静电旋转钟喷雾模拟

成果名称质谱多通道旋转电喷雾离子源的研制和测试单位名称北京大学联系人马靖联系邮箱mj@labpku.com成果成熟度□研发阶段 &radic 原理样机 □通过小试 □通过中试 □可以量产成果简介：质谱离子源是质谱分析中将样品分子转化成气相离子的关键装置，是所有类型质谱仪不可或缺的组成部分。发展新型的质谱离子源将有望改变质谱分析的方式和速度、对待测样品性质和状态的要求和它所能够应用的领域，为推动相关学科的发展奠定基础。该项目开发了一种质谱多通道旋转电喷雾离子源，与传统电喷雾离子源（ESI）不同的是该离子源通过旋转多个喷针使喷出的电喷雾均匀混合，得到的混合电喷雾与单个喷针产生的电喷雾相比覆盖面大且均匀，可以提高质谱检测信号的强度和稳定性。在研制过程中，课题组的主要工作包括：（1）使多个电喷针同时在旋转的情况下产生电喷雾，并使转速和溶液的流速可以调节；（2）将注射泵的动力传递给旋转的液路系统；（3）降低高速旋转时喷针的振动及偏离；（4）将电喷雾电压有效施加在高速旋转的电喷针上。通过以上工作，项目研制工作顺利完成，相关成果已申请国家专利。应用前景：该装置的研制将为我校和其它科研机构的质谱分析工作提供全新的多通道旋转电喷雾离子源，应用前景广阔。

喷雾干燥高产率的秘密1喷雾干燥喷雾干燥被广泛应用于许多领域，目的是将液体转化为粉末的固体状态。料液被分散到热气流中，并通过喷雾干燥技术转化为颗粒。再将这种粉末通过旋风或过滤系统从气相中分离出来。这种干燥技术也越来越多地应用于热敏性材料，如蛋白质、脂类、生物催化剂或传统药物的提取物。小样本量的喷雾干燥不仅用于可行性研究和进一步扩大规模，也可用于小规模生产。因此回收率是工艺评估的关键参数，特别是针对高价值的产品。2旋风技术玻璃制成的旋风分离器已经在工业上广泛应用了一个多世纪。其主要优点是结构简单，且没有活动部件。分离主要是基于气流中颗粒的惯性沉积。在逆流旋流器中，气体通过切向引入使其旋转。这产生的离心力比重力大上百倍甚至到上千倍。颗粒向壁面和旋风器底部移动，而气体向上螺旋到旋风器顶部的气体出口(图1)。旋风分离是一个重要的工业过程，有许多旨在了解和改进其操作的研究，即使从被公认的模型来看，对旋风分离器中复杂的流体动力学行为还未完全理解。旋风分离器研究的目的是在分离速率(更好的产品回收率或更清洁的废气)、压降(更少的压缩机性能要求)和设计(更少的投资成本)之间找到最佳选择。▲ 图1. 逆流旋风分离器示意图3喷雾干燥机的旋风设计对于实验室规模的喷雾干燥机，回收率是非常重要的，已经有几位作者进行了研究，其中 Maa 等人[1998]是最相关的，他们研究了带有标准旋风的 BUCHI 迷你喷雾干燥机 B-190。结果表明，粒径小于 2μm 的颗粒的分离存在极限。这可能导致产品损失进入过滤器。此外，在某些应用中，例如药物输送或纳米技术，平均粒径应小于 2μm，这使得标准玻璃旋风分离器不适合。设计优化 BUCHI 提供了一个台式喷雾干燥机与玻璃旋风分离器结合的导电层，以防止微粒静电结合，从而减少产品损失。而对于作为制药应用中典型基质物质的乳糖，分离性能的差异是明显的(图2)。▲ 图2. 左：无涂层旋风分离器，壁面上的产品损失多；右：有涂层旋风分离器，产品损失少表1 比较了相同干燥条件下的产量。与惯性相比，颗粒直径越小，表面引力越大。因此，内部旋风壁和颗粒之间发生了粘合力，这也导致了自然堆积结构，就像沙漠中的沙丘一样。材料10%乳糖溶液仪器BÜ CHI Mini Spray Dryer B-290干燥参数入口温度165℃出口温度83℃抽气机效率100%进料效率30%回收率无静电涂层的旋风分离器28%有静电涂层的旋风分离器76%表1. 喷涂参数和最终产量:未涂覆和涂覆旋风的比较临近筛孔颗粒，即分离的临界理论颗粒直径，与旋风分离器的直径直接相关，较小的旋风分离器直径使得较小颗粒的分离效果更好。Stairmand[1951]推荐了一种高效旋风分离器的标准设计。基于这些一般的比例和玻璃吹风机的性能，一种新的旋风被开发和优化。此外，产品收集容器的尺寸也缩小了，便于少量处理样品 (图3)。▲ 图3. 小型产品收集容器和玻璃弯头的高效旋风分离器示意图（兼容的所有BUCHI迷你喷雾干燥机型号）4分离性能的测定喷雾干燥过程的分离性能主要是通过测量所收集粉体的质量，并与初始重量的比值来确定的。这仅仅反映了整个过程，并没有量化旋风本身的分离能力。因此，没有在旋风中分离的粉末是通过深床聚酯纤维过滤器来测量的。将高效旋风分离器与标准旋风分离器进行了比较，它们都涂有静电涂层。将不同浓度的盐溶液进行喷雾干燥，得到不同的粒度分布，用激光衍射分析仪测量。当浓度为 1% ~ 20% (w/w)时，平均直径变化在 3.2 ~ 5.7 μm 之间。盐溶液在小型喷雾干燥机 B-290 中喷雾干燥，使用以下参数(表2)。通过小型旋风的压降较高，因此加热干燥空气的吞吐量较低，产生了较低的出口温度。150ml溶液干燥后，用 500ml 蒸馏水清洗过滤器。然后可以用凯氏定氮法对洗涤液进行分析。从氮分析中计算铵盐的量，然后可以确定分离效果，结果如 图4 所示。物料的不同性能对分离性能也会产生影响，因此，分离效果很难预测。在苏黎世联邦理工学院(ETHZ)的一项研究项目中，表明聚乳酸-co-葡萄糖酸(PLGA)的产率可以从 50.6% 提高到 62.0%，这是批量大小仅为 150 毫克和 1500 毫克的样品，这表明了使用小型高效旋风在迷你喷雾干燥机中喷雾干燥极少量产品的可能性。材料1%、5%和20%硫酸铵溶液仪器BÜ CHI Mini Spray Dryer B-290干燥参数入口温度160℃出口温度85℃（标准旋风分离器）出口温度72℃（高效旋风分离器）抽气机效率100%进料效率35%表2. 决定旋风分离器分离速率的干燥参数▲ 图4.两种旋风分离器对喷雾干燥铵盐的分离率的影响5结论本文介绍了一种新型的高效旋风分离器，它比标准旋风分离器具有更高的分离效率，特别适用于小颗粒和高价值产品的分离。当然，BUCHI 喷雾干燥仪可以处理极小批量的高价值产品。6参考文献Maa, Y.F., Nguyen, P.A., Sit, K., Hsu, C.C. [1998] Spray-Drying Performance of a Bench-Top Spray Dryer for Protein Aerosol Powder Preparation, Biotechnol. Bioeng., 60,3, 301-309Sowter, J.K. [1986] Cyclones in industrial processes, Van Tongeren Intl. Ltd. Stairmand, C.J. [1951] The design and performance of cyclone separators, Trans. Instn Chem. Engrs, 29, 356-383

浙江好创“封闭可调气氛电喷雾离子化源”通过鉴定　　仪器信息网讯 2012年1月9日，受浙江好创生物技术有限公司(以下简称“浙江好创”)的委托，中国分析测试协会组织业内权威专家对该公司最新研发成功的“封闭可调气氛电喷雾离子化源”进行了技术成果鉴定。　　此次技术成果鉴定会由中国分析测试协会汪正范研究员主持，大连化物所张玉奎院士担任此次鉴定委员会主任；担任此次鉴定会的专家还有：复旦大学杨芃原教授，国家标准委员会方向研究员，中国分析测试协会张渝英秘书长，浙江大学金钦汉教授、郑树教授、潘远江教授、张铭教授、李志能教授，大连依利特李彤总经理等业内资深专家。大连化物所张玉奎院士担任此次鉴定委员会主任　　“封闭可调气氛电喷雾离子化源”技术成果的研发者、浙江好创生物技术有限公司董事长朱一心先生介绍了技术成果研发过程、机理的解释、数学模拟以及整个离子源的设计思路。最后朱一心先生讲到，“封闭气氛可调电喷雾离子源”的研制成功将提升国内蛋白质组学的分析水平，让生命科学家们不用在分析实验中浪费时间和精力，有更多的时间去研究科学问题，在生命科学的研究领域取得更多更好的科研成果，提升我国在生命科学研究领域的研究水平。　　浙江好创董事长朱一心先生作“研制报告”　　之后，来自大连化物所、复旦大学、浙江大学肿瘤研究所的用户分别对“封闭可调气氛电喷雾离子化源”的使用情况作了报告，各位用户对于该离子化源给出了中肯的评价，尤其是其稳定性、离子化效率以及信噪比都有优异的表现。　　鉴定委员会认证听取了“封闭可调气氛电喷雾离子源研制报告”、“用户使用报告”、“国内外查新报告”以及专利申请情况等汇报，经过现场质疑和讨论后，专家组最后达成了如下鉴定意见：　　1、在理论研究的基础上，研制出“封闭可调气氛电喷雾离子化源”， 经科技查新，该装置中首次采用“封闭可调气氛”、“康达效应离子传输管”和“康达效应离子发射针”三项技术，属原始创新；　　2、与商品离子化源比较，“封闭可调气氛电喷雾离子化源”具有以下优势：　　1)信噪比有明显提高，使检测限下降了2-6倍；　　2)该离子化源使用方便，可即插即用；　　3)该离子化源的离子化环境可调，可以添加辅助气体或辅助液体来提高灵敏度和信噪比，并消除大气环境对离子化源离子信号的干扰。　　3、项目组提供的鉴定资料齐全，符合鉴定要求。　　综上所述，“封闭可调气氛电喷雾离子化源”所具有的关键技术拥有自主知识产权，该离子化源的主要指标达到国际领先水平，建议注意加强知识产权保护并尽快实现产业化。“封闭可调气氛电喷雾离子化源”技术成果鉴定会专家组合影 　　附：朱一心先生“封闭可调气氛电喷雾离子源研制报告”部分内容摘录　　朱一心先生在报告中提到，蛋白质组学研究中最大的技术瓶颈之一就是现有的离子源对离子的利用效率极低。　　自从80年代中期John B. Fenn 将电喷雾离子源应用于大分子质谱分析以来，科学家对于电喷雾离子源机理的解释还是停留在两个模式：离子蒸发(Ion Evaporation Model，IEM)与电荷残留(Charged Residue Model，CRM)，但是对于“为什么电喷雾离子源中存在多电荷离子”和“为什么电喷雾离子源存在离子抑制现象”至今没有合理解释。　　朱一心先生通过对电喷雾离子源电离气氛进行控制，发现电喷雾离子源其实是一个“场致发射氢离子、极性分子在高电场中的极化和静电吸附”的组合现象。由此得出获得高性能电喷雾离子源的必要条件：稳定的泰勒锥和产生尽量多的氢离子。不同的入口边界条件，离子源气流分布的流体力学理论模拟计算图之一　　朱一心先生还对离子源气流分布的流体力学进行理论模拟计算，对不同的入口边界条件对流场、速度驻点的位置以及涡流的位置和形状影响进行了详细分析。模拟结果显示“控制入口流速是离子源设计的关键之一”。　　浙江好创新型“封闭可调气氛电喷雾离子源”具有即插即用的特点，与传统离子源相比，无需进行喷针空间位置的调节即可获得稳定的电喷雾。　　图为使用浙江好创生物的新型“封闭可调气氛ESI离子源”，以空气为背景时，100fmol BSA酶解肽段的基峰色谱图。样品信号强度在1x10E6到9x10E6间。在较低的喷雾电压如1.0kV下即可形成稳定的纳升级喷雾，质谱采集信号非常稳定。