DE69228953T2

DE69228953T2 - Elektrosprühvorrichtung zur erzeugung einheitlicher submikrometer tröpfchen

Info

Publication number: DE69228953T2
Application number: DE69228953T
Authority: DE
Inventors: Frank Dorman; Stanley Kaufman; Fahimeh Zarrin
Original assignee: TSI Inc
Current assignee: TSI Inc
Priority date: 1991-09-30
Filing date: 1992-09-30
Publication date: 1999-10-07
Anticipated expiration: 2012-10-01
Also published as: WO1993007465A1; US5247842A; EP0746751A4; DE69228953D1; EP0746751A1; EP0746751B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Analyseeinrichtungen zum Nachweisen und Kennzeichnen von winzigen Teilchen und Makromolekülen, die in Flüssigkeitsproben suspendiert oder gelöst sind, und insbesondere auf eine Einrichtung zum Erzeugen von Tröpfchen der Flüssigkeitsproben mit einer Größe und Einheitlichkeit, um die Effektivität solcher Analyseeinrichtungen zu erhöhen.
Die Fähigkeit, Flüssigkeitslösungen zu analysieren, wird in einer breiten Vielfalt von Gebieten einschließlich Medizin, Pharmazeutika, Herstellung von Polymeren, Farben und Farbstoffen, Umweltwissenschaft und Genetik zunehmend wichtig. Eine Vielfalt von Verfahren einschließlich Atomabsorptionsspektrometrie, Atomemissionsspektrometrie, Spektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma, Lichtstreuung und Massenspektrometrie werden verwendet, um Konzentrationen von gelösten Stoffen, Suspensionen und einem Rest in Flüssigkeitslösungen nachzuweisen, zu kennzeichnen und zu bestimmen. In Verbindung mit diesen Verfahren wird sehr bevorzugt, die Flüssigkeitsprobe typischerweise durch Verwenden eines Sprühers bzw. Zerstäubers in eine Aerosolform umzuwandeln.
Obgleich verschiedene Arten von Zerstäubern einschließlich Ultraschall-, Druckluft-, Fritte- und Thermosprühzerstäuber bekannt sind, wird in vielen Anwendungen ein Elektrosprühzerstäuber aufgrund seiner Fähigkeit, kleine und einheitliche Tröpfchen zu erzeugen, und seiner relativ hohen Effizienz hinsichtlich an einen Detektor abgegebener Probentröpfchen im Vergleich zur Probenaufnahmerate bevorzugt.
Im Elektrosprühzerstäuber wird eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit mit einer gesteuerten Rate einer Kapillarröhre zugeführt. Eine Spannungsdifferential zwischen der Kapillarröhre und einer umgebenden Kammerwand erzeugt ein elektrostatisches Feld, das eine Oberflächenladung in einer aus der Röhre austretenden Flüssigkeit induziert.
Elektrostatische oder "Coulomb"-Kräfte dispergieren die Flüssigkeit in einen feinen Sprühnebel geladener Tröpfchen. Um den Sprühnebel zu erzeugen, wird jedes Tröpfchen nahe der Rayleigh-Grenze geladen (an welchem Punkt die elektrostatische Abstoßung die Oberflächenspannung übertrifft).
Beim Analysieren von Makromolekülen, Kolloiden oder anderen kleinen Teilchen von Interesse werden die Teilchen in einer Flüssigkeit dispergiert, wird die Flüssigkeit in kleine Tröpfchen versprüht, werden die Tröpfchen dann getrocknet, wobei die Teilchen in Aerosolform zurückgelassen werden. Eine beispielhafte Verwendung eines Elektrosprühzerstäubers ist in US-A-5 076 097 offenbart. Ein Gerät zum Messen von Konzentrationen von Makromolekülen und Kolloiden in einer Flüssigkeitsprobe verwendet einen Elektrosprühzerstäuber (electrospray atomizer), um einen Flüssigkeitsanalyt nach Trennung durch ein Flüssigkeitschromatographiesystem zu empfangen. Innerhalb des Zerstäubers lädt ein elektrisches Feld die an der Spitze einer Nadel austretende Flüssigkeit, wodurch die Flüssigkeit in einen feinen Sprühnebel geladener Tröpfchen dispergiert wird. Da von jedem Tröpfchen Lösungsmittel verdampft, nimmt die Ladungsdichte auf der Tröpfchenoberfläche zu, bis die Rayleigh-Grenze erreicht ist. Die resultierende Instabilität läßt das Tröpfchen in kleinere Tröpfchen zerfallen. Die Aerosolabgabe des Elektrosprühzerstäubers wird entweder direkt oder durch Diffusionssiebe, die kleinere Teilchengrößen filtern, an einen Kondensationskernzähler geliefert.
Sogar "reine" Flüssigkeiten enthalten ein wenig nicht- flüchtigen Stoff. Dementsprechend enthält jedes Tröpfchen einen Anteil eines Rests und kann ferner eines der zu untersuchenden Teilchen enthalten. Die Teilchenkonzentration in der Flüssigkeitsprobe und das Volumen der Tröpfchen, wie sie zu Anfang gebildet wurden, werden auf einem Minimum gehalten, um die Erzeugung von "Clustern bzw. Haufen" (Tröpfchen, die zwei oder mehr der zu untersuchenden Teilchen enthalten) zu vermeiden.
Die Größe von Restteilchen hängt von der Restkonzentration und der anfänglichen Tröpfchengröße ab. Zum Bei spiel ergibt ein Verunreinigungspegel von einem Teil pro Million ein Restteilchen von etwa ein Prozent des Durchmessers des ursprünglichen Tröpfchens (unter der Annahme, daß der getrocknete Stoff und die Flüssigkeit ungefähr die gleiche Dichte aufweisen). Ein Zerstäuber, der Tröpfchen mit einem Durchmesser von 10 Mikrometer erzeugt, würde Restteilchen mit einem Durchmesser von etwa 100 Nanometer erzeugen.
Derartige Restteilchen sind belanglos, solange die zu untersuchenden Teilchen relativ groß sind. Restteilchen verursachen jedoch eine wesentliche Störung oder Artefakte, die ein Nachweisen und Kennzeichnen kleinerer Teilchen beeinträchtigen bzw. stören. In vielen der oben erwähnten Gebieten besteht ein starkes Interesse am Untersuchen von Teilchen mit einem Durchmesser von bis zu drei Nanometer, z. B. Makromoleküle und Kolloide, wie beispielsweise synthetische Polymere, Proteine, Viren und Teilchen von Bedeutung in bezug auf ein Instandhalten von Einrichtungen der Halbleiterfertigung. Um Restartefakte zu reduzieren, ist es notwendig, entweder die Konzentration einer nicht- flüchtigen Verunreinigung zu reduzieren oder kleinere Tröpfchen zu erzeugen.
In Anbetracht der Schwierigkeit beim Erzeugen und Handhaben ultrareiner Flüssigkeiten scheint ein Erzeugen kleinerer Tröpfchen die logische Lösung zu sein. Die Coulombkräfte, die verwendet werden, um Tröpfchen zu erzeugen, bewirken jedoch kurz nach einer Bildung auch einen Tröpfchenzerfall. Insbesondere nimmt, da von den Tröpfchen Flüssigkeit verdampft, die Oberflächenladungsdichte auf den Tröpfchen zu, bis die Rayleigh-Grenze erreicht ist, an welchem Punkt die abstoßende Coulombkraft von der gleichen Größenordnung wie kohäsive Kräfte, wie z. B. die Oberflächenspannung, wird. Die resultierende Instabilität läßt das ursprüngliche Tröpfchen, auf das manchmal als das Mutter- oder primäre Tröpfchen verwiesen wird, in kleinere Tröpfchen zerfallen. Das primäre Tröpfchen scheint mehrere kleine Tröpfchen auszustoßen, wobei ein wesentlicher Teil der Gesamtladung entfernt wird. Die Muttertröpfchen und Fragmente verdampfen weiter und können weitere Fragmenta tionen erfahren. Die resultierende Verteilung von Tröpfchengrößen ist breit, d. h. nicht einheitlich.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Einrichtung zum Erzeugen einheitlicher Tröpfchen mit Durchmessern von weniger als einem Mikrometer zu schaffen.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist, ein System zum Nachweisen von Makromolekülen, Kolloiden und anderen Teilchen von Interesse mit Durchmessern im Bereich von 3 - 1000 Nanometer im wesentlichen ohne Störung von Restartefakten zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Quelle einheitlicher Aerosole zum Testen von Teilchennachweis- und Klassifizierungseinrichtungen innerhalb präzis definierter Bereiche von Teilchendurchmessern zu schaffen.
Noch weitere Aufgabe ist, eine Einrichtung zum Bereitstellen einheitlicher Tröpfchen zu schaffen, die ausreichend klein sind, um einzelne individuelle biologische Moleküle, z. B. Nukleinsäuren, Proteine und Kohlenhydrate, für eine spätere Beobachtung zu isolieren.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Um diese und andere Aufgaben zu lösen, wird ein Gerät zum Erzeugen von Aerosolen nach Anspruch 1 geschaffen.
Anspruch 1 sieht ein Gerät vor zum Erzeugen von Aerosolen mit:
einer Elektrosprüheinrichtung (20) mit einem Elektrosprüheinlaß (22) und einem Auslaß (74) zum Empfangen einer Flüssigkeitsprobe am Elektrosprüheinlaß (22) und Erzeugen vieler, im wesentlichen einheitlich großer, elektrisch geladener Tröpfchen der Flüssigkeitsprobe am Auslaß (74); einer Einrichtung (18) zum Zuführen der Flüssigkeitsprobe zur Elektrosprüheinrichtung (20); und einer einen Tröpfchenverdampfungsbereich (24) nahe dem Elektrosprühauslaß (74) definierenden und stromabwärts davon verlaufenden Verdampfungseinrichtung (24) zum Reduzieren der Größe der Tröpfchen durch Verdampfung, während sich die Tröpfchen durch den Verdampfungsbereich (24) stromabwärts bewegen, um ein Aerosol der Probe zu bilden; worin die Verbesserung aufweist:
eine nahe dem Auslaß (74) und entlang dem Verdampfungsbereich (24) angeordnete Ladungsneutralisiereinrichtung (88, 90, 92) zum Reduzieren der elektrischen Ladung jedes Tröpfchens der Flüssigkeitsprobe, während das Tröpfchen die Elektrosprüheinrichtung (20) verläßt, und zum Fortsetzen des Reduzierens der elektrischen Ladung jedes Tröpfchens, während es sich durch den Verdampfungsbereich (24) bewegt, um zu verhindern, daß die Tröpfchen aufgrund abstoßender Coulombkräfte zerfallen.
Die bevorzugte Neutralisiereinrichtung ist eine Quelle ionisierender Strahlung, z. B. radioaktives Polonium, das Alphateilchen emittiert, oder eine Photonenionisationsquelle oder eine andere Quelle von Ionen, wie z. B. eine Koronaentladung. Die Quelle von Ionen ist nahe der Elektrosprühentladung positioniert, so daß die Tröpfchen praktisch sofort bei ihrer Bildung auf die Ionen treffen. Zusätzliche Quellen von Ionen können weiter stromabwärts entlang dem Verdampfungsbereich positioniert sein, so daß die Tröpfchen weiter neutralisiert werden, während sie sich stromabwärts bewegen.
Die Verdampfungseinrichtung umfaßt vorteilhafterweise ein Gehäuse, das eine Verdampfungskammer mit einer Eingangsmündung bzw. -Öffnung unmittelbar stromabwärts der Elektrosprühentladung definiert. Das Gehäuse kann ferner eine Elektrosprühkammer, die der Verdampfungskammer benachbart ist und stromaufwärts dieser liegt, mit der Elektrosprühentladung innerhalb der Elektrosprühkammer definieren. Eine elektrisch leitfähige Platte oder Wand trennt die Verdampfungskammer von der Elektrosprühkammer und ist elektrisch vorgespannt, um die neu gebildeten geladenen Tröpfchen in Richtung der Verdampfungskammer anzuziehen. Die in der Wand angeordnete Eingangsöffnung läßt die Tröpfchen in die Verdampfungskammer ein.
Der Elektrosprühkammer wird vorzugsweise ein Gas zugeführt, und dieses strömt in einer Hülle oder einem Strom durch die Eingangsöffnung in die Verdampfungskammer, um die geladenen Tröpfchen in die Verdampfungskammer zu befördern. Eine Stromführungsplatte innerhalb der Elektrosprühkammer trägt dazu bei, eine etwaige Turbulenz im Gasstrom zu vermindern, wodurch neu gebildete Tröpfchen sanft und effizient von der Elektrosprühentladung in die Verdampfungskammer befördert werden.
Der Zerstäuber wird ferner durch den Zusatz eines Dampfes zur Gashülle verbessert, z. B. durch Hinzufügen des Dampfes zum der Elektrosprühkammer zugeführten Gas. Der Dampf trägt dazu bei, eine Verdampfung der Tröpfchen zu verzögern, was die Möglichkeit für einen Tröpfchenzerfall weiter reduziert. Der Dampf kann Wasserdampf oder eher vorzugsweise Dampf des Lösungsmittel in der Flüssigkeitsprobe sein. Um die Verdampfungsraten weiter zu reduzieren, kann bei einer mäßigen Temperatur, d. h. ohne Vorwärmen, die Luft oder anderes Gas der Verdampfungskammer zugeführt werden.
Elektrostatisch erzeugte Tröpfchen einer Flüssigkeitsprobe haben folglich eine einheitliche Größe (d. h. sind monodispers), nicht nur während sie bei der Elektrosprühentladung gebildet werden, sondern auch während sie sich durch den Verdampfungsbereich zum Zerstäuberausgang bewegen. Die Tröpfchen bewegen sich stromabwärts über den Verdampfungsbereich, während sie einheitlichen Bedingungen ausgesetzt sind, die ihren Zerfall unter Coulombkräften im wesentlichen verhindern. Ein Rayleigh-Zerfall wird verhindert, zuerst indem der Pegel einer elektrischen Ladung in den Tröpfchen gesteuert wird, insbesondere indem die Tröpfchen einer ladungsneutralisierenden Strahlung im wesentlichen sofort bei ihrer Bildung und kontinuierlich ausgesetzt werden, während sie sich entlang dem Verdampfungsbereich bewegen. Die Tröpfchen befördernde Gashülle liefert eine weitere Steuerung beim schnelleren Befördern von Tröpfchen stromabwärts zur neutralisierenden Strahlung, was die Verdampfungsrate pro Einheitsdistanz einer stromabwärtigen Bewegung effektiv vermindert. Eine weitere Steuerung ist die Dampfmenge im Gasstrom, die eine Tröpfchenverdampfung natürlich weiter reduziert.
Die Steuerung von Bedingungen im Zerstäuber, wodurch ein Tröpfchenzerfall verhindert wird, hat einen überraschenden Grad an einer Einheitlichkeit der Größe unter Tröpfchen und anderen Aerosolen ergeben, die durch den Zerstäuber abgegeben werden. Dieses Merkmal erhöht wesentlich die Nützlichkeit und Effektivität des Zerstäubers, insbesondere in Kombination mit bekannten Einrichtungen zum Nachweisen und Kennzeichnen extrem kleiner Teilchen. Zum Beispiel kann der Zerstäuber der vorliegenden Erfindung seine Abgabe an einen Kondensationsteilchenzähler (wie z. B. im US-Patent Nr. 4 790 650 beschrieben) liefern, um Rest-, Meßkonzentrationen von Verbindungen zu überwachen und Verbindungen im Schwellengrößenbereich des Kondensationsteilchenzählers (d. h. 3-1000 nm Durchmesser) nachzuweisen. Der verbesserte Zerstäuber kann als eine Quelle von Teilchen mit einem schmalen, präzis gesteuerten Größenbereich verwendet werden, um einen Filter zu testen oder ein Teilchenmeßinstrument zu kennzeichnen. Der Zerstäuber kann ferner verwendet werden, um kleine und einheitliche Tröpfchen abzulagern, einzelne Moleküle (z. B. Viren, Nukleinsäuren, Proteine und Kohlenhydrate) für eine Analyse durch Verfahren wie z. B. die Rasterkraftmikroskopie (atomic force microscopy) oder Elektronenmikroskopie zu isolieren.
Die Fähigkeit, den Zerstäuber zu steuern und einen Coulomb-Zerfall zu vermeiden, ermöglicht allgemein eine elektrostatische Erzeugung von primären Teilchen mit einer geringeren Größe, als man vorher für machbar hielt. Insbesondere werden primäre Tröpfchen mit Durchmessern im Bereich von etwa 140 bis 860 Nanometer Durchmesser für Restteilchendurchmesser von im wesentlichen weniger als 10 Nanometer unter der Annahme eines Teilchendurchmessers von etwa 1 Prozent des Durchmessers der primären Tröpfchen gebildet. Dementsprechend können unter Verwendung eines gegenwärtig verfügbaren Analysegeräts, wie z. B. des oben erwähnten Kondensationsteilchenzählers, Makromoleküle, Kolloide und andere Teilchen von Interesse mit Durchmessern im Bereich von 10 Nanometer erfolgreich nachgewiesen und gekennzeichnet werden.

IN DEN ZEICHNUNGEN

Für ein weiteres Verständnis der obigen und anderer Merkmale und Vorteile wird auf die folgende ausführliche Beschreibung und auf die Zeichnungen verwiesen, in denen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Systems zum Nachweisen und Kennzeichnen kleiner Teilchen gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 eine Vorderansicht eines im System von Fig. 1 verwendeten Elektrosprühzerstäubers ist;
Fig. 3 eine Schnittansicht ist, die entlang der Linie 3-3 in Fig. 2 gelegt ist;
Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts von Fig. 3 ist;
Fig. 5 eine Schnittansicht ist, die entlang der Linie 5-5 in Fig. 4 gelegt ist;
Fig. 6 eine schematische Ansicht eines alternativen Elektrosprühzerstäubers ist;
Fig. 7 eine schematische Ansicht eines Teilchentrenn- und -nachweissystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist;
Fig. 8 eine schematische Ansicht eines spektrochemischen Teilchenanalysiersystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist; und
Fig. 9 eine schematische Ansicht eines biomedizinischen Teilchenanalysesystems gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Wendet man sich nun den Zeichnungen zu, so ist in Fig. 1 ein System zum Nachweisen und Kennzeichnen von Teilchen mit Durchmessern im Bereich von 3 bis 1000 Nanometer dargestellt. Zu Anfang sind die Teilchen von Interesse Teil einer Flüssigkeitsprobe oder Lösung, die in einem Behälter 16 enthalten ist. Eine Spritzenpumpe 18, die mit der Flüssigkeit vom Behälter beschickt wird, führt die Flüssigkeit einem Elektrosprühzerstäuber 20 mit einer konstanten gesteuerten Rate, z. B. etwa 0,6 Mikroliter pro Minute, zu. Die Flüssigkeit der Probe kann Wasser mit einem flüchtigen Zusatzstoff, z. B. entweder Salpetersäure oder Salzsäure, sein, der in einer vorbestimmten Menge hinzugefügt ist, um die elektrische Leitfähigkeit der Lösung zu steuern. Der pH der Flüssigkeitsprobe liegt typischerweise zwischen vier und fünf. Zum Erhöhen der Leitfähigkeit sind andere Zusatzstoffe geeignet, z. B. Essigsäure und Ammoniumazetat. Der hauptsächliche Grund für ein Erhöhen der Leitfähigkeit ist, dem Zerstäuber 20 zu ermöglichen, kleinere Tröpfchen und somit kleinere Teilchen zu erzeugen.
Der Zerstäuber umfaßt zwei Kammern, eine Elektrosprühkammer 22 und eine Verdampfungskammer 24. Die Spritzenpumpe 18 führt die Flüssigkeit der Elektrosprühkammer zu. Eine andere Eingabe in die Elektrosprühkammer 22 ist eine Zufuhr mit konstanter Rate eines gefilterten Gases, typischerweise Luft. Im einzelnen wird Luft unter Druck in einem Behälter 26 durch ein Ventil 28 an einen Filter 30 und dann über eine Steueröffnung 32 an den Zerstäuber geliefert. Der Filter 30 ist ein plissierter Glasfilter mit hoher Effizienz, der von TSI Incorporated in St. Paul, Minnesota, erhältlich ist und als Modell 3074 bezeichnet wird. Wahlweise kann eine (nicht veranschaulichte) Heizvorrichtung zwischen der kritischen Öffnung 32 und dem Zerstäuber 20 angeordnet sein. Vorzugsweise wird jedoch dem Zerstäuber bei der Verdampfungskammer 24 erhitzte Luft (oder anderes Gas) zugeführt. Wie veranschaulicht ist, wird Luft von einer Versorgung 34 durch ein Ventil 36, einen Filter 38 und eine Steueröffnung 40 zu einer Heizvorrichtung 42 geleitet. Luft von der Heizvorrichtung tritt in die Verdampfungskammer ein, um die Temperatur innerhalb der Kammer 24 bei 32ºC oder mehr zu halten, um eine Verdampfung von Tröpfchen der Flüssigkeitsprobe zu fördern.
Eine Hochspannungsquelle 44 ist mit einer Kapillarnadel 46 des Zerstäubers elektrisch verbunden, während von der Nadel elektrisch isolierte Abschnitte des Zerstäubers mit der Erdung verbunden sind. Unter bestimmten Umständen ist es vorzuziehen, die Nadel zu erden und derartige elektrisch isolierte Abschnitte vorzuspannen. In jedem Fall ist der Schlüssel, eine hohe Potentialdifferenz zwischen der Nadel und den isolierten Abschnitten zu erzeugen.
Die Abgabe des Elektrosprühzerstäubers 20 wird an einen Klassiersieb für Teilchen mit differentiellen Beweglichkeiten (DMPS = differential mobility particle sizer) 48 geliefert, der aus einem elektrostatischen Klassierer 50 und einem Kondensationsteilchenzähler (CPC = condensa tion particle counter) 52 besteht. Ein geeigneter DMPS ist von TSI Incorporated als TSI Modell 390074 erhältlich, der einen elektrostatischen Klassierer TSI Modell 3071 und einen Kondensationsteilchenzähler TSI Modell 3025 (mitunter als Kondensationskernzähler bekannt) umfaßt.
Die Abgabe des Elektrosprühzerstäubers 20 ist ein Aerosol und kann Tröpfchen (mit wesentlich reduzierter Größe, aber jedoch nicht vollständig verdampft), einen nicht- flüchtigen Rest von Tröpfchen, die gelöste Verunreinigungen enthalten hatten, und isolierte, zu untersuchende Teilchen (z. B. Makromoleküle und Kolloide) zusammen mit einem nicht-flüchtigen Rest umfassen. Die Teilchenkonzentration in der Flüssigkeitsprobe ist ausreichend niedrig, und die Größe erzeugter Tröpfchen wird ausreichend klein gehalten, wobei so die Wahrscheinlichkeit einer Erzeugung von Dubletten oder anderen Haufen aus zwei oder mehr Molekülen oder Kolloiden innerhalb eines einzelnen Tröpfchens wesentlich reduziert wird. Für weitere Informationen über dieses Prinzip wird auf die oben erwähnte US-A-5 076 097 verwiesen.
Die Abgabe des Elektrosprühzerstäubers wird an den Klassierer 50 geliefert, der auf der Basis der monotonen Beziehung zwischen elektrischer Beweglichkeit und Größe einfach geladener Teilchen arbeitet. Im Klassierer 50 empfangene Teilchen werden in eine bipolare Ladevorrichtung eingeführt, wo sie mit bipolaren Ionen kollidieren, wobei sie einen Gleichgewichtszustand bekannter Verhältnisse neutraler Teilchen, einfach geladener Teilchen und Teilchen mit mehrfachen Ladungen erreichen. Die Teilchen werden dann zu einem Differential-Beweglichkeits-Analysierer mit zwei konzentrischen Metallzylindern geführt. Die Teilchen und Luft strömen von der Oberseite einer Lücke zwischen den Zylindern nach unten, wobei eine Gleichspannung an den Innenzylinder angelegt ist, während der Außenzylinder geerdet ist. Teilchen der geeigneten Polarität werden zum Innenzylinder angezogen. Teilchen einer vorbestimmten Größe erreichen den Bereich einer engen Öffnung, wo sie durch einen Luftstrom durchgetrieben werden. Kleinere Teilchen haften am Innenzylinder oberhalb der Öffnung, während größere Teilchen weiter unter die Öffnung sinken.
Teilchen, die den elektrostatischen Klassierer 50 verlassen, werden im Kondensationsteilchenzähler 52 nachgewiesen und gezählt. Im Kondensationsteilchenzähler bewegen sich die Teilchen durch einen mit einem Dampf, z. B. n- Buthylalkohol, gesättigten Bereich. Der Teilchenstrom wird dann ausreichend gekühlt, um den Dampf zu übersättigen, woraufhin Dampf auf die Teilchen kondensiert, wobei Aerosoltröpfchen gebildet werden, die einen viel größeren Durchmesser als die in den CPC eintretenden Teilchen aufweisen. Stromabwärts des Verflüssigers werden die Aerosoltröpfchen durch einen optischen Detektor nachgewiesen, der einen Laser und eine zugeordnete Optik umfaßt. Für weitere Informationen über den CPC wird auf das US-Patent Nr. 4 790 650 (Keady) verwiesen, das dem Bevollmächtigten dieser Anmeldung übertragen wurde.
Die Ausgabe des CPC ist ein elektrisches Signal, das auf Teilchen anspricht, die durch ein durch den Laser und die Optik definiertes Beobachtungsvolumen durchgehen. Das Signal wird an einen Mikrocomputer 54 geliefert, der die Daten analysiert und den Klassierer und den CPC steuert. Ein geeigneter Mikrocomputer wie der Personal Computer IBM XT Modell 286 ist von der International Business Machines Corporation erhältlich. Ein herausragendes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Art und Weise, in der der Elektrosprühzerstäuber 20 die Leistungsfähigkeit des DMPS 48 steigert, insbesondere durch Liefern eines Aerosols, das aus einheitlich großen Tröpfchen oder Teilchen besteht. Der hohe Grad an Einheitlichkeit ist in erster Linie das Ergebnis des Zerstäuberaufbaus, wie er in den Fig. 2-5 veranschaulicht ist, obgleich stabilisierte Eingaben in den Zerstäuber die Einheitlichkeit erhöhen können.
Verschiedene Abschnitte des Zerstäubers sind aneinander befestigt, um ein fluiddichtes Gehäuse zu schaffen. Diese Abschnitte umfassen einen Elektrosprühzylinder 56, einen Verdampfungszylinder 58, einen Kapillarbefestigungsabschnitt 60 und einen Ausgangsendabschnitt 62, der dem Kapillarbefestigungsabschnitt gegenüberliegt. Alle Abschnitte sind vorzugsweise aus Messing, rostfreiem Stahl oder einem anderen Metall aufgebaut und mit rechteckigen Rillen versehen, wie z. B. bei 64 angezeigt ist, um Dichtungsringe unterzubringen. Eine kreisförmige Platte 66, ebenfalls aus Messing oder rostfreiem Stahl, ist zwischen dem Elektrosprüh- und Verdampfungszylinder angebracht, um eine elektrisch leitfähige Wand zwischen der Elektrosprühkammer 22 und Verdampfungskammer 24 zu schaffen. Eine Öffnung 68 mit einem Durchmesser von ungefähr 4,6 mm (0,18 Inches) befindet sich bei der Mitte der Platte 66. Eine Öffnung 69 durch den Verdampfungszylinder 58 läßt erwärmte und gefilterte Luft in die Verdampfungskammer ein. Weitere Öffnungen können nach Wunsch vorgesehen sein.
Der Endabschnitt 60 trägt, wenn er durch Schrauben am Elektrosprühzylinder 56 befestigt ist, eine Kapillarnadel 46 in einer konzentrischen Ausrichtung mit der Elektrosprühkammer. Die Kapillarnadel ist im einzelnen innerhalb eines länglichen zylindrischen Metallgehäuses 70 angebracht, das durch einen isolierenden Mantel 72 umgeben ist, der aus einem Material aufgebaut ist, das der Festigkeit wegen ausgewählt wurde, z. B. ein Azetal der Marke Delrin (ein Kunststoff), das von DuPont erhältlich ist. Die Kapillarnadel, das Gehäuse und der Mantel sind innerhalb des Endabschnitts 60 untergebracht, wobei der Mantel die Kapillarnadel vom Aluminiumgehäuse elektrisch isoliert. Die Kapillarnadel 46 ist länglich und mit einem Außendurchmesser von etwa 0,5 mm (0,02 Inches) und einem Innen-(Lumen)-Durchmesser von etwa 50 Mikrometer zum Bilden kleiner Tröpfchen geeignet. Ein Auslaß 74 der Nadel ist ungefähr 5,6 mm (0,22 Inches) stromaufwärts der Platte 66 konzentrisch mit der Öffnung 68 positioniert.
Der Endabschnitt 60 weist drei Segmente auf, die eine Endkappe 76, einen schmalen Schaft 78 und eine Strömungsführungsplatte 80 umfassen. Der Schaft ist mit einer Öffnung 82 durch den Elektrosprühzylinder 56 ausgerichtet, durch die die gefilterte Luft in die Elektrosprühkammer eintritt. Wie man in Fig. 5 sieht, sind mehrere Führungsaperturen 84 mit einem Durchmesser von 1 mm (0,04 Inches) durch die Führungsplatte 80 in einem Muster konzentrischer Kreise um die Kapillarnadel 46 gebildet. Die Führungsaperturen 84 wirken zusammen, um den Luftstrom zu kanalisieren, um eine Luft-"Hülle" zu bilden, die die Kapillarnadel 46 umgibt und entlang der Nadel und durch die Öffnung 68 in die Verdampfungskammer 24 strömt. Die Führungsaperturen 84 reduzieren wesentlich eine Turbulenz im Gasstrom, was eine erhöhte Stromgeschwindigkeit gestattet, wodurch die Gashülle geladene Tröpfchen schneller in die Verdampfungskammer transportiert.
Die Elektrosprühkammer 22 umfaßt nahe der Platte 66 einen radial vergrößerten Bereich 86. Entlang diesem Bereich ist ein Streifen 88 aus radioaktivem Polonium am Zylinder 56 angebracht und liefert eine Quelle ionisierender Strahlung innerhalb der Elektrosprühkammer, insbesondere entlang dem Bereich zwischen dem Auslaß 74 und der Öffnung 68. Ähnliche Streifen sind am Verdampfungszylinder wie bei 90 und 92 angezeigt angebracht und liefern ionisierende Strahlung über die ganze Verdampfungskammer. Die Ionen treffen auf die Probentröpfchen, die am Auslaß 74 erzeugt wurden, und reduzieren ihre elektrische Ladung, wobei sie dazu führen, die Tröpfchen zu neutralisieren. Aufgrund des Vorhandenseins des Streifens 88 treffen die Tröpfchen praktisch sofort bei ihrer Bildung auf die Ionen, was die Möglichkeit für einen Tröpfchenzerfall aufgrund von Coulombkräften minimiert.
Die Streifen 90 und 92 liefern ionisierende Strahlung in der Verdampfungskammer, um einen Coulomb-Zerfall zu verhindern, während sich Tröpfchen der Probe durch die Verdampfungskammer bewegen, und zu dem weiteren Zweck, zu verhindern, daß die Tröpfchen am Verdampfungszylinder hängen bleiben.
Man hat festgestellt, daß allein ein Anbringen von Strahlungsquellen am Verdampfungszylinder eine ausreichende Neutralisierung liefert, falls eine Quelle der Strahlung ausreichend stromaufwärts positioniert ist, um beträchtliche Strahlung bei der Öffnung 68 zu liefern. Es ist auch zu erkennen, daß andere Ionenquellen als Poloniumstreifen verwendet werden können, z. B. Koronaeritladungsquellen 94, 96 und 98, wie in einem Zerstäuber 100 (Fig. 6) angegeben ist, eine Photonenionisationsquelle oder irgendein anderes radioaktives Material, das Alphateilchen oder Betateilchen emittiert.
Wenn der Elektrosprühzerstäuber 20 verwendet werden soll, wird eine Spannungsquelle 44 angeschlossen, um die Kapillarnadel 46 auf eine vorbestimmte Spannung im Bereich von etwa 1,5-10 Kilovolt oder eher vorzugsweise 2-3 Kilovolt vorzuspannen. Die Spritzenpumpe 18 führt diese Probenlösung mit einer konstanten Rate von etwa 0,6 Mikroliter pro Minute zu. Der Elektrosprühkammer 22 wird mit der Rate von etwa 2,5 Liter pro Minute gefilterte Luft zugeführt. Die angelegte Spannung erzeugt ein elektrisches Feld zwischen der Kapillarnadel 46 und der umgebenden geerdeten Struktur, insbesondere zwischen dem Auslaß 74 und der Platte 66. Während die Probenlösung am Auslaß austritt, wird die Oberfläche der Flüssigkeit geladen, wobei Coulombkräfte schließlich kohäsive Kräfte, wie z. B. die Oberflächenspannung, übertreffen, wodurch bewirkt wird, daß ein primäres Tröpfchen von der in der Nadel zurückbleibenden Flüssigkeit abreißt. Vielfache Wiederholungen dieses Phänomens erzeugen einen Nebel aus Lösungströpfchen, die einen im wesentlichen einheitlichen Durchmesser aufweisen. Die primären Tröpfchen werden aufgrund ihrer Ladung zur Platte 66 angezogen und durch die Öffnung 68 in der Lufthülle befördert.
Beinahe sofort, während sie aus der Kapillarnadel 46 austreten, beginnen die Lösungströpfchen aufgrund einer Verdampfung des flüchtigen Lösungsmittels der Probenlösung zu schrumpfen. Falls jedes der Tröpfchen seine elektrische Ladung zurückbehalten würde, würde die Oberflächenladungsdichte natürlich zunehmen, während die Tröpfchengröße reduziert wird. Schließlich würden Coulombkräfte kohäsive Kräfte, wie z. B. die Oberflächenspannung, übertreffen, was bewirkt, daß jedes Tröpfchen in eine Mehrzahl kleinerer Tröpfchen zerfällt. Der Coulomb-Zerfall, der im allgemeinen im gesamten Aerosol auftritt, würde die Einheitlichkeit der Größe der Tröpfchen zerstören.
Die Poloniumstreifen und die Führungsplatte 80 sind die Merkmale, die verwendet werden, um Bedingungen innerhalb des Zerstäubers zu steuern, um so den Coulomb-Zerfall zu verhindern. Im einzelnen reduzieren durch die Alphateilchenstrahlung erzeugte Ionen die Ladung jedes Tröpfchens, während es in der Größe reduziert wird, was eine andernfalls schnelle Zunahme der Ladungsdichte an der Oberfläche jedes Tröpfchens verzögert. Die Führungsplatte kanalisiert und steuert den Luftstrom, was eine Lufthülle mit höherer Geschwindigkeit ermöglicht. Folglich werden Tröpfchen schneller zum Verdampfungsbereich befördert, wodurch die Verdampfungsrate pro Einheitslänge der Aerosolbewegung effektiv reduziert wird. Als Folge dieser Merkmale behalten die geladenen Tröpfchen eine einheitliche Größe nicht nur innerhalb der Elektrosprühkammer 22, sondern über ihre gesamte Bewegung über die Verdampfungskammer 24 hinweg bei, so daß ein monodisperses Aerosol dem Klassiersieb für Teilchen mit differentiellen Beweglichkeiten oder einem anderen Instrument präsentiert wird. Tatsächlich ist es die Einheitlichkeit der Teilchengröße der Zerstäuberabgabe, die eine Verwendung des DMPS anstelle des Chromatographiesystems und CPC, die in US-A-5 076 097 beschrieben sind, für ein schnelleres, weniger umständliches System erlaubt, das eine verbesserte Auflösung bietet.
Fig. 7 veranschaulicht einen Elektrosprühzerstäuber 102 in einem System, das mit einer Teilchentrennung auf der Basis einer Flüssigkeitschromatographie verbunden ist. Die Abgabe eines Flüssigkeitschromatographiesystems 104, d. h. eine getrennte Flüssigkeitsprobenlösung, wird mit einer gesteuerten Rate an den Elektrosprühzerstäuber 102 geliefert, der dem Zerstäuber 20 im wesentlichen identisch ist und eine Elektrosprühkammer 106 und eine Verdampfungskammer 108 aufweist. Eine Luftversorgung 110, ein Ventil 112, ein Filter 114 und eine Steueröffnung 116 werden beim Liefern gefilterter Luft an die Elektrosprühkammer verwendet. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung bewegt sich Luft auf ihrem Weg zum Zerstäuber von der kritischen Öffnung durch eine Kammer 118. Ein Poloniumstreifen 120 oder eine andere geeignete Quelle ionisierender Strahlung, die innerhalb der Kammer 118 angebracht ist, erzeugt bipolare Ionen innerhalb der Kammer. Diese Ionen werden entlang dem Luftstrom und der Hülle getrieben, die eine Kapillarnadel 122 des Zerstäubers umgeben, um so eine Fragmentation der Tröpfchen im frühestmöglichen Stadium zu verhindern. Dies verhindert den Verlust von Tröpfchen an die Wände der Elektrosprühkammer 106.
Weitere Poloniumstreifen 124 und 126 sind innerhalb der Verdampfungskammer 108 positioniert. Im Hinblick auf den Poloniumstreifen 120 ist ein ähnlicher Streifen innerhalb der Elektrosprühkammer nicht notwendig, obwohl ein Streifen in der Kammer 106 nach Wunsch genutzt werden könnte. Die Zerstäuberabgabe wird an einen Diffusionssieb 128 und dann an einen Kondensationsteilchenzähler 130 geliefert.
Fig. 8 veranschaulicht ein System einer weiteren Ausführungsform, bei dem Teilchen einer spektrochemischen Analyse unterzogen werden. Im einzelnen dosiert eine Spritzenpumpe 132 eine Flüssigkeitsprobenlösung, die von einem Behälter 134 geladen wird, in eine Elektrosprühkammer 136 eines Elektrosprühzerstäubers 138. Wie zuvor wird Luft von einer Versorgung 140 durch ein Ventil 142 zu einem Filter 144 geleitet. Vom Filter 144 wird die Luft jedoch an einen geschlossenen Behälter 146 geliefert, der eine Flüssigkeit 148 enthält. Den Behälter verlassende Luft enthält somit einen Dampf der Flüssigkeit. Die dampfhaltige Luft bewegt sich durch eine Steueröffnung 150 und in die Elektrosprühkammer 136. Ionisationstrahlungsquellen 152, 154 und 156 im Zerstäuber verhindern in der vorher beschriebenen Art und Weise eine Coulomb-Fragmentation.
Die Abgabe des Elektrosprühzerstäubers 138 wird an einen spektrochemischen Aufbau 158 geliefert, der Instrumente für bekannte spektrochemische Verfahren umfassen kann, wie z. B. eine Spektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma, Atomabsorptionsspektrometrie und Atomemissionsspektrometrie.
Fig. 9 veranschaulicht ein System zum Untersuchen individueller biologischer Moleküle, z. B. Nukleinsäuren, Proteine, Kohlenhydrate und Viren. Die Moleküle von Interesse sind in einem Flüssigkeitsmedium, wie z. B. Wasser, Alkohol oder einem Puffer, dispergiert. Die im wesentlichen aus dem Medium und der Moleküldispersion von einem Behälter 160 bestehende Lösung wird unter Verwendung einer Spritzenpumpe 166 mit einer konstanten Rate einer Kammer 162 eines Elektrosprühzerstäubers 164 zugeführt. Moleküle der Enzymphosphorylasekinase können z. B. in einem 0,1 millimolaren Trisaminomethan (THAM) (tris buffer) mit einer spezifischen Leitfähigkeit von 64 Mikrosiemens/cm und ei nem pH von 7 zu diesem Zweck vorbereitet werden. Der Elektrosprühkammer wird wie allgemein bei 168 angegeben auch gefilterte Luft zugeführt, und eine Zufuhr erhitzter und gefilterter Luft ist zum Zerstäuber vorgesehen, wie man bei 170 sieht. Eine Hochspannungsquelle 174 spannt eine Kapillarnadel 176 auf einen vorbestimmten Pegel vor, während die umgebende Struktur geerdet ist.
Der Elektrosprühzerstäuber 164 unterscheidet sich von vorher beschriebenen Zerstäubern insofern, als er statt getrennter Elektrosprüh- und Verdampfungskammern eine einzige Kammer definiert. Eine Strömungsführungsplatte 178 ist stromaufwärts des Nadelauslasses angebracht, wodurch die gefilterte Luft eine die Nadel umgebende Hülle bildet. Falls erwünscht, kann die Luft vorgewärmt und auch mit Wasserdampf oder einem Dampf des Flüssigkeitsmediums befeuchtet werden. Eine relativ große Öffnung 180 ist in einer stromabwärtigen Endwand 182 des Zerstäubers gebildet.
Eine Graphitplatte 184 ist auf einer Metallträgerstange 186 angebracht und unmittelbar stromabwärts der Ausgangsöffnung positioniert. Die Platte und Trägerstange sind geerdet, wodurch Tröpfchen der Probenlösung zur Platte angezogen und auch durch die Lufthülle in Richtung der Platte befördert werden. Ein Motor 188 dreht die Platte 184 über die Stange 186 um eine Achse durch die Mitte der Stange, was dazu führt, die Verteilung gesammelter Tröpfchen über der Oberfläche der Platte auszugleichen.
Der verschiedene Aufbau des Zerstäubers 164 eignet sich zu diesem Zweck. Im einzelnen werden die Tröpfchen absichtlich nicht verdampft, um das Aerosol vollständig zu trocknen. Vielmehr wird zumindest zu Anfang genügend Medium zurückgehalten, um das zu untersuchende Molekül zu umgeben und zu tragen.
Nach der Ablagerung wird die Platte 184 von der Stange 186 entfernt. Individuelle Moleküle werden z. B. unter Verwendung der Rasterkraftmikroskopie, Rastertunnelmikroskopie oder Transmissionselektronenmikroskopie analysiert.
Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, daß der Elektrosprühzerstäuber einen bislang unerreichten Grad von Steuerung über die Zerstäuberabgabe hinsichtlich der Aerosolgröße und -einheitlichkeit liefert. Faktoren, wie z. B. die Leitfähigkeit der Flüssigkeitslösungsprobe, Durchflußleistung, mit der die Probe dem Zerstäuber zugeführt wird, und die Spannung, die angelegt wird, um das elektrische Feld zu bilden, steuern den Durchmesser von primären Tröpfchen. Insbesondere kann die Tröpfchengröße durch Erhöhen der Leitfähigkeit der Lösung, Erhöhen der Nadel/Plattenspannung und Reduzieren der Flüssigkeits-Durchflußleistung reduziert werden. Die folgende Tabelle experimenteller Ergebnisse veranschaulicht den Effekt von Änderungen in der Durchflußleistung und Leitfähigkeit auf die Tröpfchengröße:
In der Praxis kann die für eine gegebene Tröpfchengröße und Durchflußleistung erforderliche Leitfähigkeit in Abhängigkeit von den beteiligten Lösungsmitteln z. B. über einen Bereich von etwa 10 - 100000 Mikrosiemens pro Zentimeter sehr variieren.
Wird die einheitliche Verteilung des Rests über eine Flüssigkeitsprobe angenommen, zeigt die Größe getrockneter Restteilchen eine ähnliche Einheitlichkeit und ist der gleichen Steuerung unterworfen. Folglich kann ein Zerstäuber des offenbarten Typs als eine Quelle einheitlich großer Teilchen über verschiedene Bereiche und Niveaus von Größen verwendet werden, um einen Filter zu testen und ein Teilchen analysierendes Instrument, wie z. B. einen Kondensationsteilchenzähler, zu kennzeichnen.
Folglich wird ein Elektrosprühzerstäuber zum Erzeugen von primären Tröpfchen einheitlicher Größe und mit einem Durchmesser von im wesentlichen unterhalb einem Mikrometer geschaffen. Primäre Tröpfchen werden kurz nach ihrer Bil dung neutralisierender Strahlung ausgesetzt, um einen Rayleigh-Zerfall zu verhindern und dadurch trotz Verringerung der Tröpfchengröße infolge einer Lösungsmittelverdampfung einen hohen Grad an Einheitlichkeit der Größe aufrechtzuerhalten. Der Zerstäuber erzeugt somit ein Aerosol kleinerer Teilchen mit einheitlicherer Größe. Die Leistungsfähigkeit von Teilchen analysierenden Instrumenten, die die Zerstäuberabgabe empfangen, wird erheblich verbessert, und der Zerstäuber kann eine Quelle einheitlich großer Teilchen zum Testen solcher Instrumente liefern.

Claims

1. Gerät zum Erzeugen von Aerosolen mit:

einer Elektrosprüheinrichtung (20) mit einem Elektrosprüheinlaß (22) und einem Auslaß (74) zum Empfangen einer Flüssigkeitsprobe am Elektrosprüheinlaß (22) und Erzeugen mehrerer, im wesentlichen einheitlich großer, elektrisch geladener Tröpfchen der Flüssigkeitsprobe am Auslaß (74); einer Einrichtung (18) zum Zuführen der Flüssigkeitsprobe zur Elektrosprüheinrichtung (20); und einer einen Tröpfchenverdampfungsbereich (24) nahe dem Elektrosprühauslaß (74) definierenden und stromabwärts davon verlaufenden Verdampfungseinrichtung (24) zum Reduzieren der Größe der Tröpfchen durch Verdampfung, während sich die Tröpfchen durch den Verdampfungsbereich (24) stromabwärts bewegen, um ein Aerosol der Probe zu bilden; worin die Verbesserung aufweist:

eine nahe dem Auslaß (74) und entlang dem Verdampfungsbereich (24) angeordnete Ladungsneutralisiereinrichtung (88, 90, 92) zum Reduzieren der elektrischen Ladung jedes Tröpfchens der Flüssigkeitsprobe, während das Tröpfchen die Elektrosprüheinrichtung (20) verläßt, und zum Fortsetzen des Reduzierens der elektrischen Ladung jedes Tröpfchens, während es sich durch den Verdampfungsbereich (24) bewegt, um zu verhindern, daß die Tröpfchen aufgrund abstoßender Coulombkräfte zerfallen.

2. Gerät nach Anspruch 1, worin:

die Verdampfungseinrichtung (24) ein Gehäuse (58) enthält, das eine Verdampfungskammer (24) mit einer Eingangsöffnung (68) und einem Ausgang (62) definiert und den Verdampfungsbereich liefert.

3. Gerät nach Anspruch 2, worin:

das Gehäuse (56, 58) ferner eine der Verdampfungskammer (24) benachbarte Elektrosprühkammer (22) definiert, wobei der Auslaß (74) innerhalb der Elektrosprühkammer (22) liegt; und

worin das Gehäuse (56, 58) ferner eine elektrisch leitfähige Wand (66) enthält, die die Verdampfungskammer (24) von der Elektrosprühkammer (22) trennt und elektrisch vorgespannt ist, um die elektrisch geladenen Tröpfchen zur Verdampfungskammer (24) hin anzuziehen, und die Eingangsöffnung (68) in der elektrisch leitfähigen Wand (66) angeordnet ist.

4. Gerät nach Anspruch 2 oder 3, worin:

die Neutralisiereinrichtung (88, 90, 92) eine erste Ionenerzeugungseinrichtung (90) in der Verdampfungskammer (24) nahe der Eingangsöffnung (68) enthält.

5. Gerät nach Anspruch 4, worin:

die Neutralisiereinrichtung (88, 90, 92) ferner eine zweite Ionenerzeugungseinrichtung (88) enthält, die in der Elektrosprühkammer (22) angeordnet ist.

6. Gerät nach Anspruch 4, worin:

die Ionenerzeugungseinrichtung (88, 90, 92) zumindest eine der folgenden aufweist: ein Alphateilchen emittierendes radioaktives Material, ein Betateilchen emittierendes radioaktives Material, eine Koronaentladungsquelle und eine Photonenionisationsquelle.

7. Gerät nach einem der Ansprüche 3 bis 6, ferner mit:

einer Einrichtung (26, 28, 30, 32) zum Zuführen eines Gases zur Elektrosprühkammer (22) und Einströmen eines Stroms von der Elektrosprühkammer (22) in die Verdampfungskammer (24), um dadurch dazu beizutragen, daß die elektrisch geladenen Tröpfchen in die Verdampfungskammer (24) befördert werden.

8. Gerät nach Anspruch 7, ferner mit:

einer Einrichtung (84) in der Elektrosprühkammer (22), um die Turbulenz des Gasstroms im wesentlichen zu reduzieren.

9. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit:

einer Einrichtung (26, 28, 30, 32, 80) zum Verzögern der Verdampfungsrate der Flüssigkeit.

10. Gerät nach Anspruch 9, worin:

die Einrichtung zum Verzögern der Verdampfungsrate Mittel (140, 142, 144, 146, 148, 150) zum Einführen von Dampf der Flüssigkeit in den Verdampfungsbereich (24) enthält.

11. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit:

einer Einrichtung (26, 28, 30, 32, 80) zum Vorsehen eines Gasstroms entlang der Elektrosprüheinrichtung (20) zum Befördern der elektrisch geladenen Tröpfchen stromabwärts durch den Verdampfungsbereich (24).

12. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin:

die Elektrosprüheinrichtung (20) eine langgestreckte Kapillarnadel (46) enthält, die ein langgestrecktes Lumen mit einer Einlaßöffnung und einer Austrittsöffnung (74) an gegenüberliegenden Enden der Kapillarnadel (46) definiert, wobei die Austrittsöffnung (74) den Auslaß liefert.

13. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit:

einer Analysiereinrichtung (48, 130, 158), die stromabwärts des Verdampfungsbereichs (24) angeordnet ist, um das Aerosol zu empfangen.

14. Gerät nach Anspruch 13, worin:

die Analysiereinrichtung (48, 130, 158) eine Teilchentrenneinrichtung (50) und eine Teilchenzähleinrichtung (52) enthält, die stromabwärts der Teilchentrenneinrichtung (50) angeordnet ist.

15. Gerät nach Anspruch 14, worin:

die Teilchentrenneinrichtung (50) Teilchen des Aerosols auf der Basis elektrischer Beweglichkeit der einzelnen Teilchen trennt.

16. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, ferner mit:

einer Teilchenzähleinrichtung (52), die stromabwärts des Verdampfungsbereichs (24) angeordnet ist, um das Aerosol zu empfangen.

17. Gerät nach einem der Ansprüche 14 bis 16, worin:

die Teilchenzähleinrichtung (52) ein Kondensationsteilchenzähler ist.

18. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, ferner mit:

einer Aerosolsammeleinrichtung (184), die nahe dem Verdampfungsbereich (24) und stromabwärts davon angeordnet ist.

19. Gerät nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, worin:

die Aerosolsammeleinrichtung eine elektrisch geladene Platte (184) aufweist.

20. Gerät nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, worin:

die Trenneinrichtung einen elektrostatischen Klassierer (50) aufweist.

21. Verfahren zum Bilden mehrerer Submikrometertröpfchen mit im allgemeinen einheitlicher Größe mit den Schritten:

Liefern einer Flüssigkeitsprobe mit einer gleichbleibenden Zufuhrrate an eine Elektrosprühvorrichtung (20) und Erzeugen mehrerer, im wesentlichen einheitlich großer, elektrisch geladener Tröpfchen der Flüssigkeitsprobe an einem Auslaß (74) der Elektrosprühvorrichtung (20);

Transportieren der elektrisch geladenen Tröpfchen stromabwärts des Auslasses (74) durch einen Verdampfungsbereich (24), um die Größe der Tröpfchen durch Verdampfung steuerbar zu reduzieren, während sich die Tröpfchen durch den Verdampfungsbereich (24) bewegen;

während dieses Transportierens der Tröpfchen, Reduzieren der elektrischen Ladung jedes Tröpfchens, während es aus dem Auslaß austritt, und anschließendes kontinuierliches Reduzieren der elektrischen Ladung jedes Tröpfchens, während es so transportiert wird, um zu verhindern, daß das Tröpfchen aufgrund abstoßender Coulombkräfte zerfällt.

22. Verfahren nach Anspruch 21, worin:

die Flüssigkeitsprobe eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit und ein im wesentlichen nicht flüchtiges Material enthält, das in der ganzen Flüssigkeit im wesentlichen gleichmäßig dispergiert ist, wodurch die elektrisch geladenen Tröpfchen die Flüssigkeit und einen nicht flüchtigen Rest enthalten, der im wesentlichen aus dem Material besteht.

23. Verfahren nach Anspruch 22, worin:

der Schritt des steuerbaren Reduzierens der Größe der Tröpfchen ein Verdampfen von im wesentlichen der gesamten elektrisch leitfähigen Flüssigkeit einschließt, um Teilchen aus dem nicht flüchtigen Rest zu bilden.

24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, ferner mit dem Schritt eines:

Verzögerns der Verdampfungsrate der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit, während die Tröpfchen sich durch den Verdampfungsbereich (24) bewegen.

25. Verfahren nach Anspruch 24, worin:

die elektrisch leitfähige Flüssigkeit ein Lösungsmittel ist und der Schritt des Verzögerns der Verdampfungsrate ein Zuführen eines Gasstroms zum Verdampfungsbereich (24) einschließt, wobei der Gasstrom Dampf des Lösungsmittels enthält.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, mit dem weiteren Schritt eines:

Steuerns der spezifischen Leitfähigkeit der Flüssigkeitsprobe, wodurch die Leitfähigkeit innerhalb des Bereichs von etwa 10 Mikrosiemens/cm (engl. micromhos/cm) bis 100000 Mikrosiemens/cm liegt.

27. Verfahren nach Anspruch 26, worin die elektrisch leitfähige Flüssigkeit Wasser und einen flüchtigen, ionisierbaren gelösten Stoff enthält.