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Technisches Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Ionisierungskammer zum Anschluss an ein Massenspektrometer.
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Hintergrund der Erfindung
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In der Massenspektrometrie dienen Ionisierungskammern dazu, Gasphasen-Ionen von analytischen Proben bereitzustellen, die in einem Niederdruckbereich von einem geeigneten Massenanalysator gemäß ihrem Masse-zu-Ladungsverhältnis m/z getrennt und von einem geeigneten Detektor nachgewiesen werden. Die Kammern sind üblicherweise gegenüber der Umgebung gasdicht abgeschlossen, um Interferenzen der Umgebungsatmosphäre mit der Probe auszuschließen, und umfassen lediglich wenige wohldefinierte Fluidzufluss- und Fluidabflussöffnungen, wie zum Beispiel einen Probeninjektor, einen Abgasauslass oder eine Ionentransferöffnung zur Vakuumstufe des Massenanalysators.
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Der Stand der Technik beinhaltet verschiedenartige Ionisierungsmethoden, von denen hier nur einige beispielhaft aufgeführt werden: Elektrosprühen (ESI), Thermosprühen, matrixunterstützte Laserdesorption und -ionisierung (MALDI), Elektronenstoßionisierung (EI), chemische Ionisierung sowohl im Atmosphären- als auch im Niederdruckbereich (APCI bzw. CI) und dergleichen mehr.
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In manchen Fällen lässt sich der Ionisierungsprozess durch Wärmeeintrag in die Ionisierungskammer verbessern. Beim Elektrosprühen beispielsweise werden Ionen aus einer Probensubstanz erzeugt, indem aus einer Probenflüssigkeit unter Einsatz einer Hochspannungsdifferenz geladene und Ionen enthaltende Tröpfchen in die Ionisierungskammer gesprüht werden, die teilweise durch interne Coulombsche Abstoßung zerstieben aber teilweise auch verdampfen und somit die Ionen in die Gasphase überführen. Es versteht sich, dass ein Wärmeeintrag in die Ionisierungskammer insbesondere den Verdampfungsprozess fördern und somit die Ionenausbeute erhöhen kann.
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Weiterhin kann durch ein Heiz- oder Desolvationsgas die Gefahr eines Durchtritts von störenden Sprühtröpfchen durch die Ionentransferöffnung in die Vakuumstufe des Massenspektrometers verringert werden. Es ist dabei üblich, die Wärme über ein geheiztes Gas in die Kammer einzuleiten. Bekannt sind insbesondere Ausformungen, in denen dieses geheizte Trocknungs- oder Desolvationsgas im Wesentlichen parallel zur und in Sprührichtung oder parallel zur Achse der Ionentransferöffnung entgegen dem Ionen- bzw. Tröpfchenfluss in die Kammer eingeführt wird.
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Es versteht sich, dass die in die Ionisierungskammer einzuleitenden Gase möglichst frei von Verunreinigungen (mit anderen Worten: möglichst rein) sein sollten, damit die in der Ionisierungskammer ablaufenden Prozesse kontrollierbar und vorhersehbar sind. In diesem Zusammenhang kommt auch den Gaszuführungseinrichtungen und -leitungen eine hohe Bedeutung zu, weil Gas, auch wenn es in hochreiner Qualität einem Aufbewahrungsbehälter entnommen wird, beim Fließen durch die Leitungen verunreinigt werden kann, beispielsweise indem es sich mit Ausgasungen von Ablagerungen an den Leitungen vermengt.
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Die Veröffentlichung
WO 93/21120 A1 offenbart monolithische Bauteile aus Keramik oder Glas mit hyperfeinen Strukturen kleiner als 500 Mikrometer, die mittels Sol-Gel-Prozessen hergestellt werden. Anwendung finden diese Bauteile als Linsen, Mikrolinsen, Linsenfelder, Gitter, Fotomasken, Gussformen, Mikrokanal-Vorrichtungen sowie elektronische Substrate.
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Die Veröffentlichung
US 2004/0118189 A1 beschreibt druckbeaufschlagte Mikrofluidik-Vorrichtungen mit optischen Nachweis-Regionen.
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Die Veröffentlichung
US 2004/0206399 A1 schlägt Mikrofluidik-Vorrichtungen vor, die als Substanzquelle für Massenspektrometer dienen.
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In Anbetracht der vorhergehenden Ausführungen hat die Erfindung zum Ziel, eine verbesserte Ionisierungskammer mit temperierter Gaszufuhr vorzuschlagen. Weitere von der Erfindung zu lösende Aufgaben ergeben sich für einen Fachmann ohne weiteres aus der Lektüre der nachfolgenden Offenbarung.
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Kurze Zusammenfassung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Ionisierungskammer zum Anschluss an ein Massenspektrometer, die einen Temperierungsblock mit einem Gaseinlass und einem von dem Gaseinlass ausgehenden sowie in einem Gasauslass mündenden Gaskanal aufweist, wobei entlang des Gaskanals eine Temperierungseinrichtung angeordnet ist, die dafür sorgt, dass ein im Gaskanal fließendes Gas vor dem Eintritt in die Ionisierungskammer temperiert wird. Der Temperierungsblock weist ein Formteil auf, in das eine Struktur des Gaskanals eingearbeitet ist und das mittels eines Sol-Gel-Prozesses gefertigt ist.
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Der Sol-Gel-Prozess ist ein Verfahren zur Herstellung nicht-metallischer anorganischer oder hybridpolymerer Materialien aus kolloidalen Dispersionen, den sogenannten Solen (abgeleitet vom englischen solution). Aus den Ausgangsmaterialien oder Präkursoren in Lösung entsteht in einem ersten Schritt ein gelartiges zweiphasiges System, das sowohl eine flüssige als auch eine feste Phase enthält, deren Konsistenz von feinsten Teilchen zu kontinuierlichen Polymernetzwerken reicht. Durch Entfernen der verbliebenen Flüssigkeit in einem zweiten Schritt, beispielsweise in einem Trocknungsprozess, lassen sich aus dem Gel Festkörper unterschiedlichster Geometrien formen, deren Komplexität letztlich nur durch die Ausgestaltung der Schablonen oder Gussformen beschränkt ist. Der Sol-Gel-Prozess ist vergleichsweise günstig und erlaubt insbesondere die Niedertemperatur-Verarbeitung von Materialien mit hohen Schmelzpunkten, die ansonsten nur unter Einwirkung von großer Hitze formbar sind. Besonders geeignet ist das Verfahren für Werkstücke aus Keramik- oder Glas-Werkstoffen, die ein geringeres Kontaminationsrisiko als beispielsweise Metalle aufweisen.
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Formteile, wie sie zur Verwendung in einer Ionisierungskammer vorgesehen sind, könnten grundsätzlich auch mit anderen Verfahren hergestellt werden. Die Struktur des Gaskanals ließe sich beispielsweise aus einem ebenen Glasrohling herausschleifen. Dies wäre allerdings mit einem enormen Aufwand verbunden, der diese Art der Herstellung für die kommerzielle Fertigung wegen der damit verbundenen hohen Kosten praktisch ausschließt. Es wäre auch möglich, die Struktur des Gaskanals in einen Glasrohling hineinzuätzen. Eine entsprechende Anregung ließe sich beispielsweise
US 8,044,346 B2 (siehe Abschnitt „Microchip Nebulizer“) entnehmen. Ein Ätzverfahren hat jedoch den Nachteil, dass Ecken und Kanten der zu erzeugenden Struktur nicht mit beliebiger Genauigkeit herausgearbeitet werden können und dass das vollendete Formteil aufwändig von Restsäure (zum Beispiel von hoch gesundheitsgefährdender Flusssäure) gereinigt werden muss. Weiterhin ergeben sich Schwierigkeiten, wenn die zu ätzenden Strukturen sehr tief in das Substrat hineinreichen, weil sich die Ätzwirkung der Säure ohne aufwändige Maßnahmen nicht auf die Tiefenrichtung beschränken lässt sondern auch in die Seitenwände hineinwirken würde.
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Ferner ist den beiden zuvor genannten Alternativen der Formteilherstellung gemein, dass es sich allgemein um materialabtragende Verfahren handelt, die folglich den Materialverbrauch erhöhen. Es ist weiterhin offensichtlich, dass ein Fachmann Formteile, die mittels eines Sol-Gel-Prozesses gefertigt sind, von solchen Formteilen, die mittels einem der anderen Verfahren hergestellt sind, unterscheiden kann. Das Schleifverfahren beispielsweise hinterlässt charakteristische Schleifspuren an der bearbeiteten Oberfläche, und die geätzten Formteile, wie bereits erläutert, weisen ausschließlich abgerundete oder geglättete Kanten sowie recht flache Oberflächenstrukturen auf, wohingegen Sol-Gel-Formteile frei von derartigen Merkmalen sind.
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Zu Einzelheiten der Fertigung von monolithischen Festkörpern mittels eines Sol-Gel-Prozesses sei auf die einschlägige Literatur verwiesen, beispielsweise
Fikret Kirkbir et al., Drying and Sintering ofSol-Gel Derived Large SiO2 Monoliths, Journal of Sol-Gel Science and Technology 6, 203-217 (1996);
A.-M. Siuoffi, Silica gel-based monoliths prepared by the sol-gel method: facts and figures, Journal of Chromatography A, 1000 (2003) 801-818; oder
Koichi Kajihara, Recent advances in sol-gel synthesis of monolithic silica and silica-based glasses, Journal of Asian Ceramic Societies 1 (2013) 121-133. Auch Patentveröffentlichungen können zurate gezogen werden, siehe
EP 0 131 057 A1 ,
US 5,236,483 A ,
WO 01/53225 A1 ,
WO 2006/056291 A1 ,
WO 2006/094874 A1 ,
WO 2006/094869 A1 ,
WO 2008/028797 A1 oder
EP 2 088 128 A1 .
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Der Temperierungsblock kann aus zwei scheibenförmigen Substraten aufgebaut sein, welche über je eine Seitenfläche frontal miteinander zu einem einzigen Block gefügt sind. Die Struktur des Gaskanals kann dabei ein Muster an Vertiefungen umfassen, das auf der Fügeseite des ersten scheibenförmigen Substrats eingearbeitet ist (welches dann als Formteil bezeichnet werden kann). Die gegenüberliegende Fläche des zweiten scheibenförmigen Substrats kann glatt und eben ausgebildet sein und die gegenüberliegende Kanalstruktur nach einer Seite abschließen. Es ist aber gleichfalls möglich, jeweils beide zu fügenden Seitenflächen der beiden Substrate über einen Sol-Gel-Prozess mit einer versenkten Struktur zu versehen, so dass letztlich beide Substrate zusammen das Formteil bilden. Überdies kann der Sol-Gel-Prozess auch verwendet werden, um ein glattes, ebenes Substrat zu fertigen, das dann mit dem ebenfalls Sol-Gel-gefertigten strukturierten Formteil zusammengefügt wird. In diesem letzten Fall wird die Festigkeit der Fügeverbindung durch die Verwendung des gleichen Materials (insbesondere mit identischem Schmelzpunkt) für die beiden Substrate besonders begünstigt. Aus diesen Ausführungen wird deutlich, dass der Vielseitigkeit der Ausgestaltung des Temperierungsblocks kaum Grenzen gesetzt sind.
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Der Temperierungsblock ist derart an der Ionisierungskammer angeordnet, dass er Teil einer äußeren Begrenzung der Ionisierungskammer bildet, oder anders ausgedrückt derart in einen Wandbereich der Ionisierungskammer eingefügt ist, dass er Teil der Wand der Isolierungskammer ist. Der damit einhergehende unmittelbare Kontakt zu dem Volumen der Ionisierungskammer hat den Vorteil, dass das zu temperierende Gas in unmittelbarer Nähe zur Kammer auf die gewünschte Temperatur gebracht wird, so dass Temperaturänderungen zwischen der Temperierungseinrichtung und der Kammer gering bleiben. Dies erleichtert die Kontrolle des Temperierungsprozesses. Weiterhin kann die in dem Material des Temperierungsblocks angesammelte Wärme (oder Kälte) zusätzlich für die Ionisierungskammer genutzt werden. Handelt es sich bei der Temperierungseinrichtung beispielsweise um eine Heizeinrichtung, ist auf diese Weise automatisch ein Teil der Ionisierungskammerwand geheizt, was der Bildung unerwünschter Ablagerungen an diesen Stellen entgegenwirkt.
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Die Temperierungseinrichtung am Gaskanal dient dazu, Wärme in den Gaskanal einzuführen oder aus diesem abzuführen, das darin befindliche Gas also zu heizen oder abzukühlen (temperieren), je nachdem, was für die jeweilige Anwendung erforderlich ist. Ein Beispiel für eine Heizeinrichtung wäre eine Metallschicht oder eine Schicht eines sonstigen elektrischen Leiters, die auf eine Seite des Formteils aufgedampft, aufgesputtert oder mit einem Plasmastrahl aufgetragen und elektrisch kontaktiert ist, so dass bei der Durchleitung eines elektrischen Stroms Widerstandswärme entsteht, die an die Umgebung (beispielsweise das Innere des Gaskanals) abgegeben wird. Bei einer solchen Ausformung ist es zweckmäßig, die Länge des Gaskanals im Temperierungsblock zu maximieren, damit das durchfließende Gas dem Wärmeeintrag möglichst lange ausgesetzt ist. Der Gaskanal kann durch den Temperierungsblock mäandern oder einen labyrinthartigen Verlauf haben, vorzugsweise unter Ausnutzung der gesamten Blockabmessungen. Zum Zweck der Effizienzsteigerung des Wärmeübertrags und der Materialersparnis kann es zweckmäßig sein, dass die aufgebrachte leitende Schicht (oder allgemein die Temperierungseinrichtung) den Verlauf des Gaskanals im Formteil weitgehend nachbildet, dass also nur dort, wo Wärme an das Gas im Kanal übertragen werden kann, die entsprechende Wärme erzeugt oder abgegeben wird. Auf diese Weise lässt sich sowohl der Energieaufwand für das Heizen gering halten als auch die thermische Beanspruchung des Blockmaterials kontrollieren und räumlich begrenzen.
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Eine Kühleinrichtung lässt sich in dem Temperierungsblock beispielsweise dadurch realisieren, dass zwei parallele aber fluidisch voneinander getrennte Kanäle vorgesehen werden, von denen nur einer über einen Auslass in die Ionisierungskammer mündet. Der zweite Fluidkanal kann dann Teil eines geschlossenen Kreislaufes sein, der innerhalb und außerhalb des Temperierungsblocks verläuft und eine Kühlvorrichtung für ein in dem getrennten Kanal fließendes Arbeitsmedium, z.B. ein Gas oder eine Flüssigkeit, aufweist. Das Arbeitsmedium wird mittels der Kühlvorrichtung außerhalb des Temperierungsblocks vor dem Eintritt in den Temperierungsblock auf eine gewünschte Temperatur gekühlt und nimmt folglich über den Kontakt mit den Kanalwänden Wärme vom Material des Temperierungsblocks auf. Über eine stete Zirkulation des gekühlten Arbeitsmediums kann also Wärme von dem zu temperierenden Gas im ersten Gaskanal über das Material des Temperierungsblocks kontinuierlich abgeführt werden. Es versteht sich, dass sich diese hier beschriebene Variante auch als Heizeinrichtung eignet, wenn nämlich das zweite Arbeitsmedium in dem geschlossenen Kreislauf nicht gekühlt sondern erwärmt wird, so dass der Wärmefluss in umgekehrter Richtung verläuft. Auch in dieser Variante kann es zweckmäßig sein, wenn die getrennten Kanäle einen möglichst langen Weg im Temperierungsblock nebeneinander her laufen, um die entsprechende Wärmeaustauschzeit (Wärmeabfuhr oder Wärmezufuhr) zu maximieren. Besonders bevorzugt wird hier das Gegenstromprinzip angewandt, das heißt, dass die jeweiligen Arbeitsmedien in den verschiedenen Kanalsystemen in entgegengesetzte Richtungen fließen.
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Der Gaseinlass beschreibt allgemein eine Öffnung oder mehrere Öffnungen im oder am Temperierungsblock, durch die ein Gas in den Gaskanal eingeleitet werden kann, oder mit anderen Worten, durch die eine Fluidkommunikation zwischen dem Gaskanal und einer wie auch immer gearteten Gasquelle hergestellt werden kann, zum Beispiel mittels einer Rohr- oder Schlauchverbindung zu einem Flüssiggasbehälter. Das zu temperierende Gas ist vorzugsweise inerter Natur, um mit der zu analysierenden Probe in der Ionisierungskammer nicht chemisch wechselzuwirken. Beispiele für ein inertes Gas wären Stickstoff oder ein Edelgas wie Helium. In bestimmen Fällen kann es jedoch auch sinnvoll sein, ein reaktives Gas wie Methan als zu temperierendes Gas zu wählen, beispielsweise wenn man sich von der Wechselwirkung mit der Probe in der Ionisierungskammer einen Nutzen verspricht, insbesondere zum Zwecke einer chemischen Modifikation.
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Es versteht sich, dass mit der Verwendung der Einzahl des Begriffs „Gaseinlass“ nicht ausgeschlossen werden soll, dass es mehrere Gaseinlässe an dem Temperierungsblock gibt. Ähnliches gilt für die Begriffe „Gaskanal“ und „Gasauslass“, von denen ebenfalls mehrere in oder an dem Temperierungsblock vorgesehen werden können. In Analogie zum Gaseinlass kann der Gasauslass als eine Öffnung oder mehrere Öffnungen im oder am Temperierungsblock angesehen werden, durch die das (mittlerweile temperierte) Gas aus dem Gaskanal oder aus den Gaskanälen in die Ionisierungskammer geführt wird.
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Um ein Beispiel zu geben, kann der Gaseinlass aus einer Öffnung am oder im Temperierungsblock bestehen, durch die das Gas in den anfangs einkanaligen Gaskanal eingeleitet wird, wobei sich der Gaskanal an einer Stelle im Temperierungsblock in zwei oder mehrere Teilkanäle verzweigt, die alle zu gesonderten Austrittsöffnungen im oder am Temperierungsblock führen, durch welche das temperierte (also geheizte oder gekühlte) Gas in die Ionisierungskammer geführt wird. Diese mehreren gesonderten Austrittsöffnungen können in dieser beispielhaft erwähnten Ausführungsform als Gasauslass (oder auch Gasauslässe) bezeichnet werden. Umgekehrt ist auch ein Verzweigungsarrangement innerhalb des Temperierungsblocks denkbar, gemäß dem Gas, das durch verschiedene Eintrittsöffnungen (oder Gaseinlässe) und entsprechend angeschlossene Teilkanäle in den Temperierungsblock eintritt, in einem einzigen Kanal zusammengeführt wird und dann durch eine einzige Austrittsöffnung (Gasauslass) in die Ionisierungskammer gelangt. Natürlich ist es auch vorstellbar, mehrere Gaseinlass-Gaskanal-Gasauslass-Anordnungen getrennt voneinander im Temperierungsblock vorzusehen, wenn dies für zweckmäßig erachtet wird.
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Die Vielfalt der realisierbaren Anordnungen wird durch das vorgeschlagene Sol-Gel-Verfahren für die Herstellung der Formteile erheblich erweitert.
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Figurenliste
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Die Prinzipien der Erfindung werden nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen in den beigefügten Abbildungen erläutert, welche aus diesem Grund häufig schematisch gehalten sind.
- zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Ionisierungskammer in einer Seitenansicht.
- zeigt schematisch den Ablauf eines Sol-Gel-Prozesses zur Herstellung eines Formteils.
- zeigt ein Ausführungsbeispiel eines mittels Sol-Gel-Prozess gefertigten Formteils.
- zeigt in einer Querschnittsansicht einen Temperierungsblock, der aus einem Formteil und einem anderen Substrat besteht.
- zeigt schematisch einen möglichen Labyrinthverlauf eines Gaskanals im Temperierungsblock.
- zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ionisierungskammer in einer Seitenansicht.
- zeigt in einer Querschnittsansicht eine Abwandlung der Ausformung aus .
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Bevorzugte Ausführungsformen
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Wie eingangs bereits erläutert, schlägt die Erfindung eine Ionisierungskammer zum Anschluss an ein Massenspektrometer mit temperierter Gaszufuhr vor, die einen vorteilhaft ausgeformten Temperierungsblock zum Aufheizen oder Abkühlen eines in die Kammer einzuleitenden Gases aufweist. Im Folgenden werden spezielle Ausführungsbeispiele von Ionisierungskammern mit Temperierungsblöcken sehr schematisch und eher die allgemeinen Prinzipien veranschaulichend vorgestellt, aus denen Fachkundige jedoch ohne weiteres Rückschlüsse auf den Umfang und den Nutzen der erfindungsgemäßen Neuerungen ziehen können.
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zeigt ein erstes Beispiel einer Ionisierungskammer 2, in dem eine Probe unterstützt durch einen Sprühvorgang ionisiert wird, in einer schematischen Querschnitts-Seitenansicht. Die Elektrosprüh-Ionisierung (ESI) wäre als Beispiel für solch einen Ionisierungsprozess zu nennen. Die Kammer 2 beinhaltet vorliegend eine Sprühdüse 4, die (in der Darstellung am oberen Ende) eine Probenflüssigkeit empfängt, welche dann (in der Darstellung nach unten) gesprüht wird. Die Abbildung der Sprühdüse 4 ist als rein schematisch zu verstehen. Ein Fachmann auf dem Gebiet, der sich mit ESI auskennt, wird ohne weiteres Erkennen, dass beispielsweise das Versprühen der Probenflüssigkeit durch das koaxiale und parallele Einleiten eines Vernebelungsgases wie reinem Stickstoff unterstützt werden kann, weil die Tröpfchengröße im Sprühnebel durch die Einwirkung des Vernebelungsgases vorteilhaft verringert wird, was wiederum die Ionenausbeute verbessert. Einem Fachmann ebenfalls sofort ersichtlich ist die Tatsache, dass die Tröpfchenbildung und die schrittweise Verkleinerung der versprühten geladenen Tröpfchen beim Elektrosprühvorgang durch einen elektrischen Potentialgradienten von üblicherweise einigen Kilovolt, der zwischen der Sprühdüse 4 und einer hier nicht gekennzeichneten Gegenelektrode anliegt, gefördert wird.
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Der Sprühdüse 4 gegenüber ist an der Ionisierungskammer 2 ein Abgasauslass 6 angeordnet, durch den übrig gebliebene, nicht-verdampfte Sprühtröpfchen oder sonstiges Restgas (gegebenenfalls zusammen mit ungenutzten Ionen) aus der Kammer 2 entfernt werden, z.B. durch Abpumpen. In dem gezeigten Beispiel sind die Abmessungen des Auslasses 6 derart bemessen, dass er den von der Sprühdüse 4 erzeugten Sprühkegel 8 vollständig aufzunehmen vermag. Diese Ausformung hat sich speziell für die Vermeidung störender Gasrezirkulation als zweckmäßig erwiesen. Zwischen der Sprühdüse 4 und dem Abgasauslass 6 ist seitlich an der Ionisierungskammer 2 eine Ionentransferöffnung 10 angeordnet, die eine Schnittstelle zwischen einem ersten Druckregime in der Ionisierungskammer 2 (üblicherweise Atmosphärendruck; gelegentlich ein Druck zwischen etwa 102 und 105 Pascal) und einem zweiten Druckregime in einer ersten Vakuumstufe eines angeschlossenen Massenspektrometers (üblicherweise zwischen etwa 103 und 10 Pascal) bildet. Es versteht sich, dass die Ionentransfereinrichtung statt einer einfachen Öffnung 10 auch eine langgestreckte Kapillare umfassen kann, die den Vorteil eines höheren Gasströmungswiderstands aufweist. Durch die Druckdifferenz zwischen den beiden Regimen werden aus der Sprühflüssigkeit verdampftes Gas, darin enthaltene und mitgerissene Ionen und auch einige (kleinere) Sprühtröpfchen (zusammen gezeigt bei 12) aus dem Sprühkegel 8 herausgezogen und in Richtung Öffnung 10 getrieben. Unterstützt wird diese „Wanderungsbewegung“ zumindest der geladenen (Gas-)Teilchen durch das elektrische Potential der zuvor erwähnten, nicht gekennzeichneten ESI-Gegenelektrode, die zu diesem Zweck üblicherweise in der Nähe oder sogar um die Transferöffnung 10 herum angeordnet ist. Vorstellbar (und durchaus üblich) ist zum Beispiel die Ausformung der Gegenelektrode als Kegel, dessen Kegelspitze eine Öffnung aufweist, welche zur Ionentransferöffnung 10 konzentrisch und koaxial ausgerichtet ist.
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Der Durchtritt geladener, relativ massiver Sprühtröpfchen zusammen mit den gewünschten Probe-Ionen durch die Ionentransferöffnung 10 birgt die Gefahr von Ablagerungen auf den Rändern der Transferöffnung 10 selbst sowie den für die Führung von vergleichsweise leichten Ionen vorgesehenen Elektroden (nicht gezeigt) auf dem weiteren Ionenweg zur und in der Vakuumstufe, wenn die Tröpfchen zum Beispiel so schwer sind, dass sie im Gegensatz zu den leichten Ionen von elektrischen Hochfrequenz-Pseudopotentialen nicht gespeichert werden können. Ablagerungen auf den Elektroden können einerseits zu Kreuzkontamination von unterschiedlichen Proben und andererseits zu elektrostatischer Aufladung der eigentlich leitenden Elektrodenoberfläche, welche das elektrische Feld um die Elektrode beeinflussen, führen. Um diesen potentiellen Schwierigkeiten abzuhelfen, kann ein geheiztes Trocknungs- oder Desolvationsgas eingesetzt werden, das dem Strom der Tröpfchen entgegengesetzt in die Ionisierungskammer 2 geblasen wird und dadurch die Tröpfchen vorzugsweise vollständig zu Ionen und Neutralgas eindampft.
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In ist linker Hand ein Temperierungsblock 14 angedeutet, der unmittelbar um die Ionentransferöffnung 10 angeordnet ist und einen Gaseinlass 14A zur Aufnahme eines Trocknungs- oder Desolvationsgases sowie mehrere Gasauslässe 14B (sichtbar in der gezeigten Querschnittsansicht: zwei) zum Einleiten des mittlerweile erwärmten Gases in die Ionisierungskammer 2 aufweist. Die Gasauslässe 14B sind dabei so angeordnet und ausgerichtet, dass der aus ihnen austretende Gasstrom (in Pfeilrichtung) dem Strom der geladenen Tröpfchen, des Neutralgases und der Ionen 12 aus dem Sprühkegel 8 heraus in Richtung auf die Transferöffnung 10 zu im Wesentlichen entgegengesetzt ist. Der Temperierungsblock 14 kann aus einem Glas- oder Keramikwerkstoff bestehen und auf eine Weise hergestellt sein, die weiter unten näher erläutert werden wird. Der Temperierungsblock 14 weist in dem gezeigten Beispiel eine einseitig aufgebrachte Schicht 16 eines elektrisch leitenden Materials, zum Beispiel eines Metalls wie Platin, auf, das entsprechend kontaktiert als Heizwiderstand fungieren kann. Bei Anlegen eines elektrischen Stroms an den Heizwiderstand entsteht Widerstandswärme, die über das Material des Temperierungsblocks 14 in den darin eingearbeiteten Kanal (oder die Kanäle) für das Trocknungs- oder Desolvationsgas geführt wird.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel werden die aus dem Sprühkegel 8 herausgezogenen geladenen Tröpfchen 12 durch den Gegenstrom des geheizten Gases weiter eingedampft bis vorzugsweise nur noch geladene und ungeladene Gasteilchen vorliegen, so dass die Ränder der Transferöffnung 10 sowie die Elektroden innerhalb der benachbarten Vakuumstufe(n) von störenden Ablagerungen weitgehend verschont bleiben. Das aus den Sprühtröpfchen entstandene Neutralgas und die Ionen können in der Vakuumstufe mittels Einwirkung hochfrequenter elektrischer Felder recht einfach voneinander getrennt werden. Das Neutralgas wird dabei üblicherweise abgepumpt, um das gewünschte Druckniveau in dem Vakuumsystem aufrechtzuerhalten.
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Wie aus zu ersehen ist, ist der Temperierungsblock 14 in eine Seitenwand der Ionisierungskammer 2 eingelassen und bildet einen Teil davon. Dies hat den Vorteil, dass das temperierte Gas unmittelbar nach dem Wärmeaustausch in der Temperierungseinrichtung ohne weitere Temperaturänderungen in die Kammer 2 eintritt. Überdies kann die in dem Temperierungsblock 14 befindliche Wärme in die Ionisierungskammer 2 ausstrahlen und beispielsweise verhindern, dass sich an dem Temperierungsblock 14 Kreuzkontamination begünstigende Ablagerungen bilden.
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Im Folgenden wird die Fertigung eines Temperierungsblocks mit Hilfe eines Sol-Gel-Prozesses mit Bezug auf schematisch und stark vereinfacht dargestellt. Zuerst wird eine Gussform bereitgestellt, die eine inverse Ausformung (sozusagen ein Negativ) der Gaskanalstruktur aufweist und dadurch dem Sol-Gel-Formteil seine Form gibt (A). Die Sole wird in die Gussform eingefüllt, wobei die Seitenwände der Gussform erweitert werden, um das im Vergleich zu den nutzbaren Feststoffen vielfach größere Flüssigkeitsvolumen aufnehmen zu können (B). Während der Gelbildung, die im Wesentlichen eine Vernetzung der in der Lösung enthaltenen festphasigen Bestandteile umfasst, bildet sich ein Bodensatz oder Sediment der sich vernetzenden Feststoffe, während die flüssige Phase der Sole als Überstand übrigbleibt (C). Diese Restlösung ist dann im weiteren Verlauf zu entfernen, sei es durch wiederholtes Abschöpfen und/oder durch Wärmeeinwirkung, die die Flüssigkeit verdampft (D). Der so aus der weiteren Verfestigung entstandene fein- oder grobkörnige „Grünkörper“ kann dann, wenn er aus der Form entfernt ist (E), durch Sintern zu einem monolithischen Formteil vollendet werden, welches lediglich kleine Poren mit entsprechend geringen (charakteristischen) Lufteinschlüssen aufweist.
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Wie eingangs bereits angesprochen, entspricht die Form des Formteils einem „Abdruck“ der Struktur der Gussform. Die mit dem Sintern einhergehende Verdichtung führt üblicherweise zu einer spürbaren Schrumpfung des Formteils, die bei der Auslegung der Maße für die Gussform in Abhängigkeit der gewünschten Zielmaße des Formteils zu berücksichtigen ist, sich aber einfach empirisch bestimmen lässt (F). Das so entstandene strukturierte Formteil lässt sich dann mit einem anderen Substrat zu einem Temperierungsblock fügen, bevorzugt derart, dass dadurch die Gaskanalstruktur zur offenen Seite hin abgeschlossen wird und nur die vorgesehenen Einlässe und Auslässe (nicht gezeigt) freibleiben (G).
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Das andere Substrat besteht vorzugsweise aus dem gleichen Material wie das Formteil, weil dann die Verbindung zwischen den beiden Substraten besonders beständig und widerstandsfähig ist. Es kann jedoch auch davon verschieden sein. Weiterhin ist es möglich, das andere Substrat ebenfalls mit einem Sol-Gel-Prozess herzustellen, beispielweise in einer Gussform ohne innere Struktur auf dem Boden. Außerdem können grundsätzlich auch beide zu fügenden Substrate eine innere, komplementäre Struktur aufweisen, wenn dies für nützlich erachtet wird (H). Der Vielseitigkeit des Herstellungsprozesses und der Formenvielfalt des Formteils sind diesbezüglich kaum Grenzen gesetzt.
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zeigt beispielhaft eine mögliche Ausformung eines Formteils 30, wie es in einem Temperierungsblock an einer Ionisierungskammer eingesetzt werden kann. Die grobe äußere Kontur des Formteils 30 kann als (kreis-)runde Scheibe beschrieben werden. An einer flachen Seite der Scheibe ist mittels eines wie zuvor beschriebenen Sol-Gel-Prozesses die Struktur eines Gaskanals (begrenzt durch Punktlinien) eingearbeitet, wie aus der dargestellten Draufsicht ersichtlich ist. Das scheibenförmige Formteil 30 weist dabei in einem Randbereich sowie in der Mitte jeweils eine Durchtrittsöffnung 32A, 32B auf, welche den Raum oberhalb und unterhalb des Formteils 30 miteinander verbindet. Die zentrale Öffnung 32A wird im fertigen Temperierungsblock als Ionentransferöffnung fungieren. Die Öffnung im Randbereich 32B ist dazu vorgesehen, ein Gas in den Gaskanal einzuleiten und kann als Gaseinlass bezeichnet werden. Von dieser Durchtrittsöffnung 32B an der Peripherie ausgehend verläuft eine langgestreckte Vertiefung oder Nut 34 auf der einen flachen Seite des Formteils 30 weitgehend spiralförmig nach innen bis zu einer zentralen, ringförmigen Vertiefung 34A in der Mitte des Formteils, welche als Verteilerpunkt für die Zuleitung des (mittlerweile temperierten) Gases zu der Austrittsöffnung (oder den Öffnungen) fungiert. In bestimmten Abschnitten kann der Gaskanal 34 wie illustriert auch wellenförmig verlaufen, um etwaigen Stütz- oder Montierstrukturen am Substrat, wie zum Beispiel Stifte oder Löcher zur Aufnahme von Schrauben (nicht gezeigt), auszuweichen. Wie in der Querschnittansicht zur Linken sichtbar verlaufen die Schleifen des Gaskanals 34 teilweise dicht nebeneinander her, so dass nur eine relativ dünne Trennwand zwischen den jeweiligen Abschnitten des Gaskanals 34 vorhanden ist. Wie bereits angesprochen ist es vorteilhaft, den Gaskanal 34 möglichst über die gesamte im Formteil 30 verfügbare Fläche verlaufen zu lassen, um einen Heiz- oder Kühleffekt zu maximieren. Dabei ist natürlich die physische Stabilität und thermische Beständigkeit des Substratmaterials bei kontinuierlicher Benutzung zu berücksichtigen.
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Weiter und mit Bezug auf den unteren Teil der befindet sich auf der der Gaskanalstruktur 34 abgewandten Seite des Formteils 30 in dem vorliegenden Beispiel eine Heizeinrichtung, die als schichtförmig aufgebrachter Heizleiter 36 ausgebildet ist. Der Verlauf der Heizleiterschicht 36 bildet vorzugsweise den Verlauf der langgestreckten Vertiefung oder Nut 34 für den Gaskanal auf der anderen Formteilseite weitgehend nach, um eine möglichst lange und unmittelbare Wärmeaustauschstrecke zu gewährleisten und den zu erbringenden Energieaufwand niedrig zu halten. Wie in der rückseitigen Ansicht des Formteils im unteren Teil der zu sehen ist, beginnt der Heizleiter 36 an der Peripherie des Formteils 30 in der Nähe der äußeren Durchtrittsöffnung 32B und folgt dem Gaskanal 34 bis zu dem Punkt kurz vor dem Einmünden in die zentrale, ringförmige Vertiefung 34A. Er ist dabei im Gegenlauf angeordnet, was bedeutet, dass die beiden elektrischen Kontaktierungspunkte 38A,B einander benachbart an der Peripherie liegen und der elektrische Strom einmal die Gaskanalroute 34 fast vollständig bis etwa zur Mitte und nach einer 180°-Wende von dort wieder bis zu einem peripheren Ort nahe dem Ausgangspunkt zurück durchläuft.
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Das in gezeigte Formteil 30 kann mit einem weiteren scheibenförmigen Substrat 40, wie es in zu sehen ist, zu einem Temperierungsblock 400 gefügt werden. Das zweite Substrat 40 hat vorzugsweise die gleichen äußeren Abmessungen wie das mittels Sol-Gel-Prozess gefertigte Formteil 30, so dass ein bündiges Zusammenfügen ohne Überstand möglich ist. In dem vorliegenden Beispiel weicht das zweite Substrat 40, das grundsätzlich auch mittels eines Sol-Gel-Prozesses hergestellt sein kann, von einer (kreis-) runden monolithischen Scheibe durch vier zusätzliche, um die zentrale Öffnung 42 herum gruppierte Durchtrittsöffnungen 44 ab, welche die Oberseite und die Unterseite des zweiten Substrats 40 fluidisch miteinander verbinden. Die Zahl vier ist hier nur als exemplarisch anzusehen; es kann grundsätzlich eine beliebige Zahl von Öffnungen 44 vorgesehen werden, wenn es für die Ausformung des Temperierungsblocks 400 zweckmäßig ist. Die vorliegend zentrumsnahen Öffnungen 44 sind als Auslassöffnungen am Temperierungsblock 400 vorgesehen und sind derart bemessen, dass sie der zentralen, ringförmigen Vertiefung 34A im Formteil 30 gegenüberliegen. Das aus dem Gaskanal 34 in die zentrale, ringförmige Vertiefung 34A des Formteils 30 eintretende Gas kann dann durch die Auslassöffnung(en) 44 des zweiten Substrats 40 hindurch den aus Formteil 30 und zweitem Substrat 40 gebildeten Temperierungsblock 400 verlassen und in die Ionisierungskammer eintreten. Unnötig zu erwähnen, dass die Fläche des zweiten Substrats 40 zwischen den zentrumsnahen Durchtrittsöffnungen 44 und dem Randbereich die Gaskanalstruktur 34 im Formteil 30 abdeckt und den Gaskanal damit nach einer Seite abschließt.
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In einer leichten Abwandlung der im linken Querschnitt aus gezeigten Ausformung (siehe ) kann die die zentrale Öffnung 42 umgebende ringförmige Vertiefung 34A eine zusätzliche Überfließschwelle 80 für das zu temperierende Gas aufweisen, die zwischen der äußeren Wandung der Vertiefung 34A und den Durchtrittsöffnungen 44 angeordnet ist. Eine solche Überfließschwelle 80 sorgt insbesondere dafür, dass sich das lokal der Vertiefung 34A zugeführte Gas gleichmäßig über den äußeren Ringraum 82 verteilen kann, bevor es die zusätzliche Schwelle 80 überwindet und die Durchtrittsöffnungen 44 durchfließt. Auf diese Weise können durch die lokale Gaszuführung an der Peripherie bedingte ungleichmäßige Druckbedingungen und Fließdynamiken ausgeglichen werden. Überdies lässt sich eine derartige Überfließschwelle 80 in das den Temperierungsblock bildende Formteil mit dem Sol-Gel-Verfahren sehr leicht einarbeiten. Auch hier macht sich die Vielseitigkeit des Herstellverfahrens positiv bemerkbar.
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Mit Bezug auf eine weitere soll beispielhaft erläutert werden, wie bei einem (kreis-)runden scheibenförmigen Substrat die verfügbare Fläche optimal ausgenutzt werden kann. zeigt dazu die Darstellung eines sogenannten „christlichen Labyrinths“, das einen einzigen Gang oder Kanal 54 aufweist (also ohne Verzweigungen oder Sackgassen), welcher sich von einem Randbereich über mehrere Bögen bis zu einem Ziel 54A in der Scheibenmitte erstreckt (heller Hintergrund; Kanalwände in schwarz). Grundsätzlich lässt sich eine derartige Ausformung für den Gaskanal auf das mittels Sol-Gel-Prozess gefertigte Formteil gemäß der hier beschriebenen Vorrichtung übertragen. Es versteht sich, dass in einem solchen Fall die zentrale Ionentransferöffnung, die von einer ringförmigen Nut umgeben ist, zu ergänzen wäre. Diese weitere mögliche Ausgestaltung weist im Unterschied zu der aus ersichtlichen noch das Merkmal auf, dass der Einlass senkrecht zur flachen Seite der Scheibe verläuft, also an der Schmalseite der Scheibe angeordnet ist. Es versteht sich, dass auch diese Besonderheit auf andere Ausformungen übertragen werden kann, dass es also nicht notwendig ist, das zu temperierende Gas über die flache Seite in den Gaskanal einzuleiten. Weiterhin ist ersichtlich, dass das gezeigte Labyrinth lediglich ein Beispiel darstellt und es noch weitere Arten verzweigungsfreier Labyrinthe mit optimaler Flächenausnutzung gibt, die gleichfalls im Rahmen der vorliegenden Offenbarung zur Anwendung kommen können.
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zeigt eine Variante einer Elektrosprüh-Ionenquelle, in der ein mittels Sol-Gel-Prozess hergestellter Temperierungsblock 74 zum Einsatz kommen kann. Im Unterschied zu ist der Temperierungsblock 74 um die Sprühkapillare 64 herum angeordnet, wobei die zentrale Öffnung als Durchführung dient. Das temperierte Gas wird dann parallel und in Richtung des Sprühkegels 68 in die Ionisierungskammer 62 eingeleitet, so dass es als Verneblungsgas die Tropfenverkleinerung mechanisch unterstützen und/oder als Trocknungs- oder Desolvationsgas das Eindampfen der Sprühtröpfchen fördern kann. Die Ionentransferöffnung 70 besteht in diesem Beispiel aus einem Loch in einer kegelförmigen, in die Ionisierungskammer 62 hineinreichenden Blende 78. Es versteht sich, dass ein Temperierungsblock 14, 74 in Ausführungsformen, die Merkmale der und vereinen, sowohl um die Ionentransferöffnung 10, 70 als auch an der Kapillare 4, 64 vorgesehen werden können. Der Gestaltungsfreiheit sind diesbezüglich keine Grenzen gesetzt.
