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Die
Erfindung betrifft die Verwendung einer Kopplungsanordnung als Messzelle
in einem Kernspinresonanz(NMR)-Spektrometer.
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Um
flüssige
Proben zu einem NMR-Spektrometer zu fördern, werden Kapillaren (Förderkapillaren)
eingesetzt. Diese Kapillaren werden meist aus Quarzglas gefertigt,
um eine gute chemische Beständigkeit
der Kapillare gegenüber
der Messprobe oder deren Lösungsmittel
zu gewährleisten.
Die Probe wird dabei meist von einer nachfolgenden Transportflüssigkeit,
beispielweise reinem Lösungsmittel,
geschoben. Die Kapillaren weisen einen recht geringen Innendurchmesser
auf, meist im Bereich unter 0,5 mm, um auch kleine Probenmengen
fördern
zu können.
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Eine
besondere konstruktive Schwierigkeit stellt dabei der Übergang
von einer Kapillare zu einer Messzelle eines NMR-Spektrometers,
in die die flüssige
Messprobe geleitet werden soll, dar. Es ist bekannt, an solchen Übergangsstellen
die Kapillaren fix zu befestigen, etwa mittels anschmelzen, vgl.
den "3rd annual & final report,
Bruker BioSpin GmbH, probe development" zum EU-Projekt "Development of dedicated flow cells
for 800 MHz and 600 MHz cryoprobes to measure small amounts of samples
or samples of low concentration",
Contract No. HPRI-CT-50026, datiert 27.11.2003, insbesondere dortige 12. Die Befestigung ist in der Regel recht kosten-
und zeitaufwendig und zudem beschädigungsanfällig. Im Falle einer Beschädigung,
etwa eines Kapillarbruchs, ist dann eine teure Reparatur durch Fachleute
nötig.
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Einen
sehr geringen Montageaufwand haben hingegen sogenannte „press
fit"-Verbindungen oder
-Kopplungen. Dabei wird eine Kapillare in einen Konus eines Kopplungselements
eingeschoben und durch die Verjüngung
eingepresst. Diese klemmende, auf den elastischen Eigenschaften
der Kapillare basierende Befestigung ist für viele Anwendungen ausreichend
fest.
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Aus
dem Katalog der Polymicro Technologies, LLC, PT-MLC/3-02 aus dem
Jahre 2002 ist eine Kopplungseinrichtung für zwei Kapillaren bekannt geworden,
umfassend im Wesentlichen ein Glasröhrchen, dessen Innendurchmesser
von beiden Öffnungen
weg nach innen abnimmt. In jede Öffnung
kann jeweils eine Kapillare eingeschoben werden. Dadurch können zwei
Kapillaren miteinander verbunden werden.
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Bei
dieser Befestigung besteht jedoch die Gefahr, dass die Kapillare
nicht ausreichend gut im Kopplungselement befestigt ist und durch
eine Unachtsamkeit versehentlich aus dem Kopplungselement herausgezogen
werden kann. Ebenso kann eine Kapillare leicht beschädigt werden,
insbesondere durch Bruch nahe des Kopplungselements.
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Aus
der
US 2002/0117855
A1 , insbesondere dortige
2, ist eine
Kopplungsanordnung für
zwei Kapillaren bekannt geworden, die jeweils in gegenüberliegende,
konische Bohrungen eines Glaskörpers eingepresst
sind. Die Kapillaren sind jeweils in Hilfshülsen geführt, die zwischen die konischen
Bohrungen und die Kapillaren eingepresst sind.
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Aufgabe der Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Befestigung von
Förderkapillaren
an einer NMR-Messzelle zu verbessern und die Förderkapillare besser vor Kapillarbruch
zu schützen.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Verwendung einer Kopplungsanordnung als Messzelle in einem
NMR-Spektrometer gemäß den Merkmalen
des Patentanspruchs 1.
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Bei
der erfindungsgemäßen Kopplungsanordnung,
die als Messzelle verwendet wird, wird die Förderkapillare zweifach im Kopplungselement
gesichert. Das Ende der Förderkapillare
klemmt nach axialem Einschieben unmittelbar im trichterförmigen Abschnitt
und bildet einen ersten Haltering aus. Dabei wird das Ende der Förderkapillare
geringfügig
in radialer Richtung elastisch gestaucht, wodurch die Haftkraft
bzw. Reibungskraft erhöht
wird.
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Weiterhin
ist das Ende der Hüllkapillare
zwischen Förderkapillare
und trichterförmigen
Abschnitt eingeklemmt. Die Hüllkapillare
wird in den trichterförmigen
Abschnitt in axialer Richtung eingeschoben, wenn die Förderkapillare
bereits verklemmt ist. Dabei wird die Hüllkapillare (und eventuell
auch die Förderkapillare)
in radialer Richtung elastisch gestaucht, und es entsteht ein zweiter
Haltering. Dabei haftet die Hüllkapillare
am trichterförmigen
Abschnitt, und die Förderkapillare
haftet an der Hüllkapillare.
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Durch
die doppelte Befestigung der Förderkapillare
ist die Befestigung in der Kopplungsanordnung insgesamt sicherer
und hält
insbesondere einer höheren
Zugkraft und einen höheren
Druck von geförderter
Flüssigkeit
stand als bei nur einfacher Befestigung.
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Weiterhin
stellt die Hüllkapillare
einen mechanischen Schutz für
die Förderkapillare
dar. Die Hüllkapillare
erstreckt sich vom Kopplungselement über eine gewisse Strecke weg über die
Förderkapillare.
Der besonders gefährdete Übergangsbereich (der
in der Regel wegen der mangelnden Kapillarflexibilität nahe der
Befestigung stark bruchgefährdet ist)
wird durch die Hüllkapillare
somit auf jeden Fall geschützt.
Die Hüllkapillare
kann die Förderkapillare dabei
mechanisch stützen.
Typischerweise erstreckt sich die Hüllkapillare über wenigstens
2 cm vom Kopplungselement weg über
die Förderkapillare,
bevorzugt aber erstreckt sich die Hüllkapillare über im Wesentlichen
die gesamte Länge
der Förderkapillare.
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Bevorzugt
liegt die Hüllkapillare
eng an der Förderkapillare
an, wobei beispielsweise der Innendurchmesser der Hüllkapillare
um maximal 40 μm größer ist
als der Außendurchmesser
der Innenkapillare. Das Material der Hüllkapillare ist bevorzugt gut elastisch
verformbar, um dem Verbund von Förderkapillare
und Hüllkapillare
ebenfalls eine gute elastische Verformbarkeit zu geben.
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An
die Kopplungsanordnung werden zwei Kapillaren angeschlossen. Die
trichterförmigen
Abschnitte haben eine Verbindung für die geförderte Flüssigkeit, so dass die Förderkapillare
und die weitere Förderkapillare miteinander
verbunden sind.
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Die
Zelle kann zur Durchführung
einer Messung, etwa einer spektroskopischen Messung, als Probenraum
genutzt werden. Im Probenraum steht dann ein größeres Probenvolumen zur Verfügung.
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Bevorzugte Verwendungsvarianten
der Erfindung
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Besonders
bevorzugt ist eine Verwendungsvariante der Kopplungsanordnung, bei
der die Förderkapillare
aus Quarzglas (fused silica) oder Polyetheretherketon (PEEK) oder
Polytetraflourethylen (PTFE) besteht. Diese Materialien sind gegenüber vielen
Probensubstanzen und Lösungsmitteln
chemisch resistent.
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Ebenfalls
besonders bevorzugt ist eine Verwendungsvariante, bei der die Förderkapillare
einen Innendurchmesser zwischen 50 μm und 500 μm aufweist. Die zugehörigen Außendurchmesser
ergeben sich durch typische Wandstärken der Förderkapillaren von ca. 20–100 μm. Bei diesen
Durchmessern der Förderkapillare
kommt die Schutzwirkung der Hüllkapillare
besonders gut zur Geltung.
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Bevorzugt
ist weiterhin eine Verwendungsvariante, bei der die Hüllkapillare
aus Kunststoff, insbesondere PEEK, besteht. Kunststoffe haben gute elastische
Verformbarkeit.
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Besonders
bevorzugt ist weiterhin eine Verwendungsvariante der Kopplungsanordnung,
bei der die Hüllkapillare
außen
mit einer Signalfarbe markiert ist, insbesondere mit gelb, orange
oder rot. Die Markierung kann durch eine vollflächige Färbung, Streifen, Ringe oder
Flecken erfolgen. Die Signalfarbe macht die Kapillargesamtheit leichter
erkennbar und schützt
so vor versehentlichem Kontakt durch menschliche Benutzer. Durch
die Hüllkapillare
vergrößert sich
auch der Durchmesser der Kapillargesamtheit, so dass diese auch
dadurch mit bloßem Auge
besser wahrnehmbar wird.
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Ganz
besonders bevorzugt ist eine Verwendungsvariante, bei der ein Lecksensor
zur Überwachung
eines Spaltes zwischen Förderkapillare
und Hüllkapillare
vorgesehen ist, insbesondere wobei der Lecksensor zwischen der Förderkapillare
und der Hüllkapillare
angeordnet ist. Dringt eine Flüssigkeit, nämlich die
Probensubstanz oder deren Lösungsmittel,
in den Zwischenraum von Hüllkapillare
und Förderkapillare,
so kann ein Leck der Förderkapillare oder
eine Undichtigkeit am trichterförmigen
Abschnitt, entdeckt werden, bevor Probensubstanz oder Lösungsmittel
in größerem Umfang
verloren geht oder in die Umgebung gelangt. Dies ist insbesondere
bei kleinen Probenmengen und toxischen Flüssigkeiten vorteilhaft. Als
Lecksensor kann beispielsweise eine Kapazitätsmessung zwischen zwei eng
benachbarten Plättchen
eingesetzt werden, oder auch eine Leitfähigkeitsmessung zwischen zwei
gering beabstandeten Kontakten. Der Lecksensor kann im Zwischenraum
(Spalt) oder auch außerhalb
des Spaltes, etwa bei einer Öffnung,
angeordnet sein.
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Eine
bevorzugte Verwendungsvariante sieht vor, dass der trichterförmige Abschnitt
und der weitere trichterförmige
Abschnitt koaxial angeordnet sind. Dadurch kann ein gutes, insbesondere
laminares Strömungsverhalten
der geförderten
Flüssigkeit
erreicht werden.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der
Zeichnung. Ebenso können
die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale
erfindungsgemäß jeweils einzeln
für sich
oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden.
Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als
abschließende
Aufzählung
zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung
der Erfindung.
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Zeichnung
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Die
Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Kopplungsanordnung für
die erfindungsgemäße Verwendung,
im Bereich um einen trichterförmigen
Abschnitt;
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2 die
Kopplungsanordnung von 1 mit einem Lecksensor;
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3 eine
Kopplungsanordnung für
die erfindungsgemäße Verwendung
mit Zelle und Anschlüssen
für zwei
Förderkapillaren.
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Die 1 zeigt
eine schematischen Querschnitt durch eine erfindungemäße Kopplungsanordnung 1 in
einem Abschnitt, der die Kapillarbefestigung illustriert. Die Kopplungsanordnung 1 umfasst eine
Förderkapillare 2 und
ein schraffiert markiertes Kopplungselement 3, an das die
Förderkapillare 2 angeschlossen
ist, sowie eine Hüllkapillare 10,
die die Förderkapillare 2 umschließt und ebenfalls
an das Kopplungselement 3 angeschlossen ist.
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Das
Kopplungselement 3 weist eine Öffnung 4 auf, die
in einen trichterförmigen
Abschnitt 5 übergeht.
Der trichterförmige
Abschnitt 5 verengt sich konisch von der Öffnung 4 weg,
wobei der Innendurchmesser linear mit der Tiefe abnimmt (dies macht
den trichterförmigen
Abschnitt 5 geeignet zum Klemmen für eine Vielzahl von Kapillardurchmessern).
Alternativ kann auch eine andere, sich verjüngende Geometrie des trichterförmigen Abschnitts
vorgesehen sein.
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In
den trichterförmigen
Abschnitt 5 wurde die Förderkapillare 2 einführt und
eingepresst (hier nach links in den trichterförmigen Abschnitt 5 hinein
gedrückt),
so dass ein Ende 6 der Förderkapillare 2 im trichterförmigen Abschnitt 5 eingeklemmt
ist. Das Einpressen kann beispielsweise manuell erfolgen. Das Ende 6 der
Förderkapillare 2 ist
geringfügig
in radialer Richtung elastisch gestaucht. Die Förderkapillare 2 wird
im Kontaktbereich von Ende 6 und trichterförmigem Abschnitt 5,
also am Rand 7 des Endes 6, durch Reibung im Kopplungselement 3 gehalten. Insofern
bildet der Rand 7 des Endes 6 einen ersten Haltering
der Förderkapillare 2.
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Über die
Förderkapillare 2 wurde
eine Hüllkapillare 10 geschoben
und ebenfalls in den trichterförmigen
Abschnitt 5 eingeführt
und eingepresst, beispielsweise wiederum manuell. Dadurch ist ein
Ende 11 der Hüllkapillare 10 zwischen
der Förderkapillare 2 und
dem trichterförmigen
Abschnitt 5 des Kopplungselements 3 eingeklemmt.
Dabei wird das Ende 11 der Hüllkapillare 10 in
radialer Richtung elastisch verformt, nämlich zusammengedrückt. Das
Ende 11 drückt
dabei in radialer Richtung nach innen auf die Förderkapillare 2, wodurch
die Förderkapillare 2 im Kontaktbereich 12 von
Ende 11 und Förderkapillare 2 gegenüber der
Hüllkapillare 10 durch
Reibung fixiert wird. Das Ende 11 der Hüllkapillare 2 drückt weiterhin in
radialer Richtung nach außen
auf den trichterförmigen
Abschnitt 5, wodurch die Hüllkapillare 10 im
Kontaktbereich 13 von Ende 11 und trichterförmigem Abschnitt 5 gegenüber dem
trichterförmigen
Abschnitt 5 durch Reibung fixiert wird. Im Ergebnis führt das
dazu, dass die Förderkapillare 2 über die
Kontaktbereiche 12 und 13 zusätzlich gegenüber dem
trichterförmigem
Abschnitt 5 des Kopplungselements 3 fixiert wird.
Der Kontaktbereich 12 bildet einen zweiten Haltering der
Förderkapillare 2 im
Kopplungselement 3, der indirekt über den Kontaktbereich 13 funktioniert.
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Da
der Außendurchmesser
der Hüllkapillare 10 größer ist
als der Außendurchmesser
der Förderkapillare 2,
liegt das Ende 6 der Förderkapillare 2 tiefer
im trichterförmigen
Abschnitt 5 (d. h. weiter weg von der Öffnung 4) als das
Ende 11 der Hüllkapillare 2.
Mit anderen Worten, das Ende 6 der Förderkapillare steht über das
Ende 11 der Hüllkapillare
hinaus. Dadurch ergibt sich auch, dass der erste Haltering (bei
Rand 7) vom zweiten Haltering (bei Kontaktbereich 12)
beabstandet ist, wodurch sich die Festigkeit der Befestigung der
Förderkapillare 2 in
der Kopplungseinrichtung 3 verbessert.
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Die
Hüllkapillare 10 besteht
bevorzugt aus einem Material, dass eine besonders gute Haftung sowohl
zum Außenmaterial
der Förderkapillare 2 als auch
zum Innenmaterial des trichterförmigen
Abschnitts 5 aufweist. Beispielsweise ist Gummi als Material
der Hüllkapillare 10 besonders
günstig
bezüglich
Quarzglas (fused silica) als Material der Förderkapillare 2 oder
des trichterförmigen
Abschnitts 5. Das Material der Hüllkapillare 10 kann
dabei unabhängig
von der zu transportierenden Flüssigkeit
gewählt
werden.
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Die
Förderkapillare 2 (und
auch die Hüllkapillare 10)
kann grundsätzlich
nach rechts aus dem Kopplungselement 3 herausgezogen werden.
Die dazu erforderliche Kraft ist aber im Vergleich zu einer Kopplungsanordnung
ohne installierte Hüllkapillare weitaus
höher.
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Ein
weiterer Effekt der Hüllkapillare 10 ist
der Schutz der Förderkapillare 2.
Die Gesamtheit aus Hüllkapillare 10 und
Förderkapillare 2 ist
mechanisch weitaus robuster als die Förderkapillare 2 allein.
Dadurch können
Beschädigungen
der Förderkapillare 2 – und damit
teure Reparaturen – verringert
werden. Die Hüllkapillare 10 umschließt die Förderkapillare 2 erfindungsgemäß teilweise
innerhalb des trichterförmigen
Abschnitts 5, und auch noch zumindest ein Stück weit
außerhalb
des trichterförmigen
Abschnitts 5, um Kapillarbrüchen im Bereich der Kapillarenbefestigung
vorzubeugen, die im Stand der Technik besonders häufig vorkommen
und besonders aufwändig
zu reparieren sind.
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Als
Förderkapillaren 2 können beispielsweise
eingesetzt werden 1/32" PEEK,
450 μm FS
(fused silica) oder 363 μm
FS; die Maße
beziehen sich auf den Außendurchmesser
(OD). Als Hüllkapillaren 10 werden
bevorzugt Kunststoffkapillaren, beispielsweise aus PEEK, eingesetzt;
diese sind sehr robust bezogen auf Biegung, Streckung und Chemikalienbeständigkeit.
Der Innendurchmesser der Hüllkapillare 10 ist
bevorzugt nur wenig größer als
der Außendurchmesser
der Förderkapillare 2,
so dass durch elastische Verformung (Quetschung) der Hüllkapillare 10 ein
weiterer Haltepunkt bzw. Haltering für die Förderkapillare 2 entstehen
kann. Außendurchmesser
der Hüllkapillare 10 betragen,
je nach Durchmesser der Förderkapillare 2 und
der Wandstärke
der Hüllkapillare 10,
typischerweise zwischen 100 μm und
1 mm.
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Die 2 zeigt
die Kopplungsanordnung 1 von 1 mit einem
zusätzlichen
Lecksensor 21. Der Lecksensor 21 umfasst hier
zwei geringfügig
beabstandete Ringe 22 aus einer Metallbeschichtung, die
auf der Außenfläche der
Förderkapillare 10 angeordnet
sind. Die beiden Ringe 22 bilden einen einfachen Kondensator.
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Wenn
eine Flüssigkeit,
insbesondere die in der Förderkapillare 2 geförderte Flüssigkeit,
in den Spalt 24 zwischen Förderkapillare 2 und
Hüllkapillare 10 eindringt
und zum Lecksensor 21 vordringt, so ändert sich die Kapazität der beiden
Ringe 22. Dies kann über
elektrische Kontakte 23 des Lecksensors 21 vermessen
werden. Die zugehörige
Messelektronik ist in 2 nicht dargestellt. Der Lecksensor 21 ist
hier an einem Ende der Hüllkapillare 10 angeordnet;
alternativ kann auch ein Lecksensor 21 unabhängig von
einem Ende der Hüllkapillare 10 unter
der Hüllkapillare 10 platziert
werden, wobei die elektrischen Kontakte 23 dann durch die
Hüllkapillare 10 hindurchgeführt werden
müssen.
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Mit
dem Lecksensor 21 können
Undichtigkeiten am Übergang
von Förderkapillare 2 und
Kopplungselement 3 und auch die Dichtigkeit der Förderkapillare 2 selbst überwacht
werden. Wird ein Defekt mit dem Lecksensor 21 erkannt,
kann eine Reparatur vorgenommen werden, bevor wertvolle Probensubstanz
in größerer Menge
verloren gegangen ist.
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Die 3 zeigt
in einem schematischen Querschnitt eine Kopplungsanordnung 30 zur
erfindungsgemäßen Verwendung
als Messzelle in einem NMR-Spektrometer, die zwei Anschlüsse 31, 32 für erfindungsgemäß gesicherte
Kapillaren und eine dazwischen liegende Zelle 33 aufweist.
Die Kopplungsanordnung 30 ist hier rotationssymmetrisch
aufgebaut, insbesondere mit im Wesentlichen kreiszylindrischer Zelle 33.
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Am
rechtsseitigen Anschluss 31 sind eine Förderkapillare 2 und
eine Hüllkapillare 10 im
trichterförmigen
Abschnitt 5 des Kopplungselements 3 eingepresst.
Im linksseitigen Anschluss 32 sind eine weitere Förderkapillare 34 und
eine weitere Hüllkapillare 35 in
einem weiteren trichterförmigen
Abschnitt 36 des Kopplungselements 3 eingepresst.
Die beiden trichterförmigen
Abschnitte 5, 36 sind koaxial angeordnet und münden jeweils
in die Zelle 33, die einen größten Innendurchmesser DZ aufweist,
der größer ist
als der kleinste Innendurchmesser DT der trichterförmigen Abschnitte 5, 36.
In der gegenüber den
Förderkapillaren 2, 34 und
den trichterförmigen Abschnitten 5, 36 weiteren
Zelle 33 kann sich daher geförderte Flüssigkeit ansammeln, um eine
ausreichend große
Probenmenge für
eine spektroskopischen Messung zur Verfügung zu haben.
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Die
Kopplungsanordnung 30 von 3 kann aufgrund
der Art der Befestigung der Kapillaren auch als Pressfit-Zelle bezeichnet
werden. Die Pressfitzelle ist erfindungsgemäß zum Einsatz als Messzelle
in NMR-Spektrometern bestimmt, wobei die Probensubstanz über die
Förderkapillaren 2, 34 in
die Zelle verbracht wird. Die erfindungsgemäßen Pressfit-Verbindungen mit
Förderkapillare
und befestigungssichernder Hüllkapillare
können
in der NMR-Spektroskopie eingesetzt werden.