DE2254621A1

DE2254621A1 - Vorrichtung zur trennung von molekuelen

Info

Publication number: DE2254621A1
Application number: DE2254621A
Authority: DE
Inventors: Erik Ragnar Ryhage
Original assignee: LKB Produkter AB
Current assignee: Pfizer Health AB
Priority date: 1971-11-10
Filing date: 1972-11-08
Publication date: 1973-05-24
Also published as: FR2159433B1; GB1393000A; US3803811A; SE357830B; JPS4859892A; FR2159433A1

Description

Patentanwalt Dipl-Phys.Gerhard Lledl 8 München 22 Stelnsdorfstr.21-22 Tel.298462 ·■/■■' 2.254821

LKB-Produkter AB, S-161 25 BROMMA 1, Schweden Vorrichtung zur Trennung von Molekülen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Trennen von Molekülen nach dem Strahlprinzip mit wenigstens einer Trennstufe, welche eine mit einer Pumpe verbundene Evakuierungskammer enthält, wobei mittels einer Strahldüse Moleküle in der Gasphase in die Evakuierungskammer eingebracht werdeaund mit einer Ausgangsdüse, welche koaxial zur Strahldüse angeordnet ist, wobei Moleküle mit grösserem Molekulargewicht in grösserer Anzahl als Moleküle mit geringerem'Molekulargewicht durch die Ausgangsdüse hindurchtreten.

In einem kombinierten Instrument mit einem Gaschromatographen, dessen

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Ausgang mit der Ionenquelle eines Massenspektrometer verbunden ist und das zur Analyse von organischen chemischen Substanzen dient, arbeitet das Massenspektrometer normalerweise unter einem wesentlich geringeren Druck als der Gaschromatograph. Es muss daher zwischen diesen beiden Instrumentenkomponenten eine Druckverringerung erzielt werden, welche beispielsweise mittels einer Vorrichtung zur Trennung von Molekülen, die nach dem Strahlprinzip arbeitet, erzielt wird. Diese Vorrichtung ist zwischen den Ausgang des Gaschromatographen und die Ionenquelle des Massenspektrometer geschaltet. Bei einer derartigen Trennvorrichtung, welche beispielsweise in der DT-PS 1 052 955 beschrieben ist, wird die Druckverringerung dadurch erzielt, dass der Gasfluss vom Gaschromatographen, der aus einem Proben- und Trägergae mit hoher Geschwindigkeit besteht, gezwungen wird, durch eine Einlassdüse in eine Kammer mit vermindertem Druck zu strömen, wobei koaxial zur Einlassdüse eine Auslassdüse angeordnet ist. Auf diese Weise wird der Druck dann verringert, sobald eine Anreicherung des Probengases bezüglich des Trägergases erzielt wird. Die Trennung wird dann in wenigstens zwei Stufen normalerweise durchgeführt.

In der ersten Stufe, in welcher die Kammer mit einer gewöhnlichen mechanischen Vorvakuumpumpe verbunden ist, wird der Druck von Atmosphärendruck auf 0, 1 - 0, 3 mm Hg verringert. In der zweiten Stufe, welche an eine Öldiffusionspumpe angeschlossen ist, wird der Druck auf etwa 0, 001 mm Hg erniedrigt. Etwa 99 % des Trägergases ist dann vollständig abgetrennt, während wenigstens 50 - 75 % der Probe zurückbleibt, was von der Art der Probe abhängt.

Eine derartige Vorrichtung ist vom Erfinder in Analytical Chemistry, Bd. 36, Nr. 4, April 1964, Seiten 759 - 764 beschrieben.

Häufig ist es jedoch erwünscht, die Analyse mittels einer Gaschroma-5820 309821/0733

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tographen-Säule vom Kapillartyp oder mit einem verringerten FIuhs in der-Säule durchzuführen. Die Druckverringerung, welche durch die Molekül-Trennvorrichtung hervorgerufen wird, würde in diesen Fällen jedoch einen zu geringen Druck im Massenspektrometer hervorrufen.

Zur Kompensation des niedrigen Flusses im Gaschromatographen wurde bisher ein äusserer Trägergasfluss zwischen den Gaschromatographen und die Molekül-Trennvorrichtung gelegt. Es sei hierzu auf die DT-PS 1 096 875 verwiesen. Dieses Verfahren ist bezüglich der Analyse in der Weise unzuverlässig, dass die Probe vom Trägergas in übermässig grossem Ausmäss verdünnt wird. Dies führt zu einem Anwachsen des Trägergasdruckes in der Massenspektrometerröhre. Hieraus resultiert ein Abfall des Auflösungsvermögens des Massenspektrometers.

Ein anderes Verfahren, welches insbesondere bei der Verwendung von kapillaren Säulen zur Anwendung kommt, besteht darin, dass die Wirkung der ersten Trennstufe vollständig in der Weise ausgeschaltet wird, dass eine Röhre, welche gewöhnlich aus Silber besteht, zwischen der Strahldüse und der Ausgangsdüse angeordnet wird. Auf diese Weise wird der Gasfluss direkt zur zweiten Trennstufe geleitet. Dieses Verfahren beinhaltet jedoch einen schweren Eingriff in das Gerät und ist nur für einen ganz bestimmten Aufbau des'Gerätes für eine kapillare Säule geeignet.

In der Regel ist es jedoch erwünscht, eine normale Säule mit einer kapillaren Säule austauschen zu können.

In einigen Fällen ist es erwünscht, einen grösseren Fluss in der Gaschromatographen-Säule zu ermöglichen als normal, indem der Abstand zwischen den Düsen der Molekül-Trennvorrichtung vergrössert wird.

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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Einrichtung zu zeigen, mit der es möglich ist, den Abstand zwischen Düsen einer Molekül-Trennvorrichtung zu verändern und bei der aueserdem die Düsen vollständig zusammenstossen können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass eine axial verschiebbare Röhre vorgesehen ist, deren eines auf die Evakuierungskammer gerichtetes Ende eine der Düsen der Trennvorrichtung bildet, dass des weiteren eine Steuereinrichtung zur Verschiebung der Röhre in axialer Richtung vorgesehen ist und dass zwischen den zu trennenden Molekülen in der Gasphase und der Atmosphäre am äusseren Ende der Steuereinrichtung Dichtungen vorgesehen sind, so dass der Abstand zwischen der Strahldüse und der Ausgangsdüse von ausserhalb der Trennvorrichtung während des Trennvorganges veränderbar ist.

Durch die Erfindung wird es ermöglicht, dass der Abstand zwischen den Düsen der Molekül-Trennvorrichtung während des Trennungs vor ganges verändert werden kann, wobei diese Veränderung ausserhalb des kombinierten Gerätes bzw. Instrumentes gesteuert werden kann.

Der optimale Düsenabstand ändert sich in Abhängigkeit von der Grosse des zugeführten Gasflusses und der Zusammensetzung des Gasflusses. Die Möglichkeit der Einstellung des Düsenabstandes in Abhängigkeit eines Ausgangsmessignales während des Trennungsvorganges verbessert in hohem Masse die Möglichkeit, einen optimalen Düsenabetand zu erreichen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht daher darin, die Möglichkeit zu schaffen, dass unabhängig vom Fluss im Gaschromatographen in der Ionenquelle des Massenspektrometers ein geeigneter Druck aufrecht erhalten werden kann.

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Schliesslich bringt die Erfindung noch Vorteile dahingehend, dass die Kosten der Herstellung niedrig gehalten werden können, da wegen der Möj ch keit der genauen nachträglichen Einstellung"des Düsenabstandes in dem fertiggestellten kombinierten Gerät bzw. Instrument das Erfordernis einer genauen Herstellung bezüglich des Düsenabstandes in der Molekül-Trennvorrichtung nicht mehr besteht.

Anhand der beiliegenden Zeichnungen soll an Ausführungsbe!spielen die Erfindung näher erläutert werden. Hierbei zeigen die Figuren 1 und 2 zwei Ausführungsbeispiele gemäss der Erfindung..

In der Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 eine Trennstufe in einer Strahl-Trennvorrichtung dargestellt. Mit 2 ist eine Evakuierungskammer in dieser Trennstufe bezeichnet. Die Bezugszahl 3 bezeichnet eine axial verschiebbare Röhre, weiche mit ihrem einen Ende in die Evakuierungskammer 2 ragt. Dieses Ende bildet die Strahldüse der Trennstufe. Mit 4 ist eine Zuführungsleitung für das Gas bezeichnet, dessen Moleküle getrennt werden sollen. Die Ausgangsdüse der Trennstufe ist mit 5 bezeichnet. Ein Flansch 6 ist mittels Schrauben, die in den Figuren nicht dargestellt sind, an die Trennstufe 1 angeschraubt. Zwei Metallmembranen 7 , 8 sind durch Anlöten mit der Röhre 3 verbunden. Diese Membranen sind ein Teil des Dichtungssysteme s zwischen dem Gas, dessen Moleküle getrennt werden sollen, und der Atmosphäre der Umgebung. Die , restlichen Elemente dieses Dichtungssystemes sind ein Ring 9 und Silberdichtungen 10, 11. Die axiale Verschiebung der Röhre 3 wird mit Hilfe eines Exzenters 12 durch Drehung einer Welle 13 erzielt. Der Exzenter 12 steht in Wirkverbindung mit einem Gehäuse 14, welches mechanisch mittels einer Schraube 15 mit der Röhre 3 verbünden ist.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung gemäss der Erfindung erfolgt in der folgenden Weise:

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Falls es erwünscht ist, den Abstand zwischen den Düsen der Trennstufe zu verändern, wird die Welle 13 gedreht. Der Exzenter 12 bewegt dann das Gehäuse 14 in axialer Richtung. Hierbei nimmt das Gehäuse 14 die Röhre 3 mit, wobei darauf zu achten ist, dass die Schraube 15 angezogen ist. Die Röhre 3 wird von den Metallmembranen 7, 8 getragen, welche der Röhre 3 einen ausreichenden axialen Spielraum gewähren. Die Dichtung zwischen der Gasphase, in welcher sich die zu trennenden Moleküle befinden und welche durch die Zuführungsleitung 4 und weiterhin durch die Röhre 3 strömt,und der Atmosphäre der Umgebung wird in der Weise erzielt, dass der Ring 9 mittels des Flansches 6 in Richtung auf die Trennstufe 1 gedrückt wird. Auf diese Weise werden die scharfen Kanten des Ringes 9 in die Metallroembranen 7, 8 gedrückt, wodurch diese gegen die Silberdichtungen dicht zum Anliegen kommen. Bei der Grobeinstellung des Düsenabstandes ist die Schraube 15 gelockert,und das Gehäuse 14 wird relativ zur Röhre 3 verschoben.

Die Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung in der Fig. 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform, die im vorstehenden beschrieben wurde, hauptsächlich bezüglich der Dichtungseinrichtung. In der Fig. 2 ist mit 16 ein teilweise geschlitztes Gehäuse dargestellt, welches die Röhre 3 umklammert. Mit 17 ist eine Teflon-Dichtung und mit 18 eine Silberdichtung bezeichnet.

Die Verschiebeeinrichtung arbeitet bei dieser Ausführungsform der Erfindung in ähnlicher Weise wie im vorstehenden schon beschrieben. Durch Drehung der Welle 13 wird mittels des Exzenters 12 bewirkt, dass sich das Gehäuse 16 in axialer Richtung bewegt. Das Gehäuse 16 nimmt dann die Röhre 3 mit aufgrund der Reibung, welche zwischen dem Gehäuse und der Röhre besteht und die die beiden Elemente miteinander koppelt. Die Dichtung zwischen der Gasphase, welche die zu trennenden

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Moleküle enthält, und der umgebenden Atmosphäre wird durch die Teflon-Dichtung 17 und die Silberdichtung 18 erzielt.

Bei den Ausführungsbeispielen, welche in den Figuren dargestellt sind, wird der Abstand zwischen den Düsen der Trennstufe dadurch eingestellt, dass die Strahldüse axial verschiebbar angeordnet ist. Eine Vorrichtung, bei der die Ausgangsdüse axial verschiebbar angeordnet ist, erfüllt in der gleichen Weise die gestellte Aufgabe und wird somit von der Erfindung umfasst. Eine Trennvorrichtung gemäss dem Strahlprinzip kann in einer oder verschiedenen Stufen ausgeführt sein,und in der Regel sind zwei Stufen vorgesehen. Es kann dann eine oder mehrere Stufen mit einer Einrichtung gemäss der Erfindung versehen sein.

Bei den Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren dargestellt sind, enthält die Steuereinrichtung, welche die axiale Verschiebung der Röhre hervorruft, eine Welle, welche an einem Ende mit einem Exzenter versehen ist. Steuereinrichtungen, welche in anderer Weise wirken, fallen ebenfalls unter die Erfindung. Beispielsweise kann die ,Steuereinrichtung eine axial verschiebbare Stange enthalten, wobei die Bewegung dieser axial verschiebbaren Stange in eine axiale Bewegung der Düse übertragen wird. Die Stange kann hierbei parallel in Richtung der Röhre 3 oder unter einem Winkel, beispielsweise 90 \ zu dieser Richtung geführt sein. Die Ausführungsformen der Dichtungen sind ebenfalls nicht auf die in den Ausführungsbeispielen beschriebenen beschränkt.

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Claims

Patentansprüche . . ■ ,

1. Vorrichtung zum Trennen von Molekülen nach dem Strahlprinzip mit wenigstens einer Trennstufe, welche eine mit einer Pumpe verbundene Evakuierungekammer enthält, wobei mittels einer Strahldüse Moleküle In der Gasphase in die Evakuierungskammer eingebracht werden, und mit einer Auegangsdüse, welche koaxial zur Strahldüse angeordnet ist, wobei Moleküle mit grösserem Molekulargewicht in höherer Anzahl als Moleküle mit geringerem Molekulargewicht durch die Ausgangedüse hindurchtreten, dadurch gekennzeichnet, dass eine axial verschiebbare Röhre (3) vorgesehen ist, deren eines auf die Evakuierungskammer (2) gerichtetes Ende eine der Düsen der Trennvorrichtung bildet, dass des weiteren eine Steuereinrichtung zur Verschiebung der Röhre (S) in axialer Richtung vorgesehen ist und dass zwischen den zu trennenden Molekülen in der Gasphase und der Atmosphäre am äueseren Ende der Steuereinrichtung Dichtungen vorgesehen sind, so dass der Abstand zwischen der Strahldüse und der Ausgangsdüse (5) von ausserhalb der Trennvorrichtung während des Trennungsvorganges veränderbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung aus einer Welle (13) besteht, die senkrecht zur axial verschiebbaren Röhre (3) angeordnet ist, wobei mittels eines Exzenters (12) bei Drehung der Welle (13) die axiale Verschiebung der Röhre (3) erfolgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse, welches die Röhre (3) umgibt, mit dem Exzenter (12) in Wirkverbindung steht und dass die axiale Verschiebung mittels mechanischer Kopplung auf die Röhre (3) übertragbar ist.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (14) und der Teil der Röhre (3), der vom Gehäuse umgeben wird, bezüglich der Dichtungen so angeordnet sind, dass sie in Richtung auf das die zu trennenden Moleküle enthaltende Gas abgegrenzt sind.

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