DE10119461C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Heraustrennen von Analysematerial aus einem Holzbohrkern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Heraustrennen von Analysematerial aus einem Holzbohrkern, insbesondere zur Aufbereitung für feinanalytische Untersuchungen.

Bei verschiedenen wissenschaftlichen Untersuchungen ist es notwendig, aus dem Probenmaterial Segmente einer definierten Größe an einer bestimmten Position des Probenmaterials präzise herauszutrennen. Beispielsweise können in der Dendroökologie oder Paläontologie die Isotopenverhältnisse verschiedener Elemente (Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Schwefel) an Gehölzen untersucht werden, um eine Aussage über klimatische Verhältnisse und andere Umweltfaktoren zur Zeit des Wachstums des betreffenden Gehölzes zu treffen. Dazu müssen jahrganggenau dünne Segmente aus dem Probenmaterial herausgetrennt werden, ohne dass das Analysematerial durch den Schnitt verunreinigt oder an den Schnittflächen chemisch verändert wird, was z. B. bei einem Trennen mit einem Laser geschehen würde. Aufgrund bisher fehlender technischer Möglichkeiten können jedoch solche gering dimensionierten Proben nur mit unzureichender Genauigkeit aufgearbeitet werden. Besonders bei spröden Materialien, z. B. rezentem oder subfosillem Holz, sind bekannte Werkzeuge wie Sägen, Fräser, Rasierklingen und Mikrotome nur bedingt einsetzbar. Außerdem lassen sich die genauen Grenzen einzelner Teilproben (z. B. Jahrringgrenzen) bei verschiedenen Holzarten nicht eindeutig genug feststellen. Bei jahrgenauen Messreihen setzt auch der hohe Materialverlust der herkömmlichen Trennverfahren den analytischen Untersuchungen enge Grenzen, da die benötigten Jahrgangs-Segmente kleiner als 0,5 mm sein können.

Man hilft sich bisher mit der Aufnahme von Röntgenabsorptionsspektren, bei der kleine Späne des Holzes röntgenologisch untersucht werden, womit man eine Aussage über die Dichtestruktur des Holzes treffen kann. Die Untersuchung erfordert einen hohen technischen und finanziellen Aufwand sowie entsprechend geschützte Räume.

Aus der DE 42 18 971 A1 ist ein Verfahren für die optische Prüfung von Schnittholz mittel Videokameras bekannt, nach dem die Abmaße und Oberflächenstrukturen eines Prüflings mit Normwerten eines Holzprüfkörpers verglichen werden. Das Verfahren ist bezüglich einer Positionsbestimmung nicht anwendbar, da lediglich ein Bildvergleich und keine Bildanalyse vorgenommen wird.

Aus der US 3,807,604 ist eine Vorrichtung bekannt, mit der von biologischen Proben feine Schnitte abgetrennt werden können. Das Material wird zu diesem Zweck in einem Gel eingefroren. Das Gel befindet sich in einer Röhre, aus der es vorgeschoben und mittels eines feststehendes Messers abgetrennt werden kann. Die Art der Fixierung des Probenmaterials und des Abtrennen von Analysematerial ist für Holzbohrkerne nicht geeignet.

Eine ähnliche Einrichtung ist aus der US 5,587,062 bekannt. Über einen Musterdetektor erfolgt die visuelle Auswahl von Gelteilen aus einem DNA-Präparat. Das Abtrennen von Analysematerial erfolgt mit einem rohrförmigen Werkzeug, das nur für gelartige Präparate geeignet ist (Stechzylinder).

Eine weitere derartige Probenaufnahmevorrichtung zeigt die DE 198 15 400 A1.

Ähnliche visuell gesteuerte Positionierungseinrichtungen wie in der US 5,587,062 zeigen die WO 99/15 875 A1, die WO 99/28 725 und die WO 00/57 153. Die Entnahme des Analysematerials erfolgt wiederum punktuell über Stechzylinder.

Nach der DE 695 10 925 T2 wird Zellmaterial mit einer Nadel, an deren Spitze sich Klebstoff befindet, aus einem Zellverband herausgerissen. Das Verfahren wäre im vorliegenden Fall schon wegen der Kontamination des Analysematerials mit Klebstoff nicht verwendbar.

Nach einem Verfahren nach der DE 42 23 483 A1 werden tiefgefrorene Gewebeteile horizontal von einem Untersuchungsgegenstand abgefräst. Auf diese Weise lassen sich nur Schichten von einer Probe abtragen, jedoch kein Analysematerial gewinnen.

Aus der DE 196 54 522 A1 ist ein Verfahren zum Entfernen von Proben aus einer Messsonde bekannt. Die notwendige Präzision eines Trennschnittes im Nanobereich kann mit dem Verfahren nicht gewährleistet werden.

Nach der DE 196 03 996 A1 und der DE 196 16 216 A1 wird ein Laser zur Entnahme von Analysematerial verwendet, was bei Holzbohrkernen zu thermisch bedingten Verunreinigungen führen würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine danach arbeitende Vorrichtung anzugeben, mit denen sich Analysematerial geringer Dimensionen präzise und ohne Materialbeeinträchtigung aus Holzbohrkernen heraustrennen lässt, damit moderne wissenschaftliche, wie z. B. isotopenchemische Analysemethoden, optimal für feinanalytische, beispielsweise dendroökologische oder paläontologische Untersuchungen, genutzt werden können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren oder eine Vorrichtung mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 4. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Danach erfolgt das Heraustrennen mit den folgenden Schritten:

• - der Holzbohrkern wird auf einen Spanntisch aufgespannt, wobei das zu isolierende Analysematerial der Ausgangsprobe an einem auf dem Spanntisch montierten Kälteelement zusätzlich durch Auffrieren fixiert wird,
• - der Holzbohrkern wird von einer Video-Kamera nach mikroskopischer Vergrößerung abgebildet, wobei das Bild gespeichert und von einer bildverarbeitenden, grauwerterkennenden Software hinsichtlich der Strukturgrenzen des Holzbohrkerns analysiert wird
• - nach Eingrenzung des zu isolierenden Analysematerials der Ausgangsprobe wird dieses durch eine gekühlte Trennscheibe herausgetrennt, die von einem mit der bildgebenden Software zusammenwirkenden Steuerprogramm gesteuert wird.

Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung ist so aufgebaut, dass

• - auf einem Spanntisch eine Spanneinrichtung zum Spannen des Holzbohrkerns angeordnet ist,
• - auf dem Spanntisch ein Kälteelement so montiert ist, dass das zu isolierende Analysematerial der Ausgangsprobe beim Spannen an einer Berührungsfläche des Kälteelements anliegt,
• - über dem Spanntisch eine hochauflösende, auf den Holzbohrkern gerichtete Video-Kamera angeordnet ist,
• - an einer Rahmenhalterung eine gekühlte Trennscheibe befestigt ist, die mittel Antrieben beweglich ist,
• - die Video-Kamera mit einem Rechner mit bildverarbeitender, grauwerterkennender, ihrerseits mit einem Steuerprogramm zusammenwirkender Software verbunden ist, über die Antriebe des Spanntisches und der gekühlten Trennscheibe selbsttätig steuerbar sind.

Die Softwarekomponente besteht aus einem Bildverarbeitungsprogramm und einem CAM-Steuerprogramm.

Die bildgebende Einheit der Einrichtung besteht aus einer hochauflösenden Videokamera, welche sich über dem beweglichen Spanntisch (scanntable) mit einer Einrichtung zur Materialaufnahme, befindet. Die Videokamera ist ihrerseits mit einer bildverarbeitenden Software verbunden. Diese dient sowohl der Vorschubsteuerung des Spanntisches entsprechend der gewählten Vergrößerung durch die Videokamera als auch dem Einstellen der Schnittkoordinaten.

Es wird ein modernes Bildverarbeitungsprogramm eingesetzt, das über leistungsfähige Analysefunktionen verfügt (z. B. Grauwertmorphologie), welche eine relativ genaue Abgrenzung von ansonsten unzureichend oder gar nicht erkennbaren Strukturgrenzen, z. B. der Jahrringe und z. T. auch der Holzstrukturen, im Bereich von 1/10 mm erlauben.

Das Trennwerkzeug besteht aus einer speziellen, gekühlten Trennscheibe. Die Kühlung der Trennscheibe erfolgt durch die Zuleitung von flüssigem Stickstoff. Das Trennwerkzeug ist ebenfalls fest mit dem Spanntisch verbunden und wird durch das in das Bildverarbeitungsprogramm integrierte CAM-Steuerprogramm gesteuert. Die realen Distanzen zur Steuerung des Trennwerkzeuges werden aus dem jeweiligen Vergrößerungsmaßstab der Videokamera durch manuelle Kalibrierung ermittelt.

Die zu trennenden Bohrkerne werden in der Spannvorrichtung fixiert. Die innere Abmessung der Spannvorrichtung sollte dabei etwas größer als der Außendurchmesser der Trennscheibe sein, um eine variable Schnittführung des Trennwerkzeuges zu gewährleisten. Den vorderen Abschluss der Spannvorrichtung bildet ein abnehmbar montierter Kälteblock. Auf diesen Kälteblock wird der jeweils zu isolierende Teil der Ausgangsprobe aufgefroren, so dass sehr kleine Proben ohne mechanische Beeinträchtigungen herausgeschnitten werden können.

Im Gegensatz zu bisher bekannten Verfahren zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren durch einen geringeren methodisch- technischen Aufwand und ein deutlich besseres Kosten-Nutzen- Verhältnis aus. Ferner ist es flexibel anwendbar und frei von gesundheitsschädigenden Emissionen.

Das Verfahren und die verwendete Vorrichtung soll nachstehend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in schematischer Darstellung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der bildgebenden Komponente der Vorrichtung und

Fig. 3 ein dynamisches Funktionsschema der Vorrichtung.

Wie Fig. 1 zeigt, wird ein Bohrkern 1 zwischen Spannbacken 2, welche als Teil einer Spanneinrichtung 3 auf einem Spanntisch 4 montiert sind, bündig mit einem an seiner Stirnseite befindlichen Kälteelement 5, aufgespannt. Durch die extrem niedrige Temperatur (-70°C) wird der Bohrkern 1 an dem Kälteelement 5 fixiert (Auffrieren).

Der Spanntisch 4 ist mittels Laufrollen horizontal beweglich und wird durch einen elektronisch gesteuerten Antrieb 6 gesteuert. An der Stirnseite des Spanntisches 4 wird das Kälteelement 5 (elektrisch gekühlt) durch eine senkrechte Steckverbindung als Objektträger montiert. Der Bohrkern 1 liegt während des Trennvorganges direkt mit einer Stirnfläche am Kälteelement 5 an. Das Kälteelement 5 ist für die weitere Bearbeitung des abgetrennten Bohrkernabschnittes problemlos abnehmbar, so dass für einen eventuellen nächsten Trennvorgang ein weiteres Kälteelement 5 montiert werden und der nächste Schnitt erfolgen kann, während der zuerst gewonnene Bohrkernabschnitt, der noch an dem ersten Kälteelement 5 anhaftet, abtauen kann.

Die Spanneinrichtung 3 für das Untersuchungsmaterial wird an der Stirnseite des Spanntisches 4 befestigt. Sie besteht aus einer Rahmenhalterung mit mehreren halbrund geformten Spannbacken 2, welche durch Schnellspannschrauben am Untersuchungsobjekt arretiert werden können.

Zur Vorbereitung der Bildaufnahme des Bohrkernes 1 wurden zuvor vorhandene Unebenheiten auf dessen Oberfläche mit einer geeigneten Methode beseitigt.

Es folgt eine Gesamtaufnahme des Bohrkernes 1 durch die bildgebende Komponente der Vorrichtung, bestehend aus einer hochauflösenden Videokamera 7, welche sich über einem Stereomikroskop 8 mit mindestens 100facher Vergrößerung befindet, siehe Fig. 2. Der automatische Vorschub des Spanntisches 4 sowie die Steuerung der Bildsequenzen für die Einzelbildaufnahmen erfolgt selbsttätig mit Hilfe einer Image- Analyzer-Software, die in einer Workstation 9 installiert ist. Eine Lichtquelle 10 ist über dem Spanntisch 4 so angeordnet, dass alle Oberflächenstrukturen des zu untersuchenden Bohrkernes 1 ohne Interferenzen und möglichst mit vertikaler Einstrahlung ausgelichtet werden. Nach erfolgter Aufnahme der Bohrkernoberfläche beginnt die Grauwertanalyse. Durch die unterschiedlichen Holzgefäßstrukturen mit verschiedenen Zellgrößen und den damit verbundenen Holzfärbungen wird das Licht in verschiedenen Graustufen erfasst. Durch das interaktive Grauwertstatistikprogramm können nun die Zuwachszonen des Früh- bzw. Spätholzes ermittelt und die Grauwertschwellen zwischen beiden Zonen mit statistischen Verfahren bestimmt werden, so dass auch Holz, z. B. Pappelholz, mit geringen Grauwertunterschieden analysiert werden kann. Fig. 3 zeigt hierzu das dynamische Funktionsschema.

Nachdem die relevanten Abschnitte des Bohrkerns 1 markiert sind, kann mit deren Vermessung begonnen werden. Hierzu sind zwei Grundvoraussetzungen notwendig:

• - durch eine fest auf dem Spanntisch 4 montierte Entfernungsskala kann vor der Aufnahme das digitale Bild unabhängig vom Vergrößerungsmaßstab manuell auf die realen Distanzen kalibriert werden. Diese Eichung ist prinzipiell nur einmal notwendig, da beim Wechsel der Vergrößerung automatisch der Maßstab mit verändert wird.
• - das Gesamtsystem von Bildverarbeitung und Werkzeugsteuerung basiert auf einem imaginär oder real auf der Grundplatte 11 des Spanntisches 4 markierten Nullpunkt 12, welcher den Ausgangspunkt für sämtliche Distanzmessungen bzw. Bewegungsabläufe darstellt.

Die Vermessung von einzelnen Objekten ist jedoch keine notwendige Voraussetzung für deren Trennung an einer bestimmten Stelle, sondern lediglich eine ergänzende Funktion als Voraussetzung für die Bestimmungen von Dendrochronologien und den sich anschließenden dendroökologischen Untersuchungen.

Um von der Bildverarbeitung zur Bearbeitung des Bohrkernes 1 zu gelangen, wird der Image-Analyzer-Software ein CAM- Steuerprogramm als Software-Modul hinzugefügt. Durch einen einfachen Befehl (z. B. hier "trennen") können die Trennmarkierungen durch einen Mausklick an der gewünschten Stelle platziert werden. Dabei werden die realen Distanzen automatisch errechnet und entsprechend der vorgegebenen Rangfolge (1., 2., 3. . . . Schnitt) als Steuerimpulse an das Trennwerkzeug weitergeleitet. Diese Funktion wird durch die bereits erwähnten Grundvoraussetzungen (Kalibrierung auf die realen Distanzen bzw. systeminterner Nullpunkt 12) möglich.

Die Jahrringgrenzen werden durch ein Graphiktool der Image- Analyzer-Software in der Gesamtbildaufnahme markiert, beschriftet und als Basisbild für alle anschließenden Folgeaufnahmen nach den Trennschnitten am Bohrkern 1 abgespeichert. Das Gesamtbild wird im Imagesystem als Pixelrastermatrix erfasst. Diese dient nach der erfolgten Bearbeitung des Bohrkernes 1 als Erkennungs- und Positionsraster für die Folgeaufnahmen und deren Deckungsgleichheit mit dem Basisbild. Das heißt, nachdem ein Trennschnitt vollzogen wurde, kann der Bohrkern 1 erneut bündig mit der Stirnseite am Kälteelement 5 auf der Spannvorrichtung 3 fixiert und photographiert werden. Über diesem Folgebild wird das transparente Basisbild so lange verschoben, bis die jeweiligen Pixelfolgen eine eineindeutige Kongruenz aufweisen. Durch die eineindeutige Zuordnung der Pixelstrukturen der Folgeaufnahme zu jenen des Basisbildes sind sich ständig wiederholende Grauwertanalysen und Markierungen nach Trennschnitten am Bohrkern 1 hinfällig.

Das Trennwerkzeug besteht aus einer 2/100-4/100 mm starken Trennscheibe 13 (Nanotechnologie). Diese ist auf einem um jeweils 90° horizontal und vertikal schwenkbaren Führungskopf 14 gelagert, so dass horizontale und vertikale Trennschnitte aller Winkel von 0° bis 90° am Untersuchungsobjekt, hier dem Bohrkern 1, erfolgen können. Real auszuführen sind allerdings in der Regel nur leicht winklige Schnitte zur Anpassung an die eventuell von der Vertikalen abweichende Winkellage der Jahrringgrenzen. Auch das Trennwerkzeug ist auf den systeminternen Nullpunkt 12 geeicht. Der Führungskopf 14 zur Aufnahme der Trennscheibe 13 befindet sich an einer Schwenkarmkonstruktion, die parallel an der Längsseite des Spanntisches 4 auf einer Rahmenhalterung 15 befestigt ist. Der Durchmesser der Trennscheibe 13 beträgt etwa 14-20 mm. Während des Schneidevorganges wird diese mit flüssigem Stickstoff gekühlt, damit keine Wärmebeeinflussung am Untersuchungsmaterial entsteht.

Der mechanische Transport des Führungskopfes 14 für das Trennwerkzeug wird durch Schrittmotoren realisiert. Die Steuerung des Führungskopfes 14 der Trennscheibe 13 wie auch der Geschwindigkeit der Trennscheibe 13 erfolgt durch das bereits oben beschriebene CAM-Steuerprogramm.

Das Verfahren erlaubt problemlos eine Trennschnittbreite von 0,2 mm, wobei Bohrkerne bis zu einer Stärke von 5 mm getrennt werden können.

Claims (9)

1. Verfahren zum Heraustrennen von Analysematerial aus einem Holzbohrkern, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• - der Holzbohrkern wird auf einen Spanntisch aufgespannt, wobei das zu isolierende Analysematerial der Ausgangsprobe an einem auf dem Spanntisch montierten Kälteelement zusätzlich durch Auffrieren fixiert wird,
• - der Holzbohrkern wird von einer Video-Kamera nach mikroskopischer Vergrößerung abgebildet, wobei das Bild gespeichert und von einer bildverarbeitenden, grauwerterkennenden Software hinsichtlich der Strukturgrenzen des Holzbohrkerns analysiert wird,
• - nach Eingrenzung des zu isolierenden Analysematerials der Ausgangsprobe wird dieses durch eine gekühlte Trennscheibe herausgetrennt, die von einem mit der bildgebenden Software zusammenwirkenden Steuerprogramm gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bild als Pixelrastermatrix abgespeichert wird und als Erkennungs- und Positionsraster für Folgeaufnahmen von Folgeschnitten dient.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennscheibe mit flüssigem Stickstoff gekühlt wird.

4. Vorrichtung zum Heraustrennen von Analysematerial aus einem Holzbohrkern (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
auf einem Spanntisch (4) eine Spanneinrichtung (3) zum Spannen des Holzbohrkerns (1) angeordnet ist,
auf dem Spanntisch (4) ein Kälteelement (5) so montiert ist, dass das zu isolierende Analysematerial der Ausgangsprobe beim Spannen an einer Berührungsfläche des Kälteelements (5) anliegt,
über dem Spanntisch (4) eine hochauflösende, auf den Holzbohrkern (1) gerichtete Video-Kamera (7) angeordnet ist,
an einer Rahmenhalterung (15) eine gekühlte Trennscheibe (13) befestigt ist, die mittels Antrieben beweglich ist,
die Video-Kamera (7) mit einem Rechner mit bildverarbeitender, grauwerterkennender, ihrerseits mit einem Steuerprogramm zusammenwirkender Software verbunden ist, über die Antriebe (6) des Spanntisches (4) und der gekühlten Trennscheibe (13) selbsttätig steuerbar sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kälteelement (5) elektrisch gekühlt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kälteelement (5) abnehmbar am Spanntisch (4) befestigt ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Spanntisch (4) real oder virtuell ein systeminterner Nullpunkt (12) markiert ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennscheibe (13) an einer horizontal und vertikal schwenkbaren Führung (14) gelagert ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennscheibe (13) eine Einrichtung zur Kühlung mit flüssigem Stickstoff aufweist.