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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Entgasen von Flüssigkeiten.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Entgasen
von Flüssigkeiten
in einem Flüssigkeitschromatographen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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In
der Flüssigkeitschromatographie
werden Entgaser eingesetzt, um die Menge der in Lösungsmitteln
gelösten
Gase zu verringern. Die in der Flüssigkeitschromatographie verwendeten
Lösungsmittel stehen
während
der Aufbewahrung üblicherweise
mit der Umgebungsluft in Verbindung, sodass sie sich normalerweise
mit Gas gesättigt
sind. Diese gelösten Gase
beeinflussen die chromatographischen Messungen negativ.
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Bei
Verwendung eines Flüssigkeitsgemisches,
zum Beispiel von Alkohol/Wasser, kann die Löslichkeit der Gase im Gemisch
geringer sein als in den einzelnen darin enthaltenen Flüssigkeiten.
Das führt
zur Bildung von Gasblasen, die sich nachteilig auf die Stabilität der Strömung im
System und auf die Zusammensetzung der Lösungsmittel auswirken. Dieser
Effekt ist bei Niederdruckmischsystemen von besonderer Bedeutung.
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In
einem Lösungsmittel
gelöster
Sauerstoff wirkt sich negativ auf die Nachweisempfindlichkeit aus.
Bei der UV-Detektion macht sich die hohe Löslichkeit des Sauerstoffs in
den Eluenten bemerkbar, und starke Schwankungen der Sauerstoffkonzentration
können
bei Wellenlängen
unterhalb 260 nm zu starkem Signalrauschen führen. Das starke Absorptionsvermögen kann
sogar zur Messung des Sauerstoffgehaltes genutzt werden.
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Die
Fluoreszenz wird durch die Anwesenheit von Sauerstoff gedämpft, sodass
die Fluoreszenzdetektion unterdrückt
werden kann. Aus diesem Grund können
empfind liche Messungen mit einem Fluoreszenzdetektor nur unter Verwendung
entgaster Lösungsmittel
durchgeführt
werden.
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Außer der
Beeinflussung der Detektion durch die gelösten Gase stellen chemische
Reaktionen der gelösten
Gase mit den Eluenten ein Problem dar. Das kann insbesondere bei
biologischen Analysen die Analyseergebnisse negativ beeinflussen.
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Wegen
der oben erwähnten
negativen Auswirkungen gelöster
Gase auf die Analyseergebnisse müssen
die verwendeten Flüssigkeiten
unbedingt entgast werden. In der Technik sind verschiedene Entgasungsverfahren
bekannt, zum Beispiel das Erhitzen, das Sieden, die Ultraschallentgasung,
die Heliumentgasung und die Vakuumentgasung.
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In
der US-Patentschrift 4 469 495 wird ein Entgaser für die Flüssigkeitschromatographie
zum Entfernen von Sauerstoff oder anderen gelösten Gasen aus Flüssigkeiten
beschrieben, bei dem die zu entgasende Flüssigkeit durch ein spiralförmiges Rohr geleitet
wird. Diese Rohr besteht aus einem Kunststoffmaterial wie beispielsweise
Polytetrafluorethylen. In der US-Patentschrift 4 729 773 wird eine
Vorrichtung zum Entgasen von Flüssigkeiten
beschrieben, bei welcher die Flüssigkeit
durch ein Rohr aus einem fluorhaltigen Kunststoff geleitet wird,
welches für
Gase durchlässig,
für die
Flüssigkeit
aber undurchlässig
ist. Aus der US-Patentschrift 3 751 879 und der US-Patentschrift 3 735
562 sind Entgaser bekannt, die ebene Membranen verwenden. Bekannte Entgaser
sind of schwierig herzustellen und zu bedienen und somit kostenaufwändig, und
ihre Entgasungswirkung kann je nach Art des zu entgasenden Lösungsmittels
verschieden sein. Ein weiterer Entgaser, der eine ebene Membran
verwendet, ist aus der Europäischen
Patentschrift
EP 718 016 bekannt.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
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Ausgehend
vom Stand der Technik besteht eine Aufgabe der Erfindung darin,
eine Vorrichtung zum Entgasen von Flüssigkeiten bereitzustellen,
die bei gleicher oder besserer Entgasungswirkung wesentlich kleiner
als bekannte Entgaser ist.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Entgaser bereitzustellen,
der in Miniaturausführung
hergestellt und in einen Flüssigkeitschromatographen
integriert werden kann und der nur ein sehr kleines Totvolumen aufweist.
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Diese
Aufgaben werden gemäß der Erfindung
durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
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Der
Mikroentgaser der vorliegenden Erfindung, der vorzugsweise in Verbindung
mit einem Flüssigkeitschromatographen
verwendet werden kann, weist ein sehr kleines Totvolumen auf, wodurch sich
die Wartezeit zwischen dem Einschalten des Chromatographen und der
ersten Messung stark verkürzt.
Bei einem praktischen Beispiel ist das Totvolumen zehnmal kleiner
als bei herkömmlichen
Entgasern mit vergleichbarer Entgasungswirkung. Der Mikroentgaser
kann zwischen dem Lösungsmittelbehälter und
der Hochdruckpumpe des Flüssigkeitschromatographen
angeordnet oder direkt am Lösungsmittelbehälter wie
beispielsweise einer Lösungsmittelflasche
angebracht werden.
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Außerdem ist
die Herstellung eines Entgasers der Erfindung einfacher und billiger
als bei herkömmlichen
Entgasern.
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Der
Entgaser der Erfindung umfasst eine dünne Membran mit einer Dicke
von weniger als 10 μm,
die durch eine poröse
Stützstruktur
wie beispielsweise eine Fritte oder durch Wölbungen gestützt wird,
die mikromechanisch oder durch Mikrospritzguss hergestellt werden.
Vorzugsweise ist die Membran chemisch inert, sodass sie in Verbindung
mit Lösungsmitteln
verwendet werden kann, die üblicherweise
in der Flüssigkeitschromatographie
eingesetzt werden. Die Membran ist mittels eines thermischen Prozesses
gasdicht mit dem den Entgaserhohlraum bildenden Gehäuse verbunden.
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Um
eine Beschädigung
der Membran an den Berührungspunkten
mit der Stützstruktur
zu verhindern, wird vorzugsweise zwischen die Stützstruktur und die Membran
eine zusätzliche
Schicht gebracht.
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Gemäß der Erfindung
wird zwischen das Entgasergehäuse
und die Membran eine dünne Schicht
gebracht. Diese Schicht umfasst vorzugsweise ein überstehendes
Teil, zum Beispiel in Form einer Wulst oder einer Nase, die beim
Anlegen eines Unterdrucks an der Austrittsöffnung des Hohlraums diesen
zumindest teilweise verschließt.
Dadurch wird verhindert, dass an der Membran eine zu große Druckdifferenz
entsteht, die zu einer Beschädigung der
Membran führen
könnte.
Die Wulst übt
somit eine Ventilfunktion aus. Außerdem wird durch die Bereitstellung
der erwähnten
Schicht sichergestellt, dass bei einem geringen Unterdruck im Hohlraum
eine Flüssigkeitsverbindung
zwischen dem Einlassöffnung
und der Auslassöffnung
des Hohlraums bestehen bleibt, sodass der Unterdruck im Hohlraum
nicht weiter verstärkt
werden kann.
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Die
oben erwähnte
dünne Schicht
dient auch zur Entlastung der Membran des Entgasers am Rand, was
zu einer sicheren Betriebsweise und einer langen Lebensdauer des
Entgasers führt.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Im
Folgenden werden Ausführungsarten
der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen ausführlich erläutert.
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1 zeigt
einen ersten Schritt zur Herstellung eines Entgasers gemäß einer
Ausführungsart der
Erfindung.
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2 zeigt
einen zweiten Schritt zur Herstellung eines Entgasers gemäß einer
Ausführungsart der
Erfindung.
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3 zeigt
einen dritten Schritt zur Herstellung eines Entgasers gemäß einer
Ausführungsart der
Erfindung.
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4 zeigt
einen Entgaser gemäß einer
ersten Ausführungsart
der Erfindung, der durch die in 1 bis 3 dargestellten
Herstellungsschritte produziert wurde.
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5 zeigt
einen Entgaser gemäß einer zweiten
Ausführungsart
der Erfindung, der durch die in 1 bis 3 dargestellten
Herstellungsschritte produziert wurde.
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6 ist
eine Draufsicht auf den oberen Teil der in 1 gezeigten
Anordnung von unten.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß 1 wird
ein kreisrunder Gehäusekörper 1 so
hergestellt, dass eine Vertiefung 7 und Öffnungen
für eine
Eintrittsöffnung 5 und
eine Austrittsöffnung 6 entstehen. Über einen
Rahmen 3 ist eine Membran 4 gespannt. Entsprechend
dem Umriss der Vertiefung 7 ist ein Bauteil 2 so
aus einer Folie ausgeschnitten, dass diese Bauteil 2 den
Innenrand 7a der Vertiefung 7 vollkommen bedeckt
und zwei zungenförmige
Wülste 2a entstehen.
Das Bauteil 2 mit den Wülsten 2a ist
so auf dem Innenrand der Vertiefung 7 angebracht, dass
die Wülste
sich über der
Eintrittsöffnung 5 bzw.
der Austrittsöffnung 6 befinden.
Die Lage der Wülste
ist in 6 genauer dargestellt, in welcher der obere Teil
von 1 von unten gezeigt wird. Die Eintrittsöffnung 5 und
die Austrittsöffnung 6 sind
gestrichelt dargestellt, da sie in dieser Ansicht unterhalb der
Wülste 2a liegen.
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Gemäß einer
Ausführungsart
der Erfindung bestehen der kreisrunde Gehäusekörper 1 und die Membran 4 aus
Polytetrafluorethylen (PTFE) und das Bauteil 2 aus fluoriertem
Ethylenpropylen (FEP). Bei einem praktischen Beispiel der Erfindung
beträgt
der Außendurchmesser
des Gehäusekörpers 1 42
mm, die Größe der Vertiefung 7 300 μm, die Dicke
der Membran 5 μm,
der Innendurchmesser des Rahmens 3 42 mm und die Dicke
des Bauteils 2 25 μm. In
den Zeichnungen sind nicht alle Teile maßstabsgerecht dargestellt.
Insbesondere sind die Membran 4 und die Teile 2 oder 2a etwas
dicker als andere Teile dargestellt, um sie etwas hervorzuheben.
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Die
Membran 4 kann nach einem von mehreren Verfahren hergestellt
werden. Ein bevorzugtes Verfahren benutzt eine PTFE-Dispersion,
die auf einen Siliciumwafer aufgebracht wird, auf den eine dünne Goldschicht 14 abgeschieden
wurde. Aus der aufgebrachten viskosen PTFE-Schicht wird durch Trocknen
oder durch Polymerisation oder ein ähnliches Verfahren eine dünne Membran 4 erzeugt.
Der Rahmen 3 wird dann mit der PTFE-Membran verbunden, üblicherweise
durch Ankleben. Membranen mit einer Dicke zwischen ungefähr 3 und
10 μm haben eine
homogene rissfreie Oberfläche.
Die Membran ist lochfrei, sodass keine Flüssigkeit hindurchtreten kann.
Es hat sich gezeigt, dass zum Erreichen einer guten Entgasungswirkung
bei hinreichender mechanischer Stabilität der Membran eine Membrandicke von
ungefähr
5 μm von
Vorteil ist.
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Die
Membran
4 lässt
sich somit frei über
den Rahmen
3 spannen und kann eine geringfügige Vorspannung
aufweisen. Dann wird die Membran zusammen mit dem Rahmen
3 so
oberhalb des Gehäusekörpers
1 angebracht,
dass sich die Membran
4 auf dem Bauteil
2 befindet.
Dann wird die Membran
4 mittels einer Heizvorrichtung (Thermode)
8 gegen das
Bauteil
2 gedrückt
und so lange erhitzt, bis das Bauteil
2 zu schmelzen beginnt.
Wenn das FEP-Bauteil
2 abgekühlt wird, besteht zwischen
der Membran
4 und dem Gehäusekörper
1 eine dauerhafte
Verbindung, die durch das wiedererhärtete FEP bewirkt wird. Dann
wird die Membran
4 entlang der Verbindungslinie durchgeschnitten
und der Rahmen
3 zusammen mit den Membranresten entfernt,
sodass die Vertiefung
7 im Gehäusekörper
1 durch eine Membran
4a abgedichtet
ist. Die Goldschicht wird von der Membran
4a entfernt.
Das Ergebnis ist in
3 zu sehen. Ein brauchbares
Verfahren zur Herstellung eines Entgasers der vorliegenden Erfindung, insbesondere
zum Verbinden der Membran mit dem Gehäusekörper
1 ist Gegenstand
der Europäischen Patentanmeldung
EP 0 974 390 A1 mit
dem Titel „A Method
of Joining Two or More Parts",
die am selben Tag und durch denselben Anmelder der vorliegenden Patentanmeldung
angemeldet wurde.
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Im
Folgenden wird die 4 beschrieben. Auf der dem Gehäusekörper 1 gegenüberliegenden Seite
der Membran 4a sind ein Teil einer gasdurchlässigen Schicht 12 und
eine als Stützstruktur
dienende Glasfritte 9 angeordnet und dann mittels einer Abdeckung 10 daran
befestigt. Die Fritte 9 und die Schicht 12 reichen überall über den
Rand 7a der Vertiefung 7 hinaus, sodass keine
Gefahr besteht, dass die Membran 4a am Rand durch die Fritte 9 beschädigt wird.
Ohne eine solche Maßnahme
kann die dünne
Membran (die normalerweise 5 μm
dick ist) leicht beschädigt
werden, da sich der üblicherweise
aus PTFE bestehende Gehäusekörper 1 örtlich leicht
verformen kann und die Fritte 9 die Membran 4a durchstoßen kann.
Gemäß einem
praktischen Beispiel weist die gasdurchlässige Schicht 12 eine
Dicke von ungefähr
100 μm und
einen Durchmesser von 40 mm, die Glasfritte 9 eine Porenweite
von weniger als 25 μm,
einen Durchmesser von 40 mm und eine Dicke von 4 mm auf. Die Schicht 12 kann
zum Beispiel aus gestrecktem PTFE-Filtermaterial mit einer Dicke von
ungefähr
100 μm bestehen.
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Die
Abdeckung 10 ist gasdicht durch eine Dichtung 13 mit
dem Gehäusekörper 1 verbunden.
In der Abdeckung ist eine Öffnung 11 vorgesehen,
an die eine (nicht gezeigte) Vakuumpumpe zum Evakuieren des Volumens
innerhalb der Abdeckung bis auf einen Restdruck von ungefähr 100 hPa
angeschlossen werden kann. Infolge des Unterdrucks in dem durch
die Abdeckung 10 und die Membran 4a gebildeten
Volumen wird die Membran 4a an die Fritte 9 und
die Schicht 12 angesaugt. Die Schicht 12 verhindert,
dass die dünne
Membran 4a durch die Poren der Fritte 9 beschädigt wird.
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Zur
Nutzung des Entgasers der Erfindung in Verbindung mit einem Flüssigkeitschromatographen wird
die Eintrittsöffnung 5 mit
dem Lösungsmittelbehälter und
die Austrittsöffnung 6 mit
der Pumpe des Flüssigkeitschromatographen
verbunden. Bei einer praktischen Prüfung des Entgasers der Erfindung wurde
Methanol mit gelöstem
Luftsauerstoff mit einer Flussrate von 1 ml/min gepumpt. Mittels
des Detektors des Flüssigkeitschromatographen
lässt sich
zeigen, dass der Sauerstoffgehalt des Methanols im Entgaser um 66
mAU verringert wurde. Gemäß einer praktischen
Ausführungsart
des Entgasers der Erfindung weist der Hohlraum 7, der die
zu entgasende Flüssigkeit
aufnimmt, ein mindestens 18 mal kleineres Volumen auf als ein Entgaser
nach dem Stand der Technik mit parallelen Rohren. Infolgedessen
ist ein mit einem Entgaser der Erfindung ausgestatteter Flüssigkeitschromatograph
wesentlich (z. B. 18 mal) schneller betriebsbereit als ein Flüssigkeitschromatograph
mit einem herkömmlichen
Entgaser. Ein kleines Totvolumen verringert den Lösungsmittelverbrauch
deutlich und führt
ferner zu kurzen Spülzeiten. Durch
die verkürzte
Inbetriebnahmezeit erhöht
sich die Produktivität
bei entsprechenden Anwendungen, z. B. in Analyselabors.
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Wenn
die mit der Öffnung 11 verbundene
Vakuumpumpe ausgeschaltet wird und sich der durch die Abdeckung 10 und
die Membran 4a gebildete Hohlraum mit Luft unter Atmosphärendruck
füllt, während die
Pumpe des Flüssigkeitschromatographen weiterhin
z. B. Methanol durch den Hohlraum 7 pumpt, entsteht ein
Unterdruck bezüglich
des durch die Abdeckung 10 und die Membran 4a gebildeten Hohlraums.
Dieser Unterdruck: saugt die Membran 4a in Richtung der
Austrittsöffnung 6 und
würde zur Beschädigung der
Membran 4a führen,
wenn nicht die Wulst 2a des FEP-Bauteils 2 ebenfalls durch
die Austrittsöffnung 6 angesaugt
würde und
diese verschlösse.
Dadurch wird verhindert, dass an der Membran 4a eine größere Druckdifferenz
entsteht, die zur Beschädigung
der Membran führen
könnte.
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Zum
Entstehen eines Unterdrucks im Hohlraum 7 kann es insbesondere
dann kommen, wenn der Flüssigkeitschromatograph
einschließlich
der Vakuumpumpe ausgeschaltet wird und der Lösungsmittelbehälter tiefer
als der Entgaser angeordnet ist. In diesem Falle verhindert die
Wulst an der Eintrittsöffnung
des Entgasers, dass die Membran 4a durch den Unterdruck
beschädigt
wird.
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Im
Folgenden wird unter Bezug auf 5 eine weitere
Ausführungsart
der Erfindung erläutert. Bei
dieser Ausführungsart
umfasst die Stützstruktur 9 für die Membran 4a eine
mikrostrukturierte Abdeckung 10. Die Abdeckung 10 umfasst
Säulen 15 mit der
Form von Pyramidenstümpfen,
welche die Schicht 12 und somit auch die Membran 4a stützen. Die
Säulen
weisen normalerweise eine Höhe
von 200 μm
und an den oberen Enden eine Breite von 85 μm auf. Der Vorteil solcher in
die Abdeckung integrierter mikrostrukturierter Säulen besteht darin, dass bei
der Herstellung eines Entgasers weniger Teile hergestellt und montiert
werden müssen,
wodurch sich der Herstellungsprozess vereinfacht und billiger wird.
Anstatt eine in die Abdeckung integrierte Stützstruktur 14 vorzusehen,
kann alternativ mittels Mikrostrukturierungsverfahren eine separate
Stützstruktur
hergestellt und als Einsatzteil in die Abdeckung eingefügt werden.
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Gemäß einer
Ausführungsart
der Erfindung bestehen die Säulen 15 und
die Abdeckung 10 aus PEEK (Polyether-Etherketon) und können zum
Beispiel durch Mikrospritzguss hergestellt werden. Es können auch
andere Materialien wie beispielsweise PPS (Polyphenylensulfid) oder
fluorierte Copolymere wie beispielsweise PFA (Perfluoralkoxy) oder
ETFE (Ethylentetrafuoroethylen) verwendet werden.
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Es
sind verschiedene Alternativen der oben beschriebenen Ausführungsarten
möglich.
Bei einer solchen alternativen Ausführungsart strömt die zu entgasende
Flüssigkeit
durch einen zylindrischen Hohlraum, der durch eine dünne Membran
der oben beschriebenen Art begrenzt wird. Die Zylinderinnenfläche steht
in Kontakt mit der zu entgasenden Flüssigkeit. An der Zylinderaußenfläche, d.
h. in radialer Richtung nach außen,
ist eine Stützstruktur
für die Membran
angeordnet, durch die der Unterdruck wirkt. Durch die Stützstruktur
kann die Membran der Druckdifferenz zwischen der Innen- und der
Außenfläche widerstehen,
ohne beschädigt
zu werden. Die Stützstruktur
kann von ähnlicher
Beschaffenheit sein wie in 4 oder 5 dargestellt
und in Verbindung mit diesen beschrieben wurde. Zwischen der Stützstruktur
und der Membran kann eine zusätzliche Stützschicht
wie beispielsweise die Schicht 12 in 4 oder 5 bereitgestellt
werden, um eine Beschädigung
der Membran zu verhindern.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsart
der Erfindung kann ein Entgaser unter Verwendung mehrerer einzelner
Entgasungseinheiten gebaut werden, die oben unter Bezug auf 4 oder 5 beschrieben
wurden. Zum Beispiel können
mehrere Entgasungseinheiten übereinander
gestapelt werden, die untereinander hydraulisch verbunden sind.
Dadurch lässt
sich die Entgasungsleistung weiter erhöhen.
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Die
in 3 gezeigte Anordnung, die den Gehäusekörper 1 und
die daran befestigte Membran 4a umfasst, kann auch als
Baustein für
einen integrierten Entgaser mit mehreren Entgasungshohlräumen angesehen
werden. Ein solcher integrierter Entgaser umfasst mehrere der in 3 gezeigten
Anordnungen, die in geeigneter Weise hydraulisch miteinander verbunden
sind. Die erforderlichen Stützstrukturen
für diese
Bausteine können
auf einem gemeinsamen Chip bereitgestellt und durch ein Mikrostrukturierungsverfahren
hergestellt werden. Durch die Verwendung einer dünnen Membran und das Verfahren
zu deren Herstellung kann die Entgasungstechnik auf einem ebenen
Fluid-Chip integriert werden. Die Erfindung kann auch auf einem
Analyse-Chip (lab-on-a-chip, Labor-auf-Chip) eingesetzt werden,
bei dem sich eine Vielzahl von Kapillarstrukturen zur Durchführung von
Flüssigkeitsreaktionen, zum
Beispiel bei chemischen Analysen, auf einem gemeinsamen Substrat
befinden. Die Stützstruktur für die Entgasungsmembran
wird ebenfalls in dem gemeinsamen Substrat bereitgestellt und die
Membran am Substrat befestigt.