Analyse und Simulation von ionengeladenen Gasströmungen durch Kapillaren

• Antragsteller: Professor Dr. Julius Reiss
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 268758079

Elektrospray-Ionenquellen (ESI-Quellen) ionisieren empfindliche, organische Moleküle und transferieren sie intakt ins Vakuum. Dadurch werden diese Moleküle verschiedenen Vakuumanwendungen zugänglich. Vakuumanwendungen können Massenspektrometer sein, was eine Schlüsselanwendung der Biochemie darstellt. Oder es können Beschichtungsverfahren sein, die eine kontrollierte Herstellung von Oberflächen mit maßgeschneiderten elektrischen, mechanischen oder chemischen Eigenschaften ermöglichen. Durch dieses Verfahren sind elektronische Bauteile oder Katalysatoren herstellbar, welche mit anderen Prozessen nicht möglich sind.Die Transfereffizienz der ESI-Quelle, also insbesondere Ionen-Verlust und Ionen-Stromstärke, ist entscheidend für die Anwendungen. Bestehende Elektrospray-Ionenquellen erzeugen nur schwache Ionen-Ströme und haben meist hohe Verlustraten. Das zentrales Element der ESI-Quelle zum Vakuum-Transfer der Ionen ist eine schallnah, laminar oder turbulent durchströmte Kapillare, in deren Gasstrom die Ionen transportiert werden. Die Transferkapillare ist nach jetzigem Kenntnisstand das den Ionenströmen begrenzende Bauteil, jedoch sind die Prozesse die zum Ionenverlust führen im Detail ungeklärt. Insbesondere wird die Gasströmung in bisherigen Untersuchungen stark approximiert, obwohl sie den Ionentransport dominiert. In diesem Projekt sollen ESI-Quelle durch detaillierte numerische Simulation der Gasströmung in Kombination mit der Ionendynamik und den elektrischen Feldern für verschiedenen Betriebsbedingungen analysiert und mit Experimenten verglichen werden. So sollen insbesondere i) die Grundmechanismen des Ionenverlusts geklärt und quantifiziert werden, um ii) eine systematische Verbesserung zu ermöglichen und Ansatzpunkte für neue Designs zu identifizieren. Eine Verbesserungen von ESI-Quellen würde die Sensitivität von bestehenden Massenspektrometern wesentlich erhöhen. Ein substantieller höherer Ionenstrom würde neuartige Vakuumbeschichtung mit nicht verdampfbaren, organischen Molekülen im industriellen Maßstab ermöglichen, was neue Anwendungsfelder erschließen würde.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Stephan Rauschenbach