这篇文章介绍了由卢布尔雅那大学的Bor Zupan及其团队进行的一项实验研究，发表在《Frontiers in Molecular Biosciences》期刊上。该研究首次探讨了在电场作用下，利用气动虚拟喷嘴（GDVN）产生的微射流的特性，具有重要的理论和应用价值。
随着科学技术的不断进步，微流体技术在生物医学、材料科学和化学等领域的应用日益广泛。微射流的产生和控制是实现这些应用的关键。研究团队采用了50%体积的水和乙醇混合液体，并使用氮气作为聚焦气体，研究了液体样品和气体的雷诺数范围，分别为0.09–5.4和0–190。实验中，外部电极被放置在喷嘴尖端下游400–500微米处，研究了电极与液体样品之间的电势差从0到7千伏的影响。通过对气体和液体流量、出口腔压力以及外部电场的作用下，微射流的参数空间进行了详细的研究。实验观察到的射流直径、长度和速度分别在1–25微米、50–500微米和0.5–10米/秒之间变化。研究团队开发了专门的计算机视觉软件，自动处理射流形状快照，从而提高了数据处理的效率和准确性。
研究发现，微射流在电场的作用下沿着电场方向加速，并以恒定加速度向下游推进，这与传统的气动虚拟喷嘴的行为有所不同。此外，研究中还观察到了新的喷射模式，其中聚焦气体或电场力的作用主导了射流的行为。这些发现为未来的理论和数值研究提供了新的方向，旨在优化系统设计。研究表明，这项技术有潜力为弱散射物体的串行衍射测量提供低背景样品输送的新一代解决方案。
在引言部分，研究团队提到，串行飞秒晶体学（SFX）利用由X射线自由电子激光（XFEL）产生的飞秒X射线脉冲，生成晶体的衍射图案，从而深入了解其内部分子结构。在SFX的一种特定方案中，蛋白质微晶通过液体悬浮液转移到X射线束中，形成细微的微射流。气动虚拟喷嘴（GDVN）通过共流和扩展气体施加的力，创造出一个虚拟喷嘴，加速液体并聚焦射流直径。近年来，随着3D打印技术的发展，GDVN的制造变得更加可控和精确，尤其是采用双光子聚合（2pp）工艺，可以实现亚微米精度的复杂几何形状的微喷嘴。
在实验过程中，研究团队使用了Nanoscribe Photonic Professional GT设备进行GDVN的打印，这种设备能够以0.5微米的精度制造出复杂的微喷嘴结构。通过这种高精度的制造工艺，研究人员能够有效避免液体在气体漏斗外部的电荷积累，从而确保射流的稳定性和可重复性。实验设置在德国汉堡的自由电子激光科学中心（CFEL）进行，采用了高分辨率的成像系统，能够以每秒100帧的速度捕捉射流图像，确保了对微射流特性的准确测量。
研究结果显示，在不同的气体和液体流量、施加电压的条件下，微射流的直径和速度表现出显著的变化。在真空环境下，研究人员观察到三种典型的泰勒锥形状，并发现电场的施加对射流的稳定性和特性有显著影响。特别是在高样品流速和低气体流速的情况下，研究团队观察到了“桥接”模式，即射流能够稳定地到达外部电极并发生放电。这种模式的出现为微射流的应用提供了新的可能性。
在讨论部分，研究团队指出，尽管当前的喷嘴设计在气体扩展过程中限制了动能的传递，但施加电压的存在显著提高了射流的加速能力。未来的研究将集中在优化GDVN的几何形状，以最大化气体对射流的动能传递，同时保持电场加速的效果。此外，研究团队还计划探索更高粘度的样品液体，以进一步验证电场对射流特性的影响。
总之，这项研究为微射流的产生和控制提供了新的视角，展示了在电场作用下的气动虚拟喷嘴的潜力。随着对微流体技术的深入研究，未来有望在生物医学和材料科学等领域实现更广泛的应用。
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https://doi.org/10.3389/fmolb.2023.1006733