DE102013019441A1

DE102013019441A1 - Zerstäubersystem

Info

Publication number: DE102013019441A1
Application number: DE102013019441.5A
Authority: DE
Inventors: Oliver Schulz; Bernhard Spengler
Original assignee: Justus Liebig Universitaet Giessen
Current assignee: Justus Liebig Universitaet Giessen
Priority date: 2013-11-21
Filing date: 2013-11-21
Publication date: 2015-05-21
Anticipated expiration: 2033-11-22
Also published as: DE102013019441B4; WO2015074959A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zerstäubersystem 100 umfassend einen Sprühkopf 1 und eine gasdicht mit diesem Sprühkopf verbindbare Sprühkammer 18. Der Sprühkopf 1 weist in einem der Sprühkammer 18 zugewandten Abschnitt eine Verjüngung auf, diese ist als Düse 17 zur Zerstäubung von Flüssigkeit mit Gas ausgebildet. Damit weist der Sprühkopf 1 eine Zweiphasen-Düse mit innerer Mischung auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Zerstäubersystem zur Erzeugung von Aerosol mit geringer Tropfengröße und dessen Verwendung.
[Stand der Technik]
Das Zerstäuben von Flüssigkeiten in Zerstäubersystemen erfolgt, um kleine Tropfen mit einer großen reaktiven Flüssigkeitsoberfläche zu erzeugen, beispielsweise in Vergasern und bei Luftbefeuchtern. Dieses begünstigt Prozesse des Stoff- und Wärmeaustausches, wie sie beispielsweise bei Verdunstungsprozessen und Verbrennungsprozessen stattfinden.
Des Weiteren dienen Zerstäubungssysteme dazu, gleichmäßige Oberflächenbeschichtungen zu gewährleisten oder bei Reinigungsaufgaben einen ausreichenden Impulsübertrag zu erzeugen.
Zerstäuber werden auch in der Spektrometrie eingesetzt (z. B. in der Matrix-unterstützten Laser-Desorptions/Ionisations(MALDI)-Massenspektrometrie) und dienen dabei der chemischen Analyse von Stoffen indem mit ihnen Substanzen zerstäubt werden.
Neben diesen Anwendungen gibt es Zerstäubersysteme für medizinische oder kosmetische Sprays, die der unmittelbaren Benetzung der Haut mit einem Wirkstoff dienen oder als Aerosol inhaliert werden, wofür es die Zerstäubersysteme in unterschiedlichen Bauformen mit konstruktiv festgelegter Menge des pro Stoß abgegebenen Aerosols gibt.
Je nach Art der Energiezufuhr kann man Zerstäuberdüsen von Zerstäubersystemen in die folgenden Klassen einteilen:
Einstoff-Druckdüsen
Energielieferant ist die zu zerstäubende Flüssigkeit selbst. Diese wird unter Druck der Einstoff-Druckdüse zugeführt. An der Düsenmündung wird je nach Düsenbauart ein Flüssigkeitsstrahl oder eine Flüssigkeitslamelle erzeugt. Die Tropfenbildung setzt in einer gewissen Entfernung von der Düsenmündung ein. Typische Vertreter dieser Düsenbauart sind Turbulenz-, Flachstrahl-, Prall- und Hohlkegeldruckdüsen.
Zweistoff- oder pneumatische Düsen
Diese Düsen arbeiten nach dem Prinzip einer Strahlpumpe. Energielieferant ist ein mit hoher Geschwindigkeit strömendes Gas oder Dampf. Die zu zerstäubende Flüssigkeit kann nahezu drucklos zugeführt werden. Teilweise arbeiten diese Düsen selbstansaugend. Zweistoff-Düsen unterscheidet man in Düsen innerer Mischung und in Düsen äußerer Mischung. Typische Vertreter dieser Bauart sind Matrixpräparationsapparaturen für die bildgebende Massenspektrometrie von biologischem Gewebe.
Die Düsen, welche Zweistoffdüsen sind, von üblichen Zerstäubersystemen für die Matrixpräparation arbeiten mit einer offenen Sprühvorrichtung ohne gasdynamische Steuerung. Sie erreichen nur eine Tropfengröße von mehr als 10 μm, die eine bildgebende massenspektrometrische Analyse mit einer räumlichen Auflösung von bestenfalls 20 μm ermöglicht.
Die mit dem Stand der Technik erreichbare räumliche Auflösung ist auf Grund zu großer Tropfen nicht ausreichend, um biologische Strukturen auf zellulärer Ebene aussagekräftig abzubilden.
Bei Zweistoff- oder pneumatischen Düsen dient ein mit hoher Geschwindigkeit strömender Gas- oder Dampfmassenstrom als Energielieferant für den Zerstäubungsprozess. Dieses bietet den Vorteil, dass im Gegensatz zu Einstoff-Druckdüsen auch kleinere Volumenströme an höher viskosen Flüssigkeiten zu einem feinen Tropfengrößenspektrum vernebelt werden können. Eine wichtige Rolle spielt hierbei das Massenstromverhältnis μ zwischen dem Gas und der Flüssigkeit.
Dieses Massenstromverhältnis wird auch als Beladung bezeichnet. Tendenziell werden mit zunehmender Beladung die erzeugten Tropfen feiner. Je größer die Beladungszahl wird, desto mehr Spielraum hat man bezüglich der Massenströme für einen konstanten charakteristischen Tropfendurchmesser.
Zweistoff-Düsen äußerer Mischung
Die zu zerstäubende Flüssigkeit und das Gas treffen erst außerhalb der Düse in Wechselwirkung miteinander. Häufig anzutreffen ist hier die Prefilming-Düse. Die Flüssigkeit tritt nahezu drucklos im Zentrum der Düse aus. Das Gas strömt mit hoher Geschwindigkeit aus einem umgebenden Ringkanal. Hieraus resultiert im Nahbereich der Düsenmündung ein Unterdruck, welcher die Flüssigkeit auf der Prefilming-Fläche als Film ausbreitet. Dieser dünne Film trifft auf das mit hoher Geschwindigkeit strömende Gas und wird zu feinen Tropfen zerteilt. Unter bestimmten Bedingungen arbeitet dieser Düsentyp selbstansaugend.
Zweistoff-Düsen innerer Mischung
Bei diesen Düsenbauarten erzeugt man bereits im Inneren der Düse ein Zweiphasen-Gemisch. Dieses weist eine geringe Schallgeschwindigkeit auf. In der Düsenaustrittsebene resultiert hieraus ein so genannter Drucksprung. Tropfen mit einem kritischen Durchmesser erfahren hierdurch eine weitere Zerteilung und tragen zu einem hohen Feinanteil an Tropfen im Spray bei. Im Gegensatz zu den Zweistoff-Düsen äußerer Mischung müssen Gas- und Flüssigkeitsdruck aufeinander abgestimmt werden. Insofern ist ein höherer regelungstechnischer Aufwand erforderlich.
[Aufgabe]
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Zerstäubersystems welches ein Aerosol aus flächig gleichmäßig im Aerosolstrom verteilten Tropfen mit einem Durchmesser von weniger als 10 μm gewährleistet.
[Lösung der Aufgabe]
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Hauptanspruchs, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind.
Die Erfindung besteht aus einem Zerstäubersystem 100 umfassend einen Sprühkopf 1 und eine gasdicht mit diesem Sprühkopf verbindbare Sprühkammer 18. Diese sind beispielsweise aus Kunststoff, Glas oder Keramik.
Der Sprühkopf 1 weist in einem der Sprühkammer 18 zugewandten Abschnitt eine Verjüngung auf, diese ist als Düse 17 zur Zerstäubung von Flüssigkeit mit Gas ausgebildet. Damit weist der Sprühkopf 1 eine Zweiphasen-Düse mit innerer Mischung auf.
Des Weiteren umfasst der Sprühkopf 1 wenigstens eine Gaszuleitung 2a und wenigstens eine Flüssigkeitszuleitung 2b. Durch diese Zuleitungen gelangen das Gas und die Flüssigkeit in das Innere des Sprühkopfes 1. Der Bereich in dem Gas und Flüssigkeit aufeinander treffen und ein Aerosol bilden, ist der Mischbereich 10.
Gas ist jede Substanz oder jede Mischung von Substanzen, die unter den im Zerstäubersystem herrschenden Betriebsbedingungen gasförmig ist. Beispielsweise ist dies ein chemisch inertes Gase wie z. B. Stickstoff, Helium oder CO₂.
Die Geometrie der Düse 17 des Zerstäubersystems wird über den Düsenwinkel alpha beschrieben. Dieser beschreibt den Winkel zwischen der Austrittsfläche des Sprühkopfes 1 und der Wand des Sprühkopfes an seiner Austrittsöffnung. Dieser Winkel bestimmt wie stark sich die Querschnittsfläche des Mischbereiches zur Austrittsöffnung hin verengt.
Bei einem Düsenwinkel alpha von 90° ist die Austrittsöffnung maximal, es wird keine Düsenwirkung erzielt. Bei einem Düsenwinkel alpha von 0° ist die Öffnung verschlossen.
Um einen gleichmäßig flächigen Aerosolstrom zu erzeugen, weist der Sprühkopf 1 im erfindungsgemäßen Zerstäubersystem an der Düse 17 einen Düsenwinkel alpha von 40° bis 80° bevorzugt 55° bis 65° auf.
Sprühkopf 1 und Sprühkammer 18 sind gasdicht miteinander verbunden. Die Verbindung erfolgt z. B. über Gewinde, Kleber, Pressitz oder durch ein anders geeignetes Befestigungsmittel, das eine gasdichte Verbindung gewährleistet. Alternativ wird zusätzlich eine Dichtung verwendet.
Damit ist sichergestellt, dass außer durch die Düse 17 kein Stofftransport erfolgt. Insbesondere kann kein Gas von außerhalb in das Zerstäubersystem eindringen.
In einer Ausführungsform ist die Verbindung zwischen Sprühkopf 1 und Sprühkammer 18 reversibel verschließbar ausgebildet. Das Verschließen erfolgt z. B. über ein Gewinde mittels Schrauben. Dies ermöglicht das Einführen einer Probe in die Sprühkammer 18 ohne weitere Öffnung in der Sprühkammer 18.
Die Gaszufuhr in den Sprühkopf 1 erfolgt geregelt. Hierzu weist der Sprühkopf 1 einen Gasmassenflussregler 13 auf. Dieser ist beispielweise ein manuell oder elektrisch steuerbares bewegliches Ventil oder über ein Drosselventil (Nadelventil) z. B. mit einem Motor.
Vorzugweise weist die Gaszuleitung 2a noch einen Gasmassenflusssensor auf, um entweder den Gasflussregler direkt zu steuern und/oder dem Anwender einen Druckabstufungswert z. B. durch ein Anzeigeelement anzuzeigen. Um einen flächig gleichmäßigen Aerosolstrom mit Partikeln kleiner 10 μm zu erzeugen, werden Druckabstufungen im Bereich von 0,1 bar bis 2 bar bevorzugt, besonders bevorzugt bei ca. 1 bar. Die Gasquelle ist ein Gasreservoir z. B. eine Spritze oder Gasflasche.
Die Flüssigkeitszufuhr in den Mischbereich 10 des Sprühkopfes 1 erfolgt ebenfalls geregelt. Der Sprühkopf 1 umfasst hierzu einen Flussratenregler 14 für Flüssigkeit. Dieser ist beispielweise ein manuell oder elektrisch steuerbares bewegliches Ventil z. B. mit einem Motor.
Vorzugweise weist die Flüssigkeitszuleitung 2b zusätzlich einen Flussratensensor auf, um entweder den Flussratenregler 14 für Flüssigkeit direkt zu steuern und/oder dem Anwender einen Wert z. B. durch ein Anzeigeelement anzuzeigen. Dieser Flussratensensor misst die Flussrate ist beispielsweise als thermischer Flussratensensor ausgebildet.
Die Flüssigkeitsquelle ist ein Flüssigkeitsreservoir z. B. eine Spritze oder Tank. Um einen flächig gleichmäßigen Aerosolstrom mit Partikeln kleiner 10 μm zu erzeugen, liegt die Flussrate in einem Bereich von 0,1 μl/min bis 100 μl/min bevorzugt 1 μl/min bis 50 μl/min.
Der Gasmassenflussregler 13 und der Flussratenregler für Flüssigkeit 14 sind in ihrer Funktion unabhängig voneinander.
In einer Ausführungsform ist die Düse 17 verschließbar ausgebildet. Dies ermöglicht eine schnelle Regulierung des Aerosolstroms.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Zerstäubersystem an der Düse 17 zumindest einen Sensor zur Überwachung einer Strömung des Aerosols durch die Düse 17. Dieser Sensor gewährleistet einen flächig gleichmäßigen Aerosolstrom mit Partikeln kleiner 10 μm. Er ist in seiner Funktion unabhängig von weiteren Sensoren (z. B. Gasmassenflusssensor und/oder Flussratensensor).
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Zerstäubersystem eine Sprühkammer 18 mit einer besonderen Geometrie auf. Sie weist einen gegenüber der Düse 17 liegenden verjüngenden Abschnitt mit einem Sprühkammerwinkel beta von 30° bis 60° auf, bevorzugt 40° bis 50° auf. Dieser gewährleistet einen flächig gleichmäßigen Aerosolstrom mit Partikeln kleiner 10 μm. In einer Anwendung wird die Sprühkammer vor dem Einsetzen des eigentlichen Sprühvorgangs mit Gas, beispielsweise Stickstoff, geflutet. Alternativ weist die Sprühkammer 18 eine verschließbare Öffnung 22 zum Gasaustausch mit der Atmosphäre auf. Dies dient dazu, den Druck in der Sprühkammer 18 und den Aerosolstrom durch die Sprühkammer 18 zu regulieren. Diese verschließbare Öffnung 22 kann außerdem für die Zuführung einer Probe in die Sprühkammer 18 dienen, so dass die Probe besprüht werden kann. Die Zuführung der Probe in die Kammer kann auch über eine weitere Öffnung erfolgen.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Sprühkammer 18 des Zerstäubersystems einen Probenhalter 19 zur Aufnahme einer zu besprühenden Probe auf. Dieser in einer weiteren Ausführungsform rotierbar mit einem Antriebssystem beispielsweise einem Elektromotor. Er wird beispielsweise während des Aerosolausstoßes z. B. während des Besprühens der Probe, in Rotation versetzt.
Zusätzlich befindet sich der Probenhalter in einer Ausführungsform auf einem höhenverstellbaren Abstandshalter 20, sodass einer bestimmter Abstand der probe zur Düse 17 einstellbar ist.
Eine Probe ist im Rahmen dieser Erfindung ein beliebiger organischer oder anorganischer Körper, ein Feststoff, Gel, Gewebe oder mindestens eine Zelle. Mittels des erfindungsgemäßen Zerstäubersystems kann eine Vielzahl von Proben mit einem flächig gleichmäßigen Aerosolstrom mit Partikeln kleiner 10 μm besprüht werden, so dass ein weites Feld von Einsatzmöglichkeiten in der Technik und Medizin gegeben ist.
Eine Verwendung besteht in der Beschichtung einer Probe für die Matrix-unterstützte Laser Desorptions/Ionisations(MALDI)-Massenspektrometrie.
Eine weitere Verwendung besteht in der gezielten Beschichtung einer Probe zur Veränderung ihrer technischen Eigenschaften. Diese Veränderung kann beispielsweise eine Erhöhung der chemischen oder mechanischen Belastbarkeit, eine Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit und/oder der optischen Eigenschalten sein.
Besonders vorteilhaft am erfindungsgemäßen Zerstäubersystem ist, die als Resonanzkörper ausgebildete Sprühkammer 18. Sie gewährleistet einen flächig gleichmäßigen Aerosolstrom mit Partikeln kleiner 10 μm und stabilisiert das Aerosol so dass die einzelnen Tropfen nicht miteinander verschmelzen. 6 vergleicht das erfindungsgemäße Zerstäubersystem mit Sprühkammer 18 (6b) mit einer anderen Vorrichtung ohne Sprühkammer (6a).
Besonders vorteilhaft am erfindungsgemäßen Zerstäubersystem ist, das folgenden Parameter optimal auf die Besprühung einer Probe mit einem flächig gleichmäßigen Aerosolstrom mit Partikeln kleiner 10 μm einstellbar sind:

– Regelung der Flussrate der Flüssigkeitszufuhr über den Flussratenregler 14 und Flüssigkeitszuleitung 2b
– Regelung der Gaszufuhr über den Gasmassenflussregler 13 und Gaszuleitung 2a
– die Sprühkammergeometrie mit dem Sprühkammerwinkel beta (Strömungsprofil und akustische Resonanz)
– die Bewegungsart und -geschwindigkeit des Probenhalters

Weiterhin werden die bedeutsamen physikalischen Parameter des Sprühkopfes 1 bzw. der Düse 17 besonders vorteilhaft realisiert. Diese sind:

– der Innenquerschnitt und Material, Geometrie der Öffnung mit Düsenwinkel alpha,
– der Querschnitt der Gaszuleitung 2a sowie dessen Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit,
– der Gasdruck sowie der Querschnitt des Gasreservoirs

Der am Durchmesser d des Querschnitts der Düse 17 austretende Gasmassenstrom beträgt in etwa:
wobei die dimensionslose Ausflussfunktion Psi die Massenstromdichte (rho(G)u) beschreibt:
Der Index 0 bezeichnet dabei den Zustand an der Stelle der größten Ausdehnung der Gaszuleitung 2a im Sprühkopf 1. Das Druckverhältnis erlangt den kritischen Wert, wenn an der Mündung die Schallgeschwindigkeit erreicht wird. Für Luft ergibt sich dabei ein Betrag von in etwa Psi ≈ 0.484. Die Positionierung der Sprühkammer 18 zur Gaszuleitung 2a (beeinflusst, neben der Oberflächenspannung des versprühten Aerosols und der Gaszusammensetzung, die Tropfenbildung bzw. den Tropfenabriss und damit die Länge des zusammenhängenden Strahlkernes. Sie ist vor allem im Zusammenhang mit der Sprühkopfgeometrie im einsetzenden Zerstäubungsprozess entscheidend.
Um eine Zweikomponentenzerstäubung ausreichend charakterisieren zu können, müssen zumindest ansatzweise die sich ausbildenden Strömungsform(en) bekannt sein. Hierbei ist das dimensionslose Massestromverhältnis des Gases zum Gesamtmassenstrom,
das auf Normdruck von Luft und Wasser bezogene dimensionslose Dichteverhältnis,
und der Einfluss der Oberflächenspannung (sigma) sowie der dynamischen Viskosität (eta),
der Fluide zu bestimmen. Das Massestromverhältnis wirkt sich auf die Schallgeschwindigkeit an der Düsenmündung aus. Diese kann ggf. deutlich unter der Schallgeschwindigkeit in den reinen Bezugsfluiden liegen, d. h. c{Wasser} ≈ 1500 m/s, c{Luft} ≈ 330 m/s. Im Rahmen der Testphase des erfindungsgemäßen Zerstäubersystems sind hierzu Experimente mit einem, unmittelbar an der Düsenmündung angebrachten, Kondensatormikrophon durchgeführt worden. Diese belegen eine erkennbare Drift im Frequenzspektrum, sobald das Massenstromverhältnis sprunghaft verändert wird. Die Sprühkammer 18 wirkt dabei als akustischer Resonator. Aus der Kombination einer Zweistoff-Düse mit einem akustischen Resonator können die sehr kleinen Tropfendurchmesser, die i. d. R. kleiner 10 μm ausfallen als über Gleichungen der Düsencharakterisierung berechnet wird, erklärt werden.
Die im erfindungsgemäßen Zerstäubersystem erzeugten primären Tropfen können durch die Gasströmung weiter zerteilt werden. Dieser Prozess ist besonders geeignet, um eine engere Größenverteilung zu erhalten. Betrachtet wird, der Einfachheit halber, zunächst ein ruhender (ideal) kugelförmiger Tropfen, auf den ein Gasstrom einwirkt. Der Tropfen setzt dem Gasstrom eine sogenannte aerodynamische Widerstandskraft entgegen:
Mit c(W) dem dimensionslosen Widerstandsbeiwert. Die Oberflächenspannungskraft des Tropfens wirkt dabei seiner Zerteilung entgegen: F_sigma = pi·d_Tropfen·sigma
Aus beiden Gleichungen ergibt sich dann das Stabilitätskriterium eines angeströmten statischen Tropfens:
Dabei werden Verhältniszahlen definiert. Diese sind bei einer näheren Charakterisierung hilfreich. Zum einen ist dies die sogenannte Gas-Weberzahl:
Sinnvoller Weise wird die Stabilitätsbetrachtung in realen Aerosolen auf die kritische Relativgeschwindigkeit (d. h. auch der Tropfen bewegt sich) und einen kritischen Tropfendurchmesser bezogen:
Um die Flüssigkeitsviskosität und Schwingungseinflüsse zu berücksichtigen wird weiterhin noch die Ohnesorgezahl verwendet:
Empirisch wird dann eine kritische Gas-Weberzahl gefunden, bei deren Überschreiten ein sekundärer Tropfenzerfall erwartet werden kann:
Berücksichtigt werden muss, dass die angenommenen Ausgangsbedingungen über die Tropfengröße und die Relativgeschwindigkeit im Verlauf der Sprühnebelbildung nicht konstant sind.
Ebenso kann die Zeit, die für einen Tropfenzerfall benötigt wird, abgeschätzt werden:
Zweistoff-Düsen mit innerer Mischung neigen bekanntermaßen zur Ausbildung eines sogenannten Oversprays. Aufgrund der teilweise sehr klein werdenden Tropfen sinkt die Masse der Tropfen und die Relativgeschwindigkeit geht gegen Null. Es handelt sich hierbei um ein Phänomen der Mikrofluidik. Die Tropfen folgen dann der ausgebildeten Gasströmung und werden dabei nicht nur auf die zu beschichtende Oberfläche einer Probe transportiert. Im erfindungsgemäßen Zerstäubersystem verbleibt deshalb der überwiegende Teil des Aerosols als Overspray an den Wänden der Sprühkammer. Der Anteil des Oversprays geht dann einerseits für das Besprühen z. B. einer Probe verloren, ist aber andererseits ein deutliches Qualitätsmerkmal kleiner Tropfenunter 10 μm mit einer engen Größenverteilung im Aerosol. Diese erzeugt dann eine flache Verteilung der Aerosolmenge über der zu besprühenden Oberfläche der Probe.
Ein wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Zerstäubersystems ist, dass die Aerosoltropfen beim Auftreffen auf der Probe noch hinreichend feucht sind, um beispielsweise Analyte aus der Probe auszulösen und diese Analyte beim Eintrocknen und Auskristallisieren aufzunehmen oder um einen stabilen und/oder flächig gleichmäßigen Aerosolstrom mit Partikeln kleiner 10 μm zu sprühen.
[Ausführungsbeispiele]
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1: den schematischen Aufbau des erfindunsgemäßen Zerstäubersystems
2: den schematischen Aufbau des Sprühkopfes 1
3: den schematischen Aufbau eines beispielhaften Zerstäubersystems
4: den schematischen Aufbau einer Sprühkopfspitze mit Düse 17
5: den schematischen Aufbau eines beispielhaften Zerstäubersystems
6 Vergleich Zerstäubersystem mit und ohne Sprühkammer 18
7 eine Anwendung im technischen Bereich, wobei die Probe ein Wafer ist
8 eine Anwendung im biotechnologischen Bereich, wobei die Probe hefezellen sind
In der nachfolgenden Beschreibung sind weitere Aspekte und Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung offenbart. Zudem wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Diese Offenbarung der Erfindung soll die Merkmale oder Hauptelemente der Erfindung nicht auf ein spezifisches Ausführungsbeispiel beschränken. Vielmehr können die verschiedenen Elemente, Aspekte und Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen offenbart sind, durch einen Fachmann auf dem Gebiet auf verschiedene Arten kombiniert werden, um einen oder mehrere Vorteile der vorliegenden Erfindung zu erzielen.
Fig. 1: schematischer Aufbau des erfindungsgemäßen Zerstäubersystems
In das erfindungsgemäße Zerstäubersystem wird über die Flüssigkeitszuleitung 2b, eine Flüssigkeit in den Sprühkopf 1 eingeleitet. Die Steuerung erfolgt dabei über den Flussratenregler 14. Unabhängig davon wird über die Gaszuleitung 2a Gas in den Sprühkopf 1 eingeleitet. Der Gasfluss wird über den Gasmassenflussregler 13 gesteuert. Die Gaseinleitung kann hier auch vor, oder nach der Flüssigkeitszuleitung geschehen. Zur Aerosolbildung muss er jedoch zumindest während der Flüssigkeitszuleitung geschehen, da es sonst zu keiner Aerosolbildung kommt. Die Aerosolbildung findet im Mischbereich 10 des Sprühkopfes 1 statt. Der Sprühkopf 1 besitzt eine Düse 17 über die die Aerosoltropfen 40 den Sprühkopf 1 verlassen können. Erfindungsgemäß besitzt der Sprühkopf 1 zu dieser Öffnung hin einen sich verjüngenden Bereich, so das eine Düse 17 entsteht. Hierbei entsteht ein Aerosol, das den Sprühkopf 1 durch die Düse 17 verlässt und in die Sprühkammer 18 gelangt.
2 zeigt eine konkrete mögliche Ausführungsform des Sprühkopfes 1. Dieser besitzt eine Gaszuleitung 2a, durch die Gas in den Sprühkopf 1 eingeleitet wird. Die Flüssigkeitszuleitung geschieht hier über eine Flüssigkeitszuleitung 2b.
3 zeigt eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Zerstäubersystems.
Es umfasst den Sprühkopf 1 und die Sprühkammer 18. Die Gaszuleitung erfolgt über einen Gasmassenflussregler 13 und die Gaszuführung 2a in den Sprühkopf 1. Das Gas kann über ein optionales Thermoelement 11 noch temperiert, z. B. erwärmt oder abgekühlt werden.
Zusätzlich erfolgt die Zuleitung der zu zerstäubenden Flüssigkeit beispielsweise über eine Flüssigkeitszuführung 2b aus einem Flüssigkeitsreservoir 16 z. B. einer Spritze über einen Flussratenregler mit Flussratenmesser 14 und einen Schlauchanschlussadapter 6 in den Sprühkopf 1. Die Flüssigkeit kann dabei über ein optionales Thermoelement 31 temperiert, z. B. erwärmt oder abgekühlt werden. Nach dem Zerstäuben verlassen die Aerosole über die Düse 17 den Sprühkopf 1 und treten in die Sprühkammer 18 ein. Diese umfasst einen für die Aufnahme einer Probe geeigneten Probenhalter 19 einen Abstandshalter 20 und ein Antriebssystem 21.
Innerhalb der Sprühkammer 18 fallen die Aerosole auf den mit einer Proben versehenen Probenhalter 19. Dieser ist über einen Abstandshalter 20 mit einem Antriebssystem 21 verbunden und kann durch dieses in Rotation versetzt werden. Des Weiteren weist die Sprühkammer 18 noch verschließbare Öffnungen 22 auf. Diese dienen dazu, den Gasstrom durch die Sprühkammer 18 zu kontrollieren.
4 zeigt eine konkrete Ausführungsform der Spitze eines Sprühkopfes 1 mit der Düse 17. Beim Austreten aus der Gaszuleitung 2a wird der austretende Aerosoltropfen 40 durch das zuströmende Gas zerstäubt. Da dies unmittelbar oberhalb der Düse 17 erfolgt, ist deren geometrische Gestalt von großer Bedeutung. Wichtig ist hierbei der Düsenwinkel α. Dieser beträgt 40° bis 80° bevorzugt 50° bis 70°. Dieser Düsenwinkel ist einstellbar zum Beispiel über einen kleinen Stellmotor (nicht abgebildet). In einem konkreten Ausführungsbeispiel besitzt das System folgende Abmessungen.
1: 75 mm bis 85 mm,
52: 120 μm bis 140 μm,
51: 470 μm bis 490 μm,
50: 790 μm bis 810 μm,
50a: ist kleiner gleich ((50) – (51))/2,
61: 2,25 mm bis 2,75 mm (innere Mischung),
55: 5,5 cm bis 6,5 cm,
5 zeigt das erfindungsgemäße Zerstäubersystem mit der als akustischer Resonanzkörper ausgebildeten Sprühkammer 18.
Das Verhältnis von Kammerbreite 56 zum Durchmesser der zu besprühenden Fläche der Probe beträgt im Bereich bis zur besprühenden Oberfläche der Probe ca. 3 zu 1. Die Kammerwände in diesem Bereich sind rechteckig ausgeführt, da eine runde Ausführung der Wand abweichende Eigenschaften zeigt. Die Wand besteht hierbei bevorzugt aus einem chemisch beständigen Kunststoff beispielsweise Polyethylenterephthalat (PET). Unmittelbar unterhalb der zu besprühenden Oberfläche erfolgt eine Verjüngung der Kammerwände 69, 60, auf einen Durchmesser 57. Das Verhält von Durchmesser 57 zum Durchmesser der zu besprühenden Oberfläche der Probe beträgt 1,4 zu 1 Der Bereich der Verjüngung 59, 60 ist dabei rund.
Der Sprühkammerwinkel beta β, der diese Verjüngung kennzeichnet, beträgt ca. 30° bis 60° bevorzugt 40° bis 50°
Die verschliessbaren Öffnungen 22 an der Kammerunterseite (im Anschluss an Durchmesser 57 sind so dimensioniert, dass ein ausreichend großer Gasfluss erreicht wird. Als zugeführtes Gas zum Zerstäuben wird ein chemisch inertes Gas wie z. B. Stickstoff, Helium oder CO₂ verwendet.
6 zeigt den Bedeckungsgrad einer Probe mit Aerosoltropfen in einem Zerstäubersystem mit und ohne Sprühkammer 18. Hier wird deutlich, dass der Einsatz der Sprühkammer 18 zu einem flächig gleichmäßigen Aerosolstrom mit Partikeln kleiner 10 μm führt.
Das Zerstäubersystem wird in einer möglichen Ausführungsform verwendet zur flächendeckenden und homogenen Matrixbeschichtung für Matrix-unterstützte Laser Desorption/Ionisation (MALDI) physikalisch und chemisch sehr unterschiedlicher Oberflächen. Der folgende Teil der Beschreibung bezieht sich auf dieses Anwendung. Dies ist jedoch nur als Beispiel zu verstehen. Es ist dem Fachmann möglich diese Lehre auch auf andere Anwendungsgebiete z. B. auch der Technik zu übertragen.
Getestet wurden die Besprühungen verschiedener Proben z. B. von nativen und biologischen „Oberflächen”, metallischen Oberflächen, Glasoberflächen (BK07) und Silizium-Wafer-Oberflächen für die Matrix-unterstützte Laser Desorptions/Ionisations(MALDI)-Massenspektrometrie. Hierbei entspricht die Größe der resultierenden Partikel der Tropfengröße des Aerosols. Es ist dabei möglich, mit der sehr häufig in der MALDI-Analytik eingesetzte Substanz 2,5-Dihydroxy-Benzoesäure (DHB) als Matrix, Partikelgrößen von im Mittel drei bis fünf Mikrometer über einer Fläche von ca. 1 bis 10 bevorzugt ca. 3 cm² auf einer metallischen Oberfläche aufzubringen. Vergleichsmessungen mit Vorrichtungen aus dem Stand der Technik ohne Sprühkammer 18 zeigen, dass die Partikel auf Glasoberflächen eine Größe ca. 15 Mikrometer mit einer relativ breiten Größenverteilung (siehe auch 6, mittlere Abbildung) erreichen. Das erfindungsgemäße Zerstäubersystem ermöglicht dagegen Partikelgrößen unter 10 μm. Nach der Optimierung der relevanten Prozessparameter und einer Regulierung der Flussraten (Volumen- und Massestrom der Fluide) ist die Reproduzierbarkeit dieser Ergebnisse mit einer statistischen ein-Sigma Wahrscheinlichkeit bzw. einer RSD von 5% gegeben. Es ist möglich eine mittlere Partikellgröße von ca. 3 μm zu erreichen. Testergebnisse, die mit der Möglichkeit einer aktiven Rückkopplung über die tatsächlichen Flussraten erzielt werden, legen nahe, dass bei automatischer Steuerung der Flussraten der Fluide, die mittlere Partikelgröße der Substanz 2,5-DHB auch unter 3 μm gesenkt werden kann.
Hierbei ist es von zentraler Bedeutung für die nachfolgende MALDI-MS-Analytik, dass obwohl diese relativ kleinen Partikel erzeugt werden, alle nativen biologischen Oberflächen eine für Phospholipide und Peptide ausreichende Kontakteffizienz mit der Matrix ausbilden. Die laterale Migration von Analyten erwies sich im Praparationsmaßstab (0.25 μm bis 2 μm) als weitgehend unbedeutend, d. h. Positionierungsartefakte sind hier eher auf Effekte wie Sekundärablagerung von Probenmaterial oder Störungen bzw. Schwankungen der Bewegungsabläufe innerhalb der Rastermechanik beim Probenstellenwechsel zurückzuführen.
7 zeigt als Ausführungsbeispiel 1, die Matrixpräparation der Linienstrukturen des geätzten Si-Wafer. Im Ionenintensitätsverteilungsbild in Teilabbildung a) sind dabei die mit Matrix gefüllten Linienstrukturen erkennbar. Teilabbildung b) zeigt ein Fluoreszenzbild der Mittels Sprühpräparation hergestellte Matrixbeschichtung. Teilabbildung c) zeigt das Ionenintensitätsverteilungsbild des Matrixsignales m/z 273 u, der mittels Sprühpräparation auf den geätzten Siliziumwafer aufgetragenen Matrix 2,5-DHB.
zeigt als ein Ausführungsbeispiel 2, Messungen der Lipidkopfgruppe der Hefezellen. Die Teilabbildung a) zeigt hierbei Hefezellen in Suspension in einer Hellfelddurchlichtaufnahme mit sichtbarem Licht. Die Teilabbildung b) zeigt in einem Ionenintensitätsverteilungsbild (in einem anderen Ausschnitt als in Teilabbildung a), die Lipidkopfgruppe m/z 184 u nach Sprühpräparation. Hierbei werden erkennbar einzelne Hefezellen dargestellt. Die laterale Größe der Hefezellen beträgt zwischen 3 μm und 15 μm. Die Präparation ist mittels des erfindungsgemäßen Zerstäubersystems und der Matrix 2,5-DHB erzeugt worden. Bei der Hellfelddurchlichtaufnahme handelt es sich nicht um den identischen Bereich der Ionenintensitätsverteilungsaufnahme. Diese dient lediglich der Struktur- und Größenorientierung.
Das erfindungsgemäße Zerstäubersystem wird, wie in Ausführungsbeispiel 2 gezeigt auch an biologischen Gewebeproben und Zellen erfolgreich eingesetzt, so dass auch im einstelligen Mikrometermaßstab eine Analytik von Peptiden möglich ist.
Bezugszeichenliste

1: Sprühkopf
2a: Gaszuleitung
2b: Flüssigkeitszuleitung
6: Schlauchanschlussadapter
10: Mischbereich
11, 31: Thermoelement
12: Kapillarführung
13: Gasmassenflussregler
14: Flussratenregler für Flüssigkeit
15, 25: Pumpe
16: Gasreservoir
26: Flüssigkeitsreservoir
17: Düse
18: Sprühkammer
19: Probenhalter
20: Abstandshalter
21: Antriebssystem
22: verschließbare Öffnung
31: Flüssigkeitenmassenmesser
40: Aerosol
100: Zerstäubersystem
α: Düsenwinkel
β: Sprühkammerwinkel

Claims

Zerstäubersystem umfassend einen Sprühkopf (1) zur Aufnahme eines Gases und einer Flüssigkeit, so dass ein Aerosol bildbar ist, mit einer Zweistoff-Düse innerer Mischung (17) mit einer Gaszuleitung (2a), einer Flüssigkeitszuleitung (2b) und einer Sprühkammer (18), dadurch gekennzeichnet, dass der Sprühkopf (1) und die Sprühkammer (18) gasdicht miteinander verbindbar sind und der Sprühkopf (1) einen Gasmassenflussregler (13) zur Regelung der Zuleitung von Gas und einen Flussratenregler (14) zur Regelung der Zuleitung von Flüssigkeit aufweist, und wobei der Sprühkopf (1) in einem der Sprühkammer (18) zugewandten Abschnitt eine Verjüngung aufweist, die die Zweistoff-Düse innerer Mischung (17) bildet, so dass das Aerosol vom Sprühkopf (1) durch die Düse (17) in die Sprühkammer (18) gelangen kann.
Zerstäubersystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Sprühkopf (1) an der Düse (17) einen Düsenwinkel α von 40° bis 80° aufweist.
Zerstäubersystem nach Anspruch 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Sprühkopf (1) an der Düse (17) zumindest einen Sensor zur Überwachung des Aerosolstroms durch die Düse (17) umfasst.
Zerstäubersystem gemäß einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Sprühkopf (1) an der Gaszuleitung (2a) einen Sensor zur Steuerung der Gaszufuhr aufweist und/oder an der Flüssigkeitszuleitung (2b) einen Sensor zur Steuerung der Flüssigkeitszufuhr aufweist.
Zerstäubersystem gemäß einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Sprühkopf (1) an der Gaszuleitung (2a), und/oder der Flüssigkeitszuleitung (2b) eine Pumpe (15, 25) aufweist.
Zerstäubersystem gemäß einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühkammer (18) einen verjüngenden Abschnitt auf dem der Düse (17) gegenüberliegenden Abschnitt mit einen Sprühkammerwinkel β von 30° bis 60° aufweist und so als akustischer Resonanzkörper wirkt.
Zerstäubersystem gemäß einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühkammer (18) wenigstens eine verschließbare Öffnung (22) zum Gasaustausch mit der Atmosphäre aufweist.
Zerstäubersystem gemäß einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühkammer (18) einen Probenhalter (19) aufweist.
Zerstäubersystem gemäß einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühkammer (18) einen Abstandshalter (20) aufweist.
Verwendung eines Zerstäubersystems gemäß einem der vorigen Ansprüche zur gleichmäßigen Beschichtung einer Probe.