DE102013019441B4 - Atomizer system and its use - Google Patents
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Abstract
Zerstäubersystem (100) aufweisend eine Sprühkammer (18) und einen Sprühkopf (1) mit einer Gaszuleitung (2a) und mit einer Flüssigkeitszuleitung (2b), wobei der Sprühkopf (1) in seinem Inneren einen Mischbereich aufweist und mit der Sprühkammer (18) gasdicht über ein Befestigungsmittel verbunden ist, der Sprühkopf (1) einen Gasmassenflussregler (13) und einen Flussratenregler (14) aufweist dadurch gekennzeichnet, dass der Sprühkopf (1) in einem der Sprühkammer (18) zugewandten Abschnitt eine Verjüngung aufweist, die eine Zweistoff-Düse innerer Mischung (17) bildet und die Sprühkammer (18) einen verjüngenden Abschnitt auf dem der Düse (17) gegenüberliegenden Abschnitt mit einem Sprühkammerwinkel β von 30° bis 60° aufweist und so als akustischer Resonanzkörper wirkt.Atomizer system (100) having a spray chamber (18) and a spray head (1) with a gas supply line (2a) and with a liquid supply line (2b), the spray head (1) having a mixing area in its interior and being gas-tight with the spray chamber (18). is connected via a fastening means, the spray head (1) has a gas mass flow controller (13) and a flow rate controller (14), characterized in that the spray head (1) has a taper in a section facing the spray chamber (18), which has a two-substance nozzle inner mixture (17) and the spray chamber (18) has a tapering section on the section opposite the nozzle (17) with a spray chamber angle β of 30 ° to 60 ° and thus acts as an acoustic resonance body.
Description
Die Erfindung betrifft ein Zerstäubersystem zur Erzeugung von Aerosol mit geringer Tropfengröße und dessen Verwendung.The invention relates to an atomizer system for generating aerosol with a small droplet size and its use.
[Stand der Technik][State of the art]
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.The atomization of liquids in atomization systems is carried out in order to produce small droplets with a large reactive liquid surface, for example in carburetors and humidifiers. This promotes mass and heat exchange processes, such as those that occur in evaporation and combustion processes.
Des Weiteren dienen Zerstäubungssysteme dazu, gleichmäßige Oberflächenbeschichtungen zu gewährleisten oder bei Reinigungsaufgaben einen ausreichenden Impulsübertrag zu erzeugen.Atomization systems are also used to ensure uniform surface coatings or to generate sufficient impulse transfer for cleaning tasks.
Zerstäuber werden auch in der Spektrometrie eingesetzt (z.B. in der Matrixunterstützten Laser-Desorptions/Ionisations (MALDI)-Massenspektrometrie) und dienen dabei der chemischen Analyse von Stoffen indem mit ihnen Substanzen zerstäubt werden.Atomizers are also used in spectrometry (e.g. in matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) mass spectrometry) and are used for the chemical analysis of substances by atomizing substances.
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. Als Stand der Technik sind die Druckschriften
Je nach Art der Energiezufuhr kann man Zerstäuberdüsen von Zerstäubersystemen in die folgenden Klassen einteilen:Depending on the type of energy supply, atomizer nozzles of atomizer systems can be divided into the following classes:
Einstoff-DruckdüsenSingle-component pressure nozzles
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.The energy supplier is the liquid to be atomized. This is fed under pressure to the single-substance pressure nozzle. Depending on the nozzle design, a liquid jet or a liquid lamella is generated at the nozzle mouth. Drop formation begins at a certain distance from the nozzle opening. Typical representatives of this type of nozzle are turbulence, flat jet, impact and hollow cone pressure nozzles.
Zweistoff- oder pneumatische DüsenDual fuel or pneumatic nozzles
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.These nozzles work on the principle of a jet pump. The energy source is a gas or steam flowing at high speed. The liquid to be atomized can be supplied with almost no pressure. Some of these nozzles work self-priming. Two-fluid nozzles are divided into nozzles with an internal mixture and nozzles with an external mixture. Typical representatives of this type are matrix preparation devices for imaging mass spectrometry of biological tissue.
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.The nozzles, which are two-substance nozzles, of conventional atomizer systems for matrix preparation work with an open spray device without gas-dynamic control. They only reach a drop size of more than 10 µm, which enables imaging mass spectrometric analysis with a spatial resolution of 20 µm at best.
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.Because the droplets are too large, the spatial resolution that can be achieved with the state of the art is not sufficient to meaningfully image biological structures at the cellular level.
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.This mass flow ratio is also referred to as loading. The drops produced tend to become finer as the load increases. The larger the loading number, the more leeway there is with regard to the mass flows for a constant, characteristic droplet diameter.
Zweistoff-Düsen äußerer MischungTwo-fluid external mixture nozzles
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.The liquid to be atomized and the gas only interact with one another outside the nozzle. The prefilming nozzle is often found here. The liquid emerges from the center of the nozzle with almost no pressure. The gas flows at high speed from a surrounding ring channel. This results in a negative pressure in the vicinity of the nozzle opening, which spreads the liquid as a film on the prefilming surface. This thin film hits the gas flowing at high speed and is broken up into fine droplets. Under Under certain conditions, this type of nozzle works self-priming.
Zweistoff-Düsen innerer MischungTwo-fluid nozzles with internal mixture
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.With these types of nozzles, a two-phase mixture is created inside the nozzle. This has a low speed of sound. This results in a so-called pressure jump in the nozzle exit plane. Drops with a critical diameter are thereby further broken up and contribute to a high proportion of fine drops in the spray. In contrast to the two-fluid nozzles of external mixture, gas and liquid pressure must be coordinated. In this respect, greater control engineering effort is required.
[Aufgabe][Task]
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.The object of the invention is to provide an atomizer system which ensures an aerosol made up of drops with a diameter of less than 10 μm that are evenly distributed over the surface in the aerosol stream.
[Lösung der Aufgabe][solution to the task]
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Hauptanspruchs, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind.The solution to this problem results from the features of the main claim, while advantageous refinements and developments of the invention can be found in the subclaims.
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.The invention consists of an
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.The
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.Furthermore, the
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.Gas is any substance or mixture of substances that is gaseous under the operating conditions prevailing in the atomizer system. For example, this is a chemically inert gas such as nitrogen, helium or CO 2 .
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.The geometry of the
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.At a nozzle angle alpha of 90°, the outlet opening is at its maximum and no nozzle effect is achieved. At a nozzle angle alpha of 0°, the opening is closed.
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.In order to generate a uniformly flat aerosol stream, the
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.This ensures that no material is transported except through the
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.In one embodiment, the connection between
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.The gas supply to the
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.Preferably, the
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. The liquid supply into the mixing
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.Preferably, the
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.The fluid source is a fluid reservoir, such as a syringe or tank. In order to generate a flat, uniform aerosol flow with particles smaller than 10 µm, the flow rate is in a range from 0.1 µl/min to 100 µl/min, preferably 1 µl/min to 50 µl/min.
Der Gasmassenflussregler 13 und der Flussratenregler für Flüssigkeit 14 sind in ihrer Funktion unabhängig voneinander.The gas
In einer Ausführungsform ist die Düse 17 verschließbar ausgebildet. Dies ermöglicht eine schnelle Regulierung des Aerosolstroms.In one embodiment, the
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 a further embodiment, the atomizer system according to the invention comprises at least one sensor on the
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.In a further embodiment, the atomizer system according to the invention comprises a
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.Alternatively, the
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.In a further embodiment, the
Zusätzlich befindet sich der Probenhalter in einer Ausführungsform auf einem höhenverstellbaren Abstandshalter 20, sodass einer bestimmter Abstand der probe zur Düse 17 einstellbar ist.In addition, in one embodiment, the sample holder is located on a height-
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.In the context of this invention, a sample is any organic or inorganic body, a solid, gel, tissue or at least one cell. Using the atomizer system according to the invention, a large number of samples can be sprayed with a uniform aerosol stream containing particles smaller than 10 µm, so that a wide range of possible uses in technology and medicine is available.
Eine Verwendung besteht in der Beschichtung einer Probe für die Matrix-unterstützte Laser Desorptions/ lonisations (MALDI)-Massenspektrometrie. One use is to coat a sample for matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) mass spectrometry.
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 Eigenschaften sein.Another use is the targeted coating of a sample to change its technical properties. This change can be, for example, an increase in chemical or mechanical resilience, a change in electrical conductivity and/or optical properties.
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.
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
- - Control of the flow rate of the liquid supply via the
flow rate controller 14 andliquid supply line 2b - - Control of the gas supply via the gas
mass flow controller 13 andgas supply line 2a - - the spray chamber geometry with the spray chamber angle beta (flow profile and acoustic resonance)
- - the type and speed of movement of the sample holder
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
- - the internal cross section and material, geometry of the opening with nozzle angle alpha,
- - the cross section of the
gas supply line 2a as well as its geometry and surface quality, - - the gas pressure and the cross section of the gas reservoir
Der am Durchmesser d des Querschnitts der Düse 17 austretende Gasmassenstrom beträgt in etwa:
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.The index 0 denotes the condition at the point of greatest expansion of the
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,
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:
Dabei werden Verhältniszahlen definiert. Diese sind bei einer näheren Charakterisierung hilfreich. Zum einen ist dies die sogenannte Gas-Weberzahl:
Um die Flüssigkeitsviskosität und Schwingungseinflüsse zu berücksichtigen wird weiterhin noch die Ohnesorgezahl verwendet:
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 Tropfen unter 10 µm mit einer engen Größenverteilung im Aerosol. Diese erzeugt dann eine flache Verteilung der Aerosolmenge über der zu besprühenden Oberfläche der Probe.Two-fluid nozzles with an internal mixture are known to have a tendency to form what is known as overspray. Because the drops sometimes become very small, the mass of the drops decreases and the relative speed approaches zero. This is a phenomenon of microfluidics. The drops then follow the formed gas flow and are not only transported onto the surface of a sample to be coated. In the atomizer system according to the invention, the majority of the aerosol therefore remains as overspray on the walls of the spray chamber. On the one hand, the proportion of overspray is then lost when spraying a sample, for example, but on the other hand, it is a clear quality feature of small drops under 10 µm with a narrow size distribution in the aerosol. This then creates a flat distribution of the amount of aerosol over the surface of the sample to be sprayed.
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.An important advantage of the atomizer system according to the invention is that the aerosol drops are still sufficiently moist when they hit the sample in order, for example, to release analytes from the sample and to absorb these analytes as they dry and crystallize or to create a stable and/or uniform aerosol stream with particles smaller than 10 µm to spray.
[Ausführungsbeispiele][Examples]
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 einerSprühkopfspitze 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
-
1 : the schematic structure of the atomizer system according to the invention -
2 : the schematic structure of thespray head 1 -
3 : the schematic structure of an exemplary atomizer system -
4 : the schematic structure of a spray head tip withnozzle 17 -
5 : the schematic structure of an exemplary atomizer system -
6 Comparison of atomizer system with and withoutspray chamber 18 -
7 an application in the technical field, where the sample is a wafer -
8th an application in the biotechnological field, where the sample is yeast cells
In der nachfolgenden Beschreibung sind weitere Aspekte und Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung offenbart. Zudem wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen.Further aspects and embodiments of the present invention are disclosed in the following description. Reference is also made to the attached drawings.
In das erfindungsgemäße Zerstäubersystem wird über dieFlüssigkeitszuleitung 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.In the atomizer system according to the invention, a liquid is introduced into the
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.It includes the
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.In addition, the liquid to be atomized is supplied, for example, via a
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.After atomization, the aerosols leave the
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. Within the
- 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 6,5cm,
- 1: 75mm to 85mm,
- 52: 120 µm to 140 µm,
- 51: 470 µm to 490 µm,
- 50: 790 µm to 810 µm,
- 50a: is less than or equal to ((50)-(51))/2,
- 61: 2.25mm to 2.75mm (inner mix),
- 55: 5.5cm to 6.5cm,
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.The ratio of chamber width 56 to the diameter of the sample area to be sprayed is approximately 3 to 1 in the area up to the sample surface to be sprayed. The chamber walls in this area are rectangular, as a round wall design has different properties. The wall is preferably made of a chemically resistant plastic, for example polyethylene terephthalate (PET). Immediately below the surface to be sprayed, the chamber walls 69, 60 taper to a diameter of 57. The ratio of diameter 57 to the diameter of the sample surface to be sprayed is 1.4 to 1. The area of the taper 59, 60 is round.
Der Sprühkammerwinkel beta β, der diese Verjüngung kennzeichnet, beträgt ca. 30° bis 60° bevorzugt 40° bis 50°The spray chamber angle beta β, which characterizes this taper, is approximately 30° to 60°, preferably 40° to 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.The
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.In one possible embodiment, the atomizer system is used for comprehensive and homogeneous matrix coating for matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) of physically and chemically very different surfaces. The following part of the description refers to this application. However, this is only to be understood as an example. It is possible for the person skilled in the art to transfer this teaching to other areas of application, for example technology.
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/lonisations (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-DihydroxyBenzoesäure (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
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 Präparationsmaßstab (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.It is of central importance for the subsequent MALDI-MS analysis that although these relatively small particles are generated, all native biological surfaces form a contact efficiency with the matrix that is sufficient for phospholipids and peptides. The lateral migration of analytes proved to be largely insignificant at the preparation scale (0.25 µm to 2 µm), i.e. positioning artifacts are more likely to be attributed to effects such as secondary deposition of sample material or disruptions or fluctuations in the movement sequences within the grid mechanics when changing the sample location.
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.The atomizer system according to the invention is, as shown in
Bezugszeichenliste:List of reference symbols:
- 11
- Sprühkopfspray nozzle
- 2a2a
- GaszuleitungGas supply line
- 2b2 B
- FlüssigkeitszuleitungLiquid supply line
- 66
- SchlauchanschlussadapterHose connection adapter
- 1010
- MischbereichMixing area
- 11,3111.31
- ThermoelementThermocouple
- 1212
- KapillarführungCapillary guidance
- 1313
- GasmassenflussreglerGas mass flow controller
- 1414
- Flussratenregler für FlüssigkeitLiquid flow rate controller
- 15,2515.25
- Pumpepump
- 1616
- Gasreservoirgas reservoir
- 2626
- FlüssigkeitsreservoirFluid reservoir
- 1717
- Düsejet
- 1818
- SprühkammerSpray chamber
- 1919
- ProbenhalterSample holder
- 2020
- AbstandshalterSpacers
- 2121
- AntriebssystemDrive system
- 2222
- verschließbare Öffnunglockable opening
- 3131
- FlüssigkeitenmassenmesserLiquid mass meter
- 4040
- Aerosol Aerosol
- 5050
- 790 µm bis 810 µm790 µm to 810 µm
- 50a50a
- ist kleiner gleich ((50)-(51))/2is less than or equal to ((50)-(51))/2
- 5151
- 470 µm bis 490 µm470 µm to 490 µm
- 5252
- 120 µm bis 140 µm120 µm to 140 µm
- 5555
- 5,5 cm bis 6,5cm5.5cm to 6.5cm
- 5656
- KammerbreiteChamber width
- 5757
- Durchmesserdiameter
- 59,6059.60
- Verjüngung der Kammerwände Rejuvenation of the chamber walls
- 6161
- 2,25 mm bis 2,75 mm2.25mm to 2.75mm
- 100100
- ZerstäubersystemAtomizer system
- αα
- DüsenwinkelNozzle angle
- ββ
- SprühkammerwinkelSpray chamber angle
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