电喷雾萃取雾化实验与流场数值模拟研究

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电喷雾萃取电离(EESI)技术能够在无需样品复杂预处理的情况下,实时、快速地电离复杂基体样品中的目标分子,在食品质量监测、药物检测、毒品和爆炸物检测等研究领域得到了广泛的应用。EESI源的取样效率由离子化效率和传输效率构成,直接影响着EESI源的质谱灵敏度。EESI源的雾化流场与其离子化效率有着直接关系。本论文以EESI源的雾化流场为研究对象,通过实验和仿真分析,来探究不同因素对EESI源雾化流场的影响。首先,对电喷雾萃取电离源的样品通道进行雾化实验,通过采用雾化锥角作为雾化效果的评判标准,探究了辅助气体压强、气液出口相对位置和液体流速对雾化效果的影响。然后,在样品通道雾化实验的基础上,通过计算流体力学的方法,对样品通道雾化流场进行数值模拟研究,分析了辅助气体压强和液体流速对雾化流场的影响情况。最后,对双通道雾化流场进行了数值模拟,并进行了实验验证,模拟分析出了气体压强和液体流速对双通道雾化流场的影响,主要研究成果如下:(1)通过EESI源的样品通道雾化实验,实验结果表明,在液体流速为5 ul/min的实验条件下,雾化锥角随着辅助气体压强的增大,而呈现出先减小,后增大,最后趋于稳定的状态;随着气液出口相对位置的增加,雾化锥角是先增大后不变。在气液出口相对位置为0.06 mm的条件下,雾化锥角随着液体流速的增加而不断增大,而在气液出口相对位置为0.26 mm和0.46 mm的条件下,液体流速10 ul/min的雾化锥角大于液体流速5 ul/min和15 ul/min,且锥角的变化幅度比液体流速5 ul/min和15ul/min的要小。对于流速5 ul/min和15 ul/min,优先选取气体压强0.8 MPa和相对位置0.46 mm;对于流速10 ul/min,优先选取气体压强0.8 MPa和相对位置0.26 mm。(2)通过EESI源样品通道雾化流场的仿真模拟研究,结果表明,在液体流速为5ul/min的条件下,轴线上的气相速度整体上随着距离的增加而呈现出先增大后减小的趋势。雾化流场的索特尔平均液滴粒径(SMD)随着辅助气体压强的不断增大,而逐渐减小;当辅助气体压强为0.5-0.7 MPa时,雾化液滴粒径随着液体流速的增加而不断的增大;而当压强为0.8-1.2 MPa时,三者流速下的SMD是一致的。通过与单通道实验结果对比,验证了样品通道雾化模型的可行性。(3)通过EESI源双通道的仿真模拟研究,结果表明,在液体流速为5 ul/min的条件下,雾化流场的SMD随着辅助气体压强的增大而减小;在气体压强为0.8 MPa的条件下,雾化场中的SMD随着喷射距离的增加而增大,其中在离气体入口中心2mm、3 mm和4 mm的截面处,三者的SMD值保持一致。同时通过双通道雾化实验验证了模型的可行性。本文通过数值模拟与实验相结合的方法,研究了不同因素对单、双通道雾化流场的影响情况,为后续的EESI源研究提供了一定的理论依据。
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