DE102008007743B3

DE102008007743B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung der Partikelverteilung in Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE102008007743B3
Application number: DE200810007743
Authority: DE
Inventors: Hanno Dr. Wachernig; Bernd Mielke
Original assignee: PARTICLE METRIX GmbH
Current assignee: PARTICLE METRIX GmbH
Priority date: 2008-02-05
Filing date: 2008-02-05
Publication date: 2009-05-14
Anticipated expiration: 2028-02-06

Abstract

Vorrichtung zur optischen Erfassung von Partikeln (13) einer Suspension in einer Küvette (1), mit den folgenden Merkmalen:
a) die Küvette (1) ist über eine Lagerung (5) definiert positioniert,
b) die Küvette (1) wird über eine optische Bestrahlungseinrichtung bestrahlt und im rechten Winkel zur optischen Achse der Bestrahlungseinrichtung von einer Beobachtungseinrichtung beobachtet,
c) der Fokus der Bestrahlungseinrichtung und der Fokus der Beobachtungseinrichtung sind motorisch über den räumlichen Innenbereich der Küvette in einen beliebigen Punkt durch eine Steuerungsvorrichtung verfahrbar,
d) eine Annäherung der Position des Fokus der Bestrahlungseinrichtung an die Position des Fokus der Beobachtungseinrichtung zum Zweck der Scharfstellung in einem Punkt wird in einer Detektionsvorrichtung überwacht und/oder an einem Bildschirm dargestellt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Erfassung von Partikeln in einer Flüssigkeit.
Suspensionen und Emulsionen als disperse Stoffsysteme sind häufig vorkommende Formen von Partikeln in Flüssigkeiten. Die Anwendungen reichen von der Druckertinte über kosmetische Emulsionen bis hin zu pharmazeutischen Verabreichungen. Disperse Systeme sind bekanntermaßen den thermodynamisch instabilen Systemen zuzuordnen. Die Zeitdauer, in der solche Dispersionen stabil bleiben, ist für die Anwendbarkeit von wesentlicher Bedeutung. Eine sehr oft zu beobachtende Instabilität entsteht durch Koagulation von Teilchen, die zu irreversiblem Partikelgrößenwachstum bzw. zu völliger Trennung zwischen flüssiger Phase und Partikelphase führen kann. Zur Verhinderung der Koagulation dienen mehrere Vorkehrungen. Eine davon ist die elektrostatische Stabilisierung. Dabei macht man sich zunutze, dass die Annäherung gleichsinnig geladener Teilchen durch deren elektrostatische Abstoßung erschwert wird. Die Abstoßung ist umso effizienter, je höher die ionische Ladung der Teilchen auf ihrer Grenzfläche zum Medium ist. Maßgebend hierfür ist das elektrostatische Partikel-Grenzflächenpotential „PGP". Dieses Potential wird als ein Maß angesehen, das den Grad der Abstoßung zwischen benachbarten dispergierten Partikeln bestimmt. Es hat somit Bedeutung hinsichtlich der Stabilität disperser Systeme.
Es gibt verschiedene physikalische Methoden, das PGP zu messen. Ein bekanntes Verfahren ist die klassische Elektrophorese unter dem Mikroskop, insbesondere unter dem Streulichtmikroskop in 90° Anordnung von Laser- und Mikroskopachse. In der Elektrophorese-Messanordnung werden die Partikel in ein elektrisches Feld gebracht. Je stärker das PGP der Partikel, umso schneller bewegen sie sich im angelegten Feld. Die Messgröße ist die elektrophoretische Beweglichkeit μe, die nichts anderes ist als die gemessene Geschwindigkeit dividiert durch das angelegte elektrische Feld. Diese μe wird umgerechnet in ein PGP, was bei dieser Messanordnung als Zetapotential bezeichnet wird. Diese Elektrophorese-Anordnung ist prinzipiell beliebt, weil man darin direkt die Partikeln beobachten und dadurch auch mögliche Störeffekte wie Konvektion erkennen kann. In der Elektrophorese wurden in den letzten Jahren Fortschritte erzielt, indem man anstatt visueller Beobachtung Videokameras einsetzte und die Filme automatisch nach der Geschwindigkeitsverteilung der Partikel auswertete. Zudem wurde durch den Einsatz scharf fokussierbarer Laser die untere Messgrenze von 1 μm Partikelgröße bis auf 0,02 μm herabgesetzt. Dies gilt gleichermaßen für die Brown'sche Bewegung der Teilchen, die mit derselben Vorrichtung beobachtet und aus der die Partikelgröße abgeleitet werden kann.
Ein wesentliches Hindernis, solche Geräte in der Industrie zu verwenden, ist die umständliche Justierung, bis eine zuverlässige Video-Aufnahme durchgeführt werden kann. Dazu gehört als erstes die reproduzierbare Positionierung der Messzelle. Im Stand der Technik ist hierzu aus der DD 141 951 eine Einrichtung zur Geschwindigkeitsmessung von Teilchen in einer Flüssigkeitsprobe bekannt. Diese Erfindung betrifft die Reproduzierbarkeit der Positionierung einer Elektrophoresekammer in der Weise, dass nach Zellwechsel ein gleichartiges Experiment ohne großen Justieraufwand wieder zuverlässig ablaufen kann.
In der DE 10 2006 028 516 B3 ist eine 5-Punkte-Lagerung offenbart, die diese Aufgabe erfüllt.
In der Druckschrift US 3 764 512 A ist eine Vorrichtung aufgezeigt zur optischen Erfassung von Partikeln einer Suspension in einer Küvette 14, mit den folgenden Merkmalen:

a) die Küvette 14 ist über eine Lagerung 32 definiert positioniert,
b) die Küvette 14 wird über eine optische Bestrahlungseinrichtung 10-12-16-18 bestrahlt und im rechten Winkel zur optischen Achse der Bestrahlungseinrichtung von einer Beobachtungseinrichtung 30 beobachtet,
c) der Fokus der Bestrahlungseinrichtung ist motorisch über den räumlichen Innenbereich der Küvette (vermittels Spiegelgalvanometer 16–18) und der Fokus der Beobachtungseinrichtung manuell (vermittels Fokussiereinstellung 27) verfahrbar.

Die Vorrichtung in der US 3 764 512 A hat den Nachteil, dass die dortige Kamera analog arbeitet und mit einem Bildschirm verbunden ist. Die Bedienperson muss deshalb die auf dem Bildschirm wandernden Partikel beobachten und die „Scanning rate" des Umlenkspiegelgalvanometers 16–18 von Hand so einstellen, dass die Laser-Beleuchtung mit dem Partikel synchron mitfährt. Sobald die Geschwindigkeitsverteilung inhomogen ist, ist eine Konzentration der Bedienperson auf ein Partikel stark erschwert.
In der Druckschrift US 3 764 512 A werden ferner der Laserfokus, der auf die Ebene 21 (Elektroosmose-frei) vorjustiert zu sein scheint, und der Mikroskopfokus durch Verfahren der Höhe des Mikroskopobjekts 27 zur Koinzidenz gebracht. Nur dort kann ein Bild gesehen werden. Wie genau die Zelle verfahren wird, damit der Laser genau die Ebene 21 trifft, vor allem nach einem Wechsel der Zelle, wird in dieser Druckschrift nicht aufgezeigt.
Eine Anregung zur automatisierten Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich somit nicht.
Als zweite Voraussetzung – und dies ist der Gegenstand dieser Anmeldung – ist die automatische Scharfstellung der optischen Anordnung notwendig. Diese muss über den ganzen Verfahrweg des Beobachtungsmikroskops über die Tiefe der Messkammer gewährleistet sein. Diese Aufgabe ist deshalb so schwierig, weil gleichzeitig mit dem Mikroskopfokus der im Winkel von 90° zur Mikroskopachse eintreffende fokussierte Laserstrahl in gleichem Maße mitgefahren werden muss ohne die Scharfstellung zu verlieren. Die Scharfstellung kann deshalb leicht verloren gehen, weil der Laserstrahl, der zur Beleuchtung der Partikel dient, in Richtung der Mikroskopachse nur 10 bis 20 μm ausgedehnt ist und der Fokus des Mikroskops, der auf die Laserebene gerichtet bleiben soll, auch nur eine Tiefenschärfe von einigen μm besitzt. Nur wenn man die Position des Mikroskopfokus innerhalb der Zelle und in Richtung der Mikroskopachse kennt, und die Partikel gleichzeitig vom Laser kontrolliert beleuchtet werden, wird die Elektrophoresemessung möglich. Eine automatische Justierung ist mit der hier beschriebenen Vorrichtung und mit dem hier beschriebenen Verfahren möglich.
Die hier beschriebene Messung der elektrophoretischen Beweglichkeit zur Zetapotentialbestimmung ist die schwierigste von mehreren möglichen Messaufgaben mit dieser Anordnung. Darin eingeschlossen ist die Messung der Brown'schen Bewegung der Partikel, aus der die Partikelgrößenverteilung von Partikeln berechnet werden kann. Ebenfalls mit eingeschlossen ist die Anwendung zur Messung der relativen Veränderung der Partikelanzahl und Größe in einer Flüssigkeit. Um alle diese Anwendungen automatisiert ausführen zu können, bedarf es dieser Erfindung.
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1, bzw. einem Verfahren nach Anspruch 6 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen im Einzelnen:
Die einzige Figur: eine Darstellung der erfindungsgemäßen Messanordnung
In der einzigen Figur ist eine Küvette (1) mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Schnitt gezeichnet.
Es handelt sich hierbei zum Beispiel um eine Küvette (1) wie sie in der aus dem Stand der Technik bekannten DE 10 2006 028 516 B3 gezeigt ist. Die in der Figur gezeigte Küvetten-Lagerung (5) entspricht hierbei der aus dieser Druckschrift bekannten speziellen Lagerung, die eine reproduzierbare und exakte Lagerung einer Küvette (1) gewährleistet.
Die Fülleinrichtung und die entsprechende Entleerungseinrichtung entsprechen den aus dieser Druckschrift ebenfalls bekannten Einrichtungen.
Im Mittelpunkt der gezeigten Figur ist, gewissermaßen wie in einem Fadenkreuz, der Schnittpunkt der optischen Achse des von oben einstrahlenden Lasers (2) mit der optischen Achse eines Mikroskops (12) dargestellt.
Um zu Beginn einer Serie von Messungen die optische Achse des Lasers (2) leichter zu finden ist im mittleren Bereich des Bodens der Küvette (1), sowohl in Querrichtung als auch in Längsrichtung betrachtet, ein Sensor (6) vorgesehen.
Der Stellantrieb (7) für den Laser (2) als Teil der Stelleinrichtung (8) ist in der gezeigten Figur aus Gründen der übersichtlicheren Darstellung lediglich in einer Koordinatenachse dargestellt. Der entsprechende Doppelpfeil kennzeichnet die Verfahrbarkeit des Lasers (2) in den beiden gezeigten Richtungen, im Wesentlichen in Richtung der jeweiligen Breite der Küvette (1).
Die Stelleinrichtung (8) für den Laser (2) ist in gleicher Weise in einer
Koordinatenachse, die sich senkrecht zur gezeigten Koordinatenachse erstreckt, als verfahrbar zu betrachten, wobei diese Koordinatenachse senkrecht auf der Zeichenebene steht. Diese Koordinate verläuft in der Längsrichtung der Küvette (1). Um den gesamten Innenbereich der Küvette (1) zu erfassen, ist zusätzlich noch eine Höhenverstellung der Stelleinrichtung (8) vorgesehen.
Die Begrenzung der Stelleinrichtung (8) für den Laser (2) bilden die Außenwände der jeweiligen Küvette (1). Diese physikalisch vorgegebenen Grenzwerte stellen die Eckpunkte für ein diesbezügliches Steuerungsprogramm dar.
Desgleichen ist der Stellantrieb für das Mikroskop (12) mit (9) bezeichnet. Die Stelleinrichtung (10) für das Mikroskop (12) gewährleistet die Verfahrbarkeit dieser Beobachtungsvorrichtung. Die Möglichkeit der Verstellung der Fokussierung (4) des Mikroskops (12) ist mit dem an dieser Stelle gezeigten Doppelpfeil dargestellt. Bekanntermaßen ermöglicht die Verschiebung einer entsprechend dimensionierten Linse die Scharfstellung eines zu beobachtenden Objekts in der Bildebene einer Beobachtungseinrichtung. Als Beobachtungseinrichtung kann hierbei alles gelten was die Erfassung bzw. Registrierung eines im Fokus befindlichen Gegenstandes als scharfes oder entsprechend stark konturiertes Bild in der Bildebene ermöglicht. Bei der Beobachtung durch eine Bedienperson wird die Beobachtungseinrichtung entsprechende manuell zu betätigende Vorrichtungen zur Scharfstellung eines bestimmten Objekts aufweisen. Im vorliegenden Fall wird die Scharfstellung der Beobachtungseinrichtung automatisch über die Abbildungseigenschaften der erfassten Partikel (13) gesteuert.
Um den Bereich in der zu beobachtenden Suspension bestimmen zu können in dem die interessierenden Partikel erfasst werden, ist es notwendig, diesen Bereich gezielt mit dem Laser (2) zu beleuchten. Zur Fokussierung ist hier ebenfalls eine einstellbare Laser-Fokussierung (3) vorgesehen.
Für die exakte Erfassung eines Partikels (13) in der Suspension ist es erforderlich, dass der Fokus der Beleuchtungseinrichtung genau den Raumbereich der Küvette beleuchtet, auf den der Fokus der Beobachtungseinrichtung gerichtet ist. In diesem Fall erreicht die Darstellung eines Partikels ein Optimum.
Nach einer derartigen Grundeinstellung übernimmt das Steuerungsprogramm für die Steuerung der Stelleinrichtungen die entsprechenden Werteparameter und ist dann in der Lage für jeden Ort in der Küvette eine Koinzidenz der beiden Fokus-Bereiche herzustellen.
Als Detektionsvorrichtung für die erforderliche Grundeinstellung der beiden Fokus-Bereiche dient eine, die Abbildungseigenschaften der Partikel erfassende Vorrichtung. Diese kann aus einem Helligkeitssensor oder einem Kontrast-Indikator bestehen, der seine Ausgangssignale dem Steuerungsprogramm für die Stelleinrichtungen und/oder die entsprechenden Fokussierungen zur Verfügung stellt.

1: Küvette
2: Laser
3: Laser-Fokussierung
4: Mikroskop-Fokussierung
5: Küvetten-Lagerung
6: Sensor
7: Stellantrieb für den Laser
8: Stelleinrichtung für den Laser
9: Stellantrieb für das Mikroskop
10: Stelleinrichtung für das Mikroskop
11: Mikroskopebene
12: Mikroskop
13: Partikel

Claims

Vorrichtung zur optischen Erfassung von Partikeln (13) einer Suspension in einer Küvette (1), mit den folgenden Merkmalen: a) die Küvette (1) ist über eine Lagerung (5) definiert positioniert, b) die Küvette (1) wird über eine optische Bestrahlungseinrichtung bestrahlt und im rechten Winkel zur optischen Achse der Bestrahlungseinrichtung von einer Beobachtungseinrichtung beobachtet, c) der Fokus der Bestrahlungseinrichtung und der Fokus der Beobachtungseinrichtung sind motorisch über den räumlichen Innenbereich der Küvette in einen beliebigen Punkt durch eine Steuerungsvorrichtung verfahrbar, d) eine Annäherung der Position des Fokus der Bestrahlungseinrichtung an die Position des Fokus der Beobachtungseinrichtung, oder umgekehrt, zum Zweck der Scharfstellung in einem Punkt wird in einer Detektionsvorrichtung überwacht und/oder an einem Bildschirm dargestellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsvorrichtung ein Teil der Beobachtungseinrichtung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungseinrichtung aus einem Laser (2) und die Beobachtungseinrichtung aus einem Mikroskop (12) besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung des Lasers (2) im mittleren Bereich am Boden der Küvette (1) ein Sensor (6) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (2) einen Stellantrieb (7), eine Stelleinrichtung (8), sowie eine Laser-Fokussierung (3) und das Mikroskop (12) einen Stellantrieb (9), eine Stelleinrichtung (10), sowie eine Mikroskop-Fokussierung (4) aufweisen.
Verfahren zur optischen Erfassung von Partikeln (13) einer Suspension in einer Küvette (1), mit den folgenden Merkmalen: a) die Küvette (1) wird über eine Lagerung (5) definiert positioniert, b) die Küvette (1) wird über eine optische Bestrahlungseinrichtung bestrahlt und im rechten Winkel zur optischen Achse der Bestrahlungseinrichtung von einer Beobachtungseinrichtung beobachtet, c) der Fokus der Bestrahlungseinrichtung und der Fokus der Beobachtungseinrichtung werden motorisch in einem bestimmten Bereich der Küvette (1) auf denselben Punkt verfahren, indem in diesem Bereich die Abbildungseigenschaft bezüglich eines oder mehrerer Partikel (13) optimiert wird, d) die hierdurch erhaltenen Steuerungsparameter werden als Grundlage für die Darstellung von Partikeln (13) im Innenraum der Küvette (1) verwendet
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungseinrichtung aus einem Laser (2) und die Beobachtungseinrichtung aus einem Mikroskop (12) besteht.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung des Lasers (2) im mittleren Bereich am Boden der Küvette (1) ein Sensor (6) vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Helligkeit und/oder der Kontrast eines oder mehrerer Partikel (13) automatisch erfasst wird und die erhaltenen Messwerte der betreffenden Pixel als Korrekturdaten für die Steuerung des Lasers (2) und/oder des Mikroskops (12) verwendet werden.
Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung der Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird.
Maschinenlesbarer Träger mit dem Programmcode eines Computerprogramms zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 6 bis 9 wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird.