DE102009018021B4

DE102009018021B4 - Microdosing system with a pulsed laser

Info

Publication number: DE102009018021B4
Application number: DE200910018021
Authority: DE
Inventors: Dr. Lörgen Marcus; Dr. Mertsch Olaf; Arne Schleunitz; Dr. Schondelmaier Daniel; Ivo Rudolph; Antje Walter
Original assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Priority date: 2009-04-18
Filing date: 2009-04-18
Publication date: 2013-09-05
Anticipated expiration: 2029-04-19
Also published as: WO2010118735A1; DE102009018021A1

Abstract

Mikrodosiersystem (01), mit dem diskrete Fluidmengen aus einem Fluidreservoir (03) über eine Dosierleitung mit einer stirnseitigen Dosieröffnung in einen bewandeten und von einem Trägergas (04) durchströmten Strömungskanal (05) überführt werden, wobei die diskreten Fluidmengen mittels einer Erzeugereinheit hochpräzise erzeugt werden und die Dosierleitung und die Erzeugereinheit außerhalb des Strömungskanals (05) angeordnet sind, gekennzeichnet durch eine Ausbildung der Dosierleitung als selbstbefüllende Steigkapillare (07), die zumindest mit der Dosieröffnung, die als sich verengende Düsenöffnung (09) ausgebildet ist, die Wandung (10) des Strömungskanals (05) durchdringt, und eine Ausbildung der Erzeugereinheit als gepulster Laser (11), dessen Fokus (13) auf die Düsenöffnung (09) oder auf die Steigkapillare (07) ausgerichtet ist und dessen ausgesendete Laserpulse (12) eine veränderbare Energie größer als die Verdampfungsenergie des Fluids (06) haben, wobei bei jedem Laserpuls (12) eine Gaswolke (02) mit vorgegebener Menge und Konzentration als diskrete Fluidmenge in den Strömungskanal (05) eingeleitet wird.Microdosing (01), are transferred with the discrete amounts of fluid from a fluid reservoir (03) via a metering with an end-side metering in a walled and flowed through by a carrier gas (04) flow channel (05), wherein the discrete amounts of fluid are generated by a generator unit with high precision and the dosing line and the generator unit are arranged outside the flow channel (05), characterized by a design of the dosing line as a self-filling rising capillary (07), which at least forms the wall (10) with the metering opening, which is designed as a narrowing nozzle opening (09). of the flow channel (05) penetrates, and an embodiment of the generator unit as a pulsed laser (11) whose focus (13) on the nozzle opening (09) or on the riser capillary (07) is aligned and whose emitted laser pulses (12) a variable energy greater as the vaporization energy of the fluid (06), with each Laser pulse (12) a gas cloud (02) with a predetermined amount and concentration as a discrete amount of fluid in the flow channel (05) is initiated.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Mikrodosiersystem zur berührungslosen Einleitung von diskreten Fluidmengen aus einem Fluidreservoir in einen bewandeten und von einem Trägergas durchströmten Strömungskanal über eine Dosierleitung mit einer stirnseitigen Dosieröffnung mittels einer Erzeugereinheit zur Erzeugung der diskreten Fluidmengen, wobei die Dosierleitung und die Erzeugereinheit außerhalb des Strömungskanals angeordnet sind.The invention relates to a Mikrodosiersystem for non-contact introduction of discrete quantities of fluid from a fluid reservoir into a walled and flowed through by a carrier gas flow channel via a metering with a front-side metering by means of a generator unit for generating the discrete fluid quantities, the metering and the generator unit outside the flow channel are arranged.

Als Mikrodosiersystem wird eine Vorrichtung bezeichnet, mit der mikroskopisch kleine diskrete Fluidmengen in einem Volumenbereich von unter einem Milliliter, bevorzugt unterhalb einem Mikroliter bis in den Femtoliterbereich, ausstoßbar sind. Zu unterscheiden ist die berührende Dosierung, bei der die Fluidmenge durch die Berührung mit einem Substrat abgezogen wird, und die berührungslose Dosierung, bei der die Fluidmenge frei in den Raum abgegeben wird. Die berührungslose Dosierung hat gegenüber der berührenden Dosierung den großen Vorteil, dass kein Kontakt mit dem Substrat und daher keine aufwändigen Justiermaßnahmen bei gleichzeitiger Gefahr der Substratbeschädigung vorgenommen werden muss. Daher ist die berührungslose Dosierung Gegenstand vielfältiger Entwicklungen. Die fortschreitende Miniaturisierung in nahezu allen technischen Bereichen stellt Industrie, Entwicklungslabore und Forschungseinrichtungen vor immer neue Herausforderungen. Immer kleinere Mengen von Klebstoffen, Ölen, Tinten und einer Vielzahl weiterer Medien müssen mengengenau mit kürzesten Taktzeiten prozesssicher dosiert werden. Dabei gibt es neben dem Aspekt einer punktgenauen Dosierung insbesondere auch den Aspekt einer mengengenauen Dosierung, die für analytische Untersuchungen, beispielsweise auf den Gebieten der Pharmazeutik und der Biotechnologie, erforderlich ist. Insgesamt ist eine Vielzahl von verschiedenen Mikrodosiersystemen auf unterschiedlichen Gebieten bekannt.A microdosing system is a device with which microscopically small discrete quantities of fluid can be ejected in a volume range of less than one milliliter, preferably below one microliter into the femtoliter range. A distinction must be made between the contacting dosage, in which the amount of fluid is drawn off by contact with a substrate, and the non-contact dosage, in which the amount of fluid is released freely into the room. The non-contact dosage has the great advantage over the contacting dosage that no contact with the substrate and therefore no costly adjustment measures must be made with simultaneous risk of substrate damage. Therefore, the contactless dosing is the subject of many developments. The progressive miniaturization in almost all technical areas constantly presents new challenges to industry, development laboratories and research institutions. Smaller quantities of adhesives, oils, inks and a large number of other media must be dosed reliably with the shortest possible cycle times. In addition to the aspect of precise metering, there is also the aspect of a metered dosage which is required for analytical investigations, for example in the fields of pharmaceutics and biotechnology. Overall, a variety of different Mikrodosiersystemen in different fields is known.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Auf dem Gebiet der Tintenstrahldrucktechnik ist aus der EP 1 212 133 B1 eine Tröpfchenerzeugung durch Druckwirkung, ausgeübt von einem über eine Verdrängermembran oder einen Stößel betätigter Aktor bekannt. Dabei werden selbstbefüllende Steigkapillaren als vertikale Dosierleitungen in einem Druckkopf eingesetzt, an deren unteren Enden sich Dosieröffnungen befinden, in denen das auszustoßende Fluid ansteht. Selbstbefüllende Steigkapillaren sind beispielsweise auch aus der DE 101 23 259 A1 bekannt, in der ein Mikrodosiersystem zur Mikrostrukturierung vorgestellt wird. Weiterhin ist aus der EP 0 158 485 A2 ein Tröpfchengenerator bekannt, bei dem Fluid aus einem Reservoir in eine Kapillare als Dosierleitung gepumpt wird. An deren unteren Ende befindet sich eine Dosieröffnung, die in der Einschnürung einer Venturidüse angeordnet ist. Durch die Venturidüse strömendes Gas zieht die Tropfen aus der Kapillare ab, wobei die Parameter des Gases und der Venturidüse die Tropfenparameter bestimmen.In the field of inkjet printing technology is out of the EP 1 212 133 B1 a droplet generation by pressure effect, exerted by a driven via a positive displacement membrane or a plunger actuator known. In this case, self-filling rising capillaries are used as vertical metering lines in a print head, at whose lower ends are metering openings in which the fluid to be ejected is present. Self-filling climbing capillaries are for example also from the DE 101 23 259 A1 in which a Mikrodosiersystem is presented for microstructuring. Furthermore, from the EP 0 158 485 A2 a droplet generator is known in which fluid is pumped from a reservoir into a capillary as a dosing line. At the lower end there is a metering, which is arranged in the constriction of a venturi. Gas flowing through the venturi draws the drops out of the capillary, with the parameters of the gas and the venturi defining the drop parameters.

Auf dem Gebiet der Erzeugung von EUV-Strahlung (ExtremUltraViolett) ist es weiterhin beispielsweise aus der US 6.493.423 B1 bekannt, Freistrahl-Mikrodosiersysteme einzusetzen, die feinste Fluidtröpfchen in eine Kammer eintropfen, in der die Tröpfchen dann als Targets von einem Laserpuls durchstrahlt werden und EUV-Strahlung erzeugen. Eine andere Art der Tröpfchentargeterzeugung auf dem Gebiet der EUV-Strahlung ist aus der DE 102 60 376 A1 bekannt, bei der übersättigter Fluiddampf unter hohem Druck über einen heizbaren Expansionskanal mit einer Überschalldüse an seinem Ende geleitet wird. Über ein gepulstes elektromagnetisches Ventil wird der Dampf in eine Vakuumkammer entlassen und bildet beim Abkühlen flüssige Tröpfchentargets.In the field of the production of EUV radiation (Extrem Ultraviolet), it is further for example from the US 6,493,423 B1 It is known to use free jet microdosing systems, which drip the finest fluid droplets into a chamber in which the droplets are then irradiated as targets by a laser pulse and generate EUV radiation. Another type of droplet generation in the field of EUV radiation is known from the DE 102 60 376 A1 in which supersaturated fluid vapor is passed under high pressure via a heatable expansion channel with a supersonic nozzle at its end. A pulsed electromagnetic valve releases the vapor into a vacuum chamber and forms liquid droplet targets upon cooling.

Auf dem Gebiet der Messtechnik ist es aus dem Stand der Technik bekannt, Laser bei der Tröpfchenerzeugung zur Messung von Tröpfchenparameter einzusetzen, indem unterschiedliche Pulsparameter eines Laserpulses nach dem Durchgang durch das Tröpfchen detektiert und ausgewertet werden (vergleiche beispielsweise JP 2006047235 A , DE 603 04 323 T2 ).In the field of measurement technology, it is known from the prior art to use lasers in the droplet generation for the measurement of droplet parameters by detecting and evaluating different pulse parameters of a laser pulse after passing through the droplet (compare, for example JP 2006047235 A . DE 603 04 323 T2 ).

Auf dem Gebiet der chemischen Analyse durch Detektion von gasförmigen Substanzen ist es aus der US 6.601.776 B1 bekannt, einen röhrenförmigen Reservoirtank, der mit einem unter Druck stehenden Medium gefüllt ist, pulsartig zu erhitzen, sodass es zu einem gepulsten Druckanstieg und damit zu einem Ausstoß von Tröpfchen über Öffnungen im Reservoirtank kommt. Eine ähnliche Anordnung ist aus der DE 10 2004 030 769 A1 zur Erzeugung von Tröpfchen im Femtoliterbereich bekannt, hierbei ist der Reservoirtank jedoch durch eine unter Einwirkung einer Druckquelle stehende Druckmembran zweigeteilt.In the field of chemical analysis by detection of gaseous substances it is from the US 6,601,776 B1 It is known to pulse-heat a tubular reservoir tank filled with a pressurized medium so that there is a pulsed increase in pressure, and thus a discharge of droplets through openings in the reservoir tank. A similar arrangement is from the DE 10 2004 030 769 A1 for producing droplets in the femtoliter range, but the reservoir tank is divided into two by a pressure membrane under the action of a pressure source.

Ebenfalls auf dem Gebiet der chemischen Analyse ist die so genannte „Laserablation” bekannt, bei der feste oder flüssige Targetsubstanzen in geringsten Mengen durch Beschuss mit einem Laserpuls verdampft und einem Spektrometer zugeführt werden. Aus der US 2006/0108538 A1 ist nach dieser Methode die Analyse von Proteinen bekannt, die zuvor immobilisiert und anschließend durch Beschuss mit ultrakurzen Laserpulsen zerlegt wurden.Also known in the field of chemical analysis is the so-called "laser ablation", in which solid or liquid target substances are evaporated in the smallest amounts by bombardment with a laser pulse and fed to a spectrometer. From the US 2006/0108538 A1 According to this method, the analysis of proteins is known, which were previously immobilized and then decomposed by bombardment with ultrashort laser pulses.

Zusätzlich ist aus der DE 690 10 410 T2 auch bekannt, die zu untersuchende Substanz durch Einfrieren auf dem Substrat zu fixieren.In addition is from the DE 690 10 410 T2 Also known to fix the substance to be examined by freezing on the substrate.

Aus der DE 28 37 799 A1 ist es darüber hinaus bekannt, in einer Vakuumkammer ein Fluid mittels einer Mikrodosiervorrichtung mit Mikromembranpumpe direkt auf ein Förderband aufzutropfen. Auf dem Förderband wird der Tropfen dann in den Fokus eines Lasers verfahren und durch einen Laserpuls verdampft. Alternativ kann auch ein kontinuierlicher Gasstrom auf das Förderband in den Laserfokus gerichtet sein, dabei dient das Förderband dem Abtransport nicht verdampfter Rückstände. In einer dritten Ausführungsform wird der Tropfen frei in die Vakuumkammer eingetropft und vom Laserpuls verdampft. Die Tropfen werden mittels Druckpulsen über eine Druckmembran im Fluidreservoir erzeugt, wobei die Druckpulsfrequenz wieder mit der Laserpulsfrequenz synchronisiert ist. Die erzeugten Moleküle/Atome durchfliegen eine vorgegebene Strecke und werden bezüglich ihrer Flugzeit chromatographisch detektiert (TOF). From the DE 28 37 799 A1 In addition, it is known to drip a fluid directly into a conveyor belt in a vacuum chamber by means of a microdispensing device with a micromembrane pump. On the conveyor belt, the drop is then moved into the focus of a laser and evaporated by a laser pulse. Alternatively, a continuous stream of gas can be directed onto the conveyor belt in the laser focus, while the conveyor belt serves to remove unevaporated residues. In a third embodiment, the drop is dripped freely into the vacuum chamber and evaporated by the laser pulse. The drops are generated by means of pressure pulses via a pressure membrane in the fluid reservoir, wherein the pressure pulse frequency is synchronized again with the laser pulse frequency. The generated molecules / atoms fly through a predetermined distance and are chromatographically detected with respect to their time of flight (TOF).

Aus der DE 3735787 C2 ist ein Tropfenzerstäuber bekannt, bei dem ein freier Fluidstrahl aus einem Fluidreservoir über eine Düse ausläuft und durch ein Feld von zwei Ultraschallschwingern geleitet wird. Beide Schwinger bilden eine stehende Schallwelle mit gemeinsamen Knotenpunkten aus. Der Fluidstrahl wird in einem Knotenpunkt zerstäubt.From the DE 3735787 C2 For example, a dropper sprayer is known in which a free fluid jet from a fluid reservoir leaks out through a nozzle and passes through a field of two ultrasonic vibrators. Both oscillators form a standing sound wave with common nodes. The fluid jet is atomized in a node.

Aus der DE 101 60 817 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Ezeugung von nanoskaligen Pulvern durch Laserverdampfung von grobkörnigem Ausgangsmaterial bekannt. Die erzeugten Pulverteilchen weisen einen Durchmesser im Bereich von Nanometern auf, bevorzugt von 1 bis 1.000 nm. Damit wird eine große Größenstreuung der Teilchen akzeptiert. Die Teilchenwolken werden in einem Strömungskanal erzeugt. Die beschriebene Vorrichtung verfügt weder über eine Dosierleitung noch über eine düsenförmige Dosieröffnung.From the DE 101 60 817 A1 For example, a method and apparatus for continuously generating nanoscale powders by laser evaporation of coarse-grained feedstock is known. The powder particles produced have a diameter in the range of nanometers, preferably from 1 to 1000 nm. Thus, a large size distribution of the particles is accepted. The particle clouds are generated in a flow channel. The device described has neither a dosing nor a nozzle-shaped dosing.

Der nächstliegende Stand der Technik, von dem die vorliegende Erfindung ausgeht, wird in der DE 199 26 464 A1 offenbart. Es wird ein Mikrodosiersystem beschrieben, mit dessen Hilfe Tropfen, dort Tinte, als diskrete Fluidmengen, Durchmesser zwischen 5 μm und 200 μm, in einen hohlzylindrisch bewandeten, wenige mm langen Strömungskanal berührungslos ausgestoßen werden. Der Strömungskanal wird von einem druckbeaufschlagten Trägergas, beispielsweise Luft, kontinuierlich durchströmt, das die Tropfen beschleunigt und zu einem Substrat transportiert). Das Fluid wird aus einem Fluidreservoir über eine gegenüber den Tropfenabmessungen weit bemessene Dosierleitung und eine Dosieröffnung in den Strömungskanal von dessen Stirnseite her axial eingeleitet. Die Erzeugereinheit für die Tropfen ist eine Ultraschalleinheit. Der aus der Dosieröffnung austretende Fluidstrahl wird mittels Ultraschallanregung in eine hohe Zahl (typischerweise 64.000/s) Tropfen zerlegt und dabei elektrisch aufgeladen. Über elektrische Ablenkplatten werden die Tropfen dann auf das Substrat gelenkt und erzeugen dort ein Druckbild.The closest prior art from which the present invention is based is disclosed in U.S.P. DE 199 26 464 A1 disclosed. A microdosing system is described with the aid of which drops, there ink, as discrete quantities of fluid, diameters between 5 μm and 200 μm, are ejected contactlessly into a hollow cylindrical walled, few mm long flow channel. The flow channel is continuously flowed through by a pressurized carrier gas, for example air, which accelerates the drops and transports them to a substrate). The fluid is introduced axially from a fluid reservoir via a metering line which is dimensioned with respect to the drop dimensions and a metering opening in the flow channel from the end face thereof. The generator unit for the drops is an ultrasonic unit. The fluid jet emerging from the metering orifice is broken up into a high number (typically 64,000 / s) drops by means of ultrasound excitation and thereby charged electrically. Electric baffles then direct the drops onto the substrate to create a printed image.

AUFGABENSTELLUNGTASK

Die AUFGABE für die vorliegende Erfindung ist daher darin zu sehen, ein alternatives Mikrodosiersystem anzugeben, das in einfacher Weise Gaswolken mit gering konzentrierten Substanzen und einer definierten Frequenz und Dauer von Freisetzungen in einen Strömungskanal abgeben kann. Die erfindungsgemäße LÖSUNG für diese Aufgabe ist dem Hauptanspruch und dem nebengeordneten Anspruch zu entnehmen, vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen aufgezeigt und im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert.The TASK for the present invention is therefore to provide an alternative Mikrodosiersystem that can easily deliver gas clouds with low-concentration substances and a defined frequency and duration of releases in a flow channel. The solution according to the invention for this task can be found in the main claim and the independent claim, advantageous developments of the invention are shown in the subclaims and explained in more detail below in connection with the invention.

Das erfindungsgemäße Mikrodosiersystem weist eine Ausbildung der Dosierleitung als selbstbefüllende Steigkapillare auf, die zumindest mit der Dosieröffnung, die Wandung des Strömungskanals durchdringt. Bei Kapillaren handelt es sich um Röhrchen mit sehr kleinen Innendurchmessern. Durch die im Vergleich zu größeren Rohren stark in den Vordergrund tretenden Oberflächeneffekte steigen Flüssigkeiten mit hoher Oberflächenspannung in Kapillaren selbsttätig auf (physikalischer Effekt der Kapillarität). Das Ende der Steigkapillare ist als sich verengende Düsenöffnung ausgebildet. Da diese sich im Strömungskanal befindet, steht das zu dosierende Fluid, das durch die Bemessung der Steigkapillare ohne weitere Pumpentechnik in dieser aufsteigt, immer selbsttätig in der Düsenöffnung am Übergang zum Strömungskanal an. Weiterhin ist die Erzeugereinheit als gepulster Laser ausgebildet, dessen Fokus entweder auf die Düsenöffnung oder auf die Steigkapillare ausgerichtet ist. Dabei weisen die ausgesendeten Laserpulse eine veränderbare Energie größer als die Verdampfungsenergie des Fluids auf, sodass das in der Düsenöffnung anstehende Fluid beim jedem Auftreffen eines Laserpulses als definierte Gaswolke als diskrete Fluidmenge in den Strömungskanal ausgestoßen wird. Dies erfolgt entweder durch direkten Energieeintrag in das Fluid, wenn der Laserfokus direkt auf die Düsenöffnung ausgerichtet ist. Der Gaswolkenausstoß kann aber auch indirekt erreicht werden, wenn der Laserfokus auf die Steigkapillare ausgerichtet ist. Durch den erzeugten Druckimpuls in der Steigkapillare beim Auftreffen des Laserpulses wird das Fluid in den Strömungskanal ausgestoßen und verdampft dort durch Entspannung hinter der Düsenöffnung zu einer Gaswolke als diskrete Fluidmenge. Diese Alternative eignet sich für die Dosierung von Fluiden, deren Verdampfungsenergie entsprechend gering ist, wobei aber die Oberflächenspannung noch für den Kapillareffekt ausreichend sein muss.The microdosing system according to the invention has an embodiment of the dosing line as a self-filling rising capillary, which penetrates the wall of the flow channel at least with the dosing opening. Capillaries are tubes with very small inner diameters. Due to the surface effects, which come to the fore in comparison with larger pipes, liquids with high surface tension in capillaries rise automatically (physical effect of capillarity). The end of the riser capillary is designed as a narrowing nozzle opening. Since this is located in the flow channel, the fluid to be metered, which rises by the design of the riser capillary without further pump technology in this, always automatically in the nozzle opening at the transition to the flow channel. Furthermore, the generator unit is designed as a pulsed laser, the focus of which is aligned either on the nozzle opening or on the riser capillary. In this case, the emitted laser pulses to a variable energy greater than the evaporation energy of the fluid, so that the pending in the nozzle opening fluid is ejected as a defined gas cloud as a discrete fluid quantity in the flow channel each time a laser pulse. This is done either by direct energy input into the fluid when the laser focus is directly aligned with the nozzle opening. However, the gas cloud output can also be reached indirectly if the laser focus is aligned with the riser capillary. Due to the generated pressure pulse in the riser capillary when the laser pulse hits the fluid is expelled into the flow channel and evaporates there by relaxation behind the nozzle opening to a gas cloud as a discrete amount of fluid. This alternative is suitable for the dosing of fluids whose evaporation energy is correspondingly low, but the surface tension still has to be sufficient for the capillary effect.

Zur Erfüllung der oben genannten Aufgabe wird mit der Erfindung ein Mikrodosiersystem vorgestellt, bei dem das Fluid mit den beinhalteten Substanzen mittels eines gepulsten Lasers in die Gasphase überführt wird. Dazu wird das Fluid unter Ausnutzung von Kapillarkräften in der Steigkapillare bis zur Dosieröffnung hochgeführt und von dort von dem im Strömungskanal strömenden Trägergas abtransportiert. Dabei wird in der Dosieröffnung durch direkten Laserbeschuss eine Gaswolke erzeugt oder das Fluid wird durch indirekten Laserbeschuss auf die Steigkapillare durch den in der Kapillare erzeugten Druckimpuls ausgestoßen und verdampft dabei. Durch das Pulsen des Lasers können Frequenz und Dauer der Gaswolken genau definiert werden. Durch Veränderung des Energieeintrags durch den Laserpuls in das Fluid können Fluide mit unterschiedlichen Verdampfungsenergien in die Gasphase überführt werden. Je nach Größe der Verdampfungsenergie kann ein direkter oder indirekter Laserpulsbeschuss erfolgen, insbesondere Fluide mit geringer Verdampfungsenergie können durch indirekten Laserbeschuss der Steigkapillare verdampft werden, was die Gefahr einer Substanzzersetzung verringert. Eine solche Mikrodosierung unter Lasereinsatz zur Gaswolkenbildung bietet den Vorteil der hochpräzisen Einstellbarkeit, sodass Gaswolken mit unterschiedlichen Volumina bis in den Femtoliterbereich hinein hochgenau und reproduzierbar– auch in ihrem zeitlichen Auftreten – erzeugt und in den Strömungskanal abgegeben werden können. Insbesondere für Anwendungen auf dem Gebiet der (bio-)chemischen Analytik ist das Mikrodosiersystem nach der Erfindung damit besonders geeignet. In order to achieve the abovementioned object, the invention provides a microdosing system in which the fluid containing the substances contained is converted into the gas phase by means of a pulsed laser. For this purpose, the fluid is carried up by utilizing capillary forces in the riser capillary up to the metering and transported away from there by the carrier gas flowing in the flow channel. In this case, a gas cloud is generated in the dosing through direct laser bombardment or the fluid is ejected by indirect laser bombardment on the riser capillary through the pressure pulse generated in the capillary and thereby evaporates. By pulsing the laser, the frequency and duration of the gas clouds can be precisely defined. By changing the energy input by the laser pulse into the fluid fluids with different evaporation energies can be converted into the gas phase. Depending on the size of the evaporation energy, a direct or indirect laser pulse bombardment can take place, in particular fluids with low evaporation energy can be vaporized by indirect laser bombardment of the riser capillary, which reduces the risk of substance decomposition. Such a microdosing with laser use for gas cloud formation offers the advantage of high precision adjustability, so that gas clouds with different volumes can be generated up to the femtoliter area with high precision and reproducibly - even in their temporal occurrence - and released into the flow channel. Especially for applications in the field of (bio) chemical analysis, the microdosing system according to the invention is thus particularly suitable.

Bevorzugt kann die Düsenöffnung in ihrem Durchmesser veränderlich sein. Dies kann entweder durch eine Bereitstellung unterschiedlicher Düsen oder durch Vorsehen einer Düsenöffnung mit einstellbarem Durchmesser, beispielsweise nach dem Irispinzip, realisiert werden. Bevorzugt kann ein Array von mehreren Steigkapillaren vorgesehen sein, wobei jede Düsenöffnungen einen anderen Durchmesser aufweist. Die Konzentration bzw. Größe der erzeugten Gaswolke wird dann über die Ansteuerung des Lasers geregelt, wobei dessen Laserfokus dann auf die entsprechende Düsenöffnung oder Steigkapillare ausgerichtet wird. dabei bestimmt die Größe der Düsenöffnung der Steigkapillare (Mikrokapillare) in Abhängigkeit von der Eindringtiefe des Laserlichts in das zu verdampfende Fluid die Menge und Konzentration in der Gaswolke, die mit einem Laserpuls erzeugt wird. Außerdem kann mithilfe modernster Mikrostrukturierungstechnik die Steigkapillare so klein und so genau gefertigt werden, dass reproduzierbare Volumina hochgenau verdampft werden können. An der Düsenöffnung der Steigkapillare bildet sich ein Tropfen bestimmter Größe, die durch die Oberflächenspannung und den Durchmesser der Düsenöffnung bestimmt ist. Dieser tropfen wird dann durch den auftreffenden Laserpuls verdampft, wobei es auch möglich ist, den für das Verdampfen des Tropfens erforderlichen Energieeintrag auch durch mehrere Laserpulse aufzubringen.Preferably, the nozzle opening may be variable in diameter. This can be realized either by providing different nozzles or by providing a nozzle opening with an adjustable diameter, for example according to the iris principle. Preferably, an array of a plurality of riser capillaries may be provided, each nozzle orifice having a different diameter. The concentration or size of the generated gas cloud is then controlled by the control of the laser, wherein the laser focus is then aligned with the corresponding nozzle opening or riser capillary. In this case, the size of the nozzle opening of the ascending capillary (microcapillary) determines the quantity and concentration in the gas cloud, which is generated with a laser pulse, as a function of the penetration depth of the laser light into the fluid to be evaporated. In addition, with the aid of state-of-the-art microstructuring technology, the riser capillaries can be manufactured so small and so accurately that reproducible volumes can be evaporated with high precision. At the nozzle opening of the riser capillary a drop of a certain size is formed, which is determined by the surface tension and the diameter of the nozzle opening. This drop is then evaporated by the impinging laser pulse, wherein it is also possible to apply the energy required for the evaporation of the droplet also by a plurality of laser pulses.

Weiterhin kann das Mikrodosiersystem nach der Erfindung vorteilhaft durch eine Ausrichtung des Laserfokus auf die Düsenöffnung mit einer diametralen Anordnung des Lasers gegenüber der Düsenöffnung gekennzeichnet sein. Die Laserpulse durchqueren den Strömungskanal dann genau im Durchmesser. Der Laser kann aber auch in jedem anderen Winkel zur Dosieröffnung angeordnet sein, aus dem eine Laserfokussierung auf die Dosieröffnung möglich ist. Bei einer indirekten Anregung durch Laserpulsbeschuss der Steigkapillare kann der Laser in jeder Position, bevorzugt seitlich und dort bevorzugt orthogonal zur Steigkapillare, außerhalb der Strömungskanals angeordnet sein. In jedem Falle ergibt sich ein sehr kompakter Aufbau des Mikrodosiersystems nach der Erfindung, insbesondere auch dann, wenn bevorzugt die Steigkapillare unterhalb des Strömungskanals angeordnet ist, sodass das Fluid in der Steigkapillare senkrecht nach oben steigt. Die Gaswolken treten dann strömungsgünstig in der unteren Mitte in den Strömungskanal ein und werden vom Trägergas, das bevorzugt eine laminare Strömung ausbildet, erfasst und abtransportiert (in Richtung auf einen Detektor). Dabei wird der Strömungskanal bevorzugt kontinuierlich vom Trägergas durchströmt. Eine gepulste Durchströmung ist aber ebenfalls möglich, wobei die Frequenz natürlich auf die Frequenz der Laserpulse bzw. der Gaswolken abgestimmt sein muss.Furthermore, the microdosing system according to the invention may advantageously be characterized by an alignment of the laser focus on the nozzle opening with a diametrical arrangement of the laser with respect to the nozzle opening. The laser pulses then pass through the flow channel exactly in diameter. The laser can also be arranged at any other angle to the metering, from which a laser focusing on the metering is possible. In an indirect excitation by laser pulse bombardment of the riser capillary, the laser can be arranged in any position, preferably laterally and preferably orthogonal to the riser capillary, outside the flow channel. In any case, a very compact construction of the microdosing system according to the invention results, in particular even if the riser capillary is preferably arranged below the flow channel, so that the fluid in the riser capillary rises vertically upwards. The gas clouds then enter the flow channel in the lower center in a streamlined manner and are detected by the carrier gas, which preferably forms a laminar flow, and transported away (in the direction of a detector). In this case, the flow channel is preferably flowed through continuously by the carrier gas. A pulsed flow is also possible, the frequency must of course be matched to the frequency of the laser pulses or the gas clouds.

Aufgrund der bevorzugt laminaren und kontinuierlichen Strömung im Strömungskanal erfolgt der Stofftransport der erzeugten Gaswolken zwischen den Strömungsschichten durch Diffusion. Um ein Verschmieren des Pulsmusters innerhalb des Strömungskanals aufgrund dieser Transportmechanismen einzudämmen bzw. zu verhindern, kann bei dem Mikrodosiersystem nach der Erfindung vorteilhaft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer in Strömungsrichtung verlaufenden Druckwelle im Strömungskanal vorgesehen sein. Dabei ist die Frequenz der Druckwelle so auf die Frequenz des gepulsten Lasers abgestimmt, dass jede erzeugte Gaswolke in einem Niederdruckgebiet der Druckwelle konzentriert wird. Immer zwischen zwei Hochdruckgebieten wird eine Gaswolke in einem Niederdruckgebiet zusammenhängend transportiert, ein Verschmieren der Gaswolke ist dadurch sicher verhindert. Bevorzugt kann dabei eine Schallquelle als Vorrichtung zur Erzeugung der longitudinalen Druckwelle eingesetzt werden. Beispielsweise durch den bevorzugten Einsatz einer Ultraschallquelle mit einer Ultra-Schallfrequenz im Bereich 20 kHz und 1 GHz, insbesondere einer Megaschallfrequenz zwischen 400 kHz und 2 MHz, können Ultraschallwellen erzeugt werden, mit deren Hilfe die einzelnen Gaswolken mit den enthaltenen Substanzen durch die lokalen Druckunterschiede im Strömungskanal getrennt voneinander gehalten und transportiert werden, sodass eine Vermischung des Trägergases und der Gaswolke sicher verhindert wird. Dabei können die Schallwellen kontinuierlich oder gepulst in den Strömungskanal abgegeben werden.Due to the preferably laminar and continuous flow in the flow channel, the mass transport of the generated gas clouds between the flow layers takes place by diffusion. In order to curb or prevent smearing of the pulse pattern within the flow channel due to these transport mechanisms, in the microdosing system according to the invention a device for generating a pressure wave extending in the flow direction can advantageously be provided in the flow channel. The frequency of the pressure wave is tuned to the frequency of the pulsed laser so that each generated gas cloud is concentrated in a low pressure region of the pressure wave. Always between two high-pressure areas, a gas cloud in a low pressure area is transported contiguous, a smearing of the gas cloud is thereby reliably prevented. Preferably, a sound source can be used as a device for generating the longitudinal pressure wave. For example, by the preferred use of an ultrasonic source with an ultra-sound frequency in the range 20 kHz and 1 GHz, in particular a megasonic frequency between 400 kHz and 2 MHz, ultrasonic waves can be generated with their help, the individual gas clouds are kept separated with the substances contained by the local pressure differences in the flow channel and transported, so that mixing of the carrier gas and the gas cloud is reliably prevented. The sound waves can be delivered continuously or pulsed into the flow channel.

Das Fluid kann flüssiger oder gasförmiger Natur sein, sodass es in der Steigkapillare selbsttätig aufsteigt. Am Ende der Steigkapillare wird dann das Fluid an der Düsenöffnung in den gasförmigen Zustand überführt bzw. dort behalten, wenn es sich bei dem Fluid um ein Gas handelt, und in den Strömungskanal eingeleitet. In einer bevorzugten Ausführungsform des Mikrodosiersystems nach der Erfindung kann auch vorgesehen sein, ein Kühlelement im Bereich der Düsenöffnung zur Kühlung des in der Düsenöffnung anstehenden Fluids unter den Gefrierpunkt zu positionieren, wobei der Laserfokus dann auf die Düsenöffnung ausgerichtet ist. Durch das Kühlelement wird das in der Düsenöffnung anstehende Fluid ganz lokal (ggfs. sogar nur teilweise in der Düsenöffnung) in den Festkörperzustand überführt, was in einzelnen Fällen, vor allem in Abhängigkeit von der im Fluid enthaltenen Substanz, von Vorteil sein kann, da die zu untersuchende Substanz dann besser in der Dosieröffnung und so besser im Laserfokus positioniert werden kann. Über das Kühlelement kann dabei eine so lokale Gefrierung erreicht werden, dass eine vollständige Verdampfung des festen Fluids gewährleistet ist, sodass anschließend neues Fluid nachfließen kann.The fluid can be liquid or gaseous in nature, so that it rises automatically in the riser capillary. At the end of the riser capillary, the fluid at the nozzle opening is then transferred to the gaseous state or kept there, when the fluid is a gas, and introduced into the flow channel. In a preferred embodiment of the microdosing system according to the invention, it may also be provided to position a cooling element below the freezing point in the area of the nozzle opening for cooling the fluid present in the nozzle opening, the laser focus then being aligned with the nozzle opening. By the cooling element, the pending in the nozzle opening fluid is very local (possibly even. Only partially in the nozzle opening) transferred to the solid state, which in individual cases, especially depending on the substance contained in the fluid, may be advantageous since the The substance to be examined can then be better positioned in the dosing opening and thus better in the laser focus. By way of the cooling element, it is possible to achieve such a localized freezing that complete evaporation of the solid fluid is ensured, so that subsequently new fluid can flow in.

Das Mikrodosiersystem nach der Erfindung kann als gepulsten Laser bevorzugt einen Halbleiter-, Festkörper- oder Gaslaser aufweisen, der hohe Pulsfrequenzen mit hoher Genauigkeit erzeugen kann. Der Einsatz von einfachsten Laserdioden ist ebenfalls ohne weiteres möglich. Durch die Konzeption von Mikro- und Nanokanälen kann das Mikrodosiersystem nach der Erfindung äußerst kompakt dimensioniert werden. Die Düsenöffnung kann eine Verengung von einem Querschnitt im μm-Bereich auf einen Querschnitt im nm-Bereich aufweisen. Als Trägergas kann bevorzugt Luft eingesetzt werden. Inertgase, die keine Vermischung mit den Substanzen im Fluid eingehen, können aber ebenfalls eingesetzt werden. Bei dem Fluid kann es sich bevorzugt um ein flüssiges oder gasförmiges Fluid unterschiedlicher Verdampfungsenergie aus/mit einem Ester, einem Ether, Aromaten, aliphatischen Kohlenwasserstoffen, Laktonen, Alkaloiden, organischen Lösungsmitteln, Duftstoffen oder Pheromonen und/oder einem Derivat oder einer Mischung davon handeln. Als weitere bevorzugte Parameter für das Mikrodosiersystem nach der Erfindung können weiterhin die Erzeugung von Gaswolken mit Volumina in einem Bereich von 1 fl bis 10 μl, eine Strömungsgeschwindigkeit im Bereich von 1 μm/s bis 20 m/s, eine Laserwellenlänge bis zu einem Bereich von 10 μm, insbesondere im UV-, VIS- oder IR-Bereich, eine Repetitionsrate des gepulsten Lasers zwischen 1 Hz und 1 GHz, eine Frequenz der Gaswolken zwischen 1 Hz und 100 kHz, einen Durchmesser der Steigkapillare in einem Bereich von 10 μm und 1 mm, einen Durchmesser der Düsenöffnung zwischen 10 nm und 50 μm und/oder eine Länge des Strömungskanals bis zu 1 m genannt werden. Weitere Details zu dem Mikrodosierungssystem nach der Erfindung sind dem nachfolgenden speziellen Beschreibungsteil zu entnehmen.The microdosing system according to the invention can preferably have as a pulsed laser a semiconductor, solid state or gas laser which can generate high pulse frequencies with high accuracy. The use of the simplest laser diodes is also readily possible. Due to the design of micro and nano channels, the micro dosing system according to the invention can be dimensioned extremely compact. The nozzle opening may have a narrowing from a cross section in the micron range to a cross section in the nm range. As the carrier gas, air may preferably be used. Inert gases, which do not undergo mixing with the substances in the fluid, but can also be used. The fluid may preferably be a liquid or gaseous fluid of differing vaporization energy from / with an ester, an ether, aromatics, aliphatic hydrocarbons, lactones, alkaloids, organic solvents, fragrances or pheromones and / or a derivative or a mixture thereof. As further preferred parameters for the microdosing system according to the invention may further be the generation of gas clouds with volumes in the range of 1 fl to 10 ul, a flow rate in the range of 1 .mu.m / s to 20 m / s, a laser wavelength up to a range of 10 μm, in particular in the UV, VIS or IR range, a repetition rate of the pulsed laser between 1 Hz and 1 GHz, a frequency of the gas clouds between 1 Hz and 100 kHz, a diameter of the riser capillary in a range of 10 μm and 1 mm, a diameter of the nozzle opening between 10 nm and 50 microns and / or a length of the flow channel can be called up to 1 m. Further details of the microdosing system according to the invention can be found in the following specific description.

In der Praxis kann das Mikrodosiersystem nach der Erfindung bevorzugt mit einem modularen Aufbau eingesetzt werden. Dabei wird ein erstes Modul, bestehend aus Laser, Fluidreservoir, Zuleitungen für das Trägergas und Strömungskanal und ein zweites Modul, bestehend aus Steigkapillare und Düsenöffnung, eingesetzt. Dabei sind die Komponenten der beiden Module in ihren Parameterwerten variabel. Die Module können dann je nach Anwendungsfall eingesetzt werden. Insbesondere kann das zweite Modul je nach Anforderung/Anwendung ausgetauscht werden; verschiedene Module können dann z. B. verschieden große Düsenöffnungen bieten.In practice, the microdosing system according to the invention may preferably be used with a modular design. In this case, a first module, consisting of laser, fluid reservoir, supply lines for the carrier gas and flow channel and a second module, consisting of riser capillary and nozzle opening, is used. The components of the two modules are variable in their parameter values. The modules can then be used depending on the application. In particular, the second module can be exchanged according to the requirement / application; different modules can then z. B. offer different sized nozzle openings.

AUSFÜHRUNGSBEISPIELEmbodiment

Ausbildungsformen des Mikrodosiersystems nach der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren zum weiteren Verständnis der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt:Embodiments of the microdosing system according to the invention are explained in more detail below with reference to the schematic figures for a further understanding of the invention. Showing:

1 ein Schema des Mikrodosiersystems mit lasergestützter Erzeugung der Gaswolken und 1 a schematic of the microdosing system with laser-assisted generation of the gas clouds and

2 das Mikrodosiersystem gemäß 1 mit zusätzlicher schallgestützter Konzentration der Gaswolken 2 the microdosing system according to 1 with additional sound-enhanced concentration of gas clouds

Die 1 zeigt das Mikrodosiersystem 01 zur berührungslosen Einleitung von Gaswolken 02 als diskrete Fluidmengen aus einem Fluidreservoir 03 in einen bewandeten und von einem Trägergas 04 durchströmten Strömungskanal 05 nach der Erfindung schematisch in der Gesamtheit und in einem Vergrößerungsausschnitt (Kreis, nur ALTERNATIVE A). Die Gaswolken 02 können bevorzugt Volumina in einem Bereich von 1 fl bis 100 μl aufweisen, allerdings können auch Volumina bis in den Bereich von 1 ml erzeugt werden. Bei dem Fluid kann es sich um ein flüssiges oder gasförmiges Fluid unterschiedlicher Verdampfungsenergie, beispielsweise um ein Ester, einen Ether, verschiedene Aromaten, aliphatische Kohlenwasserstoffe, Laktone, Alkaloide, organische Lösungsmittel, Duftstoffe oder Pheromone handeln. Gleichfalls können Derivate oder Mischungen davon einem Detektor, beispielsweise einem Massenspektrometer oder einem Chromatographen, zur biochemischen Analyse am Ausgang des Strömungskanals zugeführt werden.The 1 shows the microdosing system 01 for non-contact introduction of gas clouds 02 as discrete quantities of fluid from a fluid reservoir 03 into a walled and of a carrier gas 04 flowed through the flow channel 05 according to the invention schematically in its entirety and in a magnification section (circle, only ALTERNATIVE A). The gas clouds 02 may preferably have volumes in a range from 1 fl to 100 ul, but volumes can also be produced in the range of 1 ml. The fluid may be a liquid or gaseous fluid of different vaporization energy, for example an ester, an ether, various aromatics, aliphatic hydrocarbons, lactones, alkaloids, organic solvents, fragrances or pheromones. Likewise, derivatives or mixtures thereof may be a detector, for example a mass spectrometer or a chromatograph, for biochemical analysis at the outlet of the flow channel.

Das Fluid 06 wird über eine selbstbefüllende Steigkapillare 07 als Dosierleitung in den Strömungskanal 05 überführt. Die Steigkapillare 07 liegt bevorzugt in einer Radialebene des Strömungskanals 05 und zeigt auf dessen zentrale Achse. Die Steigkapillare 07 kann bevorzugt einen Durchmesser in einem Bereich von 10 μm und 1 mm aufweisen, wobei der gewählte Durchmesser auch abhängig ist von dem eingesetzten Fluid ist (bei Flüssigkeiten muss aufgrund der Oberflächenspannung der Kapillareffekt eintreten; Gase steigen selbsttätig auf) und darüber oder darunter liegen kann. Im Strömungskanal 05, der bevorzugt eine Länge zwischen einigen Zentimetern bis zu 1 m aufweisen kann, kann sich Luft als Trägergas 04 befinden, das mit einer Strömungsgeschwindigkeit im Bereich von 1 μm/s bis 20 m/s strömen kann. Dabei wird die Ausbildung einer laminaren Strömung 08 bevorzugt. Vorteilhaft ist auch eine kontinuierliche Durchströmung des Strömungskanals 05. Bei einer sehr niedrigen Ausstoßfrequenz der Gaswolken 02, die bevorzugte Ausstoßfrequenz liegt zwischen 1 und 100000 Freisetzungen pro Sekunde, kann die Strömung auch entsprechend gepulst sein.The fluid 06 becomes via a self-filling climbing capillary 07 as dosing in the flow channel 05 transferred. The climbing capillary 07 is preferably in a radial plane of the flow channel 05 and points to its central axis. The climbing capillary 07 may preferably have a diameter in a range of 10 microns and 1 mm, wherein the selected diameter is also dependent on the fluid used (in liquids due to the surface tension of the capillary effect must occur, gases rise automatically) and may be above or below. In the flow channel 05 , which may preferably have a length of between a few centimeters to 1 m, may be air as a carrier gas 04 which can flow at a flow rate in the range of 1 .mu.m / s to 20 m / s. This is the formation of a laminar flow 08 prefers. Also advantageous is a continuous flow through the flow channel 05 , At a very low discharge frequency of the gas clouds 02 , the preferred ejection frequency is between 1 and 100,000 releases per second, the flow may also be pulsed accordingly.

Die Steigkapillare 07 liegt außerhalb des Strömungskanals 02 und weist eine stirnseitige, sich verengende Düsenöffnung 09 als Dosieröffnung auf. Bevorzugt kann der engste Durchmesser der Düsenöffnung 09 in einem Bereich zwischen 10 nm und 50 μm liegen. Durch die Düsenöffnung 09, die die Wandung 10 des Strömungskanals 05 durchbricht, werden die Gaswolken 02 in den Strömungskanal 05 entlassen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Steigkapillare 07 unterhalb des Strömungskanals 05 angeordnet, sodass die Gaswolken 02 den Strömungskanal 05 in dessen unterer Mitte betreten und so optimal vom Trägergas 04 aufgenommen werden können. Die Düsenöffnung 09 kann beispielsweise auch bis in die Mitte des Strömungskanals 05 geführt werden, allerdings ist hier auf eine ausreichende Steifigkeit der Steigkapillare 07 und auf eine Wirbelvermeidung in der Kanalströmung zu achten. Bei der gezeigten Ausführung wird die Steigkapillare 07 gut in der Wandung 10 des Strömungskanals 05 gestützt und kann deshalb außerhalb auch flexibel sein.The climbing capillary 07 is outside the flow channel 02 and has a frontal, narrowing nozzle opening 09 as dosing on. Preferably, the narrowest diameter of the nozzle opening 09 be in a range between 10 nm and 50 microns. Through the nozzle opening 09 that the wall 10 of the flow channel 05 breaks through, become the gas clouds 02 in the flow channel 05 dismiss. In the embodiment shown, the riser capillary 07 below the flow channel 05 arranged so that the gas clouds 02 the flow channel 05 enter in the lower middle and so optimally from the carrier gas 04 can be included. The nozzle opening 09 can, for example, even into the middle of the flow channel 05 be guided, but here is sufficient rigidity of the riser capillary 07 and to look for a vortex avoidance in the channel flow. In the embodiment shown, the riser capillary 07 good in the wall 10 of the flow channel 05 supported and therefore can be flexible outside as well.

Zur Erzeugung der diskreten Gaswolken 02 wird bei dem Mikrodosiersystem 01 nach der Erfindung ein gepulster Laser 11 als – ebenfalls außerhalb des Strömungskanals 05 liegende – Erzeugereinheit eingesetzt. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Halbleiter-, Festkörper- oder Gaslaser handeln. CO₂-Gaslaser beispielsweise erzeugen mit hoher Genauigkeit und Dauerstandfestigkeit Laserpulse 12 bis in den fs-Bereich. Bevorzugt wird eine Repetitionsrate des gepulsten Lasers 11 zwischen 1 Hz und 1 GHz und eine Laserwellenlänge bis zu einem Bereich von 10 μm, insbesondere im UV-, VIS- oder IR-Bereich eingesetzt. Dabei weisen die Laserpulse 12 einen veränderbaren Energieinhalt auf, der größer ist als die Verdampfungsenergie des in der Düsenöffnung 09 anstehenden Fluids. Der Fokus 13 des Lasers 11 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel (ALTERNATIVE A) direkt auf die Düsenöffnung 09 der Steigkapillare 07 ausgerichtet, sodass das in der Düsenöffnung 09 anstehende Fluid bei jedem auftreffenden Laserpuls 12 eine Gaswolke 02 direkt in den Strömungskanal 05 verdampft. Weiterhin ist im gezeigten Ausführungsbeispiel der Laser 11 diametral gegenüber der Düsenöffnung 09 angeordnet, sodass die Laserpulse 12 den Strömungskanal 05 mittig entlang seines Durchmessers durchlaufen.To generate the discrete gas clouds 02 is in the microdosing system 01 according to the invention, a pulsed laser 11 as - also outside the flow channel 05 lying - generating unit used. This may be, for example, a semiconductor, solid state or gas laser. CO ₂ gas lasers, for example, generate laser pulses with high accuracy and creep resistance 12 into the fs area. A repetition rate of the pulsed laser is preferred 11 between 1 Hz and 1 GHz and a laser wavelength up to a range of 10 .mu.m, in particular in the UV, VIS or IR range used. In this case, the laser pulses 12 a variable energy content that is greater than the evaporation energy of the in the nozzle opening 09 upcoming fluid. The focus 13 the laser 11 is in the illustrated embodiment (ALTERNATIVE A) directly on the nozzle opening 09 the climbing capillary 07 aligned, so that in the nozzle opening 09 Pending fluid at each incident laser pulse 12 a gas cloud 02 directly into the flow channel 05 evaporated. Furthermore, in the embodiment shown, the laser 11 diametrically opposite the nozzle opening 09 arranged so that the laser pulses 12 the flow channel 05 go through the center along its diameter.

Optional kann bei einem Fokus 13 des Lasers 11 direkt auf die Düsenöffnung 09 (ALTERNATIVE A) noch ein Kühlelement, beispielsweise ein Peltierelement, angeordnet sein, dass das anstehende Fluid lokal begrenzt gefriert, sodass ein verbesserter Laserbeschuss möglich ist (in 1 nicht dargestellt). Durch den Laserpuls 12 wird aufgrund seines gewählten Energiegehaltes dann das gesamte feste, gefrorene Fluid verdampft, sodass neues Fluid in die Düsenöffnung 09 nachströmen kann.Optionally, with a focus 13 the laser 11 directly on the nozzle opening 09 (ALTERNATIVE A) nor a cooling element, such as a Peltier element, be arranged that the impending fluid freezes locally limited, so that an improved laser bombardment is possible (in 1 not shown). By the laser pulse 12 Due to its chosen energy content, all of the solid, frozen fluid is vaporized, allowing new fluid into the nozzle orifice 09 can flow.

In der ALTERNATIVE B in 1 ist eine Anordnung des Lasers 11 seitlich von der Steigkapillare 07 und im Speziellen orthogonal dazu dargestellt. Der Fokus 13 des Lasers 11 ist jetzt auf die Steigkapillare 07 ausgerichtet, sodass die Laserpulse 12 auf die Steigkapillare 07 auftreffen und in deren Inneren einen Druckimpuls auslösen, wodurch jeweils Fluid (in leicht flüchtiger Form) als Gaswolke 02 aus der Düsenöffnung 09 in den Strömungskanal 05 ausgestoßen wird. In der 2 ist schematisch eine Schallquelle 20 zur Erzeugung einer in Strömungsrichtung 21 verlaufenden Druckwelle 22 im Strömungskanal 05 dargestellt, wodurch ein Verschmieren der Gaswolken 02 in der laminaren Strömung 08 im Strömungskanal 05 vermieden werden kann. Dabei ist die Frequenz der Druckwelle 22 so auf die Frequenz des gepulsten Lasers 11 abgestimmt ist, dass jede erzeugte Gaswolke 02 in einem Niederdruckgebiet 23 zwischen zwei Hochdruckgebieten 24 der Druckwelle 22 konzentriert wird. Bevorzugt weist die die Schallquelle 20 eine Ultra-Schallfrequenz im Bereich 20 kHz und 1 GHz, insbesondere eine Megaschallfrequenz zwischen 400 kHz und 2 MHz auf.In the ALTERNATIVE B in 1 is an arrangement of the laser 11 laterally from the riser capillary 07 and in particular orthogonal to it. The focus 13 the laser 11 is now on the climbing capillary 07 aligned so that the laser pulses 12 on the climbing capillary 07 impinge and in their interior trigger a pressure pulse, whereby each fluid (in volatile form) as a gas cloud 02 from the nozzle opening 09 in the flow channel 05 is ejected. In the 2 is a schematic sound source 20 for generating a flow direction 21 extending pressure wave 22 in the flow channel 05 shown, causing smearing of the gas clouds 02 in the laminar flow 08 in the flow channel 05 can be avoided. Here is the frequency of the pressure wave 22 so on the frequency of the pulsed laser 11 is tuned that every gas cloud generated 02 in a low pressure area 23 between two high pressure areas 24 the pressure wave 22 is concentrated. Preferably, it has the sound source 20 an ultra-sound frequency in the range 20 kHz and 1 GHz, in particular a megasonic frequency between 400 kHz and 2 MHz.

Durch die geringe Dimensionierung des Mikrodosiersystems 01 nach der Erfindung in Form von Mikro- und Nanokanälen (Strömungskanal 05, Steigkapillare 07) und des steuerbaren Energieeintrags mittels eines Lasers 11 ermöglicht das vorgestellte Konzept die hochgenaue, einstellbare Dosierung verdünnter und unverdünnter Fluide 06 in Form von Gaswolken 02 mit diskreten Mengen bis in den Piko- und Femtogrammbereich mit einer definierten Frequenz und Pulsdauer. Damit ist das Mikrodosiersystem 01 nach der Erfindung insbesondere für Anwendungen auf dem chemischen und biotechnologischen Gebiet besonders geeignet.Due to the small dimensions of the microdosing system 01 according to the invention in the form of micro and nanochannels (flow channel 05 , Climbing capillary 07 ) and the controllable energy input by means of a laser 11 This concept enables the highly accurate, adjustable dosage of dilute and undiluted fluids 06 in the form of gas clouds 02 with discrete quantities down to the pico and femtogram range with a defined frequency and pulse duration. This is the microdosing system 01 According to the invention particularly suitable for applications in the chemical and biotechnological field.

Beispielsweise kann zur Analyse als volatile Flüssigkeit zur Verdampfung Butylacetat mit einer Verdampfungsenthalpie von ca. 40 kJ/mol, einer Dichte von 0,88 g/mol und einer Molmasse von 116 g/mol eingesetzt werden. Dabei kann die Steigkapillare einen Durchmesser von 20 μm und die Düsenöffnung einen Durchmesser von 2 μm (Verengung 10:1) haben. Der Strömungskanal kann einen Durchmesser von 2 mm und eine Länge von 10 cm aufweisen. Es handelt sich bei den verwendeten Komponenten daher um Mikrokomponenten. Zur Verdampfung kann ein gepulster IR-Laser mit 1200 nm Wellenlänge und einer Leistung von 1 W eingesetzt werden.For example, butyl acetate having an enthalpy of vaporization of about 40 kJ / mol, a density of 0.88 g / mol and a molecular weight of 116 g / mol can be used for the analysis as volatile liquid for evaporation. The riser capillary can have a diameter of 20 .mu.m and the nozzle orifice a diameter of 2 .mu.m (narrowing 10: 1). The flow channel may have a diameter of 2 mm and a length of 10 cm. Therefore, the components used are microcomponents. For evaporation, a pulsed IR laser with 1200 nm wavelength and a power of 1 W can be used.

Die Öffnung der Steigkapillare (Mikrokapillare) erlaubt ein ideales Kugelvolumen von 4,2 μm³ (1 μm Radius), entsprechend 4,2 fl (Femtoliter). In diesem Volumen befinden sich 4,3·10^–10 mol n-Butylacetat, das mit einem Laserpuls verdampft werden soll. Die dazu benötigte Energie beträgt 17 μJ, d. h. der Laserpuls mit einer Leistung von 1 W muss 17 μs lang sein, um die entsprechende Energie aufzubringen (P = 1 W, E = 1,7·10^–5 J; → t_puls = E/P = 17 μs). Dabei strömt das Trägergas beispielsweise mit 0,5 m/s durch den Strömungskanal; die Repetitions-Rate des Lasers soll 200 Hz betragen, dann stellt sich ein mittlerer Abstand der verdampften Gaswolken von 2,5 mm ein (alle angegebenen Zahlenwerte sind nur Anhaltswerte für entsprechende Wertebereiche).The opening of the ascending capillary (microcapillary) allows an ideal spherical volume of 4.2 μm ³ (1 μm radius), corresponding to 4.2 fl (femtoliters). In this volume are 4.3 · 10 ^-10 mol of n-butyl acetate, which is to be evaporated with a laser pulse. The energy required for this is 17 μJ, ie the laser pulse with a power of 1 W must be 17 μs long in order to apply the corresponding energy (P = 1 W, E = 1.7 · 10 ^-5 J, → t _pulse = E / P = 17 μs). In this case, the carrier gas flows, for example, at 0.5 m / s through the flow channel; the repetition rate of the laser should be 200 Hz, then a mean distance of the vaporized gas clouds of 2.5 mm sets in (all numerical values given are only reference values for corresponding value ranges).

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

0101: Mikrodosiersystemmicro-dosing system
0202: Gaswolkegas cloud
0303: Fluidreservoirfluid reservoir
0404: Trägergascarrier gas
0505: Strömungskanalflow channel
0606: Fluidfluid
0707: SteigkapillareSteigkapillare
0808: laminare Strömunglaminar flow
0909: Düsenöffnungnozzle opening
1010: Wandungwall
1111: gepulster Laserpulsed laser
1212: Laserpulslaser pulse
1313: Laserfokuslaser focus
2020: Schallquellesound source
2121: Strömungsrichtungflow direction
2222: Druckwelleshock wave
2323: NiederdruckgebietLow pressure area
2424: HochdruckgebietAnticyclone

Claims

Microdosing system ( 01 ), with the discrete quantities of fluid from a fluid reservoir ( 03 ) via a metering line with an end-side metering opening in a walled and by a carrier gas ( 04 ) flowed through the flow channel ( 05 ), wherein the discrete quantities of fluid are generated with high precision by means of a generator unit, and the dosing line and the generator unit outside the flow channel (FIG. 05 ) are arranged, characterized by a design of the dosing as self-filling riser capillary ( 07 ), at least with the metering orifice, which as a narrowing nozzle orifice ( 09 ) is formed, the wall ( 10 ) of the flow channel ( 05 ) and a formation of the generator unit as a pulsed laser ( 11 ) whose focus ( 13 ) on the nozzle opening ( 09 ) or on the riser capillary ( 07 ) and whose emitted laser pulses ( 12 ) a variable energy greater than the evaporation energy of the fluid ( 06 ), with each laser pulse ( 12 ) a gas cloud ( 02 ) with a predetermined amount and concentration as a discrete quantity of fluid in the flow channel ( 05 ) is initiated.

Microdosing system according to claim 1, characterized by a variable diameter of the nozzle opening ( 09 ) or an array arrangement of several ascending capillaries ( 07 ) with nozzle openings ( 09 ) of different diameters.

Microdosing system according to claim 1, characterized by an alignment of the laser focus ( 13 ) on the nozzle opening ( 09 ) with a diametrical arrangement of the pulsed laser ( 11 ) opposite the nozzle opening ( 09 ).

Microdosing system according to claim 1, characterized by an alignment of the laser focus ( 13 ) on the riser capillary ( 07 ) with an orthogonal arrangement of the pulsed laser ( 11 ) to the ascending capillary ( 07 ).

Microdosing system according to claim 1, characterized by an arrangement of the rising capillary ( 07 ) below the flow channel ( 05 ).

Microdosing system according to claim 1, characterized by a laminar flow ( 08 ) of the carrier gas ( 04 ) in the flow channel ( 05 ).

Microdosing system according to claim 1, characterized by a device for generating a in the direction of the flowing carrier gas ( 04 ) (Flow direction ( 21 )) running pressure wave ( 22 ) in the flow channel ( 05 ), the frequency of the pressure wave ( 22 ) so on the frequency of the pulsed laser ( 11 ) that each generated gas cloud ( 02 ) in a low pressure area ( 23 ) of the pressure wave ( 22 ) between two high pressure areas ( 24 ) is concentrated.

Microdosing system according to claim 7, characterized by a sound source ( 20 ) as a device for generating the flow direction ( 21 ) extending pressure wave ( 22 ).

Microdosing system according to claim 1, characterized by a cooling element in the region of the nozzle opening ( 09 ) for cooling the in the nozzle opening ( 09 ) pending fluid ( 06 ) below freezing, with the laser focus ( 13 ) on the metering opening ( 09 ).

Microdosing system according to claim 1, characterized by a semiconductor, solid-state or gas laser as a pulsed laser ( 11 ).

Microdosing system according to claim 1, characterized by air as carrier gas ( 04 ).

Microdosing system according to claim 1, characterized by a liquid or gaseous fluid ( 06 ) different evaporation energy from / with an ester, an ether, aromatics, aliphatic hydrocarbons, lactones, alkaloids, organic solvents, fragrances or pheromones and / or a derivative or a mixture thereof.

Microdosing system according to claim 1, characterized by gas clouds ( 02 ) having a volume in a range of 1 fl to 10 ul, a flow rate in the range of 1 .mu.m / s to 20 m / s, a laser wavelength up to a range of 10 .mu.m, in particular in the UV, VIS or IR range , a repetition rate of the pulsed laser ( 11 ) between 1 Hz and 1 GHz, a frequency of the gas clouds ( 02 ) between 1 Hz and 100 kHz, a diameter of the ascending capillary ( 07 ) in a range of 10 microns and 1 mm, a diameter of the nozzle opening ( 09 ) between 10 nm and 50 μm and / or a length of the flow channel ( 05 ) not equal to zero up to 1 m.

Microdosing system according to claim 7, characterized by an ultra-sound frequency in the range 20 kHz and 1 GHz, in particular a megasonic frequency between 400 kHz and 2 MHz.

Microdosing system according to claim 1 and / or 7, characterized by a modular construction with a first module consisting of laser ( 11 ), Fluid reservoir ( 03 ), Supply lines for the carrier gas ( 04 ) and flow channel ( 05 ), and a second module consisting of riser capillary ( 07 ) and nozzle opening ( 09 ), whereby the components of the two modules are variable in their parameter values.