直径の概ね2倍の長さで設定されている。一方、針状部材3の最小突出量は、当該針状部材3の先端部が管状部材2の放電側端部2bと同じ位置、つまり、突出しない状態となる「0」で設定されている。調整部7は、最大突出量と最小突出量との間で針状部材3の先端部の突出量を変更可能となっている。なお、針状部材3の最大突出量および最小突出量は、管状部材2および針状部材3のサイズや形状、噴霧する液体の表面張力などに応じて、適宜変更して設定することができる。
The
図2に例示するように、針状部材3の先端部の角度αは、20度から80度の範囲の何れかの角度で設定されている。この場合、針状部材3の先端部の角度αは、概ね40度ほどで設定することが好ましい。なお、針状部材3の先端部の角度αは、当該先端部の傾斜面を延長した傾斜線L1,L2がなす角度として定義できる。また、針状部材3の先端部は、鋭角部分を有しておらず、丸まっている。針状部材3の先端部の丸まり度合、いわゆるアールと称される先端部の半径Rは、針状部材3の直径の概ね1/50~1/5の範囲で設定するとよい。例えば、針状部材3の直径が1.5mmである場合、先端部のアールは0.1mm程度で設定するとよい。
As illustrated in FIG. 2, the angle α of the distal end portion of the needle-
この放電ノズル1を用いてエレクトロスプレーイオン化法により液体を噴霧する場合には、放電ノズル1と対向電極10との間に電源6より直流高電圧を印加する。そして、その状態で、支持ブロック4の流路5を通して管状部材2内に液体Lを供給する。すると、図3に例示するように、液体Lは、管状部材2の先端部、つまり、放電側端部2bに液だまりLaを形成する。放電ノズル1の管状部材2と針状部材3との間には高電圧が印加されているので放電ノズル1の先端部には高電界が生じている。放電ノズル1への印加電圧が正の場合、その電界は対向電極10に向かう。液だまりLaの中に存在する正イオンは、この高電界により液だまりLaの対向電極10側の表面に移動する。負イオンは、反対に管状部材2および針状部材3側に向かう。
When a liquid is sprayed by the electrospray ionization method using the
何れも金属製である管状部材2の表面と針状部材3の表面に到達した負イオンは、高電界の下で酸化反応を起こし、電子を管状部材2および針状部材3に与えて中性化する。例えば、水酸化イオンの場合、4個の水酸化イオンの酸化反応により2個の水分子、1個の酸素分子、4個の電子が生成される。4個の電子は、放電ノズル1に移り、後述する正イオンに帯電した液滴の対向電極10に向けての飛翔に伴って、配線ケーブルを経由して電源6、さらに対向電極10へと移動し、正イオンに帯電した液滴により対向電極10に運ばれた正電荷を中和する。
The negative ions that have reached the surface of the
液だまりLaの対向電極10側の表面に移動した正イオンには、強い電界により対向電極10に向かう強い吸引力が働く。この強い吸引力により、液だまりLaの先端部は、対向電極10に向けて伸びる。一方、液だまりLaには表面張力が働き、その表面張力は液だまりLaの先端部が対向電極10に向けて伸びることを阻止する方向に働く。両者の力が釣り合ったとき、図3に例示するように、液だまりLaは、その先端部にテイラーコーンと呼ばれる円錐形状を形成する。印加電圧がこのテイラーコーンが形成される電圧より高いと、テイラーコーンの先端が対向電極10に向けて更に伸びる。そして、遂には先端部の液が液だまりLaから分離し、図4に例示するように、正イオンで帯電した微細な液滴となって対向電極10に向かって飛び出す。エレクトロスプレー現象の開始である。帯電した液滴が飛び出すと、液だまりLaは、帯電量が減少するため吸引力が弱まって先端が丸みを帯びる。その後、再びテイラーコーンが形成され、正イオンで帯電した液滴が再び対向電極10に向かって放出される。このような動作が繰り返されることにより、帯電した微細な液滴が連続的に安定して噴霧されるようになる。
A strong attraction force toward the
放電ノズル1は、金属製の管状部材2の中心に金属製の針状部材3を備え、さらに、針状部材3の先端部は、尖った形状となっており、管状部材2の放電側端部2bの開口から突出している。この放電ノズル1に正電位を与えた場合、放電ノズル1の金属部分の表面は、正に帯電して対向電極10に向かう電界を発生する。金属部分の表面上の電界は、曲率の大きい尖った部分ほど、また、負電位にある対向電極10に近い部分ほど強くなる。そのため、管状部材の中心に針状部材を備えていない従来の放電ノズルでは、管状部材の放電側端部の円筒端に強い電界が集中的に発生する。
The
これに対して、本実施形態の放電ノズル1では、管状部材2の放電側端部2bの円筒端に加え、さらに針状部材3の先端部にも強い電界が発生する。そして、この針状部材3の先端部は、全体として概ね尖った形状となっており、また、管状部材2の放電側端部2bよりも対向電極10に近い位置にある。そのため、針状部材3の先端部には、管状部材2の放電側端部2bの円筒端よりも強い電界が形成される。よって、液だまりLa中の正イオンは、より強い電界が発生している針状部材3の先端部に集中しやすい。即ち、針状部材3を有する本実施形態の放電ノズル1によれば、従来型の針状部材を有しない放電ノズルに比べて、印加電圧が同じでも強い電界が針状部材3の先端部に発生する。
On the other hand, in the
よって、本実施形態に係る放電ノズル1によれば、針状部材を備えない従来型の放電ノズルよりも低い電圧により、エレクトロスプレー現象を生じさせることができる。放電ノズル1に印加する電圧を低くできれば、電源6の負担は軽減される。また、放電ノズル1に印加する電圧を低くできれば、放電ノズル1の先端部付近におけるコロナ放電の発生も抑制される。このように、本実施形態の針状部材3を有する放電ノズル1によれば、エレクトロスプレー現象を生じさせる電圧を従来型よりも低くでき、また、コロナ放電の発生も抑制できる。
Therefore, according to the
ところで、本実施形態に係る放電ノズル1によれば、液体Lは、管状部材2の内周面と針状部材3の外周面との間の狭い隙間を通過する際に、針状部材3の表面に接触する。そして、管状部材2の放電側端部2bに達した液体Lは、さらに、針状部材3の先端部の表面に接触しながら流れる。このとき、針状部材3に高電圧が印加されていれば、針状部材3の先端部にテイラーコーンが形成されてエレクトロスプレー現象が生じ、液体Lは、帯電した液滴となって対向電極10に向かって飛び出してゆく。
By the way, according to the
即ち、本実施形態に係る放電ノズル1によれば、液体Lは、液滴となって噴霧される前に、高電圧が印加されている針状部材3の先端部の表面に接触する。針状部材3の表面では電気化学反応が生ずる。即ち、印加電圧が正の場合、液体中の負イオンは、電子を針状部材3に与えて中性化する。中性分子は、正イオンと負イオンに分離して負イオンの電子を針状部材3に与える。また、正イオンは、テイラーコーンの先端部に向かう。この電気化学反応の発生量は、液体Lと針状部材3との接触面積により決まり、電気化学反応の発生量が大きいほど、より多くの液滴に正イオンを保持させて噴霧することができる。よって、より広い面積で液体Lを針状部材3の表面に接触させることが好ましい。
That is, according to the
しかし、図5に例示するように、液体Lの表面張力が大きい場合には、その液体Lが針状部材3の表面に馴染みにくく、はじかれてしまう。つまり、液体Lと針状部材3の表面との密着性が悪化し、液体Lと針状部材3の表面との接触面積を十分に確保することができない。そのため、連続的に安定したテイラーコーンを形成することが困難となり、液体Lの微細化および噴霧を良好に行うことが困難となる。
However, as illustrated in FIG. 5, when the surface tension of the liquid L is large, the liquid L is not easily adapted to the surface of the needle-
そこで、図1に例示するように、本実施形態に係る放電ノズル1は、管状部材2の放電側端部2bの表面および針状部材3のうち放電側端部2bから突出する部分の表面に、親水性を発揮する親水性部8を備えている。この場合、管状部材2の親水性部8は、管状部材2の放電側端部2bの表面にプラズマ照射処理を施すことにより、管状部材2の一部として一体的に設けられている。また、針状部材3の親水性部8は、針状部材3の先端部の表面にプラズマ照射処理を施すことにより、針状部材3の一部として一体的に設けられている。金属製の部材の表面にプラズマ処理を施すことにより、当該表面の洗浄効果を得ることができ、親水性が向上する。親水性部8は、このようなプラズマ照射処理による洗浄効果により形成されるものと考えられる。本実施形態では、少なくとも、水の接触角が10度以下となる親水性部8を設けることが好ましい。
Therefore, as illustrated in FIG. 1, the
管状部材2の親水性部8は、少なくとも、管状部材2の放電側端部2bの円筒端および外周面に設けることが好ましい。即ち、管状部材2と針状部材3との間を流れ出た液体Lは、まず、管状部材2の放電側端部2bに当該放電側端部2bの外周面を含むほぼ球状の液塊を形成してから、対向電極10側に伸びる液だまりLaを形成する。そのため、液だまりLaが形成される前の初期段階において液体Lが接触する管状部材2の放電側端部2bの円筒端および外周面に親水性部8を設けておくことで、液だまりLaが形成される前の初期段階から、液体Lと放電ノズル1の金属部分、つまり、管状部材2との接触面積を大きくすることができる。
The
また、針状部材3の親水性部8は、少なくとも、針状部材3が最大突出量まで突出した状態で管状部材2の放電側端部2bから突出する部分の表面を含む領域に設けることが好ましい。即ち、本実施形態に係る放電ノズル1は、針状部材3の突出量を調整可能な構成である。そのため、針状部材3が最大突出量まで突出した状態で管状部材2の放電側端部2bから突出する部分の表面を含む領域に親水性部8を設けておくことにより、針状部材3の突出量に関わらず、管状部材2の放電側端部2bから突出する針状部材3の先端部の表面と液体Lとの接触面積を最大限の大きさで確保することができる。
Further, the
より広い面積で液体Lを針状部材3に接触させる本実施形態の放電ノズル1によれば、液体Lが先端のテイラーコーンに達するまでの間に発生する電気化学反応の発生量が大きくなる。このため、先端のテイラーコーンに達した液体Lが持つ単位流量当たり正イオンの量は、流量を同じとすると、針状部材を有しない従来型の放電ノズルに比べて非常に大きくなる。また、先端のテイラーコーンに達した液体Lが持つ単位流量当たり正イオンの量は、流量を同じとすると、親水性部を有しない放電ノズルに比べて非常に大きくなる。テイラーコーンの先端から飛び出す1個の液滴が持ち去る正イオンの量はほぼ一定と考えられる。そのため、本実施形態の放電ノズル1によれば、十分に帯電した液滴をより大量に放出することができる。
According to the
本実施形態に係る放電ノズル1によれば、管状部材2の放電側端部2bの表面および針状部材3のうち放電側端部2bから突出する部分の表面に親水性部8が備えられている。この構成によれば、噴霧する液体Lの表面張力が大きい場合であっても、当該液体Lが管状部材2の放電側端部2bの表面および針状部材3のうち放電側端部2bから突出する部分の表面に良く馴染むようになる。そのため、放電ノズル1の先端部においてテイラーコーンを連続的に安定して形成することができ、液体Lの微細化および噴霧を良好に行うことができる。
According to the
また、放電ノズル1によれば、針状部材3の先端部の角度αは、20度から80度の範囲で設定される。この構成によれば、針状部材3の表面と液体Lとの接触面積の増加を図りつつ、針状部材3の表面に形成される液膜を薄くできる。よって、電荷が針状部材3から液体Lに移動しやすくなり、放電ノズル1の先端部においてテイラーコーンを一層安定した状態で連続的に形成することができる。なお、針状部材3の先端部の角度αを定義する傾斜線L1,L2は、直線でなくてもよく、例えば、緩やかに曲がる曲線であってもよい。即ち、針状部材3の先端部は、鋭く尖った形状ではなく、若干曲面を有した形状であってもよい。
Further, according to the
また、放電ノズル1によれば、針状部材3の先端部は、丸まっている。この構成によれば、鋭角部分を有しない針状部材3の先端部を実現することができ、針状部材3の先端部がテイラーコーンつまり液膜から露出することを回避することができる。よって、コロナ放電の発生を抑えることができ、放電ノズル1の先端部においてテイラーコーンを一層安定した状態で連続的に形成することができる。
Also, according to the
また、放電ノズル1によれば、調整部7により、管状部材2の放電側端部2bから突出する針状部材3の長さを調整可能に構成されている。この構成によれば、例えば液体Lの表面張力の大きさに応じて針状部材3の突出長さを適宜調整することにより、放電ノズル1の先端部において連続的に安定したテイラーコーンが形成されやすい状態を実現することができる。
Further, according to the
なお、本発明は、上述した一実施形態に限られるものではなく、例えば、次のように拡張または変更することができる。例えば、管状部材2は、金属ではなく、例えばガラスなどの非導電性材料により構成してもよい。管状部材2を非導電性材料で構成することにより、管状部材2の先端部近くでのコロナ放電の発生を一層抑制することができる。
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be expanded or changed as follows, for example. For example, the
また、親水性部8を形成する手法は、プラズマ照射処理に限られるものではなく、例えば、水熱処理、紫外線照射処理であってもよい。即ち、金属製の部材の表面に親水性を発揮する要素を形成できる手法であれば、種々の手法を採用することができる。また、親水性部8は、例えば上述したような処理によるものではなく、金属製の部材の表面に親水性材料をコーティングすることにより構成してもよい。また、親水性部8を構成する基材は、金属製の部材に限られるものではなく、例えば、樹脂製の部品の表面にメッキ処理を施し、その表面に種々の親水性処理を施すことにより親水性部8を構成してもよい。
Further, the method of forming the
Claims (4)
液体が通過する管状部材と、
前記管状部材に電気的に接続された状態で前記管状部材の中心に取り付けられ、先端部が前記管状部材の放電側端部から突出する針状部材と、
前記管状部材の放電側端部の表面および前記針状部材のうち前記放電側端部から突出する部分の表面に設けられる親水性部と、
を備えるエレクトロスプレー用放電ノズル。 An electrospray discharge nozzle for spraying a liquid by electrospray ionization,
A tubular member through which liquid passes;
A needle-like member attached to the center of the tubular member in a state of being electrically connected to the tubular member, and having a tip protruding from a discharge side end of the tubular member;
A hydrophilic portion provided on the surface of the discharge side end of the tubular member and the surface of the needle-like member protruding from the discharge side end; and
A discharge nozzle for electrospray.
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