El nombre electrospray se utiliza para designar un aparato que emplea electricidad para dispersar un líquido o para el aerosol fino resultante de este proceso. Se aplica un alto voltaje a un líquido suministrado a través de un emisor (normalmente un capilar de vidrio o metálico). Lo ideal es que el líquido que llega a la punta del emisor forme un cono de Taylor , que emite un chorro de líquido a través de su vértice. Las ondas varicosas en la superficie del chorro dan lugar a la formación de gotitas de líquido pequeñas y muy cargadas, que se dispersan radialmente debido a la repulsión de Coulomb .
A finales del siglo XVI, William Gilbert [1] se propuso describir el comportamiento de los fenómenos magnéticos y electrostáticos. Observó que, en presencia de un trozo de ámbar cargado, una gota de agua se deformaba formando un cono. Este efecto está claramente relacionado con los electrosprays, aunque Gilbert no registró ninguna observación relacionada con la dispersión de líquidos bajo el efecto del campo eléctrico.
En 1750, el clérigo y físico francés Jean-Antoine (Abbé) Nollet observó que el agua que fluía de un recipiente se aerosolizaba si el recipiente estaba electrificado y colocado cerca de una toma de tierra. [2]
En 1882, Lord Rayleigh estimó teóricamente la cantidad máxima de carga que podía transportar una gota de líquido; [3] esto se conoce hoy como el "límite de Rayleigh". Su predicción de que una gota que alcanzara este límite expulsaría finos chorros de líquido se confirmó experimentalmente más de 100 años después. [4]
En 1914, John Zeleny publicó un trabajo sobre el comportamiento de las gotas de fluido en el extremo de los capilares de vidrio. [5] Este informe presenta evidencia experimental de varios regímenes de funcionamiento de electrospray (goteo, ráfaga, pulsación y chorro cónico). Unos años más tarde, Zeleny capturó las primeras imágenes en time-lapse del menisco líquido dinámico. [6]
Entre 1964 y 1969, Sir Geoffrey Ingram Taylor desarrolló la base teórica de la electropulverización. [7] [8] [9] Taylor modeló la forma del cono formado por la gota de fluido bajo el efecto de un campo eléctrico; esta forma característica de gota se conoce ahora como cono de Taylor . Trabajó además con JR Melcher para desarrollar el "modelo dieléctrico con fugas" para fluidos conductores. [10]
El número de publicaciones sobre electrospray comenzó a aumentar significativamente alrededor de 1990 (como se muestra en la figura de la derecha) cuando John Fenn (Premio Nobel de Química 2002) y otros descubrieron la ionización por electrospray para espectrometría de masas .
Para simplificar el análisis, los párrafos siguientes abordarán el caso de un electrospray positivo con alto voltaje aplicado a un emisor metálico. Se considera una configuración clásica de electrospray, con el emisor situado a una distancia de un contraelectrodo conectado a tierra. El líquido que se pulveriza se caracteriza por su viscosidad , tensión superficial , conductividad y permitividad relativa .
Bajo el efecto de la tensión superficial, el menisco del líquido adquiere una forma semiesférica en la punta del emisor. La aplicación de la tensión positiva inducirá el campo eléctrico: [11]
donde es el radio de curvatura del líquido. Este campo produce la polarización del líquido: los portadores de carga negativos/positivos migran hacia/desde el electrodo donde se aplica el voltaje. Con voltajes inferiores a un cierto umbral, el líquido alcanza rápidamente una nueva geometría de equilibrio con un radio de curvatura menor.
Los voltajes superiores al umbral hacen que el líquido adopte la forma de un cono. Sir Geoffrey Ingram Taylor describió la forma teórica de este cono basándose en los supuestos de que (1) la superficie del cono es una superficie equipotencial y (2) el cono existe en un equilibrio de estado estable. [7] Para cumplir ambos criterios, el campo eléctrico debe tener simetría azimutal y dependencia para equilibrar la tensión superficial y producir el cono. La solución a este problema es:
donde (superficie equipotencial) existe en un valor de (sin tener en cuenta R) produciendo un cono equipotencial. El ángulo mágico necesario para para todo R es un cero del polinomio de Legendre de orden 1/2, . Solo hay un cero entre 0 y en 130,7099°, que es el complemento del ahora famoso ángulo de Taylor de 49,3°.
El vértice del menisco cónico no puede volverse infinitamente pequeño. Se desarrolla una singularidad cuando el tiempo de relajación hidrodinámica se vuelve mayor que el tiempo de relajación de la carga . [12] Los símbolos indefinidos representan la longitud característica y la permitividad del vacío . Debido a la inestabilidad varicosa intrínseca, el chorro de líquido cargado expulsado a través del vértice del cono se rompe en pequeñas gotas cargadas, que son dispersadas radialmente por la carga espacial.
El líquido cargado se expulsa a través del ápice del cono y se captura en el contraelectrodo en forma de gotitas cargadas o iones positivos. Para equilibrar la pérdida de carga, el exceso de carga negativa se neutraliza electroquímicamente en el emisor. Los desequilibrios entre la cantidad de carga generada electroquímicamente y la cantidad de carga perdida en el ápice del cono pueden dar lugar a varios regímenes de funcionamiento de electrospray. En el caso de los electrosprays de chorro cónico, el potencial en la interfaz metal/líquido se autorregula para generar la misma cantidad de carga que la que se pierde a través del ápice del cono. [13]
La electropulverización se empezó a utilizar ampliamente como fuente de ionización para espectrometría de masas después de que el grupo Fenn demostrara con éxito su uso como fuente de iones para el análisis de biomoléculas grandes. [14]
Una fuente de iones de metal líquido (LMIS) utiliza electrospray junto con metal líquido para formar iones . [15] [16] Los iones se producen por evaporación de campo en la punta del cono de Taylor. Los iones de una LMIS se utilizan en la implantación de iones y en instrumentos de haz de iones enfocado .
De manera similar a la electropulverización estándar, la aplicación de alto voltaje a una solución de polímero puede dar como resultado la formación de una geometría de chorro cónico. Si el chorro se convierte en fibras muy finas en lugar de romperse en pequeñas gotas, el proceso se conoce como electrohilado .
Las técnicas de electrospray se utilizan en motores de cohetes de propulsión eléctrica de bajo empuje para controlar satélites , ya que la eyección de partículas finamente controlable permite un empuje preciso y efectivo.
La electropulverización se puede utilizar en nanotecnología , [17] por ejemplo para depositar partículas individuales sobre superficies. Esto se hace pulverizando coloides que, en promedio, contienen solo una partícula por gota. El disolvente se evapora, dejando una corriente de aerosol de partículas individuales del tipo deseado. La propiedad ionizante del proceso no es crucial para la aplicación, pero se puede utilizar en la precipitación electrostática de las partículas.
En lugar de depositar nanopartículas , también se pueden fabricar nanopartículas y nanoestructuras in situ depositando iones metálicos en las ubicaciones deseadas. Se creía que la reducción electroquímica de iones a átomos y el ensamblaje in situ era el mecanismo de formación de nanoestructuras.
La electropulverización ha ganado atención en el campo de la administración de fármacos y se ha utilizado para fabricar portadores de fármacos, incluidas micropartículas de polímero utilizadas en inmunoterapia [18], así como lipoplexos utilizados para la administración de ácidos nucleicos . [19] Las partículas de fármaco de tamaño submicrométrico creadas por electropulverización poseen mayores tasas de disolución, por lo tanto, mayor biodisponibilidad debido al aumento del área de superficie. [20] De este modo, se pueden reducir los efectos secundarios de los fármacos, ya que una dosis menor es suficiente para el mismo efecto.
En algunos purificadores de aire se utiliza electrospray . Las partículas suspendidas en el aire se pueden cargar mediante electrospray de aerosol, manipuladas mediante un campo eléctrico y recogidas en un electrodo conectado a tierra. Este método minimiza la producción de ozono , algo común en otros tipos de purificadores de aire.
