LIQUIDHANDLING Pulsationsfreie Dosierung im Mikroliterbereich

Die kontinuierliche und pulsationsfreie Mikro-Flüssigkeitsdosierung ist eine wesentliche Voraussetzung für die Erzeugung von Gasdampfgemischen zur Kalibrierung von Gas- und Feuchtesensoren. Dieser Artikel beschreibt einerseits ein solches Kalibrierverfahren, das aber auch die Beurteilung der jeweils eingesetzten Flüssigkeitsdosierung hinsichtlich Pulsation zulässt.

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Die kontinuierliche und pulsationsfreie Mikro-Flüssigkeitsdosierung ist eine wesentliche Voraussetzung für die Erzeugung von Gasdampfgemischen zur Kalibrierung von Gas- und Feuchtesensoren. Dieser Artikel beschreibt einerseits ein solches Kalibrierverfahren, das aber auch die Beurteilung der jeweils eingesetzten Flüssigkeitsdosierung hinsichtlich Pulsation zulässt.

Die Flüssigkeitsströme in Verfahrens-, Labor-, Medizin- und Analysentechnik bewegen sich häufig im Bereich weniger Mikro- oder Nanoliter pro Minute. Der Trend geht durch zunehmende Miniaturisierung zu noch kleineren Flüssigkeitsströmen. Damit treten technologische Schwierigkeiten auf, die sowohl in der Dosierung selbst als auch in der Verifikation von Genauigkeit und Reproduzierbarkeit des erzeugten Flüssigkeitsstroms liegen.

Pulsationen stören stabile Dampfkonzentrationen

Auch bei der Erzeugung von Gasdampfgemischen zur Überprüfung und Kalibrierung von Gasanalysatoren und Sensoren, sind präzise, reproduzierbare und verifizierbare Flüssigkeitsströme Voraussetzung für eine genaue Messung. Entscheidendendes Merkmal einer kontinuierlichen Dosierung ist neben Genauigkeit und Reproduzierbarkeit auch ihre Kurzzeitkonstanz. Diese, als Pulsation bezeichnete periodische oder statistische Abweichung vom mittleren Durchfluss, ist hauptsächlich im Dosierverfahren selbst begründet.

Bei Peristaltik- oder HPLC-Pumpen ist durch die diskontinuierliche, portionsweise Förderung immer eine Pulsation vorhanden. Sie lässt sich bei höheren Durchflüssen (ab einigen 10 µL/min) entweder durch Durchfluss- oder Druckmessung direkt nachweisen. Bei sehr kleinen Durchflüssen im Bereich weniger Mikroliter oder Nanoliter pro Minute wird die messtechnische Erfassung der Pulsation mangels geeigneter Sensorik schwierig.

Hier konnte aus der Not eine Tugend gemacht werden: denn die kontinuierliche Erzeugung und Konzentrationsmessung eines Gasdampfgemisches ermöglicht die indirekte Erfassung der Strömungspulsation. Schon kleinste Durchflussschwankungen werden durch den Volumeneffekt der Verdampfung extrem verstärkt (siehe Infokasten).

In Abb. 1 ist schematisch der Aufbau dargestellt, wie er typischerweise sowohl zur Kalibrierung der Sensoren aber auch zum Nachweis der Pulsation eingesetzt wird. Die Flüssigkeit wird mit Hilfe einer Mikrodosierpumpe in ein Verdampfersystem gefördert, wo sie nach Verdampfung mit einem Trägergasstrom verdünnt wird. Anschließend wird die Dampfkonzentration zeitlich aufgelöst gemessen. Dies kann z.B. bei Wasser über einen schnellen Feuchtesensor oder über Wärmeleitfähigkeitsmessung erfolgen.

Organische Gasdampfgemische können z.B. über einen Flammenionisationsdetektor sehr schnell gemessen werden. Voraussetzung zur Beurteilung der Pulsation der Pumpe ist die Ausschaltung von Störeinflüssen durch die Verdampfung oder die Trägergaszuführung. Dies ist durch das System Hovacal SP, einem auf Mikrodurchfluss adaptierten Kalibriergasgenerator, gewährleistet. So wird z.B. über einen zweiten Flüssigkeitseinlass im Verdampfer unkontrollierte Vorverdampfung auch kleiner Flüssigkeitsströme zuverlässig vermieden.

Entscheidend für die Präzision ist der Pumpenantrieb

Das Prinzip der Spritzenpumpe bietet wie kein anderes Verfahren einen sehr großen Durchflussbereich mit hoher Präzision. Durchflüsse bis Nanoliter/Minute können durch den Einsatz entsprechender Spritzen realisiert werden. Auch im Hinblick auf Pulsation erscheint das Verfahren unkritisch zu sein.

Versuche haben jedoch gezeigt, dass insbesondere Antrieb und Mechanik bei der Stabilität eine entscheidende Rolle spielen. In Abb. 2 sind beispielhaft die Konzentrationsverläufe zweier unterschiedlicher Spritzenpumpen dargestellt. In beiden Fällen wurde Wasser jeweils mit einer Flussrate von ca. 1,2 µl/min dosiert, verdampft und mit einem Gasstrom von 1 L/min Stickstoff verdünnt. Anschließend wurde der zeitliche Konzentrationsverlauf mit einem schnellen Feuchtesensor aufgezeichnet.

Die gemessenen mittleren Wasserdampfkonzentrationen liegen beide bei ca. 1500 ppm. Die Pulsationen hingegen unterscheiden sich beträchtlich, wie auch die beiden Pumpen im Antrieb: einerseits Schrittmotor und andererseits Servomotor. Da die servomotorgetriebene Pumpe von vorn herein eine geringere Pulsation aufwies, wurde sie hinsichtlich Spielfreiheit von Kolbenschlitten und Kopplung der Spindel optimiert. Nimmt man als Maß für die Pulsation die Standardabweichung, so liegt diese im vorliegenden Versuch bei der optimierten Pumpe zurückgerechnet bei ca. 8 nl/min und bei ca. 50 nl/min bei der Pumpe herkömmlicher Bauart mit Schrittmotor. Die verbleibende Restpulsation von weniger als einem Prozent reicht im Allgemeinen aus, um die Kalibrierung der Sensoren vornehmen zu können.

Neben der eigentlichen Aufgabe, der Kalibrierung von Gassensoren und Analysensystemen, kann mit dem hier vorgestellten Kalibriergasgenerator Hovacal SP eine Optimierung von Mikrodosierverfahren durchgeführt werden.

Hinsichtlich der zu erzeugenden Gasdampfgemische gibt es kaum Einschränkungen, da nahezu alle bei Raumtemperatur flüssig vorliegenden Komponenten mit der Spritzenpumpe dosierbar sind. Selbstverständlich können auch wässrige Lösungen oder Gemische organischer Komponenten in die Dampfphase überführt werden.

*Dr. Martin Schmäh, IAS GmbH, 60439 Frankfurt am Main

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