Probeneintragsysteme spielen eine entscheidende Rolle bei der Gewinnung zuverlässiger Analysedaten. Diese Systeme werden je nach Anforderungen der Analyse und der Art der zu analysierenden Probe ausgewählt und optimiert. In der Massenspektrometrie, insbesondere in der Induktiv gekoppelten Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS), werden Sprühsysteme eingesetzt, um flüssige Proben in feine Tröpfchen zu zerstäuben und in das Plasma einzubringen, wo sie atomisiert und ionisiert werden. Gewöhnlich handelt es sich hierbei um Zerstäuber, die in Kombination mit einer geeigneten Sprühkammer verwendet werden. Die Hauptfunktion der Sprühkammer besteht darin, das vom Zerstäuber erzeugte Aerosol hinsichtlich der Tröpfchengrößenverteilung, der Aerosolkonzentration und der Geschwindigkeit der Partikel zu modifizieren. Ein ideales Probeneintragsystem sollte nur Tröpfchen mit einem Durchmesser von < 10 µm in das Plasma einbringen und alle Tröpfchen > 10 µm effektiv abscheiden. In der Realität geht jedoch ein erheblicher Anteil der nützlichen kleineren Tröpfchen durch Kontakt mit den Wänden verloren [Fasch et al., 2022], [Fasch et al., 2023].
Um die in der Sprühkammer stattfindenden Prozesse der Aerosolmodifikation – wie Aufprall, Tröpfchenaufbruch bzw. Koaleszenz, Verdampfungs – und Turbulenzeffekte zu erfassen, sind Kenntnisse der Strömungsbedingungen unerlässlich, welche experimentell nur schwer zugänglich sind. In dieser Arbeit werden mit Hilfe eines Computational Fluid Dynamics (CFD) – Ansatzes die Strömungsverhältnisse des von einem konzentrischen Mikrozerstäuber aus Glas produzierten Aerosols in einer Scott-Sprühkammer untersucht. Mittels Phasen-Doppler-Anemometrie (PDA), Laserbeugung und Particle Imaging Velocimetry (PIV) werden die vom Zerstäuber erzeugte Tröpfchengrößenverteilung (Primäraerosol), die Tröpfchengrößenverteilung am Auslass der Scott-Sprühkammer (Tertiäraerosol) und die Geschwindigkeitsverteilungen experimen-tell bestimmt [Fasch et al., 2022], [Fasch et al., 2023].
Diese Daten werden für die numerischen Berechnungen, einerseits als Eingangsparameter und andererseits zur Validierung des CFD-Models verwendet. Die Ergebnisse liefern eine Darstellung der wichtigsten Transportphänomene in der Kammer und bestätigen die Tatsache, dass im Verhältnis zur eingebrachten Probe nur eine geringe Menge als Tröpfchen das Plasma erreichen kann. Unter Berücksichtigung verschiedener Bedingungen in der Sprühkammer wird auch bestätigt, dass die Kühlung der Kammer die Effizienz des Probeneintragsystems verbessert, indem die Lösungsmittelbeladung des Plasmas verringert wird. Messungen des Analyttransportes zeigen, dass mit zunehmender Temperatur der Sprühkammer die Masse des transportierten Lösungsmittels zunimmt, während die Analyttransporteffizienz in dem untersuchten Temperaturbereich (2 °C bis 40 °C) nahezu unverändert bleibt [Fasch et al., 2022], [Fasch et al., 2023].