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Die
Erfindung betrifft einen mikrosystemtechnischen Injektor nach dem
Oberbegriff von Anspruch 1. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist
ein Gaschromatograph mit einer Trennsäule und einem Detektor und
einem solchen Injektor.
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Ein
solcher Injektor ist beispielsweise in
DE 103 01 601 B3 beschrieben.
Bei diesen Injektoren in Mikrosystemtechnik handelt es sich um miniaturisierte
mikromechanische Bauteile, die beispielsweise mittels nasschemischer Ätzung, photolitographischer Maskierung
und Plasmaätzung
oder ähnlichen,
aus der Halbleitertechnik bekannten Verfahren hergestellt werden.
Bei der Anwendung in miniaturisierten Gaschromatographen weisen
diese mikrosystemtechnischen Bauteile einerseits den Vorteil auf,
dass die gesamte Analyseapparatur wesentlich verkleinert werden
kann und andererseits die Gesamtvolumina der Leitungen, Verzweigungen
um Größenordnungen
verringert werden können,
wodurch die Analyse sehr kleiner Probenmengen mit hoher Genauigkeit möglich wird.
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Diese
miniaturisierten Injektoren können
mit konventionellen Trennsäulen
kombiniert werden. Vorzugsweise werden sie jedoch mit einer ebenfalls miniaturisierten
Trennsäule
kombiniert, wie beispielsweise beschrieben in
DE 197 26 000 C2 oder
DE 203 01 231 U1 und
DE 297 247 21 U1 .
Diese Trennsäulen
können
in Spiralenform oder meanderförmig
bereitgestellt werden und werden ebenfalls vorzugsweise in Silizium-Glas-Technologie
hergestellt, wobei in eines der Substrate ein Graben eingearbeitet
wird, der mit einer stationären
Phase beschichtet wird.
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Aus
DE 199 06 100 C2 ist
schließlich
ein thermischer Durchflusssensor bekannt, der ebenfalls in Mikrosystemtechnik
hergestellt ist. Ein miniaturisierter Gaschromatograph, welcher
einen Injektor der vorgenannten Art aufweist, ist aus
DE 103 01 601 B3 bekannt.
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Diese
bekannten Injektoren, Gaschromatographen und miniaturisierten Bauteile
für solche
Gaschromatographen erlauben zwar bei vielen analytischen Aufgaben
eine ausreichend schnelle und präzise
Bestimmung der Bestandteile eines unbekannten, zu analysierenden
Stoffes und erlauben zudem oftmals auch einen mobilen Einsatz eines
Gaschromatographen. Jedoch sind die bekannten mikrosystemtechnischen
Injektoren und Gaschromatographen noch weiter verbesserbar, um deren
Einsatzmöglichkeiten
zu erweitern. So ist es beispielsweise wünschenswert, die Anzahl der
zu analysierenden Stoffteile und die Auflösung der Analyse zu erhöhen. Zudem
ist es oftmals wünschenswert,
den für
eine Messung erforderlichen Zeitraum zu verkürzen oder in einem vorgegebenen
Zeitraum eine größere Anzahl
von Messungen durchzuführen.
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Ziel
der Erfindung ist es, einen Injektor und einen Gaschromatographen
bereitzustellen, der eine solche verbesserte Anwendung auf mikrosystemtechnischer
Basis ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Injektor nach Anspruch 1 gelöst.
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Der
bekannte mikrosystemtechnische Injektor weist einen ersten Fluidleitungsblock
auf, in dem Öffnungen
zum Einlassen und Auslassen des zu analysierenden Stoffes sowie
zum Ein- und Auslassen eines Trägergases
vorhanden sind. Dieser erste Fluidleitungsblock weist eine entsprechende
Leitungsführung
auf, die in Zusammenarbeit mit einem zweiten Fluidleitungsblock,
der auf dem ersten Fluidleitungsblock beweglich angeordnet ist und
der entsprechende Grabenvertiefungen aufweist, zwei definierte Injektorstellungen
erzielt. In der ersten Stellung wird der Injektor von dem zu analysierenden
Stoff (der „Probe") und dem Trägergas (üblicherweise
Helium) durchströmt,
wobei das Trägergas
eine Speicherschleife im Injektor durchspült.
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Durch
Verschieben des ersten und zweiten Fluidleitungsblocks zueinander
wird der Strömungsverlauf
von Probe und Trägergas
dahingehend verändert,
dass zwar Probe und Trägergas
bei den gleichen Öffnungen
in den Injektor eintreten bzw. aus diesen heraustreten, jedoch durchströmt nun die
Probe die Speicherschleife und die Speicherschleife wird hierdurch
mit dem Probenmaterial befüllt.
Schaltet man nun in die erste Injektorstellung zurück, so spült das Trägergas eine
definierte Menge des Probenmaterials aus der Speicherschleife heraus
und diese wird einer Trennsäule
zugeführt,
in der eine gaschromatographische Trennung und nachfolgende Analyse
mit einem Detektor erfolgen kann.
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Die
Erfindung bildet den bekannten Injektor fort, indem durch Bereitstellung
einer fünften Öffnung die
Variabilität
des Injektors erhöht
wird und dadurch verschiedene vorteilhafte Führungen von Probenmaterial
und Trägergas
ermöglicht
werden.
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Bei
einer ersten vorteilhaften Ausbildungsform ist der erfindungsgemäße Injektor
für eine
Doppelanalyse ausgeführt,
indem die fünfte Öffnung in der
ersten Injektorstellung mit einem zweiten Probenspeicher verbunden
ist, um diesem ein gasförmiges Probenmaterial
zuzuführen,
und der zweite Probenspeicher in der zweiten Injektorstellung mit
der zweiten Auslassöffnung
verbunden ist, sodass das im zweiten Probenspeicher gespeicherte
Probenmaterial in der zweiten Injektorstellung durch Spülung des zweiten
Probenspeichers mit Trägergas
der zweiten Auslassöffnung
zugeführt
wird.
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Diese
Fortbildung des erfindungemäßen Injektors
ermöglicht
es, dass in kurzer Folge nacheinander zwei Probenmengen auf eine
mit dem Injektor verbundene Trennsäule aufgegeben werden. Zu diesem
Zweck wird in der ersten Injektorstellung der zweite Probenspeicher
mit Probenmaterial gefüllt und
der erste Probenspeicher mit Trägergas
beaufschlagt, um das darin befindliche Probenmaterial in die Trennsäule zu spülen. In
der zweiten Injektorstellung wird dann der erste Probenspeicher
mit einer Probe befüllt
und der zweite Probenspeicher mit Trägergas durchspült, um das
darin befindliche zweite Probenmaterial in die Trennsäule zu spülen. Bei
dieser Ausführungsform
können
entweder zwei unterschiedliche Proben nacheinander in schneller
Folge analysiert werden, um hierdurch eine insgesamt hohe Messgeschwindigkeit
zu erzielen. In anderen Anwendungsfällen kann dieselbe Probe zweimal
gemessen werden, um die Genauigkeit der Messung durch Mittelung über zwei
oder mehr Messungen zu erhöhen.
In anderen Fällen
ist es vorteilhaft, wenn als zweite Probe Referenzgas zugeführt wird
und somit eine Referenzmessung durchgeführt wird, um hierdurch die
Genauigkeit der Analyse der ersten Probe zu erhöhen.
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Dabei
ist es insbesondere bevorzugt, wenn dieser Injektor für eine Doppelanalyse
durch eine sechste Öffnung
fortgebildet wird, die zum Abführen des
durch die fünfte Öffnung zugeführten Probenmaterials
ausgebildet ist. Grundsätzlich
kann das durch die fünfte Öffnung zugeführte Probenmaterial
in verschiedene Weise aus dem Injektor abgeführt werden, beispielsweise
durch diejenige Öffnung,
durch welche auch das Probenmaterial abgeführt wird, das durch die Probeneinlassöffnung zugeführt wird.
Für eine
saubere Prozessführung
und eine chemisch saubere Analyse ist es jedoch vorteilhaft, eine
separate Öffnung
zum Abführen
des Probenmaterials der fünften Öffnung vorzusehen.
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Bei
einer weiteren Fortbildung des erfindungsgemäßen Injektors ist dieser für eine sogenannte „Back-Flush-Schaltung" ausgebildet.
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Dies
wird erreicht, indem die fünfte Öffnung in
der ersten Injektorstellung mit der Trägergaseinlassöffnung verbunden
ist, eine sechste Öffnung
in der zweiten Injektorstellung mit der Trägergaseinlassöffnung verbunden
ist, um Trägergas
von der Trägergaseinlassöffnung zur
sechsten Öffnung
zu leiten und hierdurch in der zweiten Injektorstellung eine im Kreislauf
an die zweite Auslassöffnung
und die sechste Öffnung
angeschlossene erste Trennsäule rückwärts zu durchströmen, und
in der zweiten Injektorstellung die fünfte Öffnung mit der zweiten Auslassöffnung verbunden
ist, sodass in der zweiten Injektorstellung ein durch die zweite
Auslassöffnung
zugeführtes
Gas der fünften Öffnung zugeführt wird
und einer mit der fünften Öffnung verbundenen
zweiten Trennsäule
zugeführt
werden kann.
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Durch
diese Fortbildung des Injektors wird erreicht, dass der Injektor
ein aus dem Probenspeicher herausgespültes Probenmaterials zunächst auf eine
erste Trennsäule
gibt, die beispielsweise eine gepackte Trennsäule sein kann und die eine
Trennung bestimmter leichtflüchtiger
Stoffbestandteile leisten kann. Ist diese Trennung soweit erfolgt,
ermöglicht
es die zuvor beschriebene Injektorfortbildung, dass ein Rückwärtsbetrieb
in der zweiten Injektorstellung durchgeführt wird und hierdurch das
zu analysierende Probenmaterial, insbesondere diejenigen schwerflüchtigen
Bestandteile, welche noch nicht vollständig durch die erste Trennsäule hindurchgetreten
sind, aus dieser herausgespült
werden und durch den Injektor einer zweiten Trennsäule zugeführt werden.
Diese zweite Trennsäule
kann die Trennung anderer Stoffbestandteile leisten und erhöht dadurch
das Analysespektrum des Gaschromatographen mit diesem fortgebildeten
Injektor. Als zweite Trennsäule
eignet sich beispielsweise eine Dünnschichtrennsäule.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Fortbildungsform wird der erfindungsgemäße Injektor
für einen
sogenannten Umschaltungsbetrieb fortgebildet, indem die fünfte Öffnung in
der ersten Injektorstellung mit einer sechsten Öffnung verbunden ist, durch welche
das aus einer an die sechste Öffnung
anschließbaren
ersten Trennsäule
strömende
Gas dem Injektor zugeführt
wird, die fünfte Öffnung in
der zweiten Injektorstellung mit einer Zuführöffnung für Trägergas verbunden ist, um Trägergas zur
fünften Öffnung zu
leiten und dieses Trägergas
hierdurch in der zweiten Injektorstellung zu einer an die fünfte Auslassöffnung anschließbaren zweiten
Trennsäule
zu leiten.
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Bei
dieser Ausführungsform
wird ermöglicht, dass
das zu analysierende Probenmaterial zunächst auf eine erste Trennsäule aufgegeben
wird und nach Durchströmung
dieser Trennsäule
in einer zweiten Injektorstellung auf eine zweite Trennsäule aufgegeben
wird. Diese Ausführungsform
ist insbesondere vorteilhaft, wenn aus der ersten Trennsäule nicht voneinander
getrennte Stoffbestandteile als Block heraustreten und diese dann
in einer zweiten Trennsäule
nachfolgend analysiert werden, um eine Trennung auch dieser Stoffbestandteile
durch die zweite Trennsäule
zu leisten. Wiederum kann durch diese Fortbildung das Analysespektrum
durch den erfindungsgemäßen Injektor
erhöht
werden. So kann bei dieser Umschaltungstechnik des Injektors zunächst eine
Dünnschichttrennsäule beaufschlagt
werden, die nur schwerflüchtige
Stoffe trennen kann, hingegen leichtflüchtige Stoffbestandteile als
Block durchlässt
und nachfolgend dieser Block der leichtflüchtigen Bestandteile durch
Umschaltung in die zweite Injektorstellung auf eine gepackte Trennsäule aufgegeben
werden, um dann diese schwerflüchtigen
Bestandteile zu trennen.
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Dabei
kann die vorgenannte Ausbildungsform fortgebildet werden, indem
in der zweiten Injektorstellung die fünfte Öffnung mit einer siebten Öffnung zum
Zuführen
von Trägergas
verbunden ist und/oder die sechste Öffnung mit einer achten Öffnung zum
Abführen
von Gas, welches eine an die sechste Öffnung anschließbare erste
Trennsäule durchströmt hat,
verbunden ist. Durch die siebte und/oder achte Öffnung wird eine noch größere Variabilität und Genauigkeit
erzielt, indem beispielsweise unterschiedliche Trägergase
verwendet werden können
und indem eine separate Abführung
des Gases aus der ersten Trennsäule
erfolgen kann.
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Die
erfindungsgemäßen mikrosystemtechnischen
Injektoren können
fortgebildet werden, indem der erste Fluidleitungsblock in Silizium/Glas-technik hergestellt
ist und alle Öffnungen
am ersten Fluidleitungsblock angeordnet sind. Diese Ausführungsform hat
sich als fertigungstechnisch vorteilhaft und darüber hinaus als besonders unempfindlich
gegenüber Verunreinigung
erwiesen.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn der zweite Fluidleitungsblock aus einem
reibungsarmen und chemisch inerten Material, vorzugsweise mit geringen
Ad- und Absorptionseigenschaften
ausgebildet ist, insbesondere aus Polytetrafluorethylen (PTFE). Hierdurch
wird ein vorteilhaftes Reibverhältnis
zwischen erstem und zweitem Fluidleitungsblock erzielt und zudem
verhindert, dass relevante Mengen des Probenmaterials adsorbiert
oder absorbiert werden. Als Material für den zweiten Fluidleitungsblock
haben sich in erster Linie Kunststoffe bewährt, in vielen Fällen ist
jedoch auch die Ausbildung des zweiten Fluidleitungsblock aus Silizium
oder Glas bevorzugt.
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Der
Injektor kann weiter fortgebildet werden, indem in der zum ersten
Fluidleitungsblock weisenden Fläche
des zweiten Fluidleitungsblocks Grabenabschnitte ausgebildet sind,
welche in der ersten und zweiten Injektorstellung mit korrespondierenden Öffnungen
in der zum zweiten Fluidleitungsblock weisenden Fläche des
ersten Fluidleitungsblocks zusammenwirken, um die Verbindungen gemäß den vorgenannten
Ausführungsformen
zu schalten. Diese Grabenabschnitte können beispielsweise als Nuten
definierter Länge
oder ovale Vertiefungen im zweiten Fluidleitungsblock ausgebildet
sein.
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Es
ist weiterhin bevorzugt, dass der zweite Fluidleitungsblock mit
dem Aktuator verbunden ist.
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Der
Aktuator kann vorzugsweise elektromechanisch oder piezoelektrisch
betätigt
sein, was einen sicheren Betrieb des Aktuators ermöglicht.
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Bevorzugt
ist eine Heizungsvorrichtung zur Beheizung des ersten und/oder zweiten
Fluidleitungsblocks vorhanden. Hierdurch wird verhindert, dass Bestandteile
des Probenmaterials am ersten und/oder zweiten Fluidleitungsblock
kondensieren und hierdurch die Analysenmenge reduziert und die Analyse
verfälscht
wird.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Gaschromatograph mit zumindest
einer Trennsäule zum
Auftrennen von Probenmaterial in seine atomaren und/oder molekülen Bestandteile
und einem Detektor zum Erfassen dieser Bestandteile, der fortgebildet
ist durch einen Injektor der zuvor beschriebenen Art.
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Dieser
Gaschromatograph ermöglicht
eine wesentlich variablere Analysetechnik und kann dadurch sowohl
schneller als auch präziser
gaschromatographische Messungen durchführen.
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Der
erfindungsgemäße Gaschromatograph kann
zur zeitversetzten Doppelanalyse mit einem Injektor der zuvor beschriebenen
Art für
eine Doppelanalyse fortgebildet werden, indem der Eingang der Trennsäule mit
der zweiten Auslassöffnung
in Fluidverbindung ist und der Ausgang dieser Trennsäule mit
einem Detektor in Fluidverbindung ist. Hierduch wird, wie zuvor
beschrieben die schnelle aufeinanderfolgende Analyse zweier unterschiedlicher
oder gleichartiger Proben oder einer Probe und eines Referenzgases
ermöglicht.
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Dabei
kann der erfindungsgemäße Gaschromatograph
fortgebildet werden, indem die Trennsäule eine Dünnschichtsäule oder eine gepackte Säule ist.
Diese Säulenarten
eignen sich insbesondere gut für
die Analyse und können
darüber
hinaus in vorteilhafter Weise in mikrosystemtechnischer Bauweise hergestellt
werden.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Fortbildungsform ist der Gaschromatograph
für eine Back-Flush-Analyse
mit einem Injektor der vorgenannten Art für die Back-Flush-Analyse fortgebildet, mit einer
ersten Trennsäule,
deren Eingang mit der zweiten Auslassöffnung in Fluidverbindung ist
und deren Ausgang mit einem Detektor in Fluidverbindung ist, der
mit der sechsten Öffnung
in Fluidverbindung ist, und mit einer zweiten Trennsäule, deren Eingang
mit der fünften Öffnung in
Fluidverbindung ist und deren Ausgang mit einem Detektor in Fluidverbindung
ist. Dieser Gaschromatograph kann zur differenzierten Analyse von
Stoffen, die sowohl schwer- als auch leichtflüchtige Bestandteile enthalten,
genutzt werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Gaschromatographen
ist für den
Umschaltungsbetrieb fortgebildet und weist einen Injektor der zuvor
beschriebenen Art für
den Umschaltbetrieb auf und ist mit einer ersten Trennsäule, deren
Eingang mit der fünften Öffnung in
Fluidverbindung ist und deren Ausgang mit einem Detektor in Fluidverbindung
ist, der mit der sechsten Öffnung
in Fluidverbindung ist, und mit einer zweiten Trennsäule, deren
Eingang mit der zweiten Auslassöffnung
in Fluidverbindung ist und deren Ausgang mit einem Detektor in Fluidverbindung
ist, der in Fluidverbindung mit der sechsten Öffnung ist, versehen. Dies
ermöglicht
wiederum, dass Stoffe analysiert werden, deren genaue Zusammensetzung
nur durch Stoffauftrennung in zwei unterschiedlichen Trennsäulen ermittelt
werden kann, bei spielsweise weil sowohl schwer- als auch leichtflüchtige Bestandteile
enthalten sind.
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Dabei
ist es bei den beiden vorgenannten Ausführungsformen des Gaschromatographen
für die
Back-Flush-Technik und die Umschaltungstechnik besonders vorteilhaft,
wenn die erste Trennsäule eine
gepackte Trennsäule
zur Analyse leichtflüchtiger
Bestandteile und die zweite Trennsäule eine Dünnschicht-Trennsäule zur
Analyse schwerflüchtiger
Bestandteile ist. Diese Trennsäulen
können
besonders vorteilhaft in Mikrosystemtechnik hergestellt werden und
sind in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Injektor gut einsetzbar,
um einerseits eine gute Auflösung
einer Vielzahl von Stoffbestandteilen zu erreichen und andererseits
zu verhindern, dass die gepackte Trennsäule durch schwerflüchtige Bestandteile
verunreinigt wird.
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Der
erfindungsgemäße Gaschromatograph kann
vorzugsweise für
ein Verfahren zur Analyse chemischer Substanzen eingesetzt werden,
mit den Schritten: Zuführen
einer ersten zu analysierenden Substanz zu einer ersten Probeneinlassöffnung eines
mikrosystemtechnischen Injektors, Füllen einer ersten Speicherschleife
des Injektors mit der ersten zu analysierenden Substanz in einer
zweiten Injektorstellung, Umschalten des Injektors mittels eines Aktuators
in eine erste Injektorstellung, Zuführen von Trägergas zu der ersten Speicherschleife,
um die zu erst analysierende Substanz und das Trägergas einer zweiten Auslassöffnung und
einer mit der zweiten Auslassöffnung
in Fluidverbindung stehenden Trennsäule zuzuführen, Analysieren der getrennten
Bestandteile hinter der Trennsäule
mithilfe eines Detektors, bei dem wenigstens einer fünften Öffnung des Injektors
ein Trägergas
oder eine zu analysierende Substanz zugeführt wird.
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Das
Verfahren kann fortgebildet werden durch die Schritte: Zuführen einer
zweiten zu analysierenden Substanz zu einer fünften Öffnung des Injektors in der
ersten Injektorstellung, Füllen
einer zweiten Speicherschleife des Injektors mit der zweiten zu
analysierenden Substanz, und Zuführen
von Trägergas
zur zweiten Speicherschleife in der zweiten Injektorstellung, um
die zweite zu analysierende Substanz und das Trägergas der zweiten Auslassöffnung und
der mit der zweiten Auslassöffnung
in Fluidverbindung stehenden Trennsäule zuzuführen, Analysieren der getrennten
Bestandteile der zweiten zu analysierenden Substanz hinter der Trennsäule mithilfe
des Detektors.
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Dabei
ist es besonders bevorzugt, wenn die zweite zu analysierende Substanz
ein als Referenz dienendes Referenzgas ist.
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Bei
einer weiteren Fortbildung des Verfahrens wird die erste zu analysierende
Substanz in einer ersten Strömungsrichtung
einer gepackten Trennsäule
zugeführt
und dahinter mit einem ersten Detektor analysiert und es findet
eine Fortbildung statt durch die Schritte: Umschalten des mikrosystemtechnischen
Injektors mittels des Aktuators in die zweite Injektorstellung,
wenn der erste Detektor alle leichtflüchtigen Bestandteile analysiert
hat, Zuführen von
Trägergas
zur gepackten Trennsäule
entgegen der ersten Strömungsrichtung,
Leiten des aus der gepackten Trennsäule austretenden Gemisches
von Trägergas
und erster zu analysierender Substanz über den Injektor zu einer Dünnschicht-Trennsäule, und
Analysieren der getrennten schwerflüchtigen Bestandteile der ersten
zu analysierenden Substanz hinter der Dünnschicht-Trennsäule mithilfe
eines zweiten Detektors.
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Schließlich kann
das Verfahren fortgebildet werden, indem die erste zu analysierende
Substanz in der ersten Injektorstellung einer Dünnschichttrennsäule zugeführt wird
und dahinter mit einem ersten Detektor analysiert wird und dann
die Schritte: Umschalten des mikrosystemtechnischen Injektors mittels
des Aktuators in die zweite Injektorstellung, wenn der erste Detektor
den Durchgang der leichtflüchtigen
Bestandteile der ersten zu analysierenden Substanz registriert hat,
Weiterleiten der leichtflüchtigen Bestandteile
der ersten zu analysierenden Substanz über den Injektor zu einer gepackten
Trennsäule, weiteres
Zuführen
von Trägergas
zur Dünnschicht-Trennsäule und
zur gepackten Trennsäule
in der zweiten Injektorstellung, Analysieren der getrennten schwerflüchtigen
Bestandteile der ersten zu analysierenden Substanz hinter der Dünnschicht-Trennsäule mithilfe
eines ersten Detektors, und Analysieren der getrennten leichtflüchtigen
Bestandteile der ersten zu analysierenden Substanz hinter der gepackten
Trennsäule
mithilfe eines zweiten Detektors, ausgeführt werden.
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Die
erfindungsgemäße Säule kann
vorzugsweise mit einem Verfahren zum Herstellen einer gepackten
Säule in
Mikrosystemtechnik hergestellt werden, gekennzeichnet durch die
Schritte:
- – Ausbilden
von meanderförmigen
Grabenstrukturen in zwei Substraten,
- – Ausbilden
von zumindest einem Hilfsgraben, welcher sich von zumindest einer
Meanderwindung zum Rand der Substrate erstreckt,
- – Aufbringen
des zweiten Substrats auf das erste Substrat, um hierdurch aus den
Grabenstrukturen und dem zumindest einen Hilfsgraben eine Kanalstruktur
und zumindest einen Hilfskanal zu machen,
- – Zuführen des
Packungsmaterials durch den zumindest einen Hilfskanal in die Kanalstruktur,
- – Verschließen des
zumindest einen Hilfskanals mit einem Klebstoff.
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Dieses
Verfahren ermöglicht
eine besonders genaue und effiziente Fertigung von gepackten Säulen in
mikrosystemtechnischer Bauweise.
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Dabei
ist es besonders bevorzugt, wenn in mehreren Meanderwindungen, vorzugsweise
in jeder zweiten oder jeder, ein Hilfsgraben mündet. Hierdurch wird eine schnelle
und vollständige
Befüllung erzielt,
insbesondere eine schnelle und vollständige Befüllung von einer Seite des Substrats,
wenn jede zweite Meanderwindung einen Hilfsgraben aufweist.
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Das
Herstellungsverfahren für
gepackte Säulen
kann weiterhin fortgebildet werden, indem die Klebstoffmenge für jeden
Hilfskanal so dosiert wird, dass sie eine bündig mit der Kanalstrukturwand
fluchtende Fläche
ausbildet. Hierdurch wird eine besonders vorteilhafte Kanalstruktur
für präzise Analysen erzielt.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden anhand der anhängenden Figuren erläutert.
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Es
zeigen:
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1:
Einen Gaschromatographen in Mikrosystemtechnik nach dem Stand der
Technik,
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2:
Eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikrosystemtechnischen
Gaschromatographen,
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3:
Eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform des mikrosystemtechnischen
Gaschromatographen, und
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4:
Eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen erfindungsgemäßen mikrosystemtechnischen
Gaschromatographen.
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In 1 ist
ein miniaturisierter Gaschromatograph schematisch dargestellt, der
einen Injektor 100, eine Dünnschichttrennsäule 200 und
einen Wärmeleitfähigkeitsdetektor 300 umfasst.
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Der
mikrosystemtechnische Injektor 100 ist in zwei Injektorstellungen
abgebildet:
Mit durchgezogenen Linien ist eine erste Injektorstellung
A gekennzeichnet, mit unterbrochenen Linien ist eine zweite Injektorstellung
B gekennzeichnet. Das Umschalten zwischen den Injektorstellungen
A, B erfolgt durch Verschieben eines Grabenblocks, der vier Gräben aufweist,
um die Strecke S. Dementsprechend sind die Gräben in 1 in einer
ersten Injektorstellung als 50a–53a abgebildet (durchgezogene Linien)
und in einer zweiten Injektorstellung B als Gräben 50b–53b (unterbrochene
Linien).
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Der
Grabenblock liegt auf einem Leitungsblock auf, der eine Probeneinlassöffnung 1 aufweist, die
in eine zum Grabenblock weisende Öffnung 61 mündet. Ein über die
Probeneinlassöffnung 1 einströmendes Probenmaterial
kann über
den Graben 50a in der ersten Injektorstellung A in eine Öffnung 62 eintreten,
wird dann über
eine Leitung 63 im Leitungsblock zu einer Öffnung 64 transportiert
und dann über
den Graben 51a zu einer Öffnung 65 und schließlich zu
einer Probenauslassöffnung 2 befördert.
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In
der zweiten Injektorstellung B wird das Probenmaterial bei Austreten
aus der Öffnung 61 über den
Graben 50b zu einer Öffnung 67 transportiert,
die mit einer Probenspeicherschleife 10 im Leitungsblock
verbunden ist. Die Probenspeicherschleife 10 wird mit Probenmaterial
aufgeladen und das Probenmaterial kann über den Grabenblock 51b wiederum
zur Probenauslassöffnung 2 strömen.
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Ein
Helium-Trägergas
durchströmt
zunächst einen
ersten Detektorabschnitt 310 des Detektors 300 und
tritt dann bei einer Trägergaseinlassöffnung 3 in
den Injektor ein. In der zweiten Injektorstellung B wird das Trägergas über den
Graben 52b, die Leitung 71 und den Graben 53b zu
einer Auslassöffnung 4 geleitet,
die mit der Eingangsseite 210 der Trennsäule 200 verbunden
ist.
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In
der ersten Injektorstellung wird das Trägergas über den Graben 52a in
die Speicherschleife 10 eingeleitet und spült dadurch
das Probenmaterial aus dieser Speicherschleife über den Graben 53a zum
Ausgang 4 und folglich in die Trennsäule 200. Die definierte
Probenmenge wird dann in der Trennsäule 200 getrennt und
die getrennten Bestandteile in einem zweiten Detektorabschnitt 320 des
Detektors 300 analysiert.
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In 2 ist
ein erfindungsgemäßer Gaschromatograph
mit einem erfindungsgemäßen Injektor 1100 für eine Doppelanalyse
abgebildet. Der Injektor 1100 umfasst einen ersten Probeneinlass 1001 und einen
zweiten Probeneinlass 1005. Der Injektor ist wiederum,
wie in 1, in zwei Injektorstellungen A, B dargestellt.
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Der
erste Probeneinlass 1001 ist in beiden Injektorstellungen
mit einem ersten Probenauslass 1002 verbunden. Der zweite
Probeneinlass 1005 ist in beiden Injektorstellungen mit
einem zweiten Probenauslass 1006 verbunden.
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In
der in durchgezogenen Linien dargestellten ersten Injektorstellung
A wird ein erstes Probenmaterial vom ersten Probeneingang 1001 über den Graben 1050a,
eine Fluidleitung 1061 zum Graben 1051a geleitet
und strömt
von dort zum ersten Probenauslass 1002. Eine zweite, beim
zweiten Probeneinlass 1005 einströmende Probe wird über den
Grabenabschnitt 1054a in der ersten Injektorstellung A zu
einer zweiten Probenspeicherschleife 1020 geführt und
strömt
von dort über
den Grabenabschnitt 1053a zur zweiten Probenauslassöffnung 1006.
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In
der zweiten Injektorstellung B wird das erste Probenmaterial von
der ersten Probeneinlassöffnung 1001 über den
Grabenabschnitt 1050b zu einer ersten Probenspeicherschleife 1010 geleitet
und strömt
von dort über
den Grabenabschnitt 1051b zur ersten Probenauslassöffnung 1002.
Die zweite Probe strömt
von der zweiten Probeneinlassöffnung 1005 über den
Grabenabschnitt 1054b, einen Leitungskanal 1062 zum
Grabenabschnitt 1053b und tritt bei der zweiten Probenauslassöffnung 1006 aus dem
Injektor aus.
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Ein
Trägergas
durchströmt,
wie zuvor bei 1, zunächst einen ersten Detektorabschnitt 1310 eines
Wärmeleitfähigkeitsdetektors 1300 und
strömt dann
bei einer Trägergaseinlassöffnung 1003 in
den Injektor ein und wird in der zweiten Injektorstellung B über den
Graben 1052b zur zweiten Probenspeicherschleife 1020 geleitet
und führt
das zweite Probenmaterial über
den Graben 1055b zu einer Auslassöffnung 1004, die mit
den Eingang 1210 einer Trennsäule 1200 verbunden
ist. Auf diese Weise wird das zweite Probenmaterial durch die Trennsäule befördert, dort
getrennt und anschließend
in einem zweiten Detektorabschnitt 1320 analysiert.
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Bei
Umschalten des Injektors in die erste Injektorstellung A wird das
Trägergas
von der Öffnung 1003 über den
Graben 1052a auf die erste Probenspeicherschleife 1010 zugeführt und
fördert
das dort gespeicherte erste Probenmaterial über den Grabenabschnitt 1055a zur
Auslassöffnung 1004 und
anschließend
zur Analyse in die Trennsäule 1200 und den
Detektor 1300.
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Die
Ausführungsform
gemäß 2 ermöglicht demnach
die unmittelbar aufeinanderfolgende Analyse zweier Probenmaterialien
durch Zwischenspeicherung in den zwei Probenspeicherschleifen 1010, 1020 und
zeitlich aufeinanderfolgende differenzierte und definierte Beförderung
der Proben zur Trennsäule 1200 durch
Umschalten zwischen den Injektorstellungen A und B.
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In 3 ist
eine zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen miniaturisierten
Gaschromatographen mit erfindungsgemäßem Injektor dargestellt, der/die
für eine
Back-Flush-Schaltung ausgebildet ist.
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Bei
dieser Anordnung wird dem Injektor über eine Probeneinlassöffnung 2001 eine
Probe zugeführt,
die in beiden Injektorstellungen A, B zu einer Probenauslassöffnung 2002 geführt wird.
In der durchgezogen dargestellten Injektorstellung A erfolgt dies über Gräbenabschnitte 2050a, 2051a und
eine Leitung 2061. In der Injektorstellung B erfolgt dies über Grabenabschnitte 2050b und 2051b und
eine Probenspeicherschleife 2010.
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Über eine
Trägergaseinlassöffnung 2003 wird
dem Injektor ein Trägergas
zugeführt,
welches sich verzweigt und in Injektorstellung A einerseits über eine
Leitung 2062 und einen Grabenabschnitt 2054a zu
einem Auslass 2005 geleitet wird, der an die Eingangsseite 2210 einer
Dünnschichttrennsäule 2200 angeschlossen
ist. Andererseits strömt
das Trägergas
von der Einlassöffnung 2003 über einen
Grabenabschnitt 2052a in die Probenspeicherschleife 2010 und
befördert
das dort in der Injektorstellung B abgelegte Probenmaterial in der
Injektorstellung A über
einen Grabenabschnitt 2055a zu einer Öffnung 2004 und von
dort weiter zur Eingangsseite 2410 einer gepackten Trennsäule 2400.
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Das
Probenmaterial durchströmt
die gepackte Trennsäule 2400 und
wird in einem ersten Detektorabschnitt 2310 eines Wärmeleitfähigkeitsdetektors 2300 analysiert.
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Sobald
der Wärmeleitfähigkeitsdetektor 2300 die
leichtflüchtigen
Bestandteile des Probenmaterials analysiert hat, wird der Injektor
in die Stellung B umgeschaltet. Hierdurch wird das Trägergasmaterial
von der Trägergaseinlassöffnung 2003 über einen
Grabenabschnitt 2052b zur Öffnung 2006 geleitet
und strömt
von dort durch den Wärmeleitfähigkeitsdetektor
in die Ausgangsseite 2420 der gepackten Trennsäule 2400.
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Die
gepackte Trennsäule 2400 wird
dadurch rückwärts („Back-Flush") durchströmt und die schwerlöslichen
Bestandteile der Probe aus der gepackten Trennsäule ausgewaschen und über die Öffnung 2004,
einen Grabenabschnitt 2055b der Öffnung 2005 zugeführt, von
wo die schwerflüchtigen Bestandteile
zur Eingangsseite 2210 der Dünnschichttrennsäule 2200 geleitet
werden. Hierdurch werden die schwerflüchtigen Bestandteile in der Dünnschichttrennsäule getrennt
und anschließend
in einem zweiten Detektorabschnitt 2320 des Wärmeleitfähigkeitsdetektors 2300 analysiert.
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Die
Injektorschaltung und der Gaschromatograph nach 3 ermöglicht eine
effiziente Analyse von Proben mit sowohl leicht- als auch schwerflüchtigen
Bestandteilen mittels einer gepackten Trennsäule und einer Dünnschichttrennsäule, ohne
dass die Gefahr bestünde,
dass die gepackte Trennsäule durch
die schwerflüchtigen
Bestandteile kontaminiert und damit unbrauchbar würde.
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4 zeigt
eine dritte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Gaschromatographen
und Injektors für
einen Umschaltungsbetrieb.
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Ebenso
wie in 1 verfügt
der Injektor über eine
Probeneinlassöffnung 3001,
die in beiden Injektorstellungen A, B zu einer Probenauslassöffnung 3002 geleitet
wird, wobei dies in der Injektorstellung A über einen Leitungskanal 3061 erfolgt
und in Injektorstellung B über
eine Probenspeicherschleife 3010 erfolgt.
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Ein
Trägergas
wird über
eine Öffnung 3003 zugeführt und
durchströmt
in Injektorstellung A über einen
Grabenabschnitt 3052a, die Probenspeicherschleife 3010 und
spült Probenmaterial,
welches in der Probenspeicherschleife in der Injektorstellung B gespeichert
wurde, über
einen Grabenabschnitt 3055a zur Eingangsseite 3210 einer
Dünnschichttrennsäule 3200.
Nach Trennung in dieser Dünnschichttrennsäule wird
die Probe in einem Detektor 3310 analysiert.
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Die
leichtflüchtigen
Bestandteile können
von der Dünnschichttrennsäule nicht
getrennt werden und durchlaufen die Dünnschichttrennsäule und
den Detektor 3310 als Paket und werden dem Injektor bei einer Öffnung 3006 zugeführt. Von
dieser Öffnung 3006 werden
die leichtflüchtigen
Bestandteile in Injektorstellung A über eine Leitung 3062 zu
einer Ausgangsöffnung 3005 geleitet
und von dort zur Eingangsseite 3410 einer gepackten Trennsäule 3400 geführt, dort
getrennt und anschließend
in einem Detektor 3320 analysiert.
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Um
zu verhindern, dass auf diesem Weg der leichtflüchtigen Bestandteile von der
Dünnschichttrennsäule zur
gepackten Trennsäule
auch schwerflüchtige
Bestandteile zur gepackten Trennsäule gelangen, welche diese
kontaminieren würden,
wird nach einem definierten Zeitraum nach Durchlauf der leichtflüchtigen
Bestandteile durch den Detektor 3310 der Injektor in die
Injektorstellung B geschaltet.
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Nach
dem definierten Zeitraum haben die leichtflüchtigen Bestandteile bereits
den Injektor passiert und hierauf folgend wird in Injektorstellung
B über
eine zweite Trägereinlassöffnung 3007 ein
Trägergas
zugeführt,
welches über
einen Grabenabschnitt 3054b zur Öffnung 3005 geleitet
wird und von dort die leichtflüchtigen
Bestandteile durch die gepackte Trennsäule zum Detektor 3320 befördert.
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Das
bei der Öffnung 3003 einströmende Trägergas wird
in Injektorstellung B über
die Leitung 3062 zum Auslass 3004 geleitet und
befördert
die schwerflüchtigen
Bestandteile weiter durch die Dünnschichttrennsäule zum
Wärmleitfähigkeitsdetektor 3310 und
tritt nach Durchlauf durch den Wärmeleitfähigkeitsdetektor über einen
Grabenabschnitt 3053b aus einer Öffnung 3008 des Injektors
aus.
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Auf
diese Weise wird ebenfalls, wie bei der Back-Flush-Technik, erreicht,
dass Proben mit sowohl leicht- als auch schwerflüchtigen Bestandteilen analysiert
werden können,
ohne dass die Gefahr besteht, dass die für die Analyse der leichtflüchtigen
Bestandteile erforderliche gepackte Trennsäule durch schwerflüchtige Bestandteile
kontaminiert wird.