WO2015074959A1 - Atomizer system - Google Patents

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WO2015074959A1
WO2015074959A1 PCT/EP2014/074556 EP2014074556W WO2015074959A1 WO 2015074959 A1 WO2015074959 A1 WO 2015074959A1 EP 2014074556 W EP2014074556 W EP 2014074556W WO 2015074959 A1 WO2015074959 A1 WO 2015074959A1
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WO
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gas
nozzle
spray head
spray
spray chamber
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/074556
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German (de)
French (fr)
Inventor
Bernhard Spengler
Oliver Schulz
Original Assignee
Justus-Liebig-Universität Giessen
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Filing date
Publication date
Application filed by Justus-Liebig-Universität Giessen filed Critical Justus-Liebig-Universität Giessen
Publication of WO2015074959A1 publication Critical patent/WO2015074959A1/en

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/02—Spray pistols; Apparatus for discharge
    • B05B7/06—Spray pistols; Apparatus for discharge with at least one outlet orifice surrounding another approximately in the same plane
    • B05B7/062—Spray pistols; Apparatus for discharge with at least one outlet orifice surrounding another approximately in the same plane with only one liquid outlet and at least one gas outlet
    • B05B7/066—Spray pistols; Apparatus for discharge with at least one outlet orifice surrounding another approximately in the same plane with only one liquid outlet and at least one gas outlet with an inner liquid outlet surrounded by at least one annular gas outlet
    • B05B7/068—Spray pistols; Apparatus for discharge with at least one outlet orifice surrounding another approximately in the same plane with only one liquid outlet and at least one gas outlet with an inner liquid outlet surrounded by at least one annular gas outlet the annular gas outlet being supplied by a gas conduit having an axially concave curved internal surface just upstream said outlet
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
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    • B05B12/00—Arrangements for controlling delivery; Arrangements for controlling the spray area
    • B05B12/08—Arrangements for controlling delivery; Arrangements for controlling the spray area responsive to condition of liquid or other fluent material to be discharged, of ambient medium or of target ; responsive to condition of spray devices or of supply means, e.g. pipes, pumps or their drive means
    • B05B12/082—Arrangements for controlling delivery; Arrangements for controlling the spray area responsive to condition of liquid or other fluent material to be discharged, of ambient medium or of target ; responsive to condition of spray devices or of supply means, e.g. pipes, pumps or their drive means responsive to a condition of the discharged jet or spray, e.g. to jet shape, spray pattern or droplet size
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
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    • B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/02—Spray pistols; Apparatus for discharge
    • B05B7/12—Spray pistols; Apparatus for discharge designed to control volume of flow, e.g. with adjustable passages
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/24—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas with means, e.g. a container, for supplying liquid or other fluent material to a discharge device
    • B05B7/2402—Apparatus to be carried on or by a person, e.g. by hand; Apparatus comprising containers fixed to the discharge device
    • B05B7/2405—Apparatus to be carried on or by a person, e.g. by hand; Apparatus comprising containers fixed to the discharge device using an atomising fluid as carrying fluid for feeding, e.g. by suction or pressure, a carried liquid from the container to the nozzle
    • B05B7/2416—Apparatus to be carried on or by a person, e.g. by hand; Apparatus comprising containers fixed to the discharge device using an atomising fluid as carrying fluid for feeding, e.g. by suction or pressure, a carried liquid from the container to the nozzle characterised by the means for producing or supplying the atomising fluid, e.g. air hoses, air pumps, gas containers, compressors, fans, ventilators, their drives
    • B05B7/2421—Gas containers

Definitions

  • the invention relates to a nebulizer system for producing aerosol with a small droplet size and its use.
  • Nebulization of liquids in nebulizer systems is done to produce small droplets with a large reactive liquid surface, for example in carburetors and humidifiers. This favors processes of mass and heat exchange, such as occur in evaporation processes and combustion processes.
  • Atomizers are also used in spectrometry (e.g., Matrix Assisted Laser Desorption / Ionization (MALDI) mass spectrometry) to chemically analyze substances by atomizing substances therewith.
  • spectrometry e.g., Matrix Assisted Laser Desorption / Ionization (MALDI) mass spectrometry
  • nebulizer systems for medical or cosmetic sprays that are used to directly nourish the skin with an active ingredient or inhaled as an aerosol, for which there are the nebulizer systems in different designs with structurally determined amount of aerosol delivered per shot.
  • Energy supplier is the liquid to be atomized itself. This is supplied under pressure of the single-fluid pressure nozzle. Depending on the type of nozzle, a liquid jet or a liquid lamella is produced at the nozzle orifice. Drop formation begins at a certain distance from the nozzle orifice. Typical representatives of this type of nozzle are turbulence, flat jet, impact and hollow cone pressure nozzles. Dual-fluid or pneumatic nozzles
  • nozzles work on the principle of a jet pump.
  • Energy supplier is a gas or vapor flowing at high speed.
  • the liquid to be atomized can be fed almost without pressure.
  • these nozzles work self-priming.
  • Two-substance nozzles are distinguished in nozzles of internal mixing and in nozzles of external mixture. Typical representatives of this type are matrix preparation apparatuses for biological tissue imaging mass spectrometry.
  • the nozzles which are two-fluid nozzles, of conventional atomization systems for the matrix preparation work with an open spray device without gas-dynamic control see. They only reach a drop size of more than 10 ⁇ , which allows an imaging mass spectrometric analysis with a spatial resolution of at best 20 m.
  • the achievable with the prior art spatial resolution is not sufficient due to large drops to represent biological structures on the cellular level meaningful.
  • a gas or steam mass flow flowing at high speed serves as an energy source for the atomization process.
  • This offers the advantage that, in contrast to single-fluid pressure nozzles, even smaller volume flows of higher-viscosity liquids can be atomized to a fine drop size range.
  • An important role is played by the mass flow ratio ⁇ between the gas and the m g
  • This mass flow ratio is also referred to as loading. As the load increases, the drops produced tend to become finer. The larger the load number becomes, the more margin one has with respect to the mass flows for a constant characteristic drop diameter. Dual-fluid nozzles of external mixture
  • the liquid to be atomized and the gas interact with each other only outside the nozzle. Often encountered here is the prefilming nozzle.
  • the liquid emerges almost without pressure in the center of the nozzle.
  • the gas flows at high speed from a surrounding annular channel. This results in the vicinity of the nozzle orifice, a negative pressure, which propagates the liquid on the Prefilming surface as a film.
  • This thin film strikes the high-velocity gas and is broken up into fine droplets. Under certain conditions, this nozzle type works self-priming. Dual-fluid nozzles of internal mixture
  • the object of the invention is to provide a nebulizer system which ensures an aerosol of uniformly distributed in the aerosol stream surface drops with a diameter of less than 10 ⁇ .
  • the invention consists of an atomizer system 100 comprising a spray head 1 and a spray chamber 18 that can be connected to this spray head in a gas-tight manner.
  • a spray head 1 and a spray chamber 18 that can be connected to this spray head in a gas-tight manner.
  • spray head 1 and a spray chamber 18 that can be connected to this spray head in a gas-tight manner.
  • spray head 1 and a spray chamber 18 that can be connected to this spray head in a gas-tight manner.
  • spray chamber 18 that can be connected to this spray head in a gas-tight manner.
  • These are, for example, made of plastic, glass or ceramic.
  • the spray head 1 has in a spray chamber 18 facing portion a taper, this is as a nozzle 17 for atomizing liquid with gas educated.
  • the spray head 1 has a two-phase nozzle with internal mixture.
  • the spray head 1 comprises at least one gas supply line 2a and at least one liquid supply line 2b. Through these supply lines enter the gas and the liquid in the interior of the spray head. 1 The area in which gas and liquid meet and form an aerosol is the mixing area 10.
  • Gas is any substance or mixture of substances that is gaseous under the operating conditions prevailing in the nebulizer system.
  • this is a chemically inert gas such as e.g. Nitrogen, helium or CO2.
  • the geometry of the nozzle 17 of the atomizer system is described via the nozzle angle alpha. This describes the angle between the exit surface of the spray head 1 and the wall of the spray head at its outlet opening. This angle determines how much the cross-sectional area of the mixing area narrows towards the outlet opening.
  • the spray head 1 in the atomizer system according to the invention at the nozzle 1 7 a nozzle angle alpha of 40 ° to 80 °, preferably 55 ° to 65 °.
  • Spray head 1 and spray chamber 18 are connected to each other gas-tight.
  • the connection is made, for example via thread, adhesive, press fit or by another suitable fastening means, which ensures a gas-tight connection.
  • a seal is additionally used. This ensures that except through the nozzle 17 no mass transport takes place. In particular, no gas can penetrate from outside into the atomizer system.
  • connection between spray head 1 and spray chamber 18 is designed to be reversibly closable.
  • the closure is e.g. via a thread by means of screws. This allows the introduction of a sample into the spray chamber 18 without further opening in the spray chamber 18.
  • the gas supply into the spray head 1 is regulated.
  • the spray head 1 has a gas mass flow controller 13.
  • This is for example a manually or electrically controllable movable valve or via a throttle valve (needle valve) e.g. with a motor.
  • the gas supply line 2a still has a gas mass flow sensor to either directly control the gas flow controller and / or provide the user with a pressure graduation value, e.g. indicated by a display element.
  • pressure graduations in the range from 0.1 bar to 2 bar are preferred, particularly preferably at about 1 bar.
  • the gas source is a gas reservoir e.g. a syringe or gas bottle.
  • the liquid supply into the mixing region 10 of the spray head 1 is also regulated.
  • the spray head 1 comprises a flow rate regulator 14 for fluids. fluid.
  • a flow rate regulator 14 for fluids. fluid This is, for example, a manually or electrically controllable movable valve, for example with a motor.
  • the liquid supply line 2b additionally comprises a flow rate sensor to either directly control the liquid flow rate controller 14 and / or to give the user a value e.g. indicated by a display element.
  • This flow rate sensor measures the flow rate, for example, is designed as a thermal flow rate sensor.
  • the liquid source is a liquid reservoir e.g. a syringe or tank.
  • the flow rate is in a range of ⁇ , ⁇ ⁇ / min to 100 ⁇ / min, preferably ⁇ ⁇ / min to 50 ⁇ / min.
  • the gas mass flow controller 13 and the liquid flow rate controller 14 are independent in their function.
  • the nozzle 17 is designed to be closable. This allows rapid regulation of the aerosol flow.
  • the atomizer system comprises at least one sensor for monitoring a flow of the aerosol through the nozzle 17 at the nozzle 17.
  • This sensor ensures a flat uniform aerosol flow with particles smaller than 10 ⁇ m. It is functionally independent of other sensors (e.g., gas mass flow sensor and / or flow rate sensor).
  • the atomizer system according to the invention comprises a spray chamber 18 with a special geometry. It shows a NEN opposite the nozzle 17 lying tapered portion with a spray chamber angle beta of 30 ° to 60 °, preferably 40 ° to 50 °. This ensures a uniform surface aerosol flow with particles smaller than 10 ⁇ .
  • the spray chamber is flooded with gas, such as nitrogen, prior to the onset of the actual spraying operation.
  • the spray chamber 18 has a closable opening 22 for
  • This serves to regulate the pressure in the spray chamber 18 and the aerosol flow through the spray chamber 18.
  • This closable opening 22 may also serve to deliver a sample into the spray chamber 18 so that the sample can be sprayed.
  • the feeding of the sample into the chamber can also take place via a further opening.
  • the spray chamber 18 of the atomizer system has a sample holder 19 for receiving a sample to be sprayed.
  • This rotatable in a further embodiment with a drive system such as an electric motor. For example, it is released during the aerosol discharge e.g. while spraying the sample, set in rotation.
  • sample holder is in one embodiment on a height-adjustable spacer 20, so that a certain distance of the sample to the nozzle 17 is adjustable.
  • a sample in the context of this invention is any organic or inorganic body, solid, gel, tissue or at least one cell.
  • a multiplicity of samples can be sprayed with a flat uniform aerosol stream with particles smaller than 10 ⁇ m so that there is a wide field of possible uses in technology and medicine.
  • MALDI matrix assisted laser desorption / ionization
  • the following parameters can be set optimally to the spraying of a sample with a planar uniform aerosol flow with particles smaller than 10 ⁇ m:
  • the index 0 indicates the state at the location of the greatest extent of the gas supply line 2a in the spray head 1.
  • the pressure ratio attains the critical value when the sound velocity is reached at the mouth. For air this results in an amount of about Psi ⁇ 0.484.
  • the positioning of the spray chamber 18 to the gas inlet 2a influences the formation of droplets or drops and thus the length of the connected jet core. This is especially important in connection with the spray head geometry in the incipient sputtering process .
  • the forming flow form (s) must at least partially be known.
  • the ratio affects the speed of sound at the nozzle orifice. This may possibly be significantly below the speed of sound in the pure reference fluids, ie c ⁇ water ⁇ «1500 m / s, c ⁇ air ⁇ « 330 m / s.
  • experiments with a condenser microphone mounted directly on the nozzle orifice have been carried out for this purpose. These show a noticeable drift in the frequency spectrum as soon as the mass flow ratio is changed suddenly.
  • the spray chamber 18 acts as an acoustic resonator.
  • the very small droplet diameter which usually less than 10 ⁇ precipitate than calculated by equations of the nozzle characterization can be explained.
  • the primary droplets produced in the atomizer system according to the invention can be further divided by the gas flow. This process is particularly suitable for obtaining a narrower size distribution.
  • a quiescent (ideally) spherical drop on which acts a gas flow.
  • the time required for a drop in drop can be estimated by drop I ⁇
  • An important advantage of the atomizer system according to the invention is that the aerosol droplets are still sufficiently moist when they hit the sample, for example, to trigger analytes from the sample and to take up these analytes when they dry out and crystallize or to produce a stable and / or evenly uniform aerosol stream with particles smaller than 10 to spray ⁇ .
  • Fig. 1 the schematic structure of erfindunshacken atomizer
  • FIG. 3 shows the schematic structure of an exemplary atomizer system 4 shows the schematic structure of a spray head tip with nozzle 17th
  • FIG. 5 shows the schematic structure of an exemplary atomizer system
  • Fig. 7 is an application in the technical field, wherein the sample is a wafer Fig.8 an application in the biotechnological field, wherein the sample yeast cells are
  • a liquid is introduced into the spray head 1 via the liquid feed line 2b.
  • the control takes place via the flow rate controller 14.
  • gas is introduced into the spray head 1 via the gas supply line 2a.
  • the gas flow is controlled by the gas mass flow governor 13.
  • the gas introduction can also be done before or after the liquid supply. For aerosol formation, however, it must be done at least during the liquid supply, otherwise there is no aerosol formation comes.
  • the aerosol formation takes place in the mixing region 10 of the spray head 1.
  • the spray head 1 has a nozzle 17 through which the aerosol drops 40 can leave the spray head 1.
  • the spray head 1 has a tapering region towards this opening, so that a nozzle 17 is formed. This produces an aerosol which leaves the spray head 1 through the nozzle 17 and enters the spray chamber 18.
  • FIG. 2 shows a concrete possible embodiment of the spray head 1. This has a gas inlet 2a through which gas is introduced into the spray head 1. The liquid supply is done here via a liquid supply line 2b.
  • FIG. 3 shows a variant of the atomizer system according to the invention.
  • the gas comprises the spray head 1 and the spray chamber 18.
  • the gas is supplied via a gas mass flow controller 13 and the gas supply 2a into the spray head 1.
  • the gas can still be tempered via an optional thermocouple 11, e.g. heated or cooled.
  • the supply of the liquid to be atomized takes place, for example, via a liquid feed 2b from a liquid reservoir 16, e.g. a syringe via a flow rate controller with flow rate meter 14 and a hose connection adapter 6 in the spray head 1.
  • the liquid can be tempered via an optional thermocouple 31, e.g. heated or cooled.
  • the aerosols leave the spray head 1 via the nozzle 17 and enter the spray chamber 18.
  • the aerosols fall on the sample holder 19.
  • the latter is connected to a drive system 21 via a spacer 20 and can be rotated by it.
  • the spray chamber 18 still closable openings 22. These serve to control the gas flow through the spray chamber 18.
  • FIG. 4 shows a concrete embodiment of the tip of a spray head 1 with the nozzle 17.
  • the escaping aerosol droplet 40 is atomized by the inflowing gas. Since this is done immediately above the nozzle 17, its geometric shape is of great importance.
  • the nozzle angle a is 40 ° to 80 °, preferably 50 ° to 70 °. This nozzle angle is adjustable, for example via a small actuator (not shown).
  • the system has the following dimensions.
  • 50a is less than or equal to ((50) - (51)) / 2,
  • FIG. 5 shows the atomizer system according to the invention with the spray chamber 18 designed as an acoustic resonator.
  • the ratio of chamber width 56 to the diameter of the surface of the sample to be sprayed is approximately 3 to 1 in the region up to the spraying surface of the sample.
  • the chamber walls in this area are rectangular, as a round version of the wall shows different characteristics.
  • the wall here preferably consists of a chemically resistant plastic, for example polyethylene terephthalate (PET).
  • PET polyethylene terephthalate
  • the chamber walls 69, 60 are tapered to a diameter 57.
  • the ratio of diameter 57 to the diameter of the surface of the sample to be sprayed is 1.4 to 1.
  • the area of the taper 59, 60 is here round.
  • the spray chamber angle ⁇ ⁇ which characterizes this taper, is approximately 30 ° to 60 °, preferably 40 ° to 50 °
  • the closable openings 22 on the underside of the chamber (following the diameter 57 are dimensioned such that a sufficiently large gas flow is achieved supplied gas for atomizing a chemically inert gas such as nitrogen, helium or CO2 is used.
  • FIG. 6 shows the degree of coverage of a sample with aerosol droplets in a Zer-dauber system with and without spray chamber 18.
  • the use of the spray chamber 18 leads to a flat uniform aerosol flow with particles smaller than 10 ⁇ m.
  • the atomizer system is used in one possible embodiment for the area-covering and homogeneous matrix coating for matrix-assisted lasers. desorption / ionization (MALDI) of physically and chemically very different surfaces.
  • MALDI desorption / ionization
  • Comparative measurements with devices of the prior art without spraying chamber 18 show that the particles have a size of about 15 microns with a relatively broad size distribution (see also Figure 6 on glass surfaces
  • the atomizer system according to the invention enables particle size n below 10 ⁇ m
  • the reproducibility of these results is given with a statistical one-sigma probability or an RSD of 5%. It is possible to achieve a mean Partikeil horr of about 3 ⁇ .
  • Test results obtained with the possibility of active feedback on actual flow rates suggest that with automatic control of flow rates the fluids, the mean particle size of the substance 2,5-DHB can be lowered below 3 ⁇ .
  • FIG. 7 shows, as exemplary embodiment 1, the matrix preparation of the line structures of the etched Si wafer.
  • the line structures filled with matrix can be seen.
  • Partial image b) shows a fluorescence image of the spray-prepared matrix coating.
  • Partial image c) shows the ion intensity distribution image of the matrix signal m / z 273 u, the matrix 2,5-DHB applied to the etched silicon wafer by means of spray preparation.
  • Figure 8 shows as an embodiment 2, measurements of the lipid head group of the yeast cells.
  • the partial image a) shows yeast cells in suspension in a bright field transmitted light image with visible light.
  • the partial image b) shows the lipid head group m / z 184 u after spray preparation in an ion intensity distribution image (in a section other than in sub-image a).
  • recognizable individual yeast cells are displayed.
  • the lateral size of the yeast cells is between 3 ⁇ and 15 ⁇ .
  • the preparation is prepared by means of the The nebulizer system and the matrix 2,5-DHB have been produced.
  • the bright field transillumination is not the identical region of the ion intensity distribution recording. This serves only the structure and size orientation.
  • the atomizer system according to the invention is also used successfully on biological tissue samples and cells, so that it is also possible to analyze peptides on a single-digit micrometer scale.

Abstract

The invention relates to an atomizer system 100 comprising a spray head and a spray chamber 18 that can be gas-sealingly connected to the spray head. In a part facing the spray chamber 18 the spray head 1 has a tapered portion forming a nozzle 17 for atomizing liquid with gas. The spray head 1 thus has a two-phase nozzle with internal mixing.

Description

Patentanmeldung Zerstäubersystem  Patent Application Atomizer System
Die Erfindung betrifft ein Zerstäubersystem zur Erzeugung von Aerosol mit gerin- ger Tropfengröße und dessen Verwendung. The invention relates to a nebulizer system for producing aerosol with a small droplet size and its use.
[Stand der Technik] [State of the art]
Das Zerstäuben von Flüssigkeiten in Zerstäubersystemen erfolgt, um kleine Tropfen mit einer großen reaktiven Flüssigkeitsoberfläche zu erzeugen, beispielsweise in Vergasern und bei Luftbefeuchtern. Dieses begünstigt Prozesse des Stoff- und Wärmeaustausches, wie sie beispielsweise bei Verdunstungsprozessen und Verbrennungsprozessen stattfinden. Nebulization of liquids in nebulizer systems is done to produce small droplets with a large reactive liquid surface, for example in carburetors and humidifiers. This favors processes of mass and heat exchange, such as occur in evaporation processes and combustion processes.
Des Weiteren dienen Zerstäubungssysteme dazu, gleichmäßige Oberflächenbe- schichtungen zu gewährleisten oder bei Reinigungsaufgaben einen ausreichenden Impulsübertrag zu erzeugen. Zerstäuber werden auch in der Spektrometrie eingesetzt (z.B. in der Matrixunterstützten Laser-Desorptions/Ionisations (MALDI)-Massenspektrometrie) und dienen dabei der chemischen Analyse von Stoffen indem mit ihnen Substanzen zerstäubt werden. Furthermore, sputtering systems serve to ensure uniform surface coatings or to generate a sufficient momentum transfer during cleaning tasks. Atomizers are also used in spectrometry (e.g., Matrix Assisted Laser Desorption / Ionization (MALDI) mass spectrometry) to chemically analyze substances by atomizing substances therewith.
Neben diesen Anwendungen gibt es Zerstäubersysteme für medizinische oder kosmetische Sprays, die der unmittelbaren Benetzung der Haut mit einem Wirkstoff dienen oder als Aerosol inhaliert werden, wofür es die Zerstäubersysteme in unterschiedlichen Bauformen mit konstruktiv festgelegter Menge des pro Stoß abgegebenen Aerosols gibt. Je nach Art der Energiezufuhr kann man Zerstäuberdüsen von Zerstäubersystemen in die folgenden Klassen einteilen: In addition to these applications, there are nebulizer systems for medical or cosmetic sprays that are used to directly nourish the skin with an active ingredient or inhaled as an aerosol, for which there are the nebulizer systems in different designs with structurally determined amount of aerosol delivered per shot. Depending on the type of power supply, you can divide nebulizer nozzles of nebulizer systems into the following classes:
Einstoff-Druckdüsen Single-fluid pressure nozzles
Energielieferant ist die zu zerstäubende Flüssigkeit selbst. Diese wird unter Druck der Einstoff-Druckdüse zugeführt. An der Düsenmündung wird je nach Düsenbauart ein Flüssigkeitsstrahl oder eine Flüssigkeitslamelle erzeugt. Die Tropfenbildung setzt in einer gewissen Entfernung von der Düsenmündung ein. Typische Vertreter dieser Düsenbauart sind Turbulenz-, Flachstrahl-, Prall- und Hohlkegeldruckdüsen. Zweistoff- oder pneumatische Düsen Energy supplier is the liquid to be atomized itself. This is supplied under pressure of the single-fluid pressure nozzle. Depending on the type of nozzle, a liquid jet or a liquid lamella is produced at the nozzle orifice. Drop formation begins at a certain distance from the nozzle orifice. Typical representatives of this type of nozzle are turbulence, flat jet, impact and hollow cone pressure nozzles. Dual-fluid or pneumatic nozzles
Diese Düsen arbeiten nach dem Prinzip einer Strahlpumpe. Energielieferant ist ein mit hoher Geschwindigkeit strömendes Gas oder Dampf. Die zu zerstäubende Flüssigkeit kann nahezu drucklos zugeführt werden. Teilweise arbeiten diese Düsen selbstansaugend. Zweistoff-Düsen unterscheidet man in Düsen innerer Mi- schung und in Düsen äußerer Mischung. Typische Vertreter dieser Bauart sind Matrixpräparationsapparaturen für die bildgebende Massenspektrometrie von biologischem Gewebe. These nozzles work on the principle of a jet pump. Energy supplier is a gas or vapor flowing at high speed. The liquid to be atomized can be fed almost without pressure. In part, these nozzles work self-priming. Two-substance nozzles are distinguished in nozzles of internal mixing and in nozzles of external mixture. Typical representatives of this type are matrix preparation apparatuses for biological tissue imaging mass spectrometry.
Die Düsen, welche Zweistoffdüsen sind, von üblichen Zerstäubersystemen für die Matrixpräparation arbeiten mit einer offenen Sprühvorrichtung ohne gasdynami- sehe Steuerung. Sie erreichen nur eine Tropfengröße von mehr als 10 μηπ, die eine bildgebende massenspektrometrische Analyse mit einer räumlichen Auflösung von bestenfalls 20 m ermöglicht. Die mit dem Stand der Technik erreichbare räumliche Auflösung ist auf Grund zu großer Tropfen nicht ausreichend, um biologische Strukturen auf zellulärer Ebene aussagekräftig abzubilden. The nozzles, which are two-fluid nozzles, of conventional atomization systems for the matrix preparation work with an open spray device without gas-dynamic control see. They only reach a drop size of more than 10 μηπ, which allows an imaging mass spectrometric analysis with a spatial resolution of at best 20 m. The achievable with the prior art spatial resolution is not sufficient due to large drops to represent biological structures on the cellular level meaningful.
Bei Zweistoff- oder pneumatischen Düsen dient ein mit hoher Geschwindigkeit strömender Gas- oder Dampfmassenstrom als Energielieferant für den Zerstäu- bungsprozess. Dieses bietet den Vorteil, dass im Gegensatz zu Einstoff- Druckdüsen auch kleinere Volumenströme an höher viskosen Flüssigkeiten zu einem feinen Tropfengrößenspektrum vernebelt werden können. Eine wichtige Rolle spielt hierbei das Massenstromverhältnis ß zwischen dem Gas und der mg In the case of dual-fluid or pneumatic nozzles, a gas or steam mass flow flowing at high speed serves as an energy source for the atomization process. This offers the advantage that, in contrast to single-fluid pressure nozzles, even smaller volume flows of higher-viscosity liquids can be atomized to a fine drop size range. An important role is played by the mass flow ratio β between the gas and the m g
Flüssigkeit. m Liquid. m
Dieses Massenstromverhältnis wird auch als Beladung bezeichnet. Tendenziell werden mit zunehmender Beladung die erzeugten Tropfen feiner. Je größer die Beladungszahl wird, desto mehr Spielraum hat man bezüglich der Massenströme für einen konstanten charakteristischen Tropfendurchmesser. Zweistoff-Düsen äußerer Mischung This mass flow ratio is also referred to as loading. As the load increases, the drops produced tend to become finer. The larger the load number becomes, the more margin one has with respect to the mass flows for a constant characteristic drop diameter. Dual-fluid nozzles of external mixture
Die zu zerstäubende Flüssigkeit und das Gas treffen erst außerhalb der Düse in Wechselwirkung miteinander. Häufig anzutreffen ist hier die Prefilming-Düse. Die Flüssigkeit tritt nahezu drucklos im Zentrum der Düse aus. Das Gas strömt mit hoher Geschwindigkeit aus einem umgebenden Ringkanal. Hieraus resultiert im Nahbereich der Düsenmündung ein Unterdruck, welcher die Flüssigkeit auf der Prefilming-Fläche als Film ausbreitet. Dieser dünne Film trifft auf das mit hoher Geschwindigkeit strömende Gas und wird zu feinen Tropfen zerteilt. Unter bestimmten Bedingungen arbeitet dieser Düsentyp selbstansaugend. Zweistoff-Düsen innerer Mischung The liquid to be atomized and the gas interact with each other only outside the nozzle. Often encountered here is the prefilming nozzle. The liquid emerges almost without pressure in the center of the nozzle. The gas flows at high speed from a surrounding annular channel. This results in the vicinity of the nozzle orifice, a negative pressure, which propagates the liquid on the Prefilming surface as a film. This thin film strikes the high-velocity gas and is broken up into fine droplets. Under certain conditions, this nozzle type works self-priming. Dual-fluid nozzles of internal mixture
Bei diesen Düsenbauarten erzeugt man bereits im Inneren der Düse ein Zweiphasen-Gemisch. Dieses weist eine geringe Schallgeschwindigkeit auf. In der Düsenaustrittsebene resultiert hieraus ein so genannter Drucksprung. Tropfen mit einem kritischen Durchmesser erfahren hierdurch eine weitere Zerteilung und tragen zu einem hohen Feinanteil an Tropfen im Spray bei. Im Gegensatz zu den Zweistoff- Düsen äußerer Mischung müssen Gas- und Flüssigkeitsdruck aufeinander abgestimmt werden. Insofern ist ein höherer regelungstechnischer Aufwand erforderlich. In these nozzle types, a two-phase mixture is already produced inside the nozzle. This has a low speed of sound. This results in a so-called pressure jump in the nozzle exit plane. Drops having a critical diameter thereby undergo further fragmentation and contribute to a high level of fines in the spray. In contrast to the two-component nozzles of the external mixture, the gas and liquid pressures must be coordinated. In this respect, a higher control engineering effort is required.
[Aufgabe] [Task]
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Zerstäubersystems welches ein Aerosol aus flächig gleichmäßig im Aerosolstrom verteilten Tropfen mit einem Durchmesser von weniger als 10μηι gewährleistet. [Lösung der Aufgabe] The object of the invention is to provide a nebulizer system which ensures an aerosol of uniformly distributed in the aerosol stream surface drops with a diameter of less than 10μηι. [Solution of the task]
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Hauptanspruchs, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind. The solution of this problem arises from the features of the main claim, while advantageous embodiments and further developments of the invention are the dependent claims can be removed.
Die Erfindung besteht aus einem Zerstäubersystem 100 umfassend einen Sprüh- köpf 1 und eine gasdicht mit diesem Sprühkopf verbindbare Sprühkammer 18. Diese sind beispielsweise aus Kunststoff, Glas oder Keramik. The invention consists of an atomizer system 100 comprising a spray head 1 and a spray chamber 18 that can be connected to this spray head in a gas-tight manner. These are, for example, made of plastic, glass or ceramic.
Der Sprühkopf 1 weist in einem der Sprühkammer 18 zugewandten Abschnitt eine Verjüngung auf, diese ist als Düse 17 zur Zerstäubung von Flüssigkeit mit Gas ausgebildet. Damit weist der Sprühkopf 1 eine Zweiphasen-Düse mit innerer Mischung auf. The spray head 1 has in a spray chamber 18 facing portion a taper, this is as a nozzle 17 for atomizing liquid with gas educated. Thus, the spray head 1 has a two-phase nozzle with internal mixture.
Des Weiteren umfasst der Sprühkopf 1 wenigstens eine Gaszuleitung 2a und wenigstens eine Flüssigkeitszuleitung 2b. Durch diese Zuleitungen gelangen das Gas und die Flüssigkeit in das Innere des Sprühkopfes 1 . Der Bereich in dem Gas und Flüssigkeit aufeinander treffen und ein Aerosol bilden, ist der Mischbereich 10. Furthermore, the spray head 1 comprises at least one gas supply line 2a and at least one liquid supply line 2b. Through these supply lines enter the gas and the liquid in the interior of the spray head. 1 The area in which gas and liquid meet and form an aerosol is the mixing area 10.
Gas ist jede Substanz oder jede Mischung von Substanzen, die unter den im Zerstäubersystem herrschenden Betriebsbedingungen gasförmig ist. Beispielsweise ist dies ein chemisch inertes Gase wie z.B. Stickstoff, Helium oder CO2. Gas is any substance or mixture of substances that is gaseous under the operating conditions prevailing in the nebulizer system. For example, this is a chemically inert gas such as e.g. Nitrogen, helium or CO2.
Die Geometrie der Düse 17 des Zerstäubersystems wird über den Düsenwinkel alpha beschrieben. Dieser beschreibt den Winkel zwischen der Austrittsfläche des Sprühkopfes 1 und der Wand des Sprühkopfes an seiner Austrittsöffnung. Dieser Winkel bestimmt wie stark sich die Querschnittsfläche des Mischbereiches zur Austrittsöffnung hin verengt. The geometry of the nozzle 17 of the atomizer system is described via the nozzle angle alpha. This describes the angle between the exit surface of the spray head 1 and the wall of the spray head at its outlet opening. This angle determines how much the cross-sectional area of the mixing area narrows towards the outlet opening.
Bei einem Düsenwinkel alpha von 90° ist die Austrittsöffnung maximal, es wird keine Düsenwirkung erzielt. Bei einem Düsenwinkel alpha von 0° ist die Öffnung verschlossen. At a nozzle angle alpha of 90 °, the outlet opening is maximum, no nozzle effect is achieved. At a nozzle angle alpha of 0 °, the opening is closed.
Um einen gleichmäßig flächigen Aerosolstrom zu erzeugen, weist der Sprühkopf 1 im erfindungsgemäßen Zerstäubersystem an der Düse 1 7 einen Düsenwinkel alpha von 40° bis 80° bevorzugt 55 °bis 65° auf. Sprühkopf 1 und Sprühkammer 18 sind gasdicht miteinander verbunden. Die Verbindung erfolgt z.B. über Gewinde, Kleber, Pressitz oder durch ein anders geeignetes Befestigungsmittel, das eine gasdichte Verbindung gewährleistet. Alternativ wird zusätzlich eine Dichtung verwendet. Damit ist sichergestellt, dass außer durch die Düse 17 kein Stofftransport erfolgt. Insbesondere kann kein Gas von außerhalb in das Zerstäubersystem eindringen. In order to produce a uniform planar aerosol flow, the spray head 1 in the atomizer system according to the invention at the nozzle 1 7 a nozzle angle alpha of 40 ° to 80 °, preferably 55 ° to 65 °. Spray head 1 and spray chamber 18 are connected to each other gas-tight. The connection is made, for example via thread, adhesive, press fit or by another suitable fastening means, which ensures a gas-tight connection. Alternatively, a seal is additionally used. This ensures that except through the nozzle 17 no mass transport takes place. In particular, no gas can penetrate from outside into the atomizer system.
In einer Ausführungsform ist die Verbindung zwischen Sprühkopf 1 und Sprühkammer 18 reversibel verschließbar ausgebildet. Das Verschließen erfolgt z.B. über ein Gewinde mittels Schrauben. Dies ermöglicht das Einführen einer Probe in die Sprühkammer 18 ohne weitere Öffnung in der Sprühkammer 18. In one embodiment, the connection between spray head 1 and spray chamber 18 is designed to be reversibly closable. The closure is e.g. via a thread by means of screws. This allows the introduction of a sample into the spray chamber 18 without further opening in the spray chamber 18.
Die Gaszufuhr in den Sprühkopf 1 erfolgt geregelt. Hierzu weist der Sprühkopf 1 einen Gasmassenflussregler 13 auf. Dieser ist beispielweise ein manuell oder elektrisch steuerbares bewegliches Ventil oder über ein Drosselventil (Nadelventil) z.B. mit einem Motor. Vorzugweise weist die Gaszuleitung 2a noch einen Gasmassenflusssensor auf, um entweder den Gasflussregler direkt zu steuern und/oder dem Anwender einen Druckabstufungswert z.B. durch ein Anzeigeelement anzuzeigen. Um einen flächig gleichmäßigen Aerosolstrom mit Partikeln kleiner 10 μηι zu erzeugen, werden Druckabstufungen im Bereich von 0,1 bar bis 2 bar bevorzugt, besonders bevor- zugt bei ca.1 bar. Die Gasquelle ist ein Gasreservoir z.B. eine Spritze oder Gasflasche. The gas supply into the spray head 1 is regulated. For this purpose, the spray head 1 has a gas mass flow controller 13. This is for example a manually or electrically controllable movable valve or via a throttle valve (needle valve) e.g. with a motor. Preferably, the gas supply line 2a still has a gas mass flow sensor to either directly control the gas flow controller and / or provide the user with a pressure graduation value, e.g. indicated by a display element. In order to produce a planar uniform aerosol stream with particles smaller than 10 μm, pressure graduations in the range from 0.1 bar to 2 bar are preferred, particularly preferably at about 1 bar. The gas source is a gas reservoir e.g. a syringe or gas bottle.
Die Flüssigkeitszufuhr in den Mischbereich 10 des Sprühkopfes 1 erfolgt ebenfalls geregelt. Der Sprühkopf 1 umfasst hierzu einen Flussratenregler 14 für Flüs- sigkeit. Dieser ist beispielweise ein manuell oder elektrisch steuerbares bewegliches Ventil z.B. mit einem Motor. The liquid supply into the mixing region 10 of the spray head 1 is also regulated. For this purpose, the spray head 1 comprises a flow rate regulator 14 for fluids. fluid. This is, for example, a manually or electrically controllable movable valve, for example with a motor.
.Vorzugweise weist die Flüssigkeitszuleitung 2b zusätzlich einen Flussratensensor auf, um entweder den Flussratenregler 14 für Flüssigkeit direkt zu steuern und/oder dem Anwender einen Wert z.B. durch ein Anzeigeelement anzuzeigen. Dieser Flussratensensor misst die Flussrate ist beispielsweise als thermischer Flussratensensor ausgebildet. Preferably, the liquid supply line 2b additionally comprises a flow rate sensor to either directly control the liquid flow rate controller 14 and / or to give the user a value e.g. indicated by a display element. This flow rate sensor measures the flow rate, for example, is designed as a thermal flow rate sensor.
Die Flüssigkeitsquelle ist ein Flüssigkeitsreservoir z.B. eine Spritze oder Tank. Um einen flächig gleichmäßigen Aerosolstrom mit Partikeln kleiner 10 μηι zu erzeu- gen, liegt die Flussrate in einem Bereich von Ο,Ι μΙ/min bis 100 μΙ/min bevorzugt Ι μΙ/min bis 50 μΙ/min.  The liquid source is a liquid reservoir e.g. a syringe or tank. In order to produce an area-uniform aerosol stream with particles smaller than 10 μm, the flow rate is in a range of Ο, Ι μΙ / min to 100 μΙ / min, preferably Ι μΙ / min to 50 μΙ / min.
Der Gasmassenflussregler 13 und der Flussratenregler für Flüssigkeit 14 sind in ihrer Funktion unabhängig voneinander. The gas mass flow controller 13 and the liquid flow rate controller 14 are independent in their function.
In einer Ausführungsform ist die Düse 17 verschließbar ausgebildet. Dies ermög- licht eine schnelle Regulierung des Aerosolstroms. In one embodiment, the nozzle 17 is designed to be closable. This allows rapid regulation of the aerosol flow.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Zerstäubersystem an der Düse 17 zumindest einen Sensor zur Überwachung einer Strömung des Aerosols durch die Düse 17. Dieser Sensor gewährleistet einen flächig gleichmäßigen Aerosolstrom mit Partikeln kleiner 10 μιτι. Er ist in seiner Funktion unabhängig von weiteren Sensoren (z.B. Gasmassenflusssensor und/oder Flussratensensor). In a further embodiment, the atomizer system according to the invention comprises at least one sensor for monitoring a flow of the aerosol through the nozzle 17 at the nozzle 17. This sensor ensures a flat uniform aerosol flow with particles smaller than 10 μm. It is functionally independent of other sensors (e.g., gas mass flow sensor and / or flow rate sensor).
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Zerstäubersystem eine Sprühkammer 18 mit einer besonderen Geometrie auf. Sie weist ei- nen gegenüber der Düse 17 liegenden verjüngenden Abschnitt mit einem Sprühkammerwinkel beta von 30° bis 60 ° auf, bevorzugt 40° bis 50° auf. Dieser gewährleistet einen flächig gleichmäßigen Aerosolstrom mit Partikeln kleiner 10 μηι. In einer Anwendung wird die Sprühkammer vor dem Einsetzen des eigentlichen Sprühvorgangs mit Gas, beispielsweise Stickstoff, geflutet. In a further embodiment, the atomizer system according to the invention comprises a spray chamber 18 with a special geometry. It shows a NEN opposite the nozzle 17 lying tapered portion with a spray chamber angle beta of 30 ° to 60 °, preferably 40 ° to 50 °. This ensures a uniform surface aerosol flow with particles smaller than 10 μηι. In one application, the spray chamber is flooded with gas, such as nitrogen, prior to the onset of the actual spraying operation.
Alternativ weist die Sprühkammer 18 eine verschließbare Öffnung 22 zum  Alternatively, the spray chamber 18 has a closable opening 22 for
Gasaustausch mit der Atmosphäre auf. Dies dient dazu, den Druck in der Sprühkammer 18 und den Aerosolstrom durch die Sprühkammer 18 zu regulieren. Diese verschließbare Öffnung 22 kann außerdem für die Zuführung einer Probe in die Sprühkammer 18 dienen, so dass die Probe besprüht werden kann. Die Zuführung der Probe in die Kammer kann auch über eine weitere Öffnung erfolgen. Gas exchange with the atmosphere. This serves to regulate the pressure in the spray chamber 18 and the aerosol flow through the spray chamber 18. This closable opening 22 may also serve to deliver a sample into the spray chamber 18 so that the sample can be sprayed. The feeding of the sample into the chamber can also take place via a further opening.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Sprühkammer 18 des Zerstäubersystems einen Probenhalter 19 zur Aufnahme einer zu besprühenden Probe auf. Dieser in einer weiteren Ausführungsform rotierbar mit einem Antriebssystem bei- spielsweise einem Elektromotor. Er wird beispielsweise während des Aerosolausstoßes z.B. während des Besprühens der Probe, in Rotation versetzt. In a further embodiment, the spray chamber 18 of the atomizer system has a sample holder 19 for receiving a sample to be sprayed. This rotatable in a further embodiment with a drive system such as an electric motor. For example, it is released during the aerosol discharge e.g. while spraying the sample, set in rotation.
Zusätzlich befindet sich der Probenhalter in einer Ausführungsform auf einem höhenverstellbaren Abstandshalter 20, sodass einer bestimmter Abstand der probe zur Düse 17 einstellbar ist. In addition, the sample holder is in one embodiment on a height-adjustable spacer 20, so that a certain distance of the sample to the nozzle 17 is adjustable.
Eine Probe ist im Rahmen dieser Erfindung ein beliebiger organischer oder anorganischer Körper, ein Feststoff, Gel, Gewebe oder mindestens eine Zelle. Mittels des erfindungsgemäßen Zerstäubersystems kann eine Vielzahl von Proben mit einem flächig gleichmäßigen Aerosolstrom mit Partikeln kleiner 10 μηι besprüht werden, so dass ein weites Feld von Einsatzmöglichkeiten in der Technik und Medizin gegeben ist. A sample in the context of this invention is any organic or inorganic body, solid, gel, tissue or at least one cell. By means of the atomizer system according to the invention, a multiplicity of samples can be sprayed with a flat uniform aerosol stream with particles smaller than 10 μm so that there is a wide field of possible uses in technology and medicine.
Eine Verwendung besteht in der Beschichtung einer Probe für die Matrixunterstützte Laser Desorptions/ lonisations (MALDI)-Massenspektrometrie. Eine weitere Verwendung besteht in der gezielten Beschichtung einer Probe zur Veränderung ihrer technischen Eigenschaften. Diese Veränderung kann beispielsweise eine Erhöhung der chemischen oder mechanischen Belastbarkeit, eine Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit und/oder der optischen Eigenschaften sein. One use is coating a sample for matrix assisted laser desorption / ionization (MALDI) mass spectrometry. Another use is the targeted coating of a sample to change their technical properties. This change may be, for example, an increase in the chemical or mechanical strength, a change in the electrical conductivity and / or the optical properties.
Besonders vorteilhaft am erfindungsgemäßen Zerstäubersystem ist, die als Resonanzkörper ausgebildete Sprühkammer 18. Sie gewährleistet einen flächig gleichmäßigen Aerosolstrom mit Partikeln kleiner 10 μηι und stabilisiert das Aerosol so dass die einzelnen Tropfen nicht miteinander verschmelzen. Fig.6 ver- gleicht das erfindungsgemäße Zerstäubersystem mit Sprühkammer 18 (Fig. 6b) mit einer anderen Vorrichtung ohne Sprühkammer (Fig. 6a). It ensures a spray chamber 18 which is in the form of a resonance body and ensures a flat uniform aerosol flow with particles smaller than 10 μm and stabilizes the aerosol so that the individual drops do not fuse together. 6 compares the atomizer system according to the invention with spray chamber 18 (FIG. 6b) with another apparatus without spray chamber (FIG. 6a).
Besonders vorteilhaft am erfindungsgemäßen Zerstäubersystem ist, das folgenden Parameter optimal auf die Besprühung einer Probe mit einem flächig gleichmäßigen Aerosolstrom mit Partikeln kleiner 10 μηι einstellbar sind: It is particularly advantageous in the atomizer system according to the invention that the following parameters can be set optimally to the spraying of a sample with a planar uniform aerosol flow with particles smaller than 10 μm:
- Regelung der Flussrate der Flüssigkeitszufuhr über den Flussratenregler - Regulation of the flow rate of the liquid supply via the flow rate controller
14 und Flüssigkeitszuleitung 2b 14 and liquid supply 2b
- Regelung der Gaszufuhr über den Gasmassenflussregler 13 und Gaszuleitung 2a - die Sprühkammergeometrie mit dem Sprühkammerwinkel beta (Strömungsprofil und akustische Resonanz) - Regulation of the gas supply via the gas mass flow controller 13 and gas supply line 2a the spray chamber geometry with the spray chamber angle beta (flow profile and acoustic resonance)
- die Bewegungsart und -geschwindigkeit des Probenhalters  - the movement type and speed of the sample holder
Weiterhin werden die bedeutsamen physikalischen Parameter des Sprühkopfes 1 bzw. der Düse 17 besonders vorteilhaft realisiert. Diese sind: Furthermore, the significant physical parameters of the spray head 1 and the nozzle 17 are realized particularly advantageous. These are:
- der Innenquerschnitt und Material, Geometrie der Öffnung mit Düsenwinkel alpha,  the internal cross-section and material, geometry of the opening with nozzle angle alpha,
- der Querschnitt der Gaszuleitung 2a sowie dessen Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit,  the cross-section of the gas supply line 2a and its geometry and surface condition,
- der Gasdruck sowie der Querschnitt des Gasreservoirs  - The gas pressure and the cross section of the gas reservoir
Der am Durchmesser d des Querschnitts der Düse 17 austretende Gasmassen- i d I 2 The gas mass i d I 2 exiting at the diameter d of the cross section of the nozzle 17
ström beträgt in etwa: mG = ^~~^— PcQ 'pFPsi wol:)ei ^e dimensionslose Aus¬ flussfunktion Psi die Massenstromdichte (rho(G) u) beschreibt:
Figure imgf000012_0001
Ström is approximately: G = m ^ ~~ ^ - PCQ 'p F Psi wol:) ei ^ e dimensionless from ¬ flow function Psi the mass flow density (rho (G) u) describes:
Figure imgf000012_0001
Der Index 0 bezeichnet dabei den Zustand an der Stelle der größten Ausdehnung der Gaszuleitung 2a im Sprühkopf 1 . Das Druckverhältnis erlangt den kritischen Wert, wenn an der Mündung die Schallgeschwindigkeit erreicht wird. Für Luft ergibt sich dabei ein Betrag von in etwa Psi ~ 0.484. Die Positionierung der Sprühkammer 18 zur Gaszuleitung 2a (beeinflusst, neben der Oberflächenspan- nung des versprühten Aerosols und der Gaszusammensetzung, die Tropfenbildung bzw. den Tropfenabriss und damit die Länge des zusammenhängenden Strahlkernes. Sie ist vor allem im Zusammenhang mit der Sprühkopfgeometrie im einsetzenden Zerstäubungsprozess entscheidend. Um eine Zweikomponentenzerstäubung ausreichend charakterisieren zu können, müssen zumindest ansatzweise die sich ausbildenden Strömungsform(en) bekannt sein. Hierbei ist das dimensionslose Massestromverhältnis des Gases zum fl The index 0 indicates the state at the location of the greatest extent of the gas supply line 2a in the spray head 1. The pressure ratio attains the critical value when the sound velocity is reached at the mouth. For air this results in an amount of about Psi ~ 0.484. The positioning of the spray chamber 18 to the gas inlet 2a (in addition to the surface tension of the sprayed aerosol and the gas composition, influences the formation of droplets or drops and thus the length of the connected jet core.) This is especially important in connection with the spray head geometry in the incipient sputtering process , In order to be able to characterize a two-component atomization sufficiently, the forming flow form (s) must at least partially be known. Here, the dimensionless mass flow ratio of the gas to fl
Gesamtmassenstrom, x =— -— das auf Normdruck von Luft und Wasser bezo- mG + m gene dimensionslose Dichteverhältnis, rho'=
Figure imgf000013_0001
und der Einfluss der Total mass flow, x = - - the dimensionless density ratio, rho ', related to standard pressure of air and water G + m
Figure imgf000013_0001
and the influence of
V rho uft rho Wasser V runs rho rho water
Oberflächenspannung (sigma) sowie der dynamischen Viskosität (eta), Fluide zu bestimmen. Das Massestrom
Figure imgf000013_0002
Surface tension (sigma) and the dynamic viscosity (eta) to determine fluids. The mass flow
Figure imgf000013_0002
verhältnis wirkt sich auf die Schallgeschwindigkeit an der Düsenmündung aus. Diese kann ggf. deutlich unter der Schallgeschwindigkeit in den reinen Bezugsflui- den liegen, d.h. c{Wasser} « 1500 m/s, c{Luft} « 330 m/s. Im Rahmen der Testphase des erfindungsgemäßen Zerstäubersystems sind hierzu Experimente mit einem, unmittelbar an der Düsenmündung angebrachten, Kondensatormikrophon durchgeführt worden. Diese belegen eine erkennbare Drift im Frequenzspektrum, sobald das Massenstromverhältnis sprunghaft verändert wird. Die Sprühkammer 18 wirkt dabei als akustischer Resonator. Aus der Kombination einer Zweistoff- Düse mit einem akustischen Resonator können die sehr kleinen Tropfendurchmesser, die i.d.R. kleiner 10 μηι ausfallen als über Gleichungen der Düsencharakterisierung berechnet wird, erklärt werden. Die im erfindungsgemäßen Zerstäubersystem erzeugten primären Tropfen können durch die Gasströmung weiter zerteilt werden. Dieser Prozess ist besonders geeignet, um eine engere Größenverteilung zu erhalten. Betrachtet wird, der Einfachheit halber, zunächst ein ruhender (ideal) kugelförmiger Tropfen, auf den ein Gasstrom einwirkt. Der Tropfen setzt dem Gasstrom eine sogenannte aerodyna- mische Widerstandskraft entgegen: Fw = ^^VG 2 pi d °pfm cw ratio affects the speed of sound at the nozzle orifice. This may possibly be significantly below the speed of sound in the pure reference fluids, ie c {water} «1500 m / s, c {air}« 330 m / s. In the context of the test phase of the atomizer system according to the invention, experiments with a condenser microphone mounted directly on the nozzle orifice have been carried out for this purpose. These show a noticeable drift in the frequency spectrum as soon as the mass flow ratio is changed suddenly. The spray chamber 18 acts as an acoustic resonator. From the combination of a two-fluid nozzle with an acoustic resonator, the very small droplet diameter, which usually less than 10 μηι precipitate than calculated by equations of the nozzle characterization can be explained. The primary droplets produced in the atomizer system according to the invention can be further divided by the gas flow. This process is particularly suitable for obtaining a narrower size distribution. Considered, for the sake of simplicity, first a quiescent (ideally) spherical drop, on which acts a gas flow. The drop counteracts the gas flow with a so-called aerodynamic resistance: F w = ^^ VG 2 pi d ° pfm c w
Mit c(W) dem dimensionslosen Widerstandsbeiwert. Die Oberflächenspannungskraft des Tropfens wirkt dabei seiner Zerteilung entgegen: Fsigma = pi■ dTropfen ■ sigma Aus beiden Gleichungen ergibt sich dann das Stabilitätskriterium eines ange- mOr Ί I uTronfen With c (W) the dimensionless drag coefficient. The surface tension force of the drop counteracts its division: F sigma = pi ■ d drop ■ sigma From both equations, the stability criterion of a given mO r Ί I u Tronfen results
strömten statischen Tropfens:— ^v : cw = pi - dTropfen ■ sigma flows of static droplets : - ^ v: c w = pi - d drops ■ sigma
Dabei werden Verhältniszahlen definiert. Diese sind bei einer näheren Charakterisierung hilfreich. Zum einen ist dies die sogenannte Gas- G Tropfen In doing so, ratios are defined. These are helpful in a closer characterization. For one, this is the so-called gas-G drop
Weberzahl : WeG— Weber Number: We G -
sigma cw sigma c w
Sinnvoller Weise wird die Stabilitätsbetrachtung in realen Aerosolen auf die kritische Relativgeschwindigkeit (d.h. auch der Tropfen bewegt sich) und einen kritischen Tropfendurchmesser bezogen: · - ' 8^mfl In practical terms, the stability of viewing in real aerosols on the critical relative velocity (ie also the drop moves) and a critical droplet diameter relative: · - '8 ^ mfl
Cw rk0 G Ü jyopfen C w rk0 G yyopfen
_ 8 sigma _ 8 sigma
kritisch  critical
cwrhoGvrelativ c w rho G v relative
Um die Flüssigkeitsviskosität und Schwingungseinflüsse zu berücksichtigen wird eta In order to take into account the fluid viscosity and vibration influences is eta
weiterhin noch die Ohnesorgezahl verwendet: OhT = = . still the number of unconsciousness used: Oh T = =.
^ sigma■ rho■ dTropfen ^ sigma ■ rho ■ d drops
Empirisch wird dann eine kritische Gas-Weberzahl gefunden, bei deren Über- schreiten ein sekundärer Tropfenzerfall erwartet werden kann: WeG >— + HOhT . Empirically, we then find a critical number of Weber gases that, if exceeded, can be expected to cause a secondary drop in gassing: We G > - + HOh T.
cw c w
Berücksichtigt werden muss, dass die angenommenen Ausgangsbedingungen über die Tropfengröße und die Relativgeschwindigkeit im Verlauf der Sprühnebelbildung nicht konstant sind.  It has to be taken into account that the assumed initial conditions concerning the droplet size and the relative velocity during the course of the spray formation are not constant.
Ebenso kann die Zeit, die für einen Tropfenzerfall benötigt wird, abgeschätzt werd Tropfen I τΐΐθ  Likewise, the time required for a drop in drop can be estimated by drop I τΐΐθ
den: i Z7erf .al„l » 2.8 the following: i Z 7 satisfied "l» 2.8
rho  rho
Zweistoff- Düsen mit innerer Mischung neigen bekanntermaßen zur Ausbildung eines sogenannten Oversprays. Aufgrund der teilweise sehr klein werdenden Tropfen sinkt die Masse der Tropfen und die Relativgeschwindigkeit geht gegen Null. Es handelt sich hierbei um ein Phänomen der Mikrofluidik. Die Tropfen folgen dann der ausgebildeten Gasströmung und werden dabei nicht nur auf die zu beschichtende Oberfläche einer Probe transportiert. Im erfindungsgemäßen Zerstäubersystem verbleibt deshalb der überwiegende Teil des Aerosols als Over- spray an den Wänden der Sprühkammer. Der Anteil des Oversprays geht dann einerseits für das Besprühen z.B. einer Probe verloren, ist aber andererseits ein deutliches Qualitätsmerkmal kleiner Tropfenunter 10 μηι mit einer engen Größenverteilung im Aerosol. Diese erzeugt dann eine flache Verteilung der Aerosolmenge über der zu besprühenden Oberfläche der Probe. Ein wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Zerstäubersystems ist, dass die Aerosoltropfen beim Auftreffen auf der Probe noch hinreichend feucht sind, um beispielsweise Analyte aus der Probe auszulösen und diese Analyte beim Eintrocknen und Auskristallisieren aufzunehmen oder um einen stabilen und/oder flächig gleichmäßigen Aerosolstrom mit Partikeln kleiner 10 μηι zu sprühen. Two-substance nozzles with internal mixing are known to tend to form a so-called overspray. Due to the sometimes very small drops drops the mass of the drops and the relative speed is against Zero. This is a phenomenon of microfluidics. The drops then follow the formed gas flow and are not only transported to the surface to be coated of a sample. In the atomizer system according to the invention, therefore, the majority of the aerosol remains as an over-spray on the walls of the spray chamber. The proportion of overspray is then lost on the one hand for spraying eg a sample, but on the other hand is a clear quality feature of small drops below 10 μm with a narrow size distribution in the aerosol. This then produces a shallow distribution of the amount of aerosol over the surface of the sample to be sprayed. An important advantage of the atomizer system according to the invention is that the aerosol droplets are still sufficiently moist when they hit the sample, for example, to trigger analytes from the sample and to take up these analytes when they dry out and crystallize or to produce a stable and / or evenly uniform aerosol stream with particles smaller than 10 to spray μηι.
[Ausführungsbeispiele] [Embodiments]
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen: Preferred embodiments of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings. Showing:
Fig. 1 : den schematischen Aufbau des erfindunsgemäßen Zerstäubersystems Fig. 1: the schematic structure of erfindunsgemäßen atomizer
Fig. 2: den schematischen Aufbau des Sprühkopfes 1 2 shows the schematic structure of the spray head. 1
Fig. 3: den schematischen Aufbau eines beispielhaften Zerstäubersystems Fig. 4: den schematischen Aufbau einer Sprühkopfspitze mit Düse 17 3 shows the schematic structure of an exemplary atomizer system 4 shows the schematic structure of a spray head tip with nozzle 17th
Fig. 5: den schematischen Aufbau eines beispielhaften Zerstäubersystems 5 shows the schematic structure of an exemplary atomizer system
Fig.6 Vergleich Zerstäubersystem mit und ohne Sprühkammer 18 Fig. 6 Comparison atomizer system with and without spray chamber 18
Fig. 7 eine Anwendung im technischen Bereich, wobei die Probe ein Wafer ist Fig.8 eine Anwendung im biotechnologischen Bereich, wobei die Probe hefezellen sind Fig. 7 is an application in the technical field, wherein the sample is a wafer Fig.8 an application in the biotechnological field, wherein the sample yeast cells are
In der nachfolgenden Beschreibung sind weitere Aspekte und Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung offenbart. Zudem wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Diese Offenbarung der Erfindung soll die Merk- male oder Hauptelemente der Erfindung nicht auf ein spezifisches Ausführungsbeispiel beschränken. Vielmehr können die verschiedenen Elemente, Aspekte und Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen offenbart sind, durch einen Fachmann auf dem Gebiet auf verschiedene Arten kombiniert werden, um einen oder mehrere Vorteile der vorliegenden Erfindung zu erzielen. Figur 1 : schematischer Aufbau des erfindungsgemäßen Zerstäubersystems In the following description, further aspects and embodiments of the present invention are disclosed. In addition, reference is made to the accompanying drawings. This disclosure of the invention is not intended to limit the features or main elements of the invention to a specific embodiment. Rather, the various elements, aspects and features disclosed in the embodiments may be combined by one of ordinary skill in the art in various ways to achieve one or more advantages of the present invention. Figure 1: schematic structure of the atomizer according to the invention
In das erfindungsgemäße Zerstäubersystem wird über dieFlüssigkeitszuleitung 2b, eine Flüssigkeit in den Sprühkopf 1 eingeleitet. Die Steuerung erfolgt dabei über den Flussratenregler 14. Unabhängig davon wird über die Gaszuleitung 2a Gas in den Sprühkopf 1 eingeleitet. Der Gasfluss wird über den Gasmassenfluss- regier 13 gesteuert. Die Gaseinleitung kann hier auch vor, oder nach der Flüssigkeitszuleitung geschehen. Zur Aerosolbildung muss er jedoch zumindest während der Flüssigkeitszuleitung geschehen, da es sonst zu keiner Aerosolbildung kommt. Die Aerosolbildung findet im Mischbereich 10 des Sprühkopfes 1 statt. Der Sprühkopf 1 besitzt eine Düse 17 über die die Aerosoltropfen 40 den Sprühkopf 1 verlassen können. Erfindungsgemäß besitzt der Sprühkopf 1 zu dieser Öffnung hin einen sich verjüngenden Bereich, so das eine Düse 17 entsteht. Hierbei entsteht ein Aerosol, das den Sprühkopf 1 durch die Düse 17 verlässt und in die Sprühkammer 18 gelangt. In the atomizer system according to the invention, a liquid is introduced into the spray head 1 via the liquid feed line 2b. The control takes place via the flow rate controller 14. Independently, gas is introduced into the spray head 1 via the gas supply line 2a. The gas flow is controlled by the gas mass flow governor 13. The gas introduction can also be done before or after the liquid supply. For aerosol formation, however, it must be done at least during the liquid supply, otherwise there is no aerosol formation comes. The aerosol formation takes place in the mixing region 10 of the spray head 1. The spray head 1 has a nozzle 17 through which the aerosol drops 40 can leave the spray head 1. According to the invention, the spray head 1 has a tapering region towards this opening, so that a nozzle 17 is formed. This produces an aerosol which leaves the spray head 1 through the nozzle 17 and enters the spray chamber 18.
Figur 2 zeigt eine konkrete mögliche Ausführungsform des Sprühkopfes 1. Dieser besitzt eine Gaszuleitung 2a, durch die Gas in den Sprühkopf 1 eingeleitet wird. Die Flüssigkeitszuleitung geschieht hier über eine Flüssigkeitszuleitung 2b. Figur 3 zeigt eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Zerstäubersystems. Figure 2 shows a concrete possible embodiment of the spray head 1. This has a gas inlet 2a through which gas is introduced into the spray head 1. The liquid supply is done here via a liquid supply line 2b. FIG. 3 shows a variant of the atomizer system according to the invention.
Es umfasst den Sprühkopf 1 und die Sprühkammer 18. Die Gaszuleitung erfolgt über einen Gasmassenflussregler 13 und die Gaszuführung 2a in den Sprühkopf 1. Das Gas kann über ein optionales Thermoelement 11 noch temperiert, z.B. er- wärmt oder abgekühlt werden. It comprises the spray head 1 and the spray chamber 18. The gas is supplied via a gas mass flow controller 13 and the gas supply 2a into the spray head 1. The gas can still be tempered via an optional thermocouple 11, e.g. heated or cooled.
Zusätzlich erfolgt die Zuleitung der zu zerstäubenden Flüssigkeit beispielsweise über eine Flüssigkeitszuführung 2b aus einem Flüssigkeitsreservoir 16 z.B. einer Spritze über einen Flussratenregler mit Flussratenmesser 14 und einen Schlauchanschlussadapter 6 in den Sprühkopf 1. Die Flüssigkeit kann dabei über ein opti- onales Thermoelement 31 temperiert, z.B. erwärmt oder abgekühlt werden. In addition, the supply of the liquid to be atomized takes place, for example, via a liquid feed 2b from a liquid reservoir 16, e.g. a syringe via a flow rate controller with flow rate meter 14 and a hose connection adapter 6 in the spray head 1. The liquid can be tempered via an optional thermocouple 31, e.g. heated or cooled.
Nach dem Zerstäuben verlassen die Aerosole über die Düse 17 den Sprühkopf 1 und treten in die Sprühkammer 18 ein. Diese umfasst einen für die Aufnahme ei- ner Probe geeigneten Probenhalter 19 einen Abstandshalter 20 und ein Antriebssystem 21. After spraying, the aerosols leave the spray head 1 via the nozzle 17 and enter the spray chamber 18. This includes one for receiving a a sample suitable holder 19 a spacer 20 and a drive system 21.
Innerhalb der Sprühkammer 18 fallen die Aerosole auf den mit einer Proben versehenen Probenhalter 19. Dieser ist über einen Abstandshalter 20 mit einem An- triebssystem 21 verbunden und kann durch dieses in Rotation versetzt werden. Des Weiteren weist die Sprühkammer 18 noch verschließbare Öffnungen 22 auf. Diese dienen dazu, den Gasstrom durch die Sprühkammer 18 zu kontrollieren.  Within the spray chamber 18, the aerosols fall on the sample holder 19. The latter is connected to a drive system 21 via a spacer 20 and can be rotated by it. Furthermore, the spray chamber 18 still closable openings 22. These serve to control the gas flow through the spray chamber 18.
Figur 4 zeigt eine konkrete Ausführungsform der Spitze eines Sprühkopfes 1 mit der Düse 17. Beim Austreten aus der Gaszuleitung 2a wird der austretende Aero- soltropfen 40 durch das zuströmende Gas zerstäubt. Da dies unmittelbar oberhalb der Düse 17 erfolgt, ist deren geometrische Gestalt von großer Bedeutung. Wichtig ist hierbei der Düsenwinkel a. Dieser beträgt 40° bis 80° bevorzugt 50° bis 70°. Dieser Düsenwinkel ist einstellbar zum Beispiel über einen kleinen Stellmotor (nicht abgebildet). In einem konkreten Ausführungsbeispiel besitzt das System folgende Abmessungen. FIG. 4 shows a concrete embodiment of the tip of a spray head 1 with the nozzle 17. Upon emerging from the gas inlet 2a, the escaping aerosol droplet 40 is atomized by the inflowing gas. Since this is done immediately above the nozzle 17, its geometric shape is of great importance. Important here is the nozzle angle a. This is 40 ° to 80 °, preferably 50 ° to 70 °. This nozzle angle is adjustable, for example via a small actuator (not shown). In a concrete embodiment, the system has the following dimensions.
1 : 75 mm bis 85 mm, 1: 75 mm to 85 mm,
52: 120 μηι bis 140 μηι, 52: 120 μηι to 140 μηι,
51 : 470 μηι bis 490 μηι, 51: 470 μηι to 490 μηι,
50: 790 μηι bis 810 μηι, 50: 790 μηι to 810 μηι,
50a: ist kleiner gleich ((50)-(51 ))/2, 50a: is less than or equal to ((50) - (51)) / 2,
61 : 2,25 mm bis 2,75 mm (innere Mischung),  61: 2.25 mm to 2.75 mm (inner mixture),
55: 5,5 cm bis 6,5cm, Figur 5 zeigt das erfindungsgemäße Zerstäubersystem mit der als akustischer Resonanzkörper ausgebildeten Sprühkammer 18. 55: 5.5 cm to 6.5 cm, FIG. 5 shows the atomizer system according to the invention with the spray chamber 18 designed as an acoustic resonator.
Das Verhältnis von Kammerbreite 56 zum Durchmesser der zu besprühenden Fläche der Probe beträgt im Bereich bis zur besprühenden Oberfläche der Probe ca. 3 zu 1 . Die Kammerwände in diesem Bereich sind rechteckig ausgeführt, da eine runde Ausführung der Wand abweichende Eigenschaften zeigt. Die Wand besteht hierbei bevorzugt aus einem chemisch beständigen Kunststoff beispielsweise Polyethylenterephthalat (PET). Unmittelbar unterhalb der zu besprühenden Oberfläche erfolgt eine Verjüngung der Kammerwände 69, 60, auf einen Durch- messer 57. Das Verhält von Durchmesser 57 zum Durchmesser der zu besprühenden Oberfläche der Probe beträgt 1 ,4 zu 1 Der Bereich der Verjüngung 59, 60 ist dabei rund. The ratio of chamber width 56 to the diameter of the surface of the sample to be sprayed is approximately 3 to 1 in the region up to the spraying surface of the sample. The chamber walls in this area are rectangular, as a round version of the wall shows different characteristics. The wall here preferably consists of a chemically resistant plastic, for example polyethylene terephthalate (PET). Immediately below the surface to be sprayed, the chamber walls 69, 60 are tapered to a diameter 57. The ratio of diameter 57 to the diameter of the surface of the sample to be sprayed is 1.4 to 1. The area of the taper 59, 60 is here round.
Der Sprühkammerwinkel beta ß, der diese Verjüngung kennzeichnet, beträgt ca. 30° bis 60° bevorzugt 40° bis 50° Die verschliessbaren Öffnungen 22 an der Kammerunterseite (im Anschluss an Durchmesser 57 sind so dimensioniert, dass ein ausreichend großer Gasfluss erreicht wird. Als zugeführtes Gas zum Zerstäuben wird ein chemisch inertes Gas wie z.B. Stickstoff, Helium oder CO2 verwendet. The spray chamber angle β β, which characterizes this taper, is approximately 30 ° to 60 °, preferably 40 ° to 50 ° The closable openings 22 on the underside of the chamber (following the diameter 57 are dimensioned such that a sufficiently large gas flow is achieved supplied gas for atomizing a chemically inert gas such as nitrogen, helium or CO2 is used.
Figur 6 zeigt den Bedeckungsgrad einer Probe mit Aerosoltropfen in einem Zer- Stäubersystem mit und ohne Sprühkammer 18. Hier wird deutlich, dass der Einsatz der Sprühkammer 18 zu einem flächig gleichmäßigen Aerosolstrom mit Partikeln kleiner 10 μηι führt. FIG. 6 shows the degree of coverage of a sample with aerosol droplets in a Zer-dauber system with and without spray chamber 18. Here it becomes clear that the use of the spray chamber 18 leads to a flat uniform aerosol flow with particles smaller than 10 μm.
Das Zerstäubersystem wird in einer möglichen Ausführungsform verwendet zur flächendeckenden und homogenen Matrixbeschichtung für Matrix-unterstützte La- ser Desorption/Ionisation (MALDI) physikalisch und chemisch sehr unterschiedlicher Oberflächen. Der folgende Teil der Beschreibung bezieht sich auf dieses Anwendung. Dies ist jedoch nur als Beispiel zu verstehen. Es ist dem Fachmann möglich diese Lehre auch auf andere Anwendungsgebiete z.B. auch der Technik zu übertragen. The atomizer system is used in one possible embodiment for the area-covering and homogeneous matrix coating for matrix-assisted lasers. desorption / ionization (MALDI) of physically and chemically very different surfaces. The following part of the description refers to this application. However, this is only an example. It is possible for a person skilled in the art to transfer this teaching to other fields of application, for example also of technology.
Getestet wurden die Besprühungen verschiedener Proben z.B. von nativen und biologischen„Oberflächen", metallischen Oberflächen, Glasoberflächen (BK07) und Silizium-Wafer-Oberflächen für die Matrix-unterstützte Laser Desorpti- ons/lonisations (MALDI)-Massenspektrometrie. Hierbei entspricht die Größe der resultierenden Partikel der Tropfengröße des Aerosols. Es ist dabei möglich, mit der sehr häufig in der MALDI-Analytik eingesetzte Substanz 2,5-Dihydroxy- Benzoesäure (DHB) als Matrix, Partikelgrößen von im Mittel drei bis fünf Mikrometer über einer Fläche von ca. 1 bis 10 bevorzugt ca.3 cm2 auf einer metallischen Oberfläche aufzubringen. Vergleichsmessungen mit Vorrichtungen aus dem Stand der Technik ohne Sprühkammer 18 zeigen, dass die Partikel auf Glasoberflächen eine Größe ca. 15 Mikrometer mit einer relativ breiten Größenverteilung (siehe auch Fig.6, mittlere Abbildung) erreichen. Das erfindungsgemäße Zerstäubersystem ermöglicht dagegen Partikelgrößen unter 10 μηι. Nach der Optimierung der relevanten Prozessparameter und einer Regulierung der Flussraten (Volumen- und Massestrom der Fluide) ist die Reproduzierbarkeit dieser Ergebnisse mit einer statistischen ein-Sigma Wahrscheinlichkeit bzw. einer RSD von 5 % gegeben. Es ist möglich eine mittlere Partikeilgröße von ca. 3 μηι zu erreichen. Testergebnisse, die mit der Möglichkeit einer aktiven Rückkopplung über die tatsächlichen Flussraten erzielt werden, legen nahe, dass bei automatischer Steuerung der Flussraten der Fluide, die mittlere Partikelgröße der Substanz 2,5-DHB auch unter 3 μηι gesenkt werden kann. The spraying of various samples, eg of native and biological "surfaces", metallic surfaces, glass surfaces (BK07) and silicon wafer surfaces for matrix-assisted laser desorption / ionization (MALDI) mass spectrometry was tested It is possible, with the very often used in the MALDI analysis substance 2,5-dihydroxybenzoic acid (DHB) as a matrix, particle sizes of on average three to five microns over an area of about 1 to 10 preferably from about 3 cm 2 to be applied to a metallic surface. Comparative measurements with devices of the prior art without spraying chamber 18 show that the particles have a size of about 15 microns with a relatively broad size distribution (see also Figure 6 on glass surfaces In contrast, the atomizer system according to the invention enables particle size n below 10 μm After the optimization of the relevant process parameters and a regulation of the flow rates (volume and mass flow of the fluids), the reproducibility of these results is given with a statistical one-sigma probability or an RSD of 5%. It is possible to achieve a mean Partikeilgröße of about 3 μηι. Test results obtained with the possibility of active feedback on actual flow rates suggest that with automatic control of flow rates the fluids, the mean particle size of the substance 2,5-DHB can be lowered below 3 μηι.
Hierbei ist es von zentraler Bedeutung für die nachfolgende MALDI-MS-Analytik, dass obwohl diese relativ kleinen Partikel erzeugt werden, alle nativen biologi- sehen Oberflächen eine für Phospholipide und Peptide ausreichende Kontakteffizienz mit der Matrix ausbilden. Die laterale Migration von Analyten erwies sich im Präparationsmaßstab (0.25 μηι bis 2 μιτι) als weitgehend unbedeutend, d.h. Positionierungsartefakte sind hier eher auf Effekte wie Sekundärablagerung von Probenmaterial oder Störungen bzw. Schwankungen der Bewegungsabläufe inner- halb der Rastermechanik beim Probenstellenwechsel zurückzuführen. Here, it is of central importance for the subsequent MALDI-MS analysis that although these relatively small particles are produced, all native biological surfaces form a sufficient contact efficiency with the matrix for phospholipids and peptides. The lateral migration of analytes proved in the preparation scale (0.25 μηι to 2 μιτι) as largely insignificant, i. Positioning artefacts are more likely to be due to effects such as secondary deposition of sample material or disturbances or fluctuations in the motion sequences within the raster mechanics during sample site changes.
Figur 7 zeigt als Ausführungsbeispiel 1 , die Matrixpräparation der Linienstrukturen des geätzten Si-Wafer. Im lonenintensitätsverteilungsbild in Teilabbildung a) sind dabei die mit Matrix gefüllten Linienstrukturen erkennbar. Teilabbildung b) zeigt ein Fluoreszenzbild der Mittels Sprühpräparation hergestellte Matrixbeschichtung. Teilabbildung c) zeigt das lonenintensitätsverteilungsbild des Matrixsignales m/z 273 u, der mittels Sprühpräparation auf den geätzten Siliziumwafer aufgetragenen Matrix 2,5-DHB. FIG. 7 shows, as exemplary embodiment 1, the matrix preparation of the line structures of the etched Si wafer. In the ion intensity distribution image in partial image a), the line structures filled with matrix can be seen. Partial image b) shows a fluorescence image of the spray-prepared matrix coating. Partial image c) shows the ion intensity distribution image of the matrix signal m / z 273 u, the matrix 2,5-DHB applied to the etched silicon wafer by means of spray preparation.
Abbildung 8 zeigt als ein Ausführungsbeispiel 2, Messungen der Lipidkopfgruppe der Hefezellen. Die Teilabbildung a) zeigt hierbei Hefezellen in Suspension in ei- ner Hellfelddurchlichtaufnahme mit sichtbarem Licht. Die Teilabbildung b) zeigt in einem lonenintensitätsverteilungsbild (in einem anderen Ausschnitt als in Teilabbildung a), die Lipidkopfgruppe m/z 184 u nach Sprühpräparation. Hierbei werden erkennbar einzelne Hefezellen dargestellt. Die laterale Größe der Hefezellen beträgt zwischen 3 μηι und 15 μηι. Die Präparation ist mittels des erfindungsgemä- ßen Zerstäubersystems und der Matrix 2,5-DHB erzeugt worden. Bei der Hellfeld- durchlichtaufnahme handelt es sich nicht um den identischen Bereich der lonenin- tensitätsverteilungsaufnahme. Diese dient lediglich der Struktur- und Größenorientierung. Figure 8 shows as an embodiment 2, measurements of the lipid head group of the yeast cells. The partial image a) shows yeast cells in suspension in a bright field transmitted light image with visible light. The partial image b) shows the lipid head group m / z 184 u after spray preparation in an ion intensity distribution image (in a section other than in sub-image a). Here, recognizable individual yeast cells are displayed. The lateral size of the yeast cells is between 3 μηι and 15 μηι. The preparation is prepared by means of the The nebulizer system and the matrix 2,5-DHB have been produced. The bright field transillumination is not the identical region of the ion intensity distribution recording. This serves only the structure and size orientation.
Das erfindungsgemäße Zerstäubersystem wird, wie in Ausführungsbeispiel 2 gezeigt auch an biologischen Gewebeproben und Zellen erfolgreich eingesetzt, so dass auch im einstelligen Mikrometermaßstab eine Analytik von Peptiden möglich ist. The atomizer system according to the invention, as shown in exemplary embodiment 2, is also used successfully on biological tissue samples and cells, so that it is also possible to analyze peptides on a single-digit micrometer scale.
Bezugszeichenliste: LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Sprühkopf  1 spray head
2a Gaszuleitung  2a gas supply
2b Flüssigkeitszuleitung 6 Schlauchanschlussadapter  2b Liquid supply 6 Hose connection adapter
10 Mischbereich 10 mixing area
11 ,31 Thermoelement 11, 31 thermocouple
12 Kapillarführung  12 capillary guide
13 Gasmassenflussregler 13 gas mass flow controller
14 Flussratenregler für Flüssigkeit 15,25 Pumpe 14 Liquid flow regulator 15,25 Pump
16 Gasreservoir  16 gas reservoir
26 Flüssigkeitsreservoir  26 liquid reservoir
17 Düse  17 nozzle
18 Sprühkammer 18 spray chamber
19 Probenhalter  19 sample holders
20 Abstandshalter  20 spacers
21 Antriebssystem  21 drive system
22 verschließbare Öffnung  22 closable opening
31 Flüssigkeitenmassenmesser 40 Aerosol 31 Liquid mass meter 40 Aerosol
100 Zerstäubersystem α Düsenwinkel ß Sprühkammerwinkel 100 atomizer system α nozzle angle ß spray chamber angle

Claims

[Ansprüche] [Claims]
1 . Zerstäubersystem umfassend einen Sprühkopf (1 ) zur Aufnahme eines Gases und einer Flüssigkeit, so dass ein Aerosol bildbar ist, mit einer Zweistoff-Düse innerer Mischung (17) mit einer Gaszuleitung (2a), einer Flüs- sigkeitszuleitung (2b) und einer Sprühkammer (18), dadurch gekennzeichnet, dass der Sprühkopf (1 ) und die Sprühkammer (18) gasdicht miteinander verbindbar sind und der Sprühkopf (1 ) einen Gasmassenfluss- regler (13) zur Regelung der Zuleitung von Gas und einen Flussratenregler (14) zur Regelung der Zuleitung von Flüssigkeit aufweist, und wobei der Sprühkopf (1 ) in einem der Sprühkammer (18) zugewandten Abschnitt eine 1 . An atomizer system comprising a spray head (1) for receiving a gas and a liquid, so that an aerosol can be formed, with a two-substance nozzle of internal mixture (17) with a gas feed line (2a), a liquid feed line (2b) and a spray chamber ( 18), characterized in that the spray head (1) and the spray chamber (18) are connected to each other gas-tight and the spray head (1) a Gasmassenfluss- regulator (13) for controlling the supply of gas and a flow rate regulator (14) for controlling the Having supply line of liquid, and wherein the spray head (1) in a spray chamber (18) facing portion a
Verjüngung aufweist, die die Zweistoff- Düse innerer Mischung (17) bildet, so dass das Aerosol vom Sprühkopf (1 ) durch die Düse (17) in die Sprühkammer (18) gelangen kann. Has taper that forms the two-fluid nozzle inner mixture (17), so that the aerosol from the spray head (1) through the nozzle (17) can get into the spray chamber (18).
2. Zerstäubersystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Sprühkopf (1 ) an der Düse (17) einen Düsenwinkel α von 40° bis 80° aufweist. 2. atomizer system according to claim 1, characterized in that the spray head (1) on the nozzle (17) has a nozzle angle α of 40 ° to 80 °.
3. Zerstäubersystem nach Anspruch 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Sprühkopf (1 ) an der Düse (17) zumindest einen Sensor zur Überwachung des Aerosolstroms durch die Düse(17) umfasst. 3. atomizer system according to claim 1 to 2, characterized in that the spray head (1) on the nozzle (17) comprises at least one sensor for monitoring the aerosol flow through the nozzle (17).
4. Zerstäubersystem gemäß einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Sprühkopf (1 ) an der Gaszuleitung (2a) einen Sensor zur Steuerung der Gaszufuhr aufweist und/oder an der Flüssigkeitszuleitung (2b) einen Sensor zur Steuerung der Flüssigkeitszufuhr aufweist. 4. Atomizer system according to one of the preceding claims, characterized in that the spray head (1) on the gas supply line (2a) has a sensor for controlling the gas supply and / or on the liquid supply line (2b) has a sensor for controlling the liquid supply.
5. Zerstäubersystem gemäß einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Sprühkopf (1 ) an der Gaszuleitung (2a), und/oder der Flüssigkeitszuleitung (2b) eine Pumpe (15,25) aufweist. 5. Atomizer system according to one of the preceding claims, characterized in that the spray head (1) on the gas supply line (2a), and / or the liquid supply line (2b) comprises a pump (15,25).
6. Zerstäubersystem gemäß einem der vorigen Ansprüche dadurch gekenn zeichnet, dass die Sprühkammer (18) einen verjüngenden Abschnitt auf dem der Düse (17) gegenüberliegenden Abschnitt mit einen Sprühkammerwinkel ß von 30° bis 60° aufweist und so als akustischer Resonanzkörper wirkt. 6. nebulizer system according to one of the preceding claims characterized in that the spray chamber (18) has a tapered portion on the nozzle (17) opposite portion having a spray chamber angle ß of 30 ° to 60 ° and thus acts as an acoustic resonator.
7. Zerstäubersystem gemäß einem der vorigen Ansprüche dadurch gekenn zeichnet, dass die Sprühkammer (18) wenigstens eine verschließbare Öffnung (22) zum Gasaustausch mit der Atmosphäre aufweist. 7. atomizer system according to one of the preceding claims characterized in that the spray chamber (18) has at least one closable opening (22) for gas exchange with the atmosphere.
8. Zerstäubersystem gemäß einem der vorigen Ansprüche dadurch gekenn zeichnet, dass die Sprühkammer (18) einen Probenhalter (19) aufweist. 8. atomizer system according to one of the preceding claims characterized in that the spray chamber (18) has a sample holder (19).
9. Zerstäubersystem gemäß einem der vorigen Ansprüche dadurch gekenn zeichnet, dass die Sprühkammer (18) einen Abstandshalter (20) aufweist. 9. nebulizer system according to one of the preceding claims characterized in that the spray chamber (18) has a spacer (20).
10. Verwendung eines Zerstäubersystems gemäß einem der vorigen Ansprüche zur gleichmäßigen Beschichtung einer Probe. 10. Use of a sprayer system according to one of the preceding claims for the uniform coating of a sample.
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