AT515577B1 - Gemeinsamer Strahlungspfad zum Ermitteln von Partikel-information durch Direktbildauswertung und durch Differenzbildanalyse - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung (100) zum Ermitteln einer Partikelgröße und/oder Partikelform von Partikeln in einer Probe, wobei die Vorrichtung (100) eine elektromagnetische Strahlungsquelle (102) zum Erzeugen von elektromagnetischer Primärstrahlung (108), einen elektromagnetischen Strahlungsdetektor (104) zum Detektieren von elektromagnetischer Sekundärstrahlung (110), die durch Wechselwirkung der elektromagnetischen Primärstrahlung (108) mit der Probe erzeugt wird, und eine Ermittlungseinrichtung (106) aufweist, die zum Ermitteln der Partikelgröße und/oder Partikelform basierend auf der detektierten elektromagnetischen Sekundärstrahlung (110) eingerichtet ist, wobei die Ermittlungseinrichtung (106) ausgebildet ist, die Partikelgröße und/oder Partikelform selektiv erstens (112) mittels einer Identifizierung und Größenbestimmung und/oder Formbestimmung der Partikel auf einem aus der elektromagnetischen Sekundärstrahlung (110) generierten Detektorbild zu ermitteln, und/oder die Partikelgröße und/oder Partikelform zweitens (114) aus zeitlichen Veränderungen der elektromagnetischen Sekundärstrahlung (110) zwischen zu unterschiedlichen Detektionszeitpunkten generierten Detektorbildern zu ermitteln.
Description
Beschreibung
GEMEINSAMER STRAHLUNGSPFAD ZUM ERMITTELN VON PARTIKEL-INFORMATION DURCH DIREKTBILDAUSWERTUNG UND DURCH DIFFERENZBILDANALYSE
[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln von für eine Partikelgröße und/oder Partikelform von Partikeln in einer Probe indikativer Information, ein zugehöriges Speichermedium und ein Software-Programm. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln von für ein Zetapotential von Partikeln in einer Probe indikativer Information, ein zugehöriges Speichermedium und ein Software-Programm.
[0002] Die dynamische Bildanalyse (Dynamic Image Analysis, DIA) erlaubt es, Dispersionen (Suspensionen, Emulsionen, Aerosole) hinsichtlich Partikelgröße und Partikelform zu analysieren. Unter den Begriff Partikel fallen im Rahmen dieser Anmeldung auch Tröpfchen wie sie zum Beispiel in Emulsionen oder Aerosolen Vorkommen. Da es sich bei der DIA um ein optisches und bildgebendes Verfahren handelt, ist die untere Messgrenze (kleinste noch abbildbare Partikelgröße) durch das physikalische Auflösungslimit begrenzt (ca. halbe Lichtwellenlänge bei entsprechend großer numerischer Apertur des Objektivs). Mit DIA ist es außerdem möglich, die Form der Partikel zu ermitteln. So kann eine aussagekräftige Größenverteilung berechnet werden. Zugehöriger Stand der Technik ist in EP 0,507,746, US 3,641,320 und US 6,061,130 offenbart.
[0003] Im Bereich der Partikelcharakterisierung wurde die Messgrenze für die Partikelgröße bei bildgebenden Messverfahren bisher durch eine Kombination mit „Laser Obscuration" (LOT, Firma Ankersmid - EyeTech) oder Nanoparticle Tracking (NTA, Firma NanoSight - NS300) herabgesetzt. Beide Technologien haben jedoch den Nachteil, dass einzelne Partikel vermessen werden und die vorliegende Partikelkonzentration demnach sehr gering sein muss. Außerdem müssen für eine gute Statistik sehr viele Partikel analysiert werden, was wiederum die Messzeit erheblich verlängert. LOT hat außerdem noch den Nachteil, dass der optische Aufbau nicht mit einem typischen DIA Aufbau kompatibel ist.
[0004] Eine andere Technologie wird in „Differential Dynamic Microscopy: Probing Wave Vector Dependent Dynamics with a Microscope", Roberto Cerbino, Veronique Trappe, Physical Review Leiters 100, 188102 (2008) und „Scattering Information obtained by optical microscopy: Differential dynamic microscopy and beyond", Fabio Giavazzi, Doriano Brogioli, Veronique Trappe, Tommaso Bellini, Roberto Cerbino, Physical Review E 80, 031403 (2009) beschrieben. Es handelt sich dabei um die sogenannte differentielle dynamische Mikroskopie, im Folgenden als DDM bezeichnet. Mittels DDM ist es möglich, die Größe von Partikeln in Flüssigkeiten (Suspensionen) zu messen, indem man ihre Eigenbewegung (Brownsche Molekularbewegung) analysiert. Da die Brownsche Molekularbewegung von der Temperatur abhängt, ist eine konstante Temperatur der Probe währende der Messung sicherzustellen.
[0005] „Nanoparticle tracking analysis - The halo™ System", Malloy et al., Particle and Particle Systems Characterization, Bd. 23, Nr. 2, 1. August 2006, Seiten 197 bis 204, beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Analysieren von Nanopartikeln, welche eine Visualisierung von Nanopartikeln in Flüssigkeiten auf individueller Basis erlauben. Die Vorrichtung weist einen Metallfilm auf, auf welchem sich die Partikel in Suspension befinden. Es wird ein konventionelles Mikroskop zur Untersuchung verwendet und eine Analyse-Software, jedoch werden keine Bilder aufgenommen.
[0006] US 2010/225913 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Messen von Charakteristika einer Partikelprobe mittels Zählens und Klassifizierens der Partikel in ausgewählte Bereiche von Partikelcharakteristika. Ein Lichtstrahl wird hierfür absorbiert, transmittiert oder gestreut. Die Vorrichtung weist zwei parallele optische Pfaden auf, wobei einer der Pfade zwei Detektoren aufweist, von denen einer die großen, der andere die kleinen Teilchen misst. Der zum anderen Pfad gehörende Strahl durchläuft die Probe an einer davor liegenden Stelle und gelangt ebenfalls zu einem weiteren Detektor. Es wird kein Bezug auf DIA genommen.
[0007] US 5 721 433 A beschreibt eine Vorrichtung zum Analysieren von Partikelbildern sowie Verarbeitung, Analyse, Darstellung und Speicherung dieser Bilder. Eine Probensuspension durchläuft hierbei eine Durchflusszelle, welche eine Ummantelungsflüssigkeit enthält. Es wird hierbei eine DIA Anwendung im Allgemeinen beschrieben.
[0008] JP 2007 322329 A beschäftigt sich damit, gleichzeitig Teilchengröße und Zeta-Potential zu messen. Hierfür wird eine Partikelcharakteristik-Messvorrichtung und ein Partikelcharakteristik-Messverfahren beschrieben.
[0009] Weiterer Stand der Technik ist in DE 10 2009 014 080 und WO 2013/021185 offenbart.
[0010] Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Ermitteln von für eine Partikelgröße und/oder Partikelform von Partikeln in einer Probe indikativer Information mit hoher Genauigkeit für eine breite Palette von Proben und über einen umfangreichen Größenbereich zu ermöglichen.
[0011] Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Ermitteln von für ein Zetapotential von Partikeln in einer Probe indikativer Information mit einer hohen Sensitivität auch bei kleinen Partikelgrößen zu ermöglichen.
[0012] Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Weitere Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen gezeigt.
[0013] Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Partikelgröße und/oder Partikelform von Partikeln in einer Probe geschaffen, wobei die Vorrichtung eine elektromagnetische Strahlungsquelle zum Erzeugen von elektromagnetischer Primärstrahlung, einen elektromagnetischen Strahlungsdetektor zum Detektieren von elektromagnetischer Sekundärstrahlung, die durch Wechselwirkung der elektromagnetischen Primärstrahlung mit der Probe erzeugt wird und eine Ermittlungseinrichtung aufweist, die zum Ermitteln der Partikelgröße und/oder Partikelform (zum Beispiel eine Partikelgrößenverteilung) basierend auf der detektierten elektromagnetischen Sekundärstrahlung eingerichtet ist, wobei die Ermittlungseinrichtung ausgebildet ist, die Partikelgröße und/oder Partikelform selektiv (wobei die Selektion zum Beispiel basierend auf einer Benutzerauswahl oder basierend auf einer von der untersuchten Probe abhängigen Auswahl erfolgen kann) erstens mittels einer Identifizierung und Größenbestimmung und/oder einer Formbestimmung der Partikel auf einem aus der elektromagnetischen Sekundärstrahlung generierten Detektorbild zu ermitteln, und/oder die Partikelgröße und/oder Partikelform zweitens aus zeitlichen Veränderungen zwischen aus der elektromagnetischen Sekundärstrahlung generierten Detektorbildern zu unterschiedlichen Detektionszeitpunkten zu ermitteln.
[0014] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Ermitteln einer Partikelgröße und/oder Partikelform von Partikeln in einer Probe bereitgestellt, wobei bei dem Verfahren elektromagnetische Primärstrahlung erzeugt wird, elektromagnetische Sekundärstrahlung detektiert wird, die durch Wechselwirkung der elektromagnetischen Primärstrahlung mit der Probe erzeugt wird, und die Partikelgröße und/oder Partikelform basierend auf der detektierten elektromagnetischen Sekundärstrahlung ermittelt wird, wobei die Partikelgröße und/oder Partikelform selektiv erstens mittels einer Identifizierung und Größenbestimmung und/oder Formbestimmung der Partikel auf einem aus der elektromagnetischen Sekundärstrahlung generierten Detektorbild ermittelt wird, und/oder die Partikelgröße und/oder Partikelform zweitens aus zeitlichen Veränderungen zwischen aus der elektromagnetischen Sekundärstrahlung generierten Detektorbildern zu unterschiedlichen Detektionszeitpunkten ermittelt wird.
[0015] In einem Speichermedium gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Programm zum Ermitteln einer Partikelgröße und/oder Partikelform vor Partikeln in einer Probe gespeichert, welches Programm, wenn es von einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt wird, die oben beschriebenen Verfahrensschritte aufweist bzw. durchführt.
[0016] Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können sowohl mittels eines Computerprogramms, das heißt einer Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektrischer Schaltungen, das heißt in Hardware, oder in beliebig hybrider Form, das heißt mittels Software-Komponenten und Hardware- Komponenten, realisiert werden.
[0017] Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine synergistisch in einer gemeinsamen Apparatur bzw. Verfahrensführung implementierbare Kombination aus einer Partikelgrößen- und/oder -formbestimmung mittels der Analyse statischer Detektorbilder einerseits (insbesondere mittels dynamischer Bildanalyse, Dynamic Image Analysis (DIA)) und einer entsprechenden Bestimmung mittels einer Analyse von Dichtefluktuationen anhand von Differenzbilddaten andererseits (insbesondere mittels differentieller dynamischer Mikroskopie, Differential Dynamic Microscopy (DDM)) ermöglicht. Die Kombination dieser beiden komplementären Analyseverfahren erlaubt eine Vergrößerung des messbaren Größenbereiches hin zu kleinen Teilchen (zum Beispiel bis etwa 20nm) und beseitigt damit einen der Hauptnachteile von DIA im Vergleich zu Konkurrenztechnologien (zum Beispiel statische Lichtstreuung). Es existiert ein Größenbereich (zum Beispiel von etwa 500nm bis 10pm Teilchengröße), in dem sowohl DIA als auch DDM angewendet werden kann. In diesem Bereich liefert die Kombination von DIA mit DDM Information, die mit keiner der beiden Methoden alleine zugänglich ist. Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung bereitgestellt, die dazu in der Lage ist, die für die Partikelgröße und/oder Partikelform indikative Information mittels Detektorbildanalyse zu bestimmen, und die dazu in der Lage ist, die Information mittels Differenzbildanalyse zu bestimmen, d.h. die Bestimmung der Information mittels zweier separater Ermittlungsverfahren durchzuführen, von denen in einem bestimmten Anwendungsfall wahlweise nur die eine, nur die andere oder beide zum Einsatz kommen können.
[0018] Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Bestimmung des Zetapotenzials bzw. einer elektrischen Ladung von Partikeln mittels einer Analyse von Dichtefluktuationen anhand von Differenzbilddaten (insbesondere mittels differentieller dynamischer Mikroskopie, Differential Dynamic Microscopy (DDM)) ermöglicht. Wenn an die Probe mit den Partikeln ein elektrisches Feld angelegt wird, erfolgt eine elektrophoretische Bewegung der Teilchen, die es durch Differenzbildanalyse ermöglicht, Informationen hinsichtlich des Zetapotenzials bzw. der Ladung der Teilchen zu gewinnen. Unter dem Zeta-Potential kann das elektrische Potential (auch als Coulomb-Potential bezeichnet) an einem bewegten Partikel in einer Probe (insbesondere einer Suspension) verstanden werden. Das elektrische Potential beschreibt die Fähigkeit eines von einer elektrischen Ladung des Partikels hervorgerufenen Feldes, Kraft auf andere Ladungen bzw. geladene Partikel auszuüben.
[0019] Im Weiteren werden zusätzliche exemplarische Ausführungsbeispiele der Vorrichtungen, der Verfahren, der Speichermedien und der Software-Programme beschrieben.
[0020] Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Ermittlungseinrichtung ausgebildet sein, die Information aus dem aus der elektromagnetischen Sekundärstrahlung generierten Detektorbild mittels Dynamischer Bildanalyse (DIA) zu ermitteln. Gemäß einer solchen Ausgestaltung werden statische Detektorbilder der Partikel aufgenommen. Jedes einzelne dieser Detektorbilder wird dann dahingehend analysiert, dass Partikel auf dem jeweiligen Detektorbild (zum Beispiel mit Methoden der Bildverarbeitung) erkannt werden (zum Beispiel unter Verwendung einer Schwellwertmethode unter Einsatz von Mustererkennung) und nachfolgend Parameter (wie zum Beispiel ein Teilchendurchmesser und/oder eine Teilchenform) anhand der einzelnen erkannten Partikel ermittelt werden. Wenn auf diese Weise eine ausreichende Anzahl von Detektorbildern (zum Beispiel zwischen 100 und 10.000 Detektorbilder) mit einer ausreichenden Anzahl jeweiliger Partikel (zum Beispiel zwischen 5 und 100) analysiert worden sind, kann das Ergebnis als Partikelgrößenverteilung ausgegeben werden. Dieses Verfahren ist unabhängig von Teilchenfluktuationen, wie zum Beispiel brownscher Molekularbewegung.
[0021] Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Ermittlungseinrichtung ausgebildet sein, die Information aus den zeitlichen Veränderungen zwischen den Detektorbildern mittels Differenzieller Dynamischer Mikroskopie (DDM) zu ermitteln. Die Differenzielle Dynamische Mikroskopie erstellt aus einer Vielzahl von Detektorbildern zunächst Differenzbilder, auf denen Veränderungen von Partikelpositionen aufgrund von Teilchenfluktuationen erkennbar sind. Diese Differenzbilder können dann einer Fourier-Analyse unterzogen werden. Das Ergebnis der Fourier-Analyse kann für die unterschiedlichen Differenzbilder gemittelt werden. Die Diffusionsgeschwindigkeit der Partikel ist eine Funktion der Viskosität des Lösungsmittels der Probe, der Temperatur und der Partikelgröße. Informationen hinsichtlich der Diffusionsgeschwindigkeit können aus dem Ergebnis der Fourier-Analyse gewonnen werden und bei bekannter Temperatur und Lösungsmittelviskosität zum Rückschluss auf die Partikelgrößen verwendet werden. Da die Differenzielle Dynamische Mikroskopie nicht auf der Identifizierung einzelner Partikel auf einem Detektorbild beruht, ist mit dieser Methodik auch die Größenbestimmung wesentlich kleinerer Partikel möglich.
[0022] Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Ermittlungseinrichtung ausgebildet sein, die erste und die zweite Ermittlung der Information für zumindest einen vor-gebbaren Teilbereich von Partikelgrößen (insbesondere in einem Bereich zwischen ungefähr 100 nm und ungefähr 20 pm, weiter insbesondere in einem Bereich zwischen ungefähr 500 nm und ungefähr 10 pm) durchzuführen. Die Komplementarität der Partikelgrößenbestimmung direkt aus einzelnen Detektorbildern einerseits und mittels zeitlicher Differenzbildanalyse andererseits erlaubt besonders in dem genannten Zwischenbereich das Auffinden und Analysieren von Phänomenen, die jeder einzelnen dieser Methode allein unzugänglich ist. Dadurch ist eine Untersuchung fokussiert auf den genannten Größenbereich oder einen Teilbereich davon besonders aufschlussreich.
[0023] Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Ermittlungseinrichtung ausgebildet sein, die Information für Teilchengrößen oberhalb des vorgebbaren Teilbereichs von Partikelgrößen nur mittels der ersten Ermittlung durchzuführen und/oder die Information für Teilchengrößen unterhalb des vorgebbaren Teilbereichs von Partikelgrößen nur mittels der zweiten Ermittlung durchzuführen. Der partikelgrößenspezifische Einsatz der ersten bzw. zweiten Ermittlungsmethode erlaubt es, gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen den Empfindlichkeitsbereich bestimmbarer Partikelgrößen zu erweitern. Die Partikelerkennung an Detektorbildern ist auf Partikelgrößen beschränkt, die aus dem Detektorbild noch aufzulösen sind und scheitert bei Partikelgrößen unterhalb bestimmter Auflösungsgrenzen. Der Partikelerkennung durch Differenzbildanalyse hingegen fehlt die erforderliche Empfindlichkeit bei großen Partikeln, da sich diese träge und somit sehr langsam bewegen, so dass die Partikel zwischen den unterschiedlichen Detektorbildern häufig nur geringe Unterschiede zeigen.
[0024] Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Ermittlungseinrichtung ausgebildet sein, für die erste und die zweite Ermittlung der Information dieselbe elektromagnetische Strahlungsquelle und denselben elektromagnetischen Strahlungsdetektor, insbesondere denselben Strahlengang oder zumindest teilweise denselben Strahlengang, zu verwenden. Dadurch kann die Vorrichtung äußerst kompakt ausgebildet werden. Das Ausbilden unterschiedlicher optischer Pfade für beide Ermittlungsverfahren bzw. eine aufwändige Justage des optischen Pfads beim Wechsel des Ermittlungsverfahrens ist damit entbehrlich. Insbesondere kann auch eine Strahlformungsoptik zwischen elektromagnetischer Strahlungsquelle und Probe für beide Ermittlungsverfahren gemeinsam vorgesehen werden.
[0025] Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Ermittlungseinrichtung ausgebildet sein, für die erste und die zweite Ermittlung der Information zumindest zum Teil dieselben von dem elektromagnetischen Strahlungsdetektor detektierten Detektordaten zu verwenden. Dies hat zum einen den Vorteil, dass die Ergebnisse der beiden Ermittlungsverfahren direkt miteinander vergleichbar sind und etwaige Unterschiede nicht aus unterschiedlichem Detektorverhalten bei unterschiedlichen Messungen resultieren können. Andererseits hat dies den Vorteil, dass die zu verarbeitende und zumindest zwischenzuspeichernde Datenmenge gering ist, was geringe Ressourcenanforderungen und eine schnelle Verarbeitungszeit garantiert.
[0026] Schließlich erlaubt dies vorteilhaft, eine Messung in kurzer Zeit durchzuführen, was auch dynamische Phänomene der Messung zugänglich macht.
[0027] Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Ermittlungseinrichtung ausgebildet sein, eine Differenz von gemäß der ersten Ermittlung ermittelten Partikelgrößen und von gemäß der zweiten Ermittlung ermittelten Partikelgrößen zu berechnen und auszugeben. Insbesondere bei der zumindest teilweisen Verwendung identischer Detektordaten für beide Ermittlungsverfahren hat dies den Vorteil, dass die aus den unterschiedlichen physikalischen Prinzipien der beiden Ermittlungsverfahren resultierenden Empfindlichkeitsunterschiede ergänzende Erkenntnisse über die zu untersuchenden Partikel liefern. So kann zum Beispiel bei der Untersuchung von Partikeln mit einem harten Kern und einer flexiblen oder beweglichen, weniger dichten Hülle die Partikelerkennung anhand von Detektorbildern einen Partikeldurchmesser liefern, der durch den Kern bestimmt wird. Dagegen wird bei der Partikelerkennung durch Differenzbildanalyse die Größe inklusive Hülle erkannt. Eine Differenzbildung zwischen beiden ermittelten Partikelgrößen kann somit die Dicke der Hülle liefern.
[0028] Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Ermittlungseinrichtung ausgebildet sein, oberhalb eines ersten vorgegebenen Größenschwellwerts die Partikelgröße ausschließlich gemäß der ersten Ermittlung durchzuführen und unterhalb eines zweiten vorgegebenen Größenschwellwerts die Partikelgröße ausschließlich gemäß der zweiten Ermittlung durchzuführen. Da die Partikelerkennung anhand von Detektorbildern bei zu kleinen Partikelgrößen zu ungenau wird, kann in diesem Größenbereich die Partikelgrößenbestimmung ausschließlich durch das Verfahren der Partikelerkennung durch Differenzbildanalyse erfolgen. Umgekehrt kann bei sehr großen Partikelgrößen die Partikelgrößenbestimmung ausschließlich durch das Verfahren der Partikelerkennung unmittelbar anhand von einzelnen Detektorbildern selbst erfolgen, da diese Ermittlung für große Partikel sehr genau ist und die große Trägheit großer Partikel bei dem Verfahren der Partikelerkennung durch Differenzbildanalyse an der erforderlichen Genauigkeit leiden kann.
[0029] Gemäß einer Ausgestaltung können der erste Größenschwellwert und der zweite Größenschwei Iwert identisch sein, so dass dann für jede Partikelgröße nur eines der beiden Ermittlungsverfahren zum Einsatz kommt. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung sind die beiden Größenschwellwerte unterschiedlich, wobei im Größenbereich zwischen den beiden Größenschwellwerten eine Auswertung mit beiden Verfahren erfolgen kann.
[0030] Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Ermittlungseinrichtung ausgebildet sein, unterhalb eines ersten vorgegebenen Konzentrationsschwellwerts der Probe die Partikelgröße und Partikelform ausschließlich gemäß der ersten Ermittlung durchzuführen und oberhalb eines zweiten vorgegebenen Konzentrationsschwellwerts der Probe die Partikelgröße ausschließlich gemäß der zweiten Ermittlung durchzuführen (der erste Konzentrationsschwellwert kann kleiner als oder gleich wie der zweite Konzentrationsschwellwert sein). Die Partikelerkennung anhand von Detektorbildern funktioniert gut bei niedrigen Konzentrationen, weil dann ein unerwünschtes Überlappen unterschiedlicher Partikel auf einem Detektorbild unwahrscheinlich ist oder nicht auftritt. Bei hohen Konzentrationen hingegen können auf den Detektorbildern Partikel überlappen, so dass dann mit der Partikelerkennung anhand von Detektorbildern nicht mehr zweifelsfrei unterscheidbar ist, ob nur ein Partikel großer Dimension oder zwei (oder mehr) nahe beieinander befindliche Partikel kleinerer Dimensionen vorliegen. Bei hohen Konzentrationen kann die Vorrichtung daher auf die Partikelerkennung allein durch Differenzbildanalyse ausweichen, bei der bei einer räumlichen Überlappung unterschiedlicher Partikel keine Genauigkeitsreduktion auftritt. Wird umgekehrt die Konzentration der Partikel in der Probe zu niedrig, so gelangt das Verfahren der Partikelgrößenbestimmung mittels Differenzbildanalyse an ihre Grenzen und kann dann durch die Partikelgrößenbestimmung durch die direkte Auswertung von Detektorbildern ersetzt werden.
[0031] Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Ermittlungseinrichtung ausgebildet sein, aus der ersten und der zweiten Ermittlung der Information hinsichtlich der Partikelgrößen Information hinsichtlich einer Viskosität der Probe zu ermitteln. Aus der Stokes-
Einstein Beziehung ist es möglich, bei mittels der Methode der Partikelerkennung anhand von Detektorbildern ermittelter Partikelgrößen mittels der Differenziellen Dynamischen Mikroskopie den Diffusionskoeffizienten zu bestimmen, was bei bekannter Temperatur einen Rückschluss auf die Viskosität der Probe erlaubt.
[0032] Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung eine elektrische Felderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Felds in der Probe aufweisen, wobei die Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln von für das Zetapotential von Partikeln in der Probe indikativer Information basierend auf der bei Anwesenheit des elektrischen Felds in der Probe detektierten elektromagnetischen Sekundärstrahlung eingerichtet ist. Weiter kann die Ermittlungseinrichtung ausgebildet sein, zusätzlich das Zetapotential aus zeitlichen Veränderungen zwischen aus der elektromagnetischen Sekundärstrahlung generierten Detektorbildern zu unterschiedlichen Detektionszeitpunkten zu ermitteln. Wird ein elektrisches Feld in der Probe eingeschaltet, so beginnt eine elektrophoretische Bewegung der Probenpartikel. Aus dieser lässt sich das Zeta-Potenzial bzw. die elektrische Ladung der Partikel bestimmen, wenn die Differenzielle Dynamische Mikroskopie eingesetzt wird.
[0033] Die elektromagnetische Strahlungsquelle kann Licht in einem gewünschten Wellenlängenbereich erzeugen, vorzugsweise im Bereich von sichtbarem Licht (400 nm bis 800 nm). Andere Wellenlängenbereiche sind möglich, zum Beispiel Infrarot oder Ultraviolett. Es ist möglich, die elektromagnetische Strahlungsquelle als Laser auszuführen. In diesem Fall kann kohärentes Licht erzeugt und für die Messung verwendet werden. Allerdings kann bei anderen Ausführungsbeispielen die Messung auch mit nichtkohärentem Licht durchgeführt werden. Letzteres kann sogar vorteilhaft sein, wenn Interferenzartefakte unterdrückt werden sollen.
[0034] Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die elektromagnetische Strahlungsquelle eine gepulste Strahlungsquelle sein. Die Verwendung einer gepulsten Strahlungsquelle zum Erzeugen von kurzen elektromagnetischen Strahlungspulsen (zum Beispiel räumlich eng abgegrenzten Lichtpaketen) kann anschaulich eine Teilchenbewegung in der Probe einfrieren, so dass ein Detektor dann tatsächlich auf dem Detektorbild scheinbar ruhende Partikel erfassen kann. Dann kann unter Ausnutzung eines Effekts, der jenem der Stroboskopie ähnelt, mit einer offenen Blende detektiert werden.
[0035] Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung eine Primärstrahlformungsoptik zwischen der elektromagnetischen Strahlungsquelle und der Probe aufweisen, wobei die Primärstrahlformungsoptik eingerichtet sein kann, die elektromagnetische Primärstrahlung parallel zu einer optischen Achse zu kollimieren. Eine solche Kollimatoroptik kann vorteilhaft für die Partikelerkennung anhand der Detektorbilder und für die Partikelerkennung anhand der Differenzbildanalyse identisch ausgebildet werden, was zu einem geringen apparativen Aufwand und zu einer direkten Vergleichbarkeit der beiden Ermittlungsergebnisse führt.
[0036] Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung eine Abbildungsoptik zwischen der Probe und dem elektromagnetischen Strahlungsdetektor aufweisen, wobei die Abbildungsoptik eingerichtet sein kann, die elektromagnetische Sekundärstrahlung auf den elektromagnetischen Strahlungsdetektor abzubilden.
[0037] Gemäß einer Ausgestaltung kann die Abbildungsoptik identisch für die beiden Ermittlungsverfahren eingesetzt werden, was zu einer kompakten Vorrichtung und zu einer guten Vergleichbarkeit der beiden Ermittlungsergebnisse führt.
[0038] Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung einen Verstellmechanismus aufweisen, der zum Verstellen der Abbildungsoptik zwischen unterschiedlichen Optikkonfigurationen zum Aufnehmen von Detektordaten zur ersten Ermittlung der Information und zum Aufnehmen von Detektordaten zur zweiten Ermittlung der Information eingerichtet ist. Dadurch kann eine Einstellung des Strahlengangs auf das jeweilige Ermittlungsverfahren hin optimiert durchgeführt werden, ohne dass eine vollständige Neujustierung des Strahlengangs beim Übergang von einer der Ermittlungsverfahren zum jeweils anderen erforderlich ist.
[0039] Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann der Verstellmechanismus ein
Revolvermechanismus sein. Ein Revolvermechanismus erlaubt es, mittels Drehens eines Revolverkopfes, in dem eine Mehrzahl von alternativ verwendbaren und unterschiedlichen optischen Elementen oder optischen Baugruppen implementiert sind, ein jeweils gewünschtes optisches Element bzw. eine jeweils gewünschte optische Baugruppe in den optischen Pfad zwischen Probe und elektromagnetischen Strahlungsdetektor einzufahren und damit für die Verwendung in der Vorrichtung auszuwählen. Ein zu einem Revolvermechanismus alternativ einsetzbarer Verfahrmechanismus ist ein Verschiebemechanismus, der in einer Richtung vor oder zurück verschiebbar ist, um zum Beispiel zwei unterschiedliche optische Elemente oder optische Baugruppen wahlweise in den optischen Pfad einfahren zu können.
[0040] Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann der Verstellmechanismus eingerichtet sein, für die erste Ermittlung eine erste Abbildungsoptik einzustellen, die eine kleinere numerische Apertur hat als eine zweite Abbildungsoptik für die zweite Ermittlung. Während bei der Partikelerkennung anhand der Auswertung einzelner Detektorbilder selbst eine kleine numerische Apertur vorteilhaft ist, ist bei der Partikelerkennung anhand der Differenzbildanalyse die Auflösung höher, wenn die numerische Apertur größer ist. Durch den Verstellmechanismus kann mit einer einfachen optischen Maßnahme für beide Ermittlungsverfahren eine hohe Genauigkeit bei der Partikelgrößenbestimmung erreicht werden.
[0041] Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die erste Abbildungsoptik eine telezentrische Optik sein. Eine solche telezentrische Optik kann zwei Linsen (insbesondere zwei Sammellinsen) und optional eine dazwischen angeordnete Blende aufweisen. Es sind also für eine telezentrische Optik auch Linsensysteme implementierbar, bei denen eine Blende entbehrlich ist.
[0042] Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die zweite Abbildungsoptik ein Mikroskop-Objektiv sein, das zum Beispiel als eine einzige Linse ausgeführt sein kann.
[0043] Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung einen die Probe enthaltenen Probenbehälter aufweisen, der liegend angeordnet sein kann. Ein solcher Probenbehälter kann zum Beispiel eine Küvette sein. Eine liegende Anordnung eines solchen Probenbehälters kann zum Beispiel mittels einer geeigneten optischen Baugruppe, zum Beispiel unter Einsatz von Umlenkspiegeln, realisiert werden. Ist die Messzelle liegend angeordnet, so können störende Einflüsse, wie zum Beispiel Partikelsedimentation oder das Ausbilden temperaturinduzierter Strömungen in der Messstelle, unterdrückt oder eliminiert werden.
[0044] Im Folgenden werden exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Verweis auf die folgenden Figuren detailliert beschrieben.
[0045] Figur 1 zeigt eine Vorrichtung zum Ermitteln von für eine Partikelgröße von Partikeln in einer Probe indikativer Information und zum Ermitteln eines Zeta-Potenzials der Partikel gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
[0046] Figur 2 zeigt eine schematische Abbildung zum Auswerten von Detektorbildern mittels
Differenzieller Dynamischer Mikroskopie gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
[0047] Figur 3 zeigt eine Image Structure Function für ein 70 nm großes PS-Latexpartikel in
Wasser, aufgenommen mit einem 10xMikroskopobjektiv mit einer numerischen Apertur von 0.25, erhalten mittels Differenzieller Dynamischer Mikroskopie.
[0048] Figur 4 zeigt ein Ergebnis einer Auswertung gemäß einer Messung mit Differenzieller
Dynamischer Mikroskopie an 46, 70 und 100nm PS-Latexparti kein mittels der Kumulantenmethode.
[0049] Figur 5 zeigt schematisch die Beugung von Licht an einem Gitter, wobei der Winkel der ersten Beugungsordnung von der Wellenlänge des einfallenden Lichts und der Gitterkonstante g abhängt.
[0050] Figur 6 zeigt eine Image Structure Function für ein 500 nm großes PS- Latexpartikel in Wasser, aufgenommen mit einem konventionellen 40xMikroskopobjektiv mit einer numerischen Apertur von 0.6, erhalten mittels Differenzieller Dynamischer Mikroskopie.
[0051] Figur 7 zeigt eine Vorrichtung zum Ermitteln von für eine Partikelgröße von Partikeln in einer Probe indikativer Information gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
[0052] Figur 8 zeigt eine Vorrichtung zum Ermitteln von für eine Partikelgröße von Partikeln in einer Probe indikativer Information gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei eine liegende Messzelle zum Unterdrücken von störenden Einflüssen, wie zum Beispiel Partikelsedimentation oder das Ausbilden temperaturinduzierter Strömungen in der Messzelle, vorgesehen ist.
[0053] Figur 9 zeigt ein schematisches Blockbild einer Vorrichtung zum Ermitteln von für eine
Partikelgröße von Partikeln in einer Probe indikativer Information gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
[0054] Figur 10 zeigt eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Zeta-Potenzials von Partikeln einer
Probe gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
[0055] Figur 11 zeigt ein schematisches Blockbild einer Vorrichtung zum Ermitteln eines Zeta-
Potenzials von Partikeln einer Probe gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
[0056] Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
[0057] Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Ermitteln von für eine Partikelgröße und/oder Partikelform von Partikeln in einer Probe 130 indikativer Information und zum Ermitteln eines Zeta-Potenzials der Partikel gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
[0058] Die Vorrichtung 100 weist eine als gepulsten Laser ausgebildete elektromagnetische Strahlungsquelle 102 auf, die zum Erzeugen von Pulsen von elektromagnetischer Primärstrahlung 108 (hier optisches Licht) ausgebildet ist. Die elektromagnetische Primärstrahlung 108 wird auf einen Probenbehälter 126 gerichtet. Die zu untersuchende Probe 130 (zum Beispiel in einer Flüssigkeit enthaltene Partikel in der Größenordnung von Mikrometern für die Keramikherstellung, zum Beispiel Titandioxid) durchfließt den hier als Durchflussküvette ausgebildeten Probenbehälter 126 in einer durch Pfeile 132 angedeuteten Fließrichtung und wechselwirkt hierbei mit der elektromagnetischen Primärstrahlung 108, wodurch diese in elektromagnetische Sekundärstrahlung 110 umgewandelt wird. Der Fluss der Probe im Probenbehälter 126 kann gegebenenfalls vor einer Messung mit Ventilen 133 und 134 unterbunden werden. Des Weiteren kann der Probenbehälter 126 so ausgeführt sein, dass die Durchflussküvette durch jede beliebige Küvette ersetzt wird, um beispielsweise Sedimentationseigenschaften der Probe 130 zu untersuchen oder um jede Probenveränderung auszuschließen. Eine Abbildungsoptik 118 zwischen der Probe 130 und einem elektromagnetischen Strahlungsdetektor 104 (zum Beispiel eine zweidimensionale Kamera wie eine CMOS-Kamera oder eine CCD-Kamera) ist eingerichtet, die elektromagnetische Sekundärstrahlung 110 auf den elektromagnetischen Strahlungsdetektor 104 abzubilden.
[0059] Die Vorrichtung 100 weist einen uniaxial verschiebbaren Verstellmechanismus 120 (siehe Doppelpfeil) auf, der zum Verstellen der Abbildungsoptik 118 zum Aufnehmen von Detektordaten zur ersten Ermittlung (siehe Bezugszeichen 112) der Information und zum Aufnehmen von Detektordaten zur zweiten Ermittlung (siehe Bezugszeichen 114) der Information eingerichtet ist. Der Verstellmechanismus 120 ist eingerichtet, für die erste Ermittlung 112 eine erste Abbildungsoptik 124 in den optischen Pfad zwischen der elektromagnetischen Primärstrahlung 108 und der elektromagnetischen Sekundärstrahlung 110 einzufahren, die eine kleinere numerische Apertur hat als eine zweite Abbildungsoptik 122, die für die zweite Ermittlung 114 in den optischen Pfad zwischen der elektromagnetischen Primärstrahlung 108 und der elektromagnetischen Sekundärstrahlung 110 eingefahren wird. Die erste Abbildungsoptik 124 ist eine telezentrische Optik. Die zweite Abbildungsoptik 122 ist ein Mikroskop-Objektiv. Auf diese Weise kann die Abbildungsoptik 118 auf das jeweilige Auswerteprinzip hin angepasst werden.
[0060] Der elektromagnetische Strahlungsdetektor 104 dient zum Detektieren der elektromagnetischen Sekundärstrahlung 110 in Form von zweidimensionalen Detektorbildern, die durch Wechselwirkung der elektromagnetischen Primärstrahlung 108 mit der Probe 130 erzeugt wird.
[0061] Die Detektordaten, die ein zweidimensionales Abbild der Probe 130 liefern, werden einer zum Beispiel als Prozessor ausgebildeten Ermittlungseinrichtung 106 zugeführt, die zum Ermitteln der für die Partikelgröße indikativen Information basierend auf der detektierten elektromagnetischen Sekundärstrahlung 110 eingerichtet ist. Präziser ausgedrückt ist die Ermittlungseinrichtung 106 ausgebildet, die Information erstens (siehe einen mit Bezugszeichen 112 bezeich-neten Auswertepfad) mittels einer Identifizierung und Größenbestimmung der Partikel auf mehreren einzelnen aus der elektromagnetischen Sekundärstrahlung 110 generierten Detektorbildern zu ermitteln, und die Information zweitens (siehe einen mit Bezugszeichen 114 bezeichne-ten separaten Auswertepfad) aus zeitlichen Veränderungen zwischen aus der elektromagnetischen Sekundärstrahlung 110 generierten Detektorbildern zu unterschiedlichen Detektionszeitpunkten zu ermitteln. Anders ausgedrückt kann in der Vorrichtung 100 die Größenbestimmung der Partikel mittels einer auswählbaren oder mittels zweier komplementärer Prozeduren durchgeführt werden. Die Ermittlungseinrichtung 106 ist ausgebildet, die Information aus den einzelnen aus der elektromagnetischen Sekundärstrahlung 110 generierten Detektorbildern mittels Dynamischer Bildanalyse (Dynamic Image Analysis, DIA) zu ermitteln (siehe Bezugszeichen 112). Die Ermittlungseinrichtung 106 ist ferner ausgebildet, die Information aus den zeitlichen Veränderungen zwischen den Detektorbildern mittels Differenzieller Dynamischer Mikroskopie (Differential Dynamic Microscopy, DDM) zu ermitteln (siehe Bezugszeichen 114).
[0062] Die Ermittlungseinrichtung 106 ist insbesondere ausgebildet, die erste (siehe Bezugszeichen 112) und die zweite (siehe Bezugszeichen 114) Ermittlung der Information für zumindest einen Teil eines Bereichs zwischen 100 nm und 20 pm, d.h. doppelt, durchzuführen. In diesem Bereich sind beide Ermittlungsverfahren sensitiv und liefern aufgrund der komplementären zu Grunde liegenden physikalischen Prinzipien Information, die durch das jeweils andere Ermittlungsverfahren nicht ermittelbar ist.
[0063] Die Ermittlungseinrichtung 106 ist ferner ausgebildet, die Information für Teilchengrößen oberhalb von 20 pm nur mittels der ersten Ermittlung (siehe Bezugszeichen 112) durchzuführen und die Information für Teilchengrößen unterhalb 100 nm nur mittels der zweiten Ermittlung (siehe Bezugszeichen 114) durchzuführen, da das jeweils andere Ermittlungsverfahren in den genannten Partikelgrößenbereichen nicht ausreichend sensitiv ist.
[0064] Eine Steuereinrichtung 150 empfängt die Detektordaten von dem elektromagnetischen Strahlungsdetektor 104 und leitet diese zur Weiterverarbeitung in einen oder beide Zweige (siehe Bezugszeichen 112, 114) weiter. Dabei können Detektordaten auch in einer Datenbank 152 gespeichert werden.
[0065] Als Speichermedium können sowohl computerlesbare Speichermedien und/oder Speichermedien, die von programmierbaren logischen Schaltungen, wie beispielsweise Feld - programmierbare - Logik - Gatter Anordnungen (FPGA), Mikrokontrollern, digitalen Signalprozessoren (DSP) oder dergleichen, verwendet werden. Diese Speichermedien können direkt in der Vorrichtung 100 integriert sein.
[0066] Für die erste Ermittlung (siehe Bezugszeichen 112) der Partikelgrößenverteilung, d.h. die Detektion von Partikelgrößen und/oder Partikelform direkt anhand eines Kamerabildes, werden die Detektordaten an eine Teilchenerkenneinheit 154 weitergeleitet, die mit Methoden der Bildverarbeitung (zum Beispiel Mustererkennung basierend auf Referenzdaten) einzelne
Partikel auf dem einzelnen Detektorbildern erkennt. Die identifizierten Partikel werden einer Parameterbestimmeinheit 156 weitergeleitet, welche den erkannten Teichen eine Größe und/oder Form zuordnet.
[0067] Für die zweite Ermittlung (siehe Bezugszeichen 114) der Partikelgrößenverteilung, d.h. die Detektion von Partikelgrößen indirekt durch Erzeugung von Kameradifferenzbildern und dem Ableiten der Partikelgrößen aus einer Fourier-Analyse, werden die Detektordaten zunächst einer Differenzbildermittlungseinheit 162 übermittelt. Die Differenzbildermittlungseinheit 162 ermittelt die entsprechenden Differenzbilder aus den zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommenen Detektordaten. Die ermittelten Differenzbilder werden in einer Fouriertransformationseinheit 164 einer Fouriertransformation unterzogen. Eine Mittelungseinheit 166 mittelt die Ergebnisse der Fouriertransformation. Eine Parameterermittlungseinheit 168 ermittelt dann aus den Ergebnissen der Ermittlung die Größenverteilung der Partikel.
[0068] Eine Kombinationseinrichtung 170 kann die Ergebnisse aus den beiden Ermittlungen gemäß Bezugszeichen 112 und 114 kombinieren. Die Ergebnisse der Analyse können auf einer Anzeigeeinheit 180 einem Benutzer angezeigt werden.
[0069] Die Vorrichtung 100 weist darüber hinaus eine elektrische Felderzeugungseinrichtung 116 zum Erzeugen eines elektrischen Felds in der Probe 130 auf, wobei die Ermittlungseinrichtung 106 zum Ermitteln des Zetapotentials bzw. der elektrischen Ladung der Partikel der Probe 130 basierend auf der detektierten elektromagnetischen Sekundärstrahlung 110 eingerichtet ist. Gesteuert durch die Steuereinrichtung 150 kann eine Spannungsquelle 177 der elektrischen Felderzeugungseinrichtung 116 eine elektrische Spannung zwischen zwei einander gegenüberliegende Kondensatorplatten 179 der elektrischen Felderzeugungseinrichtung 116 anlegen. Dabei soll die Anordnung der Elektroden 179 so positioniert werden, dass die Feldlinien des elektrischen Feldes normal zur Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Primärstrahlung 108 verlaufen. Für den Fall, dass sich die Probe 130 auch zusätzlich in eine Richtung normal zur Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Primärstrahlung 108 bewegt, sollen die Elektroden 179 so angeordnet werden, dass die Feldlinien normal zur Flussrichtung der Probe und normal zur Ausbreitungsrichtung der Primärstrahlung ausgerichtet sind.
[0070] Die Ermittlungseinrichtung 106 ist genauer gesagt ausgebildet, das Zetapotential bzw. die elektrische Ladung der Partikel aus zeitlichen Veränderungen zwischen aus der elektromagnetischen Sekundärstrahlung 110 generierten Detektorbildern zu unterschiedlichen Detektionszeitpunkten zu ermitteln, d.h. mittels Differenzieller Dynamischer Mikroskopie. Zur Ermittlung des Zetapotenzials aus den Detektordaten werden Letztere einer Zetapotenzial-Ermittlungseinrichtung 190 zugeführt, die das Ergebnis der Auswertung dann an die Anzeigeeinheit 180 weiterleiten kann.
[0071] Dynamische Bildanalyse (Dynamic Image Analysis, DIA) ist eine Methode, die auf der Fotographie von sich bewegenden Objekten basiert. Die Verwendung in der Partikelcharakterisierung ist durch die Entwicklung sehr schneller Kameras und durch die Kombination mit gepulsten Lichtquellen ermöglicht. Schnelle Kameras sind vorteilhaft, um aus Gründen der Statistik viele Teilchen in kurzer Zeit messen zu können. Eine gepulste Lichtquelle ermöglicht zudem, die Aufnahme von sich sehr schnell bewegenden Partikeln, ohne dass Bewegungsunschärfe auftritt.
[0072] Differentielle Dynamische Mikroskopie (DDM) kann mit einem handelsüblichen optischen Mikroskop, welches die Probe mittels einer unkollimierten Weißlichtquelle beleuchtet, durchgeführt werden. Die Datenanalyse beruht jedoch nicht auf der Auswertung der Bilder der Teilchen, sondern auf der Auswertung der zeitlichen Änderungen der Strukturen am Bild. Dadurch kann die Diffusionsgeschwindigkeit und indirekt die Größe der Teilchen ermittelt werden. Die Methode ist nicht durch das optische Limit zur Auflösung eines einzelnen Teilchens limitiert.
[0073] Die Verwendung von unkollimiertem Weißlicht ist möglich, weil bei DDM nicht wie bei DLS üblich der gesamte Streuvektor |Q|, sondern nur der projizierte Streuvektor q in die Berechnungen eingeht und dieser unabhängig vom Einfallswinkel und der Lichtwellenlänge ist.
Letzteres kann als Vorteil der DDM gegenüber DLS gesehen werden, da Simulationen gezeigt haben, dass für kleine Streuwinkel (<20°, entspricht Vorwärtsstreuung) der Unterschied zwischen q und |Q| vernachlässigbar ist.
[0074] Figur 2 zeigt ein Schema 200 zum Auswerten von Detektorbildern 202 mittels Differenzi-eller Dynamischer Mikroskopie gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der im Folgenden beschriebene Ablauf einer DDM Messung und Auswertung ist in Figur 2 schematisch dargestellt.
[0075] Die Partikel in der Flüssigkeit werden mittels eines als Hochgeschwindigkeitskamera ausgebildeten elektromagnetischen Strahlungsdetektors 104 fotografiert, d.h. es werden Intensitätswerte I abhängig von den Ortskoordinaten x, y und der Zeit t aufgenommen. Durch Subtrahieren jeweils zweier Bilder (siehe Bezugszeichen 162) werden Differenzbilder 204 erzeugt. Die Zeitdifferenz Ät zwischen den zu subtrahierenden Detektorbildern 202 wird dabei variiert. Man erhält also eine ganze Serie von Differenzbildern 204, die Information über die Dynamik des Systems beinhalten. Die Intensität in den Differenzbildern 204 ist gegeben durch:
[0076] Die Differenzbilder 204 werden anschließend Fourier-transformiert (FFT(ÄI(x,y;Ät)) —> F(q;Ät)), siehe Bezugszeichen 164, wodurch Fouriertransformierte 206 erhalten werden. Da die Brownsche Molekularbewegung stochastisch ist, liefert die Fouriertransformation ein rotationssymmetrisches Bild. F(q;Ät) kann also über den Azimut-Winkel aufintegriert werden.
[0077] Nach dem Durchführen der Fouriertransformation erfolgt eine Mittelung, siehe Bezugszeichen 166, wodurch gemittelte Fouriertransformierte 208 erhalten werden.
[0078] Die Fouriertransformation kann man sich wie eine Zerlegung des Objekts in Brechungsindexgitter 500 mit unterschiedlicher Gitterkonstante g vorstellen, siehe Figur 5. Der Zusammenhang zwischen projiziertem Streuvektor (=Gittervektor) q und Gitterkonstante g ist wie folgt gegeben: q = 2u/g [0079] Das sogenannte Fourier Leistungsspektrum, auch Image Structure Function 210 genannt, ist gegeben durch:
[0080] wobei g(q,Ät) die Intensitäts-Autokorrelationsfunktion ist, wie sie auch aus der DLS Theorie bekannt ist.
[0081] Figur 3 zeigt D(q,Ät) für 70nm PS (Polystyrol) Latexpartikel in Wasser, aufgenommen mit einem 10x Mikroskopobjektiv.
[0082] Aus D>(q,Ät) kann somit zum Beispiel über die Kumulanten-Methode (siehe Koppel, Dennis E. (1972), "Analysis of Macromolecular Polydispersity in Intensity Correlation Spectroscopy: The Method of Cumulants", The Journal of Chemical Physics 57 (11): 4814) die Partikelgröße berechnet werden: Figur 4 zeigt ein Ergebnis einer Auswertung gemäß einer Messung mit Differenzieller Dynamischer Mikroskopie an 46nm, 70nm und 100nm PS-Latexpartikeln mittels der Kumulantenmethode.
[0083] Durch eine DDM Messung liegen bereits Messdaten bei verschiedenen q- Vektoren vor. Das Ergebnis entspricht also einer Vielzahl von einzelnen DLS Experimenten, die bei diesen q-Vektoren (= Streuwinkeln) durchgeführt wurden.
[0084] Herkömmliche Verfahren zum Ermitteln von Partikelgrößen haben Nachteile, die durch das erfindungsgemäße Messprinzip überwunden werden können: [0085] Der Messbereich der dynamischen Bildanalyse (DIA) ist durch das optische Auflösungslimit nach unten begrenzt. Das stellt im Vergleich zu Konkurrenztechnologien wie zum Beispiel der statischen Lichtstreuung (SLS) einen deutlichen Nachteil dar.
[0086] Polydisperse Proben, welche Partikel unter der optischen Auflösungsgrenze enthalten, können mit DIA nicht vollständig charakterisiert werden. Die kleinen Anteile der Größenvertei- lungsfunktion gehen verloren.
[0087] Die Partikelkonzentration bei DIA ist durch die Bedingung begrenzt, dass Überlappungen von Partikeln auf den angenommenen Bildern sehr unwahrscheinlich sind. Es ist nicht möglich, zufällige Überlappungen der Partikel von Aggregaten zu unterscheiden. Die Grenze für die noch messbare Partikelkonzentration hängt von der verwendeten Abbildungsoptik, dem verwendeten Detektor und der Partikelgröße selbst ab.
[0088] Mit dynamischer Bildanalyse (DIA) können nur jene Teile der Partikel erkannt werden, die einen signifikanten Unterschied im Brechungsindex zum Lösungsmittel haben. Beispielsweise bleiben stark geschwollene Polymerhüllen (sterische Stabilisierung) unsichtbar.
[0089] DIA liefert ein statisches Bild der Partikel. Dynamische Prozesse wie beispielsweise Diffusionsbewegung oder elektrophoretische Bewegung sind nicht zugänglich.
[0090] Um diese Nachteile zumindest teilweise zu überwinden, sind exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung entwickelt worden: [0091] Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist erkannt worden, dass DIA und DDM beinahe identische Anforderungen an die Messgeometrie haben und daher in dasselbe Gerät implementiert werden können. Auch die für den Betrieb des Messgeräts notwendige Peripherie ähnelt sich stark.
[0092] Durch die Kombination der Technologien kann der Messbereich hinsichtlich Partikelgröße deutlich erweitert werden. Während die DIA hin zu kleinen Partikelgrößen durch die optische Auflösungsgrenze beschränkt ist (kleinste noch messbare Partikel sollen zum Beispiel mindestens ca. 100nm groß sein), kann mit DDM noch weit darunter gemessen werden (zum Beispiel bis ca. 20nm). Zu großen Teilchen hin ist DDM durch die Diffusionsbewegung beschränkt, die mit zunehmender Partikelgröße immer langsamer und somit schwerer zu messen wird. Die obere Messgrenze für DDM liegt bei ca. 10pm Partikelgröße. Der Grund für diese Einschränkung ist wie folgt zu verstehen.. Bis ein beispielsweise 10pm großes Partikel eine, mittels optischer Bildgebung, detektierbare Distanz diffundiert, können durchaus mehrere Sekunden vergehen. Bei so langen Messzeiten wird es schwierig, störende Einflüsse wie zum Beispiel Sedimentation oder Vibrationen auszuschließen.
[0093] Durch die relativ große Überlappung im Messbereich zwischen DIA und DMM (zum Beispiel ca. 500nm bis 10pm) ergeben sich folgende Vorteile: [0094] Während bei DIA direkt ein Bild des Teilchens ausgewertet wird, ist DDM eine indirekte Methode, bei der die Diffusionsgeschwindigkeit aus einem Bild bestimmt wird. Für ideale Dispersionen von verdünnten, glatten Kugeln ist zu erwarten, dass die beiden ermittelten Durchmesser übereinstimmen. Wenn es experimentell zu Diskrepanzen zwischen den beiden Ergebnissen kommt, kann das als Effekt einer Abweichung von diesem idealen Verhalten interpretiert werden. Daher kann aus der Kombination der beiden Methoden wertvolle Information über nicht-ideales Verhalten gewonnen werden. Im Folgenden ist ein konkretes Beispiel beschrieben: [0095] Sterisch stabilisierte Teilchen können bei der Untersuchung mit DIA und DDM zu unterschiedlichen Ergebnissen führen. Der optische Kontrast der geschwollenen Polymerhülle ist extrem gering im Vergleich zum Kontrast des Teilchenkerns. DIA liefert dementsprechend den Kerndurchmesser als Ergebnis.
[0096] Für DDM ist die Situation vollkommen unterschiedlich. Das Diffusionsverhalten ist durch die thermische Energie und den Strömungswiderstand bestimmt. Der wirksame Durchmesser beträgt in diesem Fall Kerndurchmesser plus doppelte Dicke der Hülle. Nachdem sich die Hülle mit dem Teilchen bewegt, bremst sie effektiv die Diffusion. Aus der Kombination von DIA und DDM ist die Dicke der Polymerhülle experimentell zugänglich (RDDm -Rdia)· Weder DIA noch DDM können alleine diese Information liefern.
[0097] In Realproben liegen oft Gemische mit sehr unterschiedlichen Teilchengrößen vor. Viele Methoden zur Partikelgrößenbestimmung können aus solchen Gemischen nicht die korrekte
Verteilung an Partikelgrößen bestimmen. Beispielsweise wird Dynamische Lichtstreuung DLS stark durch geringe Konzentrationen an großen Teilchen (zum Beispiel Aggregate oder Staub) gestört. Es ist dann nicht mehr möglich, die Partikelgröße von Nano-Teilchen, auch wenn sie in wesentlich höherer Konzentration vorliegen, zu bestimmen. Ein wesentlicher Vorteil von DDM gegenüber DLS ist, dass es keine so starke Empfindlichkeit gegenüber großen Verunreinigungen in niedriger Konzentration gibt. Im Zuge der Datenauswertung werden bei DDM jeweils zwei Bilder, aufgenommen zu unterschiedlichen Zeitpunkten, voneinander subtrahiert. Sehr große Teilchen bewegen sich nur extrem langsam und verschwinden so vom Differenzbild. Der Beitrag der kleinen Teilchen, die schnell diffundieren und sich daher in der Zeit zwischen den beiden Aufnahmen signifikant bewegt haben, wird durch die großen Partikel nicht beeinflusst. DDM erlaubt also die Messung von kleinen Teilchen neben sehr großen Teilchen. Für DIA liegen Nano-Teilchen zwar außerhalb des Messbereiches. Große Teilchen sind aber sehr gut erkennbar.
[0098] Durch die Kombination von DIA und DDM ergibt sich daher eine vollständige Charakterisierung von Proben mit Nano-Teilchen und geringer Mengen an großen Partikeln. Dies wäre mit einer Methode alleine nicht möglich.
[0099] Für DIA soll sichergestellt sein, dass sich die Teilchen im Bild nicht überlagern. Das kann durch eine entsprechende Verdünnung erreicht werden.
[00100] Die Größenbestimmung in Proben mit hohen Teilchenkonzentrationen ist problematisch. Wie hoch die Partikelkonzentration genau sein darf, hängt von der gewählten Abbildungsoptik, dem Detektor und der Partikelgröße ab. Im Gegensatz dazu arbeitet DDM gut bei hohen Konzentrationen und erreicht sein Limit bei niedrigen Teilchendichten. Die Limitierung zu hohen Konzentrationen hin wird bestimmt durch die Bedingung der quasi-idealen Verdünnung in der Stokes-Einstein-Gleichung. Die Kombination beider Technologien erweitert also den Konzentrationsbereich, in dem korrekt gemessen werden kann.
[00101] Üblicherweise wird die Stokes-Einstein-Beziehung verwendet, um den Teilchenradius R aus dem Diffusionskoeffizient D zu berechnen (mit gegebener Viskosität η des Lösungsmittels, der Boltzmannkonstante kB und der absoluten Temperatur T):
[00102] Die Methode der Mikrorheologie verwendet jedoch die Stokes-Einstein-Beziehung in einer anderen Form. Sie bestimmt die Viskosität η des Lösungsmittels aus dem Diffusionskoeffizient:
[00103] Dazu ist es allerdings nötig, Teilchen bekannter Größe zuzugeben und damit möglicherweise die Probe zu verändern. Durch die Kombination von DIA und DDM ist es möglich, alle nötigen Eingangsparameter direkt zu bestimmen. Während die Teilchengröße direkt aus den Bildern (DIA) entnommen werden kann, kann der Diffusionskoeffizient über DDM bestimmt werden. Voraussetzung ist nur, dass Teilchen (unbekannter Größe) im Überlappungsbereich von DIA und DDM vorhanden sind.
[00104] Figur 7 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Ermitteln von für eine Partikelgröße von Partikeln in einer Probe 130 indikativer Information gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Um die oben genannten Nachteile der DIA Technologie durch eine Kombination mit DDM beseitigen zu können, kann die in Figur 7 gezeigte Technologiekombination verwendet werden.
[00105] Die Messanordnungen für die Durchführung von DIA und DDM sind sehr ähnlich, beide Technologien können einen Großteil der Komponenten der Vorrichtung 100, oder sogar die gesamten Komponenten, gemeinsam verwenden. Die Messanordnung in Form der Vorrichtung 100 besteht aus einer Lichtquelle als elektromagnetische Strahlungsquelle 102, die einen Lichtstrahl als elektromagnetische Primärstrahlung 108 entlang einer optischen Achse 702 aussendet, einer Strahlformoptik 700, einer Messzelle als Probenbehälter 126, welche die zu untersuchende Probe 130 enthält, einer Abbildungsoptik 118 und einem Bildsensor als elektromagnetischen Strahlungsdetektor 104. Die Eintritts- bzw. Austrittsfenster der Messzelle sind mit Bezugszeichen 704 bzw. 706 bezeichnet. Die Strahlformoptik 700 dient der Strahlaufweitung bzw. Kollimation, um eine scharfe Abbildung zu bewirken. Figur 7 ist zu entnehmen, dass die optische Weglänge, welche die elektromagnetische Primärstrahlung 108 zum Durchlaufen des Probenbehälters 126 benötigt, sehr kurz ist, um Verfälschungen bei der Größenbestimmung von nahe des Eintrittsfensters 704 bzw. nahe des Austrittsfensters 706 befindlichen Partikeln zu vermeiden. Figur 7 ist ferner zu entnehmen, dass die Abbildungsoptik 118 aus zwei Sammellinsen 708 gebildet ist, zwischen denen eine Blende 710 angeordnet ist (alternativ ist auch ein blendenloses Linsensystem möglich). Die Abbildungsoptik 118 kann so ausgebildet werden, dass sie das Bild an der Position des elektromagnetischen Strahlungsdetektors 104 stets gleich groß hält.
[00106] Im Hinblick auf die am besten geeignete Lichtquelle haben DIA und DDM praktisch identische Anforderungen. Beide Technologien funktionieren auch mit kohärentem und polychromatischem Licht. Zur Unterdrückung von störenden Interferenzartefakten in den Bildern ist jedoch eine inkohärente oder nur sehr schwach kohärente Lichtquelle zu bevorzugen. Da es normalerweise keinen Grund gibt, DIA Bilder in Farbe aufzunehmen, ist auch die Verwendung einer monochromatischen Lichtquelle in vielen Fällen völlig ausreichend. Monochromatisches Licht hat sogar viele Vorteile. So werden zum Beispiel Abbildungsfehler, die durch chromatische Aberration hervorgerufen werden, vermieden und der Zusammenhang zwischen dem projizierten Streuvektor q und dem tatsächlichen Streuvektor |Q| ist dann eindeutig (abgesehen von einer Winkelabhängigkeit). Im Hinblick auf eine gute Justierbarkeit des optischen Aufbaus, bei gleichzeitig hohem Auflösungsvermögen, ist eine möglichst kurze Wellenlänge, welche jedoch noch innerhalb des für das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereichs liegt, zu bevorzugen. Auch die Verwendung einer gepulsten Lichtquelle, wie für DIA üblich, stellt für DDM kein Problem dar bzw. ist sogar ein Vorteil, da auch bei DDM nur Momentaufnahmen gemacht werden brauchen.
[00107] Eine weitere Verbesserung hinsichtlich der Qualität der aufgenommenen Bilder erreicht man bei der DIA durch das Verwenden einer kollimierten Beleuchtung. Die Strahlformungsoptik 700 richtet also die von der elektromagnetischen Strahlungsquelle 102 kommenden Lichtstrahlen parallel zur optischen Achse 702 aus. Diese Art der Beleuchtung ist auch für DDM von Vorteil. Da es keine schräg auf das Objekt treffenden Lichtstrahlen mehr gibt, ist der Zusammenhang zwischen dem projizierten Streuvektor q und dem tatsächlichen Streuvektor |Q| eindeutig (abgesehen von einer Wellenlängenabhängigkeit).
[00108] Unterschiede hinsichtlich der Anforderungen des Aufbaus von DIA und DDM Geräten gibt es vor allem in der Abbildungsoptik 118. Da es sich bei DIA um ein Verfahren handelt, bei dem Partikel anhand der Bilder direkt vermessen werden, sollen perspektivische Verfälschungen, wie sie bei konventionellen entozentrischen (und auch perizentrischen) Optiken auftreten, möglichst vermieden werden. Partikel sollen also unabhängig von ihrem Abstand zur Abbildungsoptik 118 gleich groß erscheinen. Obwohl DIA auch mit herkömmlichen Optiken möglich ist, werden deshalb oft sogenannte telezentrische Optiken für die Abbildung der Partikel auf den Detektor verwendet. Genau diese telezentrischen Optiken haben aber oft eine geringe numerische Apertur NA (besonders wenn es sich um eine bi-telezentrische Abbildung handelt), was für DDM eine Einschränkung hinsichtlich des zugänglichen q- Bereichs und der Auflösung darstellt. DDM-Vergleichsmessungen mit drei verschiedenen Objektiven (40x Mikroskopobjektiv mit NA=0.6, 10x Mikroskopobjektiv mit NA = 0.25, 8x telezentrisches Objektiv mit NA=0.09) haben gezeigt, dass das 10x Mikroskopobjektiv aufgrund seiner optischen Parameter (Vergrößerung, NA und Lichtstärke) am besten geeignet ist.
[00109] Warum das so ist, kann man sich wieder mit der Zerlegung des Objekts in periodische Brechungsindexgitter 500 vorstellen. Die NA einer Optik schränkt diese hinsichtlich des Winkels ein, unter dem ein Lichtstrahl noch in die Optik eintreten kann und zur optischen Abbildung beiträgt. Figur 5 zeigt schematisch die Beugung von Licht an einem Brechungsindexgitter 500, wobei der Winkel der ersten Beugungsordnung von der Wellenlänge des einfallenden Lichts und der Gitterkonstante g abhängt. Da jedes Gitter das einfallende Licht, je nach Gitterkonstante, zu einem bestimmten Winkel Θ streut (siehe Figur 5; es wird hier nur die erste Beugungsordnung betrachtet), stellt die NA auch eine Einschränkung in den noch aufnehmbaren Gittervektoren g und somit wegen q = 2^/g auch in den projizierten Streuvektoren q dar. Will man mittels DDM also einen möglichst großen Streuvektorbereich abdecken, empfiehlt sich die Verwendung einer Abbildungsoptik mit hoher numerischer Apertur.
[00110] Wodurch ist nun aber der in Figur 3 gezeigte q-Bereich und dessen Auflösung bei einer typischen DDM Messung noch bestimmt? Um das klären zu können, hat die Vergrößerung M (mit M>1 für eine vergrößernde Abbildung und M<1 für eine verkleinernde Abbildung) der Abbildungsoptik, die Größe des Pixel Array-Detektors (Annahme: quadratisch mit m Pixel Seitenlänge) und die Größe der sich darauf befindenden Pixel (quadratisch mit Kantenlänge Sp) bekannt zu sein. Unter der Annahme, dass die Abbildungsoptik auf den Pixel Array-Detektor abgestimmt ist, dieser also von der Optik über die gesamte Diagonale ausgeleuchtet wird, ergibt sich das objektseitige Gesichtsfeld F, welches durch die Abbildungsoptik noch auf den Detektor abgebildet werden kann, zu:
Da der q-Vektor durch q=2^/g gegeben ist, und das kleinst mögliche Gitter im Bild eine Gitterkonstante von zwei Pixel aufweisen muss, ist qmax durch
gegeben. Für Figur 3 ergibt das bei einer Pixel-Kantenlänge von 14pm: qmax = 2.24μητΓτ. Nun ist das qmax in Figur 3 aber etwas größer als 3. Die Diskrepanz kommt aus der Diagonale des Fourier-Transformierten Bildes, die ja um den Faktor V2 größer ist als die Breite bzw. Flöhe. Dadurch ergibt sich der richtige Wert:
Messdaten zu q-Werten die größer sind als qmax
sollten jedoch nicht für die Auswertung verwendet werden, da sie keine brauchbare Information über das Bild enthalten. Der kleinstmögliche q-Wert ergibt sich jetzt zu: 2.8e-3pm"1 bei einer Bildbreite von m = 800 Pixel.
[00111] Aus den bisherigen Betrachtungen kann Folgendes geschlussfolgert werden: [00112] Der nutzbare q-Vektorbereich ist im Rahmen der hier beschriebenen Theorie nach oben durch die NA des Objektivs beschränkt. D.h. der Streuvektor kann maximal so groß sein, dass die erste Beugungsordnung des zugehörigen Gitters noch von der Optik aufgenommen werden kann.
[00113]
(N... Beugungsordnung) [00114] Der nutzbare q-Vektorbereich ist im Rahmen der hier beschriebenen Theorie nach oben auch durch die Vergrößerung der Abbildungsoptik und die Pixelgröße des verwendeten Detektors beschränkt
[00115] Der letzte Punkt zeigt also, dass eine Optik mit stärkerer Vergrößerung einen größeren q-Bereich zugänglich macht. Zu berücksichtigen ist hier allerdings auch, dass die verwendete
Optik die effektive Pixelgröße
auch auflösen beziehungsweise solche kleine Struktu ren auch mit ausreichendem Kontrast übertragen kann. Das kann aus der Modulationstransferfunktion der Optik abgelesen werden.
[00116] Für das Beispiel aus Figur 3 mit NA=0.25 und A=430nm würde Restriktion 1 ein qoberes-limit = 3.653μηΤ1 liefern und Restriktion 2 ein qmax = 2.244pm'1. Die NA der Optik wäre in diesem Fall also nicht die Beschränkung, da der q-Bereich durch die gewählte Vergrößerung und die Größe der Detektorpixel bereits stärker eingeschränkt ist. Es gilt jedoch zu bedenken, dass ein großer q-Bereich nicht immer vorteilhaft ist, da nicht bei allen q-Werten brauchbare Daten gemessen werden. Die Optik und der Detektor sollten also so ausgewählt werden, dass möglichst nur ein q-Bereich aufgenommen wird, in dem die Messdaten auch brauchbar sind. Figur 6 zeigt hierfür ein Beispiel. Figur 6 zeigt eine Image Structure Function für ein 500 nm großes PS-Latexpartikel in Wasser, aufgenommen mit einem konventionellen 40xMikroskopobjektiv mit einer numerischen Apertur von 0.6, erhalten mittels Differenzieller Dynamischer Mikroskopie.
[00117] Der aufgenommene q-Bereich ist durch das stark vergrößernde Objektiv zwar groß, brauchbare Messdaten liegen jedoch nur für einen kleinen q-Bereich vor (für diese Messung ist qmax = 8.98pm'1).
[00118] Zu der Messmethode DDM sollen im Weiteren zusätzliche Überlegungen beschrieben werden: [00119] Kleinere Partikel bewegen sich verglichen mit größeren schneller, führen in den DDM Differenzbildern also zu einem deutlicheren Differenzsignal. Die mittlere Strecke s, um die sich ein Teilchen nach einer bestimmten Zeit τ vom Ausgangspunkt wegbewegt hat, kann als Wurzel aus der mittleren quadratischen Verschiebung (mean square displacement, MSD) ausgedrückt werden: [00120]
Um also größere Partikel mit DDM noch messen zu können, sollten sehr kleine Verschiebungen gemessen werden.
[00121] Sieht man sich in Figur 3 Schnitte entlang der dt-Achse an (diese Kurven sind proportional zur Intensitätskorrelationsfunktion), so bemerkt man, dass diese Kurven für gewisse q-Werte bei großen Differenzzeiten dt (dt entspricht der oben angesprochenen Differenzzeit Ät, die zwischen zwei subtrahierten Bildern vergangen ist) in ein Plateau übergehen. Dieses Plateau bedeutet, dass jegliche Korrelation zwischen den für das Differenzbild verwendeten Einzelbildern verloren gegangen ist. Erst wenn die Kurven in ein Plateau übergehen, kann aus ihnen auch die charakteristische Abklingzeit x und in weiterer Folge die Partikelgröße berechnet werden. Die q-Abhängigkeit der Abklingzeit ist aus der Dynamischen Lichtstreuung bekannt und durch: τ = 1/(Dmq2) gegeben, mit Dm dem Massendiffusionskoeffizienten der Partikel. Es ist also auch darauf zu achten, dass die Messdauer, und somit auch die maximale für die Differenzbilder zur Verfügung stehende Verzögerungszeit Ät, an die Partikelgröße angepasst wird (für größere Partikel sollte länger gemessen werden).
[00122] Partikel im Rayleigh Limit stellen sogenannte Phasenobjekte dar, streuen verglichen mit größeren also weniger in Vorwärtsrichtung. Mit abnehmender Partikelgröße nimmt der Einfluss der Partikel auf die Differenzbildern ab und wird irgendwann so gering, dass er im Detektorrauschen untergeht und somit nicht mehr ausgewertet werden kann. Die Amplitude der Image Structure Function D(q,Ät) ist für kleine q-Werte proportional zu q4.
[00123] Figur 8 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Ermitteln von für eine Partikelgröße von Partikeln in einer Probe 130 indikativer Information gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei ein liegender Probenbehälter 126 bzw. eine liegende Messzelle zum Unterdrücken von störenden Einflüssen, wie zum Beispiel Partikelsedimentation oder das Ausbilden temperaturinduzierter Strömungen in der Messzelle, vorgesehen ist. Die liegende Orientierung des Probenbehälters 126 wird durch eine Anordnung von Umlenkspiegeln 800 ermöglicht.
[00124] Da die Partikel für eine Größenbestimmung mit DDM nur der Brownschen Molekularbewegung unterworfen sein dürfen, kann es für große Partikel von Vorteil sein, die Messzelle bzw. den Probenbehälter 126 zum Beispiel, so wie in Figur 8 gezeigt, liegend auszuführen. Der Einfluss der Sedimentation und auch die Erzeugung von unterwünschten Strömungen durch Temperaturgradienten (wie sie zum Beispiel durch einen Laser hervorgerufen werden können) wird so verringert.
[00125] Im Weiteren werden Überlegungen zu einer DDM Messung in und von laminaren Strömungen erläutert.
[00126] Ist der Diffusionsbewegung eine gerichtete laminare Strömung überlagert, so ist auch dann noch eine Partikelgrößenbestimmung mittels DDM möglich. Die Rotationssymmetrie der
Fourier-transformierten Differenzbilder AI(q,At) ist allerdings gebrochen, und ein Aufintegrieren über den Azimut-Winkel daher nicht mehr erlaubt. Nur Daten, die von einer Bewegung senkrecht zum laminaren Fluss herrühren, sollen auch für die DDM Auswertung verwendet werden. Ein Großteil der aufgenommen Messdaten kann somit nicht für die Auswertung verwendet werden, und das Signal zu Rausch Verhältnis ist dementsprechend schlechter bzw. es sollten dann mehr Messdaten aufgenommen werden.
[00127] DDM kann aber nicht nur dazu verwendet werden, die Partikelgröße zu bestimmen, sondern auch um zum Beispiel die Strömungsgeschwindigkeit einer Suspension zu messen. Die der Brownschen Bewegung überlagerte Strömung führt zu einem Streifenmuster in der Image Structure Function, welches hinsichtlich des Streifenabstandes ausgewertet und so die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden kann. Da die Ursache, welche die Strömung hervorruft, nicht ausschlaggebend für die Strömungsmessung ist, kann zum Beispiel auch die elektrophoretische Mobilität mit dieser Methode gemessen werden. Aus der elektrophoretischen Mobilität von Partikeln kann dann auch das Zetapotential der Partikel berechnet werden. Mit DDM ist es also möglich, sowohl Partikelgröße als auch Zetapotential zu messen.
[00128] Üblicherweise werden für die DIA mehrere telezentrische Objektive verwendet, damit ein ausreichend großer Messbereich abgedeckt werden kann. Kleine Partikel sollten vergrößert werden (typischerweise 10-15x), um auf dem Pixel-Array Detektor noch erkennbar zu sein, wohingegen sehr große Partikel eventuell sogar verkleinert abgebildet werden müssen (typischerweise Faktor zwei). Um ein reproduzierbares Wechseln zwischen verschiedenen Optiken möglichst komfortabel zu gestalten, kann zum Beispiel ein Optikrevolver an die Stelle der in Figur 7 und Figur 8 gezeigten Abbildungsoptik 118 gesetzt werden. Dabei kann das Wechseln der verschiedenen Optiken manuell oder automatisch durchgeführt werden.
[00129] Wie bereits erwähnt, kann es für DDM ein Vorteil sein, keine telezentrische Optik, sondern ein herkömmliches Mikroskop Objektiv mit hoher NA zu verwenden. Dieses kann dann ebenfalls in den Optikrevolver miteingebaut werden.
[00130] Figur 9 zeigt eine schematische Prinzipanordnung einer Vorrichtung 100 zum Ermitteln von für eine Partikelgröße von Partikeln in einer Probe indikativer Information gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
[00131] Ergänzend zu Figur 7 und Figur 8 sind für den Betrieb des Kombinationsgeräts auch noch eine Anzeigeeinheit 180, sowie eine Vorkehrung zur Probendispergierung und zum Abführen von Probenabfall vorteilhaft. Für die Probenvorbereitung und Entsorgung können somit optional eine Probendispergiereinheit 900 und eine Probenabfalleinheit 902 in die Vorrichtung 100 eingebunden werden.
[00132] Figur 10 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Ermitteln eines Zeta-Potenzials bzw. eines elektrischen Ladungszustands von Partikeln einer Probe 130 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
[00133] Die Vorrichtung 100 gemäß Figur 10 unterscheidet sich von der Vorrichtung gemäß Figur 7 im Wesentlichen dadurch, dass eine elektrische Felderzeugungseinrichtung 116 zum Erzeugen eines elektrischen Felds in der Probe 130 vorgesehen ist, und dass die Ermittlungseinrichtung 106 zum Ermitteln des Zetapotenzials der Partikel in der Probe 130 ausschließlich mittels Differenzieller Dynamischer Mikroskopie (DDM) ausgebildet ist. Die Ermittlungseinrichtung 106 ist dagegen nicht notwendigerweise ausgebildet, die von dem elektromagnetischen Strahlungsdetektor erfassten Detektordaten mittels Dynamischer Bildanalyse auszuwerten. Für die übrigen Komponenten wird auch auf die sonstige Beschreibung im Rahmen dieser Patentanmeldung verwiesen.
[00134] Die Vorrichtung 100 gemäß Figur 10 weist eine elektromagnetische Strahlungsquelle 102 zum Erzeugen von elektromagnetischer Primärstrahlung 108 auf. Die Vorrichtung 100 enthält ferner die elektrische Felderzeugungseinrichtung 116 zum Erzeugen eines elektrischen Felds in der Probe 130. Ein elektromagnetischer Strahlungsdetektor 104 dient zum Detektieren von elektromagnetischer Sekundärstrahlung 110, die durch Wechselwirkung der elektromagnetischen Primärstrahlung 108 mit der Probe in dem elektrischen Feld erzeugt wird. Die Ermittlungseinrichtung 106 ist zum Ermitteln des Zetapotentials basierend auf der detektierten elektromagnetischen Sekundärstrahlung 110 eingerichtet. Genauer gesagt ist die Ermittlungseinrichtung 106 ausgebildet, das Zetapotential aus zeitlichen Veränderungen zwischen aus der elektromagnetischen Sekundärstrahlung 110 generierten Detektorbildern zu unterschiedlichen Detektionszeitpunkten zu ermitteln, d.h. mittels Differentieller Dynamischer Mikroskopie.
[00135] Figur 11 zeigt eine Figur 10 zugehörige schematische Prinzipanordnung einer Vorrichtung 100 zum Ermitteln eines Zeta-Potenzials der Partikel gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Felderzeugungseinrichtung 116. Hinsichtlich der zusätzlichen Komponenten wird auf die obige Beschreibung von Figur 9 verwiesen.
[00136] Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „aufweisend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine" oder „ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
Claims (25)
- Patentansprüche1. Vorrichtung (100) zum Ermitteln einer Partikelgröße und/oder Partikelform von Partikeln in einer Probe, wobei die Vorrichtung (100) aufweist: eine elektromagnetische Strahlungsquelle (102) zum Erzeugen von elektromagnetischer Primärstrahlung (108); einen elektromagnetischen Strahlungsdetektor (104) zum Detektieren von elektromagnetischer Sekundärstrahlung (110), die durch Wechselwirkung der elektromagnetischen Primärstrahlung (108) mit der Probe erzeugt wird; und eine Ermittlungseinrichtung (106), die zum Ermitteln der Partikelgröße und/oder Partikelform basierend auf der detektierten elektromagnetischen Sekundärstrahlung (110) eingerichtet ist; wobei die Ermittlungseinrichtung (106) ausgebildet ist, die Partikelgröße und/oder Partikelform selektiv erstens (112) mittels einer Identifizierung und Größenbestimmung und/oder Formbestimmung der Partikel auf einem aus der elektromagnetischen Sekundärstrahlung (110) generierten Detektorbild zu ermitteln, und/oder die Partikelgröße zweitens (114) aus zeitlichen Veränderungen der elektromagnetischen Sekundärstrahlung (110) zwischen zu unterschiedlichen Detektionszeitpunkten generierten Detektorbildern zu ermitteln.
- 2. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Ermittlungseinrichtung (106) ausgebildet ist, die Partikelgröße und/oder Partikelform aus dem aus der elektromagnetischen Sekundärstrahlung (110) generierten Detektorbild mittels Dynamischer Bildanalyse zu ermitteln.
- 3. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Ermittlungseinrichtung (106) ausgebildet ist, die Partikelgröße aus den zeitlichen Veränderungen zwischen den Detektorbildern mittels Differenzieller Dynamischer Mikroskopie zu ermitteln.
- 4. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Ermittlungseinrichtung (106) ausgebildet ist, sowohl die erste (112) als auch die zweite (114) Ermittlung der Partikel große und/oder Partikelform für zumindest einen vorgebbaren Teilbereich von Partikelgrößen, insbesondere in einem Bereich zwischen 100 nm und 20 pm, weiter insbesondere in einem Bereich zwischen 500 nm und 10 pm, durchzuführen.
- 5. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 4, wobei die Ermittlungseinrichtung (106) ausgebildet ist, die Partikelgröße und/oder Partikelform für Teilchengrößen oberhalb des vorgebbaren Teilbereichs von Partikelgrößen nur mittels der ersten Ermittlung (112) durchzuführen und/oder die Partikelgröße für Teilchengrößen unterhalb des vorgebbaren Teilbereichs von Partikelgrößen nur mittels der zweiten Ermittlung (114) durchzuführen.
- 6. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Ermittlungseinrichtung (106) ausgebildet ist, für die erste (112) und die zweite (114) Ermittlung der Partikelgröße und/oder Partikelform dieselbe elektromagnetische Strahlungsquelle (102) und/oder denselben elektromagnetischen Strahlungsdetektor (104) zu verwenden.
- 7. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Ermittlungseinrichtung (106) ausgebildet ist, für die erste (112) und die zweite (114) Ermittlung der Partikelgröße und/oder Partikelform zumindest zum Teil dieselben von dem elektromagnetischen Strahlungsdetektor (104) detektierten Detektordaten zu verwenden.
- 8. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Ermittlungseinrichtung (106) ausgebildet ist, eine Differenz zwischen gemäß der ersten Ermittlung (112) ermittelter Partikelgrößen und gemäß der zweiten Ermittlung (114) ermittelter Partikelgrößen zu berechnen und auszugeben.
- 9. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Ermittlungseinrichtung (106) ausgebildet ist, oberhalb eines ersten vorgegebenen Größenschwellwerts die Partikelgröße ausschließlich gemäß der ersten Ermittlung (112) durchzuführen und unterhalb eines zweiten vorgegebenen Größenschwellwerts die Partikelgröße ausschließlich gemäß der zweiten Ermittlung (114) durchzuführen, wobei der erste Größenschwellwert größer als oder gleich wie der zweite Größenschwellwert ist.
- 10. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Ermittlungseinrichtung (106) ausgebildet ist, unterhalb eines ersten vorgegebenen Konzentrationsschwellwerts der Probe die Partikelgröße ausschließlich gemäß der ersten Ermittlung (112) durchzuführen und oberhalb eines zweiten vorgegebenen Konzentrationsschwellwerts der Probe die Partikelgröße ausschließlich gemäß der zweiten Ermittlung (114) durchzuführen, wobei der erste Konzentrationsschwellwert kleiner als oder gleich wie der zweite Konzentrationsschwellwert ist.
- 11. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Ermittlungseinrichtung (106) ausgebildet ist, aus der ersten (112) und der zweiten (114) Ermittlung der Partikelgrößen eine Viskosität der Probe zu ermitteln.
- 12. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, aufweisend eine elektrische Felderzeugungseinrichtung (116) zum Erzeugen eines elektrischen Felds in der Probe; wobei die Ermittlungseinrichtung (106) zum Ermitteln des Zetapotentials von Partikeln in der Probe basierend auf der bei Anwesenheit des elektrischen Felds in der Probe detek-tierten elektromagnetischen Sekundärstrahlung (110) eingerichtet ist.
- 13. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 12, wobei die Ermittlungseinrichtung (106) ausgebildet ist, mittels Differenzieller Dynamischer Mikroskopie das Zetapotential aus zeitlichen Veränderungen zwischen aus der elektromagnetischen Sekundärstrahlung (110) generierten Detektorbildern zu unterschiedlichen Detektionszeitpunkten zu ermitteln.
- 14. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die elektromagnetische Strahlungsquelle (102) zum gepulsten Emittieren der elektromagnetischen Primärstrahlung (108) ausgebildet ist.
- 15. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, aufweisend eine Primärstrahlformungsoptik (700) zwischen der elektromagnetischen Strahlungsquelle (102) und der Probe, wobei die Primärstrahlformungsoptik (700) eingerichtet ist, die elektromagnetische Primärstrahlung (108) parallel zu einer optischen Achse (702) zu kollimieren.
- 16. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, aufweisend eine Abbildungsoptik (118) zwischen der Probe und dem elektromagnetischen Strahlungsdetektor (104), wobei die Abbildungsoptik (118) eingerichtet ist, die elektromagnetische Sekundärstrahlung (110) auf den elektromagnetischen Strahlungsdetektor (104) abzubilden.
- 17. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 16, aufweisend einen Verstellmechanismus (120), der zum insbesondere manuellen oder automatischen Verstellen der Abbildungsoptik (118) zwischen unterschiedlichen Optikkonfigurationen zum Aufnehmen von Detektordaten zur ersten Ermittlung (112) der Partikelgröße und/oder Partikelform und zum Aufnehmen von Detektordaten zur zweiten Ermittlung (114) der Partikelgröße eingerichtet ist.
- 18. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 17, wobei der Verstellmechanismus (120) ein Revolvermechanismus ist.
- 19. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 17 oder 18, wobei der Verstellmechanismus (120) eingerichtet ist, für die erste Ermittlung (112) eine erste Abbildungsoptik (124) einzustellen, die eine kleinere numerische Apertur hat als eine zweite Abbildungsoptik (122) für die zweite Ermittlung (114).
- 20. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 19, wobei die erste Abbildungsoptik (124) eine tele-zentrische Optik aufweist oder daraus besteht.
- 21. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 19 oder 20, wobei die zweite Abbildungsoptik (122) ein Mikroskop-Objektiv aufweist oder daraus besteht.
- 22. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21, aufweisend einen die Probe aufnehmenden Probenbehälter (126), der liegend angeordnet ist.
- 23. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei die Ermittlungseinrichtung (106) zum Ermitteln einer Partikelgrößenverteilung ausgebildet ist.
- 24. Verfahren zum Ermitteln einer Partikelgröße und/oder Partikelform von Partikeln in einer Probe, wobei das Verfahren aufweist: Erzeugen von elektromagnetischer Primärstrahlung (108); Detektieren von elektromagnetischer Sekundärstrahlung (110), die durch Wechselwirkung der elektromagnetischen Primärstrahlung (108) mit der Probe erzeugt wird; und Ermitteln der Partikelgröße und/oder Partikelform basierend auf der detektierten elektromagnetischen Sekundärstrahlung (110); wobei die Partikelgröße und/oder Partikelform selektiv erstens (112) mittels einer Identifizierung und Größenbestimmung und/oder Formbestimmung der Partikel auf einem aus der elektromagnetischen Sekundärstrahlung (110) generierten Detektorbild ermittelt wird, und/oder die Partikelgröße zweitens (114) aus zeitlichen Veränderungen der elektromagnetischen Sekundärstrahlung (110) zwischen zu unterschiedlichen Detektionszeitpunkten generierten Detektorbildern ermittelt wird.
- 25. Speichermedium, insbesondere computerlesbares Speichermedium, in dem ein Programm zum Ermitteln einer Partikelgröße und/oder Partikelform von Partikeln in einer Probe gespeichert ist, welches Programm, wenn es von einem Prozessor (106) ausgeführt wird, das Verfahren nach Anspruch 24 ausführt oder steuert. Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
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