DE102009018021B4 - Mikrodosiersystem mit einem gepulsten Laser - Google Patents

Abstract

Mikrodosiersystem (01), mit dem diskrete Fluidmengen aus einem Fluidreservoir (03) über eine Dosierleitung mit einer stirnseitigen Dosieröffnung in einen bewandeten und von einem Trägergas (04) durchströmten Strömungskanal (05) überführt werden, wobei die diskreten Fluidmengen mittels einer Erzeugereinheit hochpräzise erzeugt werden und die Dosierleitung und die Erzeugereinheit außerhalb des Strömungskanals (05) angeordnet sind, gekennzeichnet durch eine Ausbildung der Dosierleitung als selbstbefüllende Steigkapillare (07), die zumindest mit der Dosieröffnung, die als sich verengende Düsenöffnung (09) ausgebildet ist, die Wandung (10) des Strömungskanals (05) durchdringt, und eine Ausbildung der Erzeugereinheit als gepulster Laser (11), dessen Fokus (13) auf die Düsenöffnung (09) oder auf die Steigkapillare (07) ausgerichtet ist und dessen ausgesendete Laserpulse (12) eine veränderbare Energie größer als die Verdampfungsenergie des Fluids (06) haben, wobei bei jedem Laserpuls (12) eine Gaswolke (02) mit vorgegebener Menge und Konzentration als diskrete Fluidmenge in den Strömungskanal (05) eingeleitet wird.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Mikrodosiersystem zur berührungslosen Einleitung von diskreten Fluidmengen aus einem Fluidreservoir in einen bewandeten und von einem Trägergas durchströmten Strömungskanal über eine Dosierleitung mit einer stirnseitigen Dosieröffnung mittels einer Erzeugereinheit zur Erzeugung der diskreten Fluidmengen, wobei die Dosierleitung und die Erzeugereinheit außerhalb des Strömungskanals angeordnet sind.
• Als Mikrodosiersystem wird eine Vorrichtung bezeichnet, mit der mikroskopisch kleine diskrete Fluidmengen in einem Volumenbereich von unter einem Milliliter, bevorzugt unterhalb einem Mikroliter bis in den Femtoliterbereich, ausstoßbar sind. Zu unterscheiden ist die berührende Dosierung, bei der die Fluidmenge durch die Berührung mit einem Substrat abgezogen wird, und die berührungslose Dosierung, bei der die Fluidmenge frei in den Raum abgegeben wird. Die berührungslose Dosierung hat gegenüber der berührenden Dosierung den großen Vorteil, dass kein Kontakt mit dem Substrat und daher keine aufwändigen Justiermaßnahmen bei gleichzeitiger Gefahr der Substratbeschädigung vorgenommen werden muss. Daher ist die berührungslose Dosierung Gegenstand vielfältiger Entwicklungen. Die fortschreitende Miniaturisierung in nahezu allen technischen Bereichen stellt Industrie, Entwicklungslabore und Forschungseinrichtungen vor immer neue Herausforderungen. Immer kleinere Mengen von Klebstoffen, Ölen, Tinten und einer Vielzahl weiterer Medien müssen mengengenau mit kürzesten Taktzeiten prozesssicher dosiert werden. Dabei gibt es neben dem Aspekt einer punktgenauen Dosierung insbesondere auch den Aspekt einer mengengenauen Dosierung, die für analytische Untersuchungen, beispielsweise auf den Gebieten der Pharmazeutik und der Biotechnologie, erforderlich ist. Insgesamt ist eine Vielzahl von verschiedenen Mikrodosiersystemen auf unterschiedlichen Gebieten bekannt.
• STAND DER TECHNIK
• Auf dem Gebiet der Tintenstrahldrucktechnik ist aus der EP 1 212 133 B1 eine Tröpfchenerzeugung durch Druckwirkung, ausgeübt von einem über eine Verdrängermembran oder einen Stößel betätigter Aktor bekannt. Dabei werden selbstbefüllende Steigkapillaren als vertikale Dosierleitungen in einem Druckkopf eingesetzt, an deren unteren Enden sich Dosieröffnungen befinden, in denen das auszustoßende Fluid ansteht. Selbstbefüllende Steigkapillaren sind beispielsweise auch aus der DE 101 23 259 A1 bekannt, in der ein Mikrodosiersystem zur Mikrostrukturierung vorgestellt wird. Weiterhin ist aus der EP 0 158 485 A2 ein Tröpfchengenerator bekannt, bei dem Fluid aus einem Reservoir in eine Kapillare als Dosierleitung gepumpt wird. An deren unteren Ende befindet sich eine Dosieröffnung, die in der Einschnürung einer Venturidüse angeordnet ist. Durch die Venturidüse strömendes Gas zieht die Tropfen aus der Kapillare ab, wobei die Parameter des Gases und der Venturidüse die Tropfenparameter bestimmen.
• Auf dem Gebiet der Erzeugung von EUV-Strahlung (ExtremUltraViolett) ist es weiterhin beispielsweise aus der US 6.493.423 B1 bekannt, Freistrahl-Mikrodosiersysteme einzusetzen, die feinste Fluidtröpfchen in eine Kammer eintropfen, in der die Tröpfchen dann als Targets von einem Laserpuls durchstrahlt werden und EUV-Strahlung erzeugen. Eine andere Art der Tröpfchentargeterzeugung auf dem Gebiet der EUV-Strahlung ist aus der DE 102 60 376 A1 bekannt, bei der übersättigter Fluiddampf unter hohem Druck über einen heizbaren Expansionskanal mit einer Überschalldüse an seinem Ende geleitet wird. Über ein gepulstes elektromagnetisches Ventil wird der Dampf in eine Vakuumkammer entlassen und bildet beim Abkühlen flüssige Tröpfchentargets.
• Auf dem Gebiet der Messtechnik ist es aus dem Stand der Technik bekannt, Laser bei der Tröpfchenerzeugung zur Messung von Tröpfchenparameter einzusetzen, indem unterschiedliche Pulsparameter eines Laserpulses nach dem Durchgang durch das Tröpfchen detektiert und ausgewertet werden (vergleiche beispielsweise JP 2006047235 A , DE 603 04 323 T2 ).
• Auf dem Gebiet der chemischen Analyse durch Detektion von gasförmigen Substanzen ist es aus der US 6.601.776 B1 bekannt, einen röhrenförmigen Reservoirtank, der mit einem unter Druck stehenden Medium gefüllt ist, pulsartig zu erhitzen, sodass es zu einem gepulsten Druckanstieg und damit zu einem Ausstoß von Tröpfchen über Öffnungen im Reservoirtank kommt. Eine ähnliche Anordnung ist aus der DE 10 2004 030 769 A1 zur Erzeugung von Tröpfchen im Femtoliterbereich bekannt, hierbei ist der Reservoirtank jedoch durch eine unter Einwirkung einer Druckquelle stehende Druckmembran zweigeteilt.
• Ebenfalls auf dem Gebiet der chemischen Analyse ist die so genannte „Laserablation” bekannt, bei der feste oder flüssige Targetsubstanzen in geringsten Mengen durch Beschuss mit einem Laserpuls verdampft und einem Spektrometer zugeführt werden. Aus der US 2006/0108538 A1 ist nach dieser Methode die Analyse von Proteinen bekannt, die zuvor immobilisiert und anschließend durch Beschuss mit ultrakurzen Laserpulsen zerlegt wurden.
• Zusätzlich ist aus der DE 690 10 410 T2 auch bekannt, die zu untersuchende Substanz durch Einfrieren auf dem Substrat zu fixieren.
• Aus der DE 28 37 799 A1 ist es darüber hinaus bekannt, in einer Vakuumkammer ein Fluid mittels einer Mikrodosiervorrichtung mit Mikromembranpumpe direkt auf ein Förderband aufzutropfen. Auf dem Förderband wird der Tropfen dann in den Fokus eines Lasers verfahren und durch einen Laserpuls verdampft. Alternativ kann auch ein kontinuierlicher Gasstrom auf das Förderband in den Laserfokus gerichtet sein, dabei dient das Förderband dem Abtransport nicht verdampfter Rückstände. In einer dritten Ausführungsform wird der Tropfen frei in die Vakuumkammer eingetropft und vom Laserpuls verdampft. Die Tropfen werden mittels Druckpulsen über eine Druckmembran im Fluidreservoir erzeugt, wobei die Druckpulsfrequenz wieder mit der Laserpulsfrequenz synchronisiert ist. Die erzeugten Moleküle/Atome durchfliegen eine vorgegebene Strecke und werden bezüglich ihrer Flugzeit chromatographisch detektiert (TOF).
• Aus der DE 3735787 C2 ist ein Tropfenzerstäuber bekannt, bei dem ein freier Fluidstrahl aus einem Fluidreservoir über eine Düse ausläuft und durch ein Feld von zwei Ultraschallschwingern geleitet wird. Beide Schwinger bilden eine stehende Schallwelle mit gemeinsamen Knotenpunkten aus. Der Fluidstrahl wird in einem Knotenpunkt zerstäubt.
• Aus der DE 101 60 817 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Ezeugung von nanoskaligen Pulvern durch Laserverdampfung von grobkörnigem Ausgangsmaterial bekannt. Die erzeugten Pulverteilchen weisen einen Durchmesser im Bereich von Nanometern auf, bevorzugt von 1 bis 1.000 nm. Damit wird eine große Größenstreuung der Teilchen akzeptiert. Die Teilchenwolken werden in einem Strömungskanal erzeugt. Die beschriebene Vorrichtung verfügt weder über eine Dosierleitung noch über eine düsenförmige Dosieröffnung.
• Der nächstliegende Stand der Technik, von dem die vorliegende Erfindung ausgeht, wird in der DE 199 26 464 A1 offenbart. Es wird ein Mikrodosiersystem beschrieben, mit dessen Hilfe Tropfen, dort Tinte, als diskrete Fluidmengen, Durchmesser zwischen 5 μm und 200 μm, in einen hohlzylindrisch bewandeten, wenige mm langen Strömungskanal berührungslos ausgestoßen werden. Der Strömungskanal wird von einem druckbeaufschlagten Trägergas, beispielsweise Luft, kontinuierlich durchströmt, das die Tropfen beschleunigt und zu einem Substrat transportiert). Das Fluid wird aus einem Fluidreservoir über eine gegenüber den Tropfenabmessungen weit bemessene Dosierleitung und eine Dosieröffnung in den Strömungskanal von dessen Stirnseite her axial eingeleitet. Die Erzeugereinheit für die Tropfen ist eine Ultraschalleinheit. Der aus der Dosieröffnung austretende Fluidstrahl wird mittels Ultraschallanregung in eine hohe Zahl (typischerweise 64.000/s) Tropfen zerlegt und dabei elektrisch aufgeladen. Über elektrische Ablenkplatten werden die Tropfen dann auf das Substrat gelenkt und erzeugen dort ein Druckbild.
• AUFGABENSTELLUNG
• Die AUFGABE für die vorliegende Erfindung ist daher darin zu sehen, ein alternatives Mikrodosiersystem anzugeben, das in einfacher Weise Gaswolken mit gering konzentrierten Substanzen und einer definierten Frequenz und Dauer von Freisetzungen in einen Strömungskanal abgeben kann. Die erfindungsgemäße LÖSUNG für diese Aufgabe ist dem Hauptanspruch und dem nebengeordneten Anspruch zu entnehmen, vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen aufgezeigt und im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert.
• Das erfindungsgemäße Mikrodosiersystem weist eine Ausbildung der Dosierleitung als selbstbefüllende Steigkapillare auf, die zumindest mit der Dosieröffnung, die Wandung des Strömungskanals durchdringt. Bei Kapillaren handelt es sich um Röhrchen mit sehr kleinen Innendurchmessern. Durch die im Vergleich zu größeren Rohren stark in den Vordergrund tretenden Oberflächeneffekte steigen Flüssigkeiten mit hoher Oberflächenspannung in Kapillaren selbsttätig auf (physikalischer Effekt der Kapillarität). Das Ende der Steigkapillare ist als sich verengende Düsenöffnung ausgebildet. Da diese sich im Strömungskanal befindet, steht das zu dosierende Fluid, das durch die Bemessung der Steigkapillare ohne weitere Pumpentechnik in dieser aufsteigt, immer selbsttätig in der Düsenöffnung am Übergang zum Strömungskanal an. Weiterhin ist die Erzeugereinheit als gepulster Laser ausgebildet, dessen Fokus entweder auf die Düsenöffnung oder auf die Steigkapillare ausgerichtet ist. Dabei weisen die ausgesendeten Laserpulse eine veränderbare Energie größer als die Verdampfungsenergie des Fluids auf, sodass das in der Düsenöffnung anstehende Fluid beim jedem Auftreffen eines Laserpulses als definierte Gaswolke als diskrete Fluidmenge in den Strömungskanal ausgestoßen wird. Dies erfolgt entweder durch direkten Energieeintrag in das Fluid, wenn der Laserfokus direkt auf die Düsenöffnung ausgerichtet ist. Der Gaswolkenausstoß kann aber auch indirekt erreicht werden, wenn der Laserfokus auf die Steigkapillare ausgerichtet ist. Durch den erzeugten Druckimpuls in der Steigkapillare beim Auftreffen des Laserpulses wird das Fluid in den Strömungskanal ausgestoßen und verdampft dort durch Entspannung hinter der Düsenöffnung zu einer Gaswolke als diskrete Fluidmenge. Diese Alternative eignet sich für die Dosierung von Fluiden, deren Verdampfungsenergie entsprechend gering ist, wobei aber die Oberflächenspannung noch für den Kapillareffekt ausreichend sein muss.
• Zur Erfüllung der oben genannten Aufgabe wird mit der Erfindung ein Mikrodosiersystem vorgestellt, bei dem das Fluid mit den beinhalteten Substanzen mittels eines gepulsten Lasers in die Gasphase überführt wird. Dazu wird das Fluid unter Ausnutzung von Kapillarkräften in der Steigkapillare bis zur Dosieröffnung hochgeführt und von dort von dem im Strömungskanal strömenden Trägergas abtransportiert. Dabei wird in der Dosieröffnung durch direkten Laserbeschuss eine Gaswolke erzeugt oder das Fluid wird durch indirekten Laserbeschuss auf die Steigkapillare durch den in der Kapillare erzeugten Druckimpuls ausgestoßen und verdampft dabei. Durch das Pulsen des Lasers können Frequenz und Dauer der Gaswolken genau definiert werden. Durch Veränderung des Energieeintrags durch den Laserpuls in das Fluid können Fluide mit unterschiedlichen Verdampfungsenergien in die Gasphase überführt werden. Je nach Größe der Verdampfungsenergie kann ein direkter oder indirekter Laserpulsbeschuss erfolgen, insbesondere Fluide mit geringer Verdampfungsenergie können durch indirekten Laserbeschuss der Steigkapillare verdampft werden, was die Gefahr einer Substanzzersetzung verringert. Eine solche Mikrodosierung unter Lasereinsatz zur Gaswolkenbildung bietet den Vorteil der hochpräzisen Einstellbarkeit, sodass Gaswolken mit unterschiedlichen Volumina bis in den Femtoliterbereich hinein hochgenau und reproduzierbar– auch in ihrem zeitlichen Auftreten – erzeugt und in den Strömungskanal abgegeben werden können. Insbesondere für Anwendungen auf dem Gebiet der (bio-)chemischen Analytik ist das Mikrodosiersystem nach der Erfindung damit besonders geeignet.
• Bevorzugt kann die Düsenöffnung in ihrem Durchmesser veränderlich sein. Dies kann entweder durch eine Bereitstellung unterschiedlicher Düsen oder durch Vorsehen einer Düsenöffnung mit einstellbarem Durchmesser, beispielsweise nach dem Irispinzip, realisiert werden. Bevorzugt kann ein Array von mehreren Steigkapillaren vorgesehen sein, wobei jede Düsenöffnungen einen anderen Durchmesser aufweist. Die Konzentration bzw. Größe der erzeugten Gaswolke wird dann über die Ansteuerung des Lasers geregelt, wobei dessen Laserfokus dann auf die entsprechende Düsenöffnung oder Steigkapillare ausgerichtet wird. dabei bestimmt die Größe der Düsenöffnung der Steigkapillare (Mikrokapillare) in Abhängigkeit von der Eindringtiefe des Laserlichts in das zu verdampfende Fluid die Menge und Konzentration in der Gaswolke, die mit einem Laserpuls erzeugt wird. Außerdem kann mithilfe modernster Mikrostrukturierungstechnik die Steigkapillare so klein und so genau gefertigt werden, dass reproduzierbare Volumina hochgenau verdampft werden können. An der Düsenöffnung der Steigkapillare bildet sich ein Tropfen bestimmter Größe, die durch die Oberflächenspannung und den Durchmesser der Düsenöffnung bestimmt ist. Dieser tropfen wird dann durch den auftreffenden Laserpuls verdampft, wobei es auch möglich ist, den für das Verdampfen des Tropfens erforderlichen Energieeintrag auch durch mehrere Laserpulse aufzubringen.
• Weiterhin kann das Mikrodosiersystem nach der Erfindung vorteilhaft durch eine Ausrichtung des Laserfokus auf die Düsenöffnung mit einer diametralen Anordnung des Lasers gegenüber der Düsenöffnung gekennzeichnet sein. Die Laserpulse durchqueren den Strömungskanal dann genau im Durchmesser. Der Laser kann aber auch in jedem anderen Winkel zur Dosieröffnung angeordnet sein, aus dem eine Laserfokussierung auf die Dosieröffnung möglich ist. Bei einer indirekten Anregung durch Laserpulsbeschuss der Steigkapillare kann der Laser in jeder Position, bevorzugt seitlich und dort bevorzugt orthogonal zur Steigkapillare, außerhalb der Strömungskanals angeordnet sein. In jedem Falle ergibt sich ein sehr kompakter Aufbau des Mikrodosiersystems nach der Erfindung, insbesondere auch dann, wenn bevorzugt die Steigkapillare unterhalb des Strömungskanals angeordnet ist, sodass das Fluid in der Steigkapillare senkrecht nach oben steigt. Die Gaswolken treten dann strömungsgünstig in der unteren Mitte in den Strömungskanal ein und werden vom Trägergas, das bevorzugt eine laminare Strömung ausbildet, erfasst und abtransportiert (in Richtung auf einen Detektor). Dabei wird der Strömungskanal bevorzugt kontinuierlich vom Trägergas durchströmt. Eine gepulste Durchströmung ist aber ebenfalls möglich, wobei die Frequenz natürlich auf die Frequenz der Laserpulse bzw. der Gaswolken abgestimmt sein muss.
• Aufgrund der bevorzugt laminaren und kontinuierlichen Strömung im Strömungskanal erfolgt der Stofftransport der erzeugten Gaswolken zwischen den Strömungsschichten durch Diffusion. Um ein Verschmieren des Pulsmusters innerhalb des Strömungskanals aufgrund dieser Transportmechanismen einzudämmen bzw. zu verhindern, kann bei dem Mikrodosiersystem nach der Erfindung vorteilhaft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer in Strömungsrichtung verlaufenden Druckwelle im Strömungskanal vorgesehen sein. Dabei ist die Frequenz der Druckwelle so auf die Frequenz des gepulsten Lasers abgestimmt, dass jede erzeugte Gaswolke in einem Niederdruckgebiet der Druckwelle konzentriert wird. Immer zwischen zwei Hochdruckgebieten wird eine Gaswolke in einem Niederdruckgebiet zusammenhängend transportiert, ein Verschmieren der Gaswolke ist dadurch sicher verhindert. Bevorzugt kann dabei eine Schallquelle als Vorrichtung zur Erzeugung der longitudinalen Druckwelle eingesetzt werden. Beispielsweise durch den bevorzugten Einsatz einer Ultraschallquelle mit einer Ultra-Schallfrequenz im Bereich 20 kHz und 1 GHz, insbesondere einer Megaschallfrequenz zwischen 400 kHz und 2 MHz, können Ultraschallwellen erzeugt werden, mit deren Hilfe die einzelnen Gaswolken mit den enthaltenen Substanzen durch die lokalen Druckunterschiede im Strömungskanal getrennt voneinander gehalten und transportiert werden, sodass eine Vermischung des Trägergases und der Gaswolke sicher verhindert wird. Dabei können die Schallwellen kontinuierlich oder gepulst in den Strömungskanal abgegeben werden.
• Das Fluid kann flüssiger oder gasförmiger Natur sein, sodass es in der Steigkapillare selbsttätig aufsteigt. Am Ende der Steigkapillare wird dann das Fluid an der Düsenöffnung in den gasförmigen Zustand überführt bzw. dort behalten, wenn es sich bei dem Fluid um ein Gas handelt, und in den Strömungskanal eingeleitet. In einer bevorzugten Ausführungsform des Mikrodosiersystems nach der Erfindung kann auch vorgesehen sein, ein Kühlelement im Bereich der Düsenöffnung zur Kühlung des in der Düsenöffnung anstehenden Fluids unter den Gefrierpunkt zu positionieren, wobei der Laserfokus dann auf die Düsenöffnung ausgerichtet ist. Durch das Kühlelement wird das in der Düsenöffnung anstehende Fluid ganz lokal (ggfs. sogar nur teilweise in der Düsenöffnung) in den Festkörperzustand überführt, was in einzelnen Fällen, vor allem in Abhängigkeit von der im Fluid enthaltenen Substanz, von Vorteil sein kann, da die zu untersuchende Substanz dann besser in der Dosieröffnung und so besser im Laserfokus positioniert werden kann. Über das Kühlelement kann dabei eine so lokale Gefrierung erreicht werden, dass eine vollständige Verdampfung des festen Fluids gewährleistet ist, sodass anschließend neues Fluid nachfließen kann.
• Das Mikrodosiersystem nach der Erfindung kann als gepulsten Laser bevorzugt einen Halbleiter-, Festkörper- oder Gaslaser aufweisen, der hohe Pulsfrequenzen mit hoher Genauigkeit erzeugen kann. Der Einsatz von einfachsten Laserdioden ist ebenfalls ohne weiteres möglich. Durch die Konzeption von Mikro- und Nanokanälen kann das Mikrodosiersystem nach der Erfindung äußerst kompakt dimensioniert werden. Die Düsenöffnung kann eine Verengung von einem Querschnitt im μm-Bereich auf einen Querschnitt im nm-Bereich aufweisen. Als Trägergas kann bevorzugt Luft eingesetzt werden. Inertgase, die keine Vermischung mit den Substanzen im Fluid eingehen, können aber ebenfalls eingesetzt werden. Bei dem Fluid kann es sich bevorzugt um ein flüssiges oder gasförmiges Fluid unterschiedlicher Verdampfungsenergie aus/mit einem Ester, einem Ether, Aromaten, aliphatischen Kohlenwasserstoffen, Laktonen, Alkaloiden, organischen Lösungsmitteln, Duftstoffen oder Pheromonen und/oder einem Derivat oder einer Mischung davon handeln. Als weitere bevorzugte Parameter für das Mikrodosiersystem nach der Erfindung können weiterhin die Erzeugung von Gaswolken mit Volumina in einem Bereich von 1 fl bis 10 μl, eine Strömungsgeschwindigkeit im Bereich von 1 μm/s bis 20 m/s, eine Laserwellenlänge bis zu einem Bereich von 10 μm, insbesondere im UV-, VIS- oder IR-Bereich, eine Repetitionsrate des gepulsten Lasers zwischen 1 Hz und 1 GHz, eine Frequenz der Gaswolken zwischen 1 Hz und 100 kHz, einen Durchmesser der Steigkapillare in einem Bereich von 10 μm und 1 mm, einen Durchmesser der Düsenöffnung zwischen 10 nm und 50 μm und/oder eine Länge des Strömungskanals bis zu 1 m genannt werden. Weitere Details zu dem Mikrodosierungssystem nach der Erfindung sind dem nachfolgenden speziellen Beschreibungsteil zu entnehmen.
• In der Praxis kann das Mikrodosiersystem nach der Erfindung bevorzugt mit einem modularen Aufbau eingesetzt werden. Dabei wird ein erstes Modul, bestehend aus Laser, Fluidreservoir, Zuleitungen für das Trägergas und Strömungskanal und ein zweites Modul, bestehend aus Steigkapillare und Düsenöffnung, eingesetzt. Dabei sind die Komponenten der beiden Module in ihren Parameterwerten variabel. Die Module können dann je nach Anwendungsfall eingesetzt werden. Insbesondere kann das zweite Modul je nach Anforderung/Anwendung ausgetauscht werden; verschiedene Module können dann z. B. verschieden große Düsenöffnungen bieten.
• AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
• Ausbildungsformen des Mikrodosiersystems nach der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren zum weiteren Verständnis der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt:
• 1 ein Schema des Mikrodosiersystems mit lasergestützter Erzeugung der Gaswolken und
• 2 das Mikrodosiersystem gemäß 1 mit zusätzlicher schallgestützter Konzentration der Gaswolken
• Die 1 zeigt das Mikrodosiersystem 01 zur berührungslosen Einleitung von Gaswolken 02 als diskrete Fluidmengen aus einem Fluidreservoir 03 in einen bewandeten und von einem Trägergas 04 durchströmten Strömungskanal 05 nach der Erfindung schematisch in der Gesamtheit und in einem Vergrößerungsausschnitt (Kreis, nur ALTERNATIVE A). Die Gaswolken 02 können bevorzugt Volumina in einem Bereich von 1 fl bis 100 μl aufweisen, allerdings können auch Volumina bis in den Bereich von 1 ml erzeugt werden. Bei dem Fluid kann es sich um ein flüssiges oder gasförmiges Fluid unterschiedlicher Verdampfungsenergie, beispielsweise um ein Ester, einen Ether, verschiedene Aromaten, aliphatische Kohlenwasserstoffe, Laktone, Alkaloide, organische Lösungsmittel, Duftstoffe oder Pheromone handeln. Gleichfalls können Derivate oder Mischungen davon einem Detektor, beispielsweise einem Massenspektrometer oder einem Chromatographen, zur biochemischen Analyse am Ausgang des Strömungskanals zugeführt werden.
• Das Fluid 06 wird über eine selbstbefüllende Steigkapillare 07 als Dosierleitung in den Strömungskanal 05 überführt. Die Steigkapillare 07 liegt bevorzugt in einer Radialebene des Strömungskanals 05 und zeigt auf dessen zentrale Achse. Die Steigkapillare 07 kann bevorzugt einen Durchmesser in einem Bereich von 10 μm und 1 mm aufweisen, wobei der gewählte Durchmesser auch abhängig ist von dem eingesetzten Fluid ist (bei Flüssigkeiten muss aufgrund der Oberflächenspannung der Kapillareffekt eintreten; Gase steigen selbsttätig auf) und darüber oder darunter liegen kann. Im Strömungskanal 05, der bevorzugt eine Länge zwischen einigen Zentimetern bis zu 1 m aufweisen kann, kann sich Luft als Trägergas 04 befinden, das mit einer Strömungsgeschwindigkeit im Bereich von 1 μm/s bis 20 m/s strömen kann. Dabei wird die Ausbildung einer laminaren Strömung 08 bevorzugt. Vorteilhaft ist auch eine kontinuierliche Durchströmung des Strömungskanals 05. Bei einer sehr niedrigen Ausstoßfrequenz der Gaswolken 02, die bevorzugte Ausstoßfrequenz liegt zwischen 1 und 100000 Freisetzungen pro Sekunde, kann die Strömung auch entsprechend gepulst sein.
• Die Steigkapillare 07 liegt außerhalb des Strömungskanals 02 und weist eine stirnseitige, sich verengende Düsenöffnung 09 als Dosieröffnung auf. Bevorzugt kann der engste Durchmesser der Düsenöffnung 09 in einem Bereich zwischen 10 nm und 50 μm liegen. Durch die Düsenöffnung 09, die die Wandung 10 des Strömungskanals 05 durchbricht, werden die Gaswolken 02 in den Strömungskanal 05 entlassen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Steigkapillare 07 unterhalb des Strömungskanals 05 angeordnet, sodass die Gaswolken 02 den Strömungskanal 05 in dessen unterer Mitte betreten und so optimal vom Trägergas 04 aufgenommen werden können. Die Düsenöffnung 09 kann beispielsweise auch bis in die Mitte des Strömungskanals 05 geführt werden, allerdings ist hier auf eine ausreichende Steifigkeit der Steigkapillare 07 und auf eine Wirbelvermeidung in der Kanalströmung zu achten. Bei der gezeigten Ausführung wird die Steigkapillare 07 gut in der Wandung 10 des Strömungskanals 05 gestützt und kann deshalb außerhalb auch flexibel sein.
• Zur Erzeugung der diskreten Gaswolken 02 wird bei dem Mikrodosiersystem 01 nach der Erfindung ein gepulster Laser 11 als – ebenfalls außerhalb des Strömungskanals 05 liegende – Erzeugereinheit eingesetzt. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Halbleiter-, Festkörper- oder Gaslaser handeln. CO₂-Gaslaser beispielsweise erzeugen mit hoher Genauigkeit und Dauerstandfestigkeit Laserpulse 12 bis in den fs-Bereich. Bevorzugt wird eine Repetitionsrate des gepulsten Lasers 11 zwischen 1 Hz und 1 GHz und eine Laserwellenlänge bis zu einem Bereich von 10 μm, insbesondere im UV-, VIS- oder IR-Bereich eingesetzt. Dabei weisen die Laserpulse 12 einen veränderbaren Energieinhalt auf, der größer ist als die Verdampfungsenergie des in der Düsenöffnung 09 anstehenden Fluids. Der Fokus 13 des Lasers 11 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel (ALTERNATIVE A) direkt auf die Düsenöffnung 09 der Steigkapillare 07 ausgerichtet, sodass das in der Düsenöffnung 09 anstehende Fluid bei jedem auftreffenden Laserpuls 12 eine Gaswolke 02 direkt in den Strömungskanal 05 verdampft. Weiterhin ist im gezeigten Ausführungsbeispiel der Laser 11 diametral gegenüber der Düsenöffnung 09 angeordnet, sodass die Laserpulse 12 den Strömungskanal 05 mittig entlang seines Durchmessers durchlaufen.
• Optional kann bei einem Fokus 13 des Lasers 11 direkt auf die Düsenöffnung 09 (ALTERNATIVE A) noch ein Kühlelement, beispielsweise ein Peltierelement, angeordnet sein, dass das anstehende Fluid lokal begrenzt gefriert, sodass ein verbesserter Laserbeschuss möglich ist (in 1 nicht dargestellt). Durch den Laserpuls 12 wird aufgrund seines gewählten Energiegehaltes dann das gesamte feste, gefrorene Fluid verdampft, sodass neues Fluid in die Düsenöffnung 09 nachströmen kann.
• In der ALTERNATIVE B in 1 ist eine Anordnung des Lasers 11 seitlich von der Steigkapillare 07 und im Speziellen orthogonal dazu dargestellt. Der Fokus 13 des Lasers 11 ist jetzt auf die Steigkapillare 07 ausgerichtet, sodass die Laserpulse 12 auf die Steigkapillare 07 auftreffen und in deren Inneren einen Druckimpuls auslösen, wodurch jeweils Fluid (in leicht flüchtiger Form) als Gaswolke 02 aus der Düsenöffnung 09 in den Strömungskanal 05 ausgestoßen wird. In der 2 ist schematisch eine Schallquelle 20 zur Erzeugung einer in Strömungsrichtung 21 verlaufenden Druckwelle 22 im Strömungskanal 05 dargestellt, wodurch ein Verschmieren der Gaswolken 02 in der laminaren Strömung 08 im Strömungskanal 05 vermieden werden kann. Dabei ist die Frequenz der Druckwelle 22 so auf die Frequenz des gepulsten Lasers 11 abgestimmt ist, dass jede erzeugte Gaswolke 02 in einem Niederdruckgebiet 23 zwischen zwei Hochdruckgebieten 24 der Druckwelle 22 konzentriert wird. Bevorzugt weist die die Schallquelle 20 eine Ultra-Schallfrequenz im Bereich 20 kHz und 1 GHz, insbesondere eine Megaschallfrequenz zwischen 400 kHz und 2 MHz auf.
• Durch die geringe Dimensionierung des Mikrodosiersystems 01 nach der Erfindung in Form von Mikro- und Nanokanälen (Strömungskanal 05, Steigkapillare 07) und des steuerbaren Energieeintrags mittels eines Lasers 11 ermöglicht das vorgestellte Konzept die hochgenaue, einstellbare Dosierung verdünnter und unverdünnter Fluide 06 in Form von Gaswolken 02 mit diskreten Mengen bis in den Piko- und Femtogrammbereich mit einer definierten Frequenz und Pulsdauer. Damit ist das Mikrodosiersystem 01 nach der Erfindung insbesondere für Anwendungen auf dem chemischen und biotechnologischen Gebiet besonders geeignet.
• Beispielsweise kann zur Analyse als volatile Flüssigkeit zur Verdampfung Butylacetat mit einer Verdampfungsenthalpie von ca. 40 kJ/mol, einer Dichte von 0,88 g/mol und einer Molmasse von 116 g/mol eingesetzt werden. Dabei kann die Steigkapillare einen Durchmesser von 20 μm und die Düsenöffnung einen Durchmesser von 2 μm (Verengung 10:1) haben. Der Strömungskanal kann einen Durchmesser von 2 mm und eine Länge von 10 cm aufweisen. Es handelt sich bei den verwendeten Komponenten daher um Mikrokomponenten. Zur Verdampfung kann ein gepulster IR-Laser mit 1200 nm Wellenlänge und einer Leistung von 1 W eingesetzt werden.
• Die Öffnung der Steigkapillare (Mikrokapillare) erlaubt ein ideales Kugelvolumen von 4,2 μm³ (1 μm Radius), entsprechend 4,2 fl (Femtoliter). In diesem Volumen befinden sich 4,3·10^–10 mol n-Butylacetat, das mit einem Laserpuls verdampft werden soll. Die dazu benötigte Energie beträgt 17 μJ, d. h. der Laserpuls mit einer Leistung von 1 W muss 17 μs lang sein, um die entsprechende Energie aufzubringen (P = 1 W, E = 1,7·10^–5 J; → t_puls = E/P = 17 μs). Dabei strömt das Trägergas beispielsweise mit 0,5 m/s durch den Strömungskanal; die Repetitions-Rate des Lasers soll 200 Hz betragen, dann stellt sich ein mittlerer Abstand der verdampften Gaswolken von 2,5 mm ein (alle angegebenen Zahlenwerte sind nur Anhaltswerte für entsprechende Wertebereiche).
• Bezugszeichenliste

01

Mikrodosiersystem

02

Gaswolke

03

Fluidreservoir

04

Trägergas

05

Strömungskanal

06

Fluid

07

Steigkapillare

08

laminare Strömung

09

Düsenöffnung

10

Wandung

11

gepulster Laser

12

Laserpuls

13

Laserfokus

20

Schallquelle

21

Strömungsrichtung

22

Druckwelle

23

Niederdruckgebiet

24

Hochdruckgebiet

Claims (15)

1. Mikrodosiersystem (01), mit dem diskrete Fluidmengen aus einem Fluidreservoir (03) über eine Dosierleitung mit einer stirnseitigen Dosieröffnung in einen bewandeten und von einem Trägergas (04) durchströmten Strömungskanal (05) überführt werden, wobei die diskreten Fluidmengen mittels einer Erzeugereinheit hochpräzise erzeugt werden und die Dosierleitung und die Erzeugereinheit außerhalb des Strömungskanals (05) angeordnet sind, gekennzeichnet durch eine Ausbildung der Dosierleitung als selbstbefüllende Steigkapillare (07), die zumindest mit der Dosieröffnung, die als sich verengende Düsenöffnung (09) ausgebildet ist, die Wandung (10) des Strömungskanals (05) durchdringt, und eine Ausbildung der Erzeugereinheit als gepulster Laser (11), dessen Fokus (13) auf die Düsenöffnung (09) oder auf die Steigkapillare (07) ausgerichtet ist und dessen ausgesendete Laserpulse (12) eine veränderbare Energie größer als die Verdampfungsenergie des Fluids (06) haben, wobei bei jedem Laserpuls (12) eine Gaswolke (02) mit vorgegebener Menge und Konzentration als diskrete Fluidmenge in den Strömungskanal (05) eingeleitet wird.
2. Mikrodosiersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen veränderbaren Durchmesser der Düsenöffnung (09) oder eine Arrayanordnung mehrerer Steigkapillaren (07) mit Düsenöffnungen (09) unterschiedlichen Durchmessers.
3. Mikrodosiersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Ausrichtung des Laserfokus (13) auf die Düsenöffnung (09) mit einer diametralen Anordnung des gepulsten Lasers (11) gegenüber der Düsenöffnung (09).
4. Mikrodosiersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Ausrichtung des Laserfokus (13) auf die Steigkapillare (07) mit einer orthogonalen Anordnung des gepulsten Lasers (11) zur Steigkapillare (07).
5. Mikrodosiersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Anordnung der Steigkapillare (07) unterhalb des Strömungskanals (05).
6. Mikrodosiersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine laminare Strömung (08) des Trägergases (04) im Strömungskanal (05).
7. Mikrodosiersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Erzeugung einer in Richtung des strömenden Trägergases (04) (Strömungsrichtung (21)) verlaufenden Druckwelle (22) im Strömungskanal (05), wobei die Frequenz der Druckwelle (22) so auf die Frequenz des gepulsten Lasers (11) abgestimmt ist, dass jede erzeugte Gaswolke (02) in einem Niederdruckgebiet (23) der Druckwelle (22) zwischen zwei Hochdruckgebieten (24) konzentriert wird.
8. Mikrodosiersystem nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Schallquelle (20) als Vorrichtung zur Erzeugung der in Strömungsrichtung (21) verlaufenden Druckwelle (22).
9. Mikrodosiersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Kühlelement im Bereich der Düsenöffnung (09) zur Kühlung des in der Düsenöffnung (09) anstehenden Fluids (06) unter den Gefrierpunkt, wobei der Laserfokus (13) auf die Dosieröffnung (09) gerichtet ist.
10. Mikrodosiersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Halbleiter-, Festkörper- oder Gaslaser als gepulster Laser (11).
11. Mikrodosiersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Luft als Trägergas (04).
12. Mikrodosiersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein flüssiges oder gasförmiges Fluid (06) unterschiedlicher Verdampfungsenergie aus/mit einem Ester, einem Ether, Aromaten, aliphatischen Kohlenwasserstoffen, Laktonen, Alkaloiden, organischen Lösungsmitteln, Duftstoffen oder Pheromonen und/oder einem Derivat oder einer Mischung davon.
13. Mikrodosiersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Gaswolken (02) mit einem Volumen in einem Bereich von 1 fl bis 10 μl, eine Strömungsgeschwindigkeit im Bereich von 1 μm/s bis 20 m/s, eine Laserwellenlänge bis zu einem Bereich von 10 μm, insbesondere im UV-, VIS- oder IR-Bereich, eine Repetitionsrate des gepulsten Lasers (11) zwischen 1 Hz und 1 GHz, eine Frequenz der Gaswolken (02) zwischen 1 Hz und 100 kHz, einen Durchmesser der Steigkapillare (07) in einem Bereich von 10 μm und 1 mm, einen Durchmesser der Düsenöffnung (09) zwischen 10 nm und 50 μm und/oder eine Länge des Strömungskanals (05) ungleich Null bis zu 1 m.
14. Mikrodosiersystem nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Ultra-Schallfrequenz im Bereich 20 kHz und 1 GHz, insbesondere eine Megaschallfrequenz zwischen 400 kHz und 2 MHz.
15. Mikrodosiersystem nach Anspruch 1 und/oder 7, gekennzeichnet durch einen modularen Aufbau mit einem ersten Modul, bestehend aus Laser (11), Fluidreservoir (03), Zuleitungen für das Trägergas (04) und Strömungskanal (05), und einem zweiten Modul, bestehend aus Steigkapillare (07) und Düsenöffnung (09), wobei die Komponenten der beiden Module in ihren Parameterwerten variabel sind.

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