DE102008035770A1

DE102008035770A1 - Optischer Partikeldetektor sowie Detektionsverfahren

Info

Publication number: DE102008035770A1
Application number: DE102008035770A
Authority: DE
Inventors: Alois Dr. rer. nat. Friedberger; Ulrich Dr. rer. nat. Martin; Leonhard Meixner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2010-02-18
Also published as: WO2010012644A2; US20110311996A1; WO2010012644A3; EP2307874A2; US9557259B2; WO2010012644A9

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Partikeldetektorvorrichtung zur optischen Ermittlung einer Anzahl von an einer Oberfläche (20), insbesondere eines Partikelfilters (14), angeordneten Partikeln (22), mit einem ortsauflösenden Lichtdetektor (18), einer Lichtquelle (34), einer optischen Fokussierungseinrichtung (32) und einer Auswerteeinrichtung (26), die einfacher handhabbar ist als bekannte Partikeldetektorvorrichtungen und deren Genauigkeit erhöht ist. Hier wird vorgeschlagen, dass der ortsauflösende Lichtdetektor (18) Lichtsensoren (28) aufweist, die Helligkeitswerte messen und vorzugsweise als wenigstens eine integrierte Schaltung ausgeführt sind, wobei der Lichtdetektor (18) zur Erzeugung von digitalen Bilddaten aus den von den Lichtsensoren (28) gelieferten Helligkeitswerten ausgebildet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Partikeldetektionsverfahren zur optischen Ermittlung einer Anzahl von an einer Oberfläche (20) eines Partikelfilters (14) angeordneten Partikeln.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Partikeldetektorvorrichtung zur optischen Ermittlung einer Anzahl von an einer Oberfläche, insbesondere eines Partikelfilters, angeordneten Partikeln. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Partikeldetektionsverfahren zur optischen Ermittlung einer Anzahl von an einer Oberfläche, insbesondere eines Partikelfilters angeordneten Partikeln.
Die Partikeldetektorvorrichtung soll dazu verwendet werden, die Belastung von Fluiden mit bestimmten Partikeln, insbesondere mikrobiologischen Partikeln, beispielsweise mit Bakterien, zu quantifizieren. Insbesondere soll hierzu das zu analysierende Fluid durch einen Partikelfilter gepresst werden, in dem die Partikel mechanisch festgehalten werden. Je nach Art der zu detektierenden Partikel sollen Markierungsstoffe eingesetzt werden, die bewirken, dass die zu analysierenden Partikeln von dem Partikelfilter und von anderen Partikeln optisch unterscheidbar sind.
Im Stand der Technik ist es beispielsweise bekannt, Bakterien mit fluoreszierenden Stoffen zu behandeln, die je nach einfallendem Licht in bestimmten Farben leuchten und somit einfach von der Umgebung zu unterscheiden sind. Bei dem bekannten Partikeldetektionsverfahren wird in der Regel die Gesamtintensität des emittierten Lichtes gemessen, um die Partikeldichte zu bestimmen. Andere Partikeldetektionsverfahren nutzen komplizierte und teuere Elektronenmikroskope zur Bestimmung der Partikelanzahl.
Solche Detektionsverfahren erfordern eine große Anzahl von Bedienerhandlungen zur Positionierung der Detektoren sowie der Partikelfilter. Ebenso ist eine Kalibrierung der Messergebnisse nahezu unmöglich. Es gibt keine automatisierten Geräte, die ein solches Partikeldetektionsverfahren durchführen können. Wird ein Fotomultiplier verwendet, so wird ein summarisches Signal gemessen, durch das nur bedingt auf die Anzahl der vorhandenen Partikel geschlossen werden kann.
Die Erfindung geht auf die Aufgabe zurück, eine Partikeldetektorvorrichtung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, die einfacher handhabbar ist als bekannte Partikeldetektorvorrichtungen und deren Genauigkeit erhöht ist. Des weiteren soll ein Partikeldetektionsverfahren der eingangs genannten Art so weitergebildet werden, dass seine Genauigkeit erhöht ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Partikeldetektorvorrichtung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, die mit einem ortsauflösenden Lichtdetektor, einer Lichtquelle, einer optischen Fokussierungseinrichtung und einer Auswerteeinrichtung versehen ist und bei welcher der ortsauflösende Lichtdetektor Lichtsensoren aufweist, die Helligkeitswerte messen, wobei der Lichtdetektor zur Erzeugung digitaler Bilddaten aus den von den Lichtsensoren gelieferten Helligkeitswerten ausgebildet ist.
Ein vorteilhaftes, damit durchführbares Detektionsverfahren sowie bevorzugte Verwendungen der Partikeldetektionsvorrichtung sind Gegenstand des Nebenanspruches.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Partikeldetektorvorrichtung hat den Vorteil, dass durch einen ortsauflösenden Lichtdetektor einzelne Partikel abgebildet werden können. Somit ist es möglich, anhand der digitalen Bilddaten die tatsächliche Anzahl der Partikel zu zählen. Einflüsse aus Größe und Helligkeit der Partikel werden neutralisiert.
Die Lichtsensoren können als integrierte Schaltung – insbesondere auf einen oder mehrere Chips – und/oder als CCD, als CMOS oder als Diodenarrays ausgeführt sein. Diese Arten von Lichtsensoren können zügig ausgelesen werden und trotzdem eine gute Helligkeitsauflösung liefern.
Die Lichtquelle kann eine LED aufweisen, mit der eine preisgünstige und zuverlässige Lichtquelle bereitgestellt wird.
Die Lichtquelle kann vorteilhaft einen Laser aufweisen. Dadurch ist es möglich, mit monochromatischen Licht eine genau definierte Reaktion der zu analysierenden Partikel anzuregen.
Vorteilhaft weisen die Lichtquelle oder die Fokussierungseinrichtung einen optischen Filter auf. Mit einem solchen Filter lassen sich Einflüsse von Umgebungslicht oder auch von Reflexionen an dem Filter auf einfache Weise abschwächen.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist eine Partikeldetektorvorrichtung zum Austausch des optischen Filter vorgesehen. Dadurch ist es möglich, die zu analysierenden Partikel in unterschiedlichen Farbräumen und/oder mit Licht unterschiedlicher Polarisation und Wellenlänge zu betrachten und so die Genauigkeit der Detektion weiter zu verbessern.
Die Lichtquelle kann vorteilhaft beweglich angeordnet sein. Dadurch ist es möglich, durch unterschiedliche Bestrahlung der Partikel Informationen über deren Topologie zu gewinnen. Auch könnten Teilbereiche der Oberfläche, an der die zu detektierenden Partikeln angeordnet sind, nacheinander mit einem Strahl der Lichtquelle abgetastet werden, um so einen Scan der Oberfläche zu erhalten.
Es können mehrere Lichtsensoreinheiten in einem Raster angeordnet sein, wobei ein Strahlteiler zur Aufteilung des Bildes der Oberfläche auf die Lichtsensoreinheiten vorgesehen ist und die Auswerteeinrichtung zur Erstellung eines Gesamtbildes aus den Bilddaten der Lichtsensoreinheiten ausgebildet ist. Dies hat zunächst den Vorteil, dass größere Oberflächen beobachtet werden können. Die verwendeten Lichtsensoreinheiten sind allgemein mit steigender Größe komplizierter, in der Handhabung teurer und weniger verfügbar. Die Möglichkeit, mehrere kleinere Lichtsensoreinheiten in einem Raster anzuordnen und das aufzunehmende Bild in kleinere Abschnitte zu unterteilen, eröffnet die Möglichkeit, vergleichsweise preiswerte Bauteile bei erhöhter Genauigkeit der Abbildung zu verwenden. Außerdem kann eine Vorverarbeitung der Daten pro Sensoreinheit vorgenommen werden, um die Verarbeitungsgeschwindigkeiten der Auswerteeinheit zu erhöhen.
Die Partikeldetektorvorrichtung kann eine Positioniereinrichtung aufweisen, an der wenigstens eine der Lichtsensoreinheiten zur Positionierung relativ zu der Oberfläche befestigt ist. Dadurch ist es möglich, die Kosten für die Lichtsensoreinheiten weiter zu reduzieren. So kann mit einer relativ kleinen, leicht zu handhabenden Lichtsensoreinheit eine große Fläche abgetastet werden.
Bei Verwendung einer CCD-Zeile als Lichtsensor kann eine Ablenkungsvorrichtung vorgesehen sein, die unterschiedliche Abschnitte der Oberfläche auf die CCD-Zeilen abbildet. Dies ermöglicht einen sehr einfachen und trotzdem zuverlässigen Aufbau.
Bei dem vorteilhaften Partikeldetektionsverfahren zur optischen Ermittlung einer Anzahl von an einer Oberfläche eines Partikelfilters angeordneten Partikeln wird, vorzugsweise mittels einer erfindungsgemäßen Partikeldetektorvorrichtung, die Oberfläche mit den Partikeln mit der Lichtquelle beleuchtet und ein Bild der Oberfläche durch die Detektoreinrichtung aufgenommen. Die Bilddaten werden an die Auswerteeinrichtung übermittelt. Schließlich werden die Partikel anhand der Bilddaten durch die Auswerteeinrichtung gezählt und ausgewertet.
Das erfindungsgemäße Partikeldetektionsverfahren erlaubt die Zählung der tatsächlichen Anzahl der Partikel. Dies verbessert die Genauigkeit der Messung gegenüber der Messung eines summarischen Signals, da das Ergebnis unabhängig von der Größe der einzelnen Partikel und deren möglicherweise unterschiedlichen Fähigkeit zur Aufnahme der Markierungsstoffe ist.
Vor der Zählung der Partikel kann ein Referenzbild der Oberfläche ohne Partikel aufgenommen werden. Somit ist es möglich, störende Einflüsse, die sich durch die Struktur des Partikelfilters oder beispielsweise durch Fehler in den Lichtsensoren ergeben, aus dem Endergebnis herauszurechnen. Mit diesen Partikeldetektionsverfahren lässt sich z. B. der Reinigungszustand am Partikelfilter überprüfen.
Vorteilhaft werden mehrere Bilder der Oberfläche aufgenommen und zwischen den Aufnahmen die Position der Lichtquelle verändert. Dadurch werden die Partikel von unterschiedlichen Richtungen angestrahlt und es können beispielsweise verdeckte Partikel erkannt werden. Des weiteren ist es dadurch möglich, eine Information über die Größe der aufgenommenen Partikel zu erhalten.
Es können mehrere Bilder der Oberfläche aufgenommen werden und zwischen den Aufnahmen die Art und/oder die Anzahl der verwendeten optischen Filter verändert werden. Wenn die Partikel nur in einem bestimmten Spektrum leuchten, kann so der Kontrast zu der Umgebung der Partikel erhöht werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Oberfläche zur Detektion fluoreszierender Partikel zunächst von einem Lichtpuls der Lichtquelle bestrahlt und nach Abklingen des Lichtpulses ein Bild der Oberfläche mit den Partikeln aufgenommen. In dem sich ergebenden Bild sind die fluoreszierenden Partikel mit deutlicherem Kontrast zu erkennen als während der Bestrahlung mit Licht.
Die Auswerteeinrichtung wertet vorteilhaft die Bilder gemeinsam aus und berechnet daraus eine Partikelanzahl. Somit können die Informationen sämtlicher Aufnahmen zur Erhöhung der Genauigkeit verwendet werden.
Die Partikeldetektionsvorrichtung ist besonders als Detektionseinheit in einer (Analyse-)Vorrichtung und einem (Analyse-)Verfahren zur Detektion von Partikeln in einem Partikel-Fluid-Gemisch geeignet, die vollautomatisch betreibbar bzw. durchführbar sind, universell einsetzbar und in einem kompakten und einfach aufgebauten, vorzugsweise mobilen System implementiert werden können.
Mit einem besonders bevorzugten hier vorgestellten Gesamtsystem ist eine schnelle und vollautomatische Anreicherung, Extraktion und Detektion von Mikroorganismen (z. B. Bakterien, Protozoen, Pilze, Viren) und biologischen Partikeln (z. B. Sporen) möglich. Die Anreicherung, Extraktion und Detektion kann sowohl aus Gasen, insbesondere der Luft, als auch aus Flüssigkeiten erfolgen. Neben der Detektion biologischer Materialien ist auch eine Anreicherung, Extraktion und Detektion nicht-biologischer bzw. synthetischer Materialien möglich, insbesondere Sprengstoffe, Flüssigsprengstoffe und Drogen.
Mit der dabei eingesetzten neuen Technik wird insbesondere der Einsatz paramagnetischer Kügelchen (sog. Beads) in Verbindung mit einer Sammeleinrichtung, insbesondere einem Airsampler, vorgeschlagen. Die Beads sind mit Antikörpern beschichtet, welche wiederum Moleküle oder Partikel biologischen oder nicht biologischen Ursprungs binden können. Durch die Entwick lung spezieller Anreicherungstechniken wird die extreme Aufkonzentrierung und Immobilisierung der so beladenen Beads erreicht. Außerdem wird eine auf die Aufkonzentrierung folgende vollautomatische Extraktion und Detektion der gebundenen Moleküle oder Partikel vorgeschlagen. Die hohe Aufkonzentrierung ermöglicht einen hochempfindlichen Nachweis der Analyten. Zum automatisierten Nachweis ist die erfindungsgemäße Partikeldetektionsvorrichtung besonders geeignet.
Insbesondere werden folgende Vorteile durch ein solches Gesamtsystem oder dessen vorteilhaften Ausgestaltungen erreicht:

• schneller und empfindlicher Nachweis von Mikroorganismen und anderen gefährlichen Substanzen (insbesondere biologische Toxine) sowie von Sprengstoffen aus einer gasförmigen Phase, insbesondere Luft;
• schnelle Detektion von Mikroorganismen und anderen gefährlichen Substanzen aus Flüssigkeiten und flüssigen Lebensmitteln aller Art;
• Zusammenfassung und Automatisierung der drei Bereiche Anreicherung, Extraktion und Detektion in einem einheitlichen, kompakten und mobilen System und/oder
• schneller Nachweis von Krankheitserregern aus Körperflüssigkeiten, insbesondere Blut, Speichel, Tränenflüssigkeit und Urin (medizinische Diagnostik).

Die Partikeldetektionsvorrichtung ist besonders zum Nachweis der Anzahl von Partikeln auf einem Partikelfilter geeignet. Hierzu ist vorzugsweise ein mechanischer Partikelfilter mit einer Membran vorgesehen, die eine Vielzahl an Poren aufweist. Derartige Partikelfilter werden dazu benutzt, Partikel, beispielsweise Bakterien, aus einem Fluid zu filtern. Die ausgefilterten Partikel können zur Feststellung der Belastung des Fluids mit bestimmten Partikeln analysiert werden.
Die Partikeldetektionsvorrichtung ist bevorzugt universell für die Messung von Partikeln bei unterschiedlichen Fluid-Partikel-Gemischen verwendbar. Weiter ist vorteilhaft, wenn der Partikelfilter in einem automatisierten System auswechselbar, transportierbar und mehrfach verwendbar ist. Deswegen ist der Einsatz eines insbesondere mechanischen Partikelfilter bevorzugt, der eine hohe mechanische und chemische Stabilität aufweist. Deswegen ist bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ein Partikelfilter vorgesehen, bei dem wenigstens ein für ein zu filterndes Medium zugänglicher Teilbereich einer Oberfläche der Membran aus einem Kohlenstoffmaterial mit Diamantstruktur gefertigt und/oder beschichtet ist.
Ein solcher Partikelfilter hat den Vorteil, dass das Kohlenstoffmaterial mit Diamantstruktur chemisch nahezu vollständig inert ist. Dadurch ist eine einfache Reinigung, also eine Entfernung der von dem Filter angereichten Partikel, einfach zu bewerkstelligen, da die Partikel kaum feste Verbindungen mit der Membran eingehen. Des weiteren ist ein Kohlenstoffmaterial mit Diamantstruktur mechanisch sehr stabil, so dass bei Einsatz des Filters ein hoher Differenzdruck zwischen beiden Seiten der Membran verwendet werden kann. Dadurch wird die Flussrate durch den Filter erhöht.
Die Membran kann vollständig aus dem Kohlenstoffmaterial gefertigt sein. Da das Kohlenstoffmaterial aufgrund seiner Diamantstruktur durchsichtig ist, ermöglicht es eine derart aufgebaute Membran, durch einfaches Durchleuchten der Membran Restverschmutzungen nach der Reinigung oder strukturelle Fehler in der Membran auf einfache Art und Weise zu erkennen.
Die Membran kann vollständig aus Diamant gefertigt sein.
Vorteilhaft wird die Membran von einem Träger, an dem sie befestigt ist, abgestützt. Dies erhöht weiter die Belastbarkeit der Partikelfilters.
Der Träger kann aus einem durch Lithographieverfahren strukturierbaren Material gebildet sein. Dies ermöglicht es, das Rahmenmaterial während der Herstellung der Membran als Abstützung zu verwenden und es anschließend schonend aus dem porösen Bereich der Membran zu entfernen.
Das Material des Trägers weist in vorteilhafter Ausgestaltung eine Kristallstruktur auf, die die Richtung eines anisotropen Ätzvorganges vorgibt. In einem solchen Material kann die Form des Trägers zuverlässig bestimmt werden.
Der Träger kann aus Silizium gebildet sein. Silizium hat den Vorteil, dass es preiswert erhältlich, in industriell bekannten Verfahren lithographierbar und mechanisch stabil ist.
Vorteilhaft weist das Silizium eine (110)-Orientierung auf. Durch diese Orientierung werden beim Ätzen nach dem Lithographieren nahezu vollständig ebene und zur Fläche der Membran senkrechte Seitenwände des Trägers erreicht.
Einzelheiten und weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Partikeldetektorvorrichtung und des erfindungsgemäßen Partikeldetektionsverfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen. In den die Ausführungsbeispiele lediglich schematisch darstellenden Zeichnungen veranschaulichen im einzelnen:
1 einen Gesamtaufbau einer Partikeldetektionsvorrichtung zur Messung einer Partikelzahl;
2 eine Detailansicht des Aufbaus aus 1;
3 eine Detailansicht mit einem Beispiel für eine optische Fokussierungseinrichtung;
4 eine Ansicht wie in 2 mit verschiedenen Anordnungen von Lichtquellen;
5 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel für einen in der Partikeldetektionsvorrichtung von 1 verwendeten Partikelfilter;
6 einen Querschnitt durch den Partikelfilter entlang der Linie II-II in 5;
7 einen Querschnitt durch den Partikelfilter wie in 6 bei einem Produktionsschritt für den Partikelfilter;
8 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des Partikelfilters wie in 6 mit einer alternativen Ausrichtung der Gitterstruktur eines Trägers;
9 einen Schnitt wie in 6 durch einen diamantbeschichteten Partikelfilter;
10 eine Seitenansicht eines Gesamtsystems einer vollautomatischen Vorrichtung zur Detektion von Partikeln; und
11 eine Draufsicht auf das Gesamtsystem;
Eine in 1 gezeigte Partikeldetektorvorrichtung 210 zur Messung einer Partikelanzahl weist als Filterelement 212 einen Mikrofilter oder Partikelfilter 214 auf. Der Partikelfilter 214 weist Poren eines Durchmessers auf, bei dem zu zählende Partikel 222 an dem Partikelfilter 214 hängen bleiben. Zur Fixie rung und/oder Positionierung des Partikelfilters 214 ist eine Haltevorrichtung 216 vorgesehen.
Ein zweidimensional ortsauflösender Lichtdetektor 218 ist gegenüber dem Partikelfilter 214 so angeordnet, dass der Lichtdetektor 218 eine Oberfläche 220 des Partikelfilters 214 mit den darauf angeordneten Partikeln 222 erfassen kann. Der Lichtdetektor 218 wandelt das erfasste Bild der Oberfläche 220 in digitale Bilddaten um und übermittelt diese über eine Kommunikationseinrichtung 224 an eine Auswerteeinrichtung 226.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel für den Lichtdetektor 218 dargestellt. Der Lichtdetektor 218, der in 2 gezeigt ist, weist Lichtsensoren 228, hier in Form eines CCD-Arrays 230 auf. Zur Abbildung des Bildes der Oberfläche 220 des Partikelfilters 214 ist eine optische Fokussierungseinrichtung 232 vorgesehen. Um die Oberfläche 220 zu beleuchten, weist die Partikeldetektorvorrichtung 210 eine Lichtquelle 234 auf. Eine Glasdecke 236 trennt den Partikelfilter 214 von dem Lichtdetektor 218.
In 3 ist ein Ausführungsbeispiel für die Fokussiereinrichtung 232 dargestellt. Die optische Fokussierungseinrichtung 232 weist, wie in 3 gezeigt, ein erstes Linsensystem 238, ein zweites Linsensystem 240 und ein drittes Linsensystem 242 auf. Die Linsensysteme 238, 240, 242 weisen jeweils wenigstens eine Linse oder eine Anordnung von mehreren Linsen auf.
Um die Oberfläche 220 des Partikelfilters 214 beleuchten zu können, wird Licht von der Lichtquelle 234 durch das dritte Linsensystem 242 und durch ein erstes optisches Filter 244 geführt. Das Licht trifft danach auf einen Strahlteiler 248, der einen Anteil des Lichts in Richtung der Oberfläche 220 ablenkt, wodurch die Oberfläche 220 beleuchtet wird.
Das von der Oberfläche 220 und/oder den Partikeln 222 reflektierte bzw. fluoreszierte Licht gelangt durch das zweite Linsensystem 240 und den Strahlteiler 248 zu einem zweiten optischen Filter 246 und wird über das erste Linsensystem 238 auf das CCD-Array 230 fokussiert.
Die Linsensysteme 238, 240, 242 können beweglich angeordnet sein, um Anpassungen vornehmen zu können.
Die optischen Filter 244, 246 sind automatisiert austauschbar. Beispielsweise sind Farbfilter und/oder Polarisationsfilter austauschbar vorgesehen. Somit können automatisiert Aufnahmen in unterschiedlichen Farbspektren oder mit unterschiedlichen Polarisationen erstellt werden.
Die Lichtquelle 234 kann auch zur unmittelbaren Beleuchtung der Oberfläche an unterschiedlichen Positionen 234a, 234b, 234c unter unterschiedlichen Winkeln ausgebildet sein. Bei einer Ausführungsform ist die Lichtquelle 234 hierzu positionierbar gelagert. Bei einer anderen Ausführungsform sind mehrere Lichtquellen, z. B. je eine Lichtquelle pro Position, wie bei 234a, 234b und 234c dargestellt, vorgesehen.
Mit der Partikeldetektorvorrichtung 210 sollen Partikel 222, beispielsweise Moleküle, Makromoleküle oder Mikroorganismen auf oder in der Nähe einer Oberfläche 220 detektiert werden. Insbesondere kann die zu analysierende Probe durch ein Filterelement 212, insbesondere einen mikromechanischen Partikelfilter 214, gepumpt werden. Die zu detektierenden Partikel 222 befinden sich auf der Oberfläche 220. Sie können durch Farbstoffe, insbesondere Fluoreszenzfarbstoffe markiert sein. Insbesondere können Bakterien, Vieren oder Toxine durch fluoreszenzmarkierte Antikörper detektiert werden.
Nach Bestrahlung der Oberfläche 220 durch die Lichtquelle 234 wird das emittierte Licht nicht als Gesamtintensität gemessen. Vielmehr wird ein Bild der Oberfläche 220 gemacht, damit die Licht emittierenden Partikel 222 mittels geeigneter Software gezählt werden können. Bei einer Ausführungsform der Partikeldetektorvorrichtung 210 sind Lichtsensoren 228 auf einem CCD-Chip mit einem CCD-Array 230 vorgesehen.
Um Bakterien zählen zu können, soll wegen der typischen Größe von Bakterien die untere Grenze der optischen Auflösung an der Oberfläche 220 möglichst ca. 100 bis 500 nm betragen. Beispielsweise wird hierzu das Bild der Oberfläche mittels einer geeigneten optischen Fokussierungseinrichtung 232 vergrößert. Bei einer Auflösung auf dem CCD-Array 230 von beispielsweise 5 μm wird eine Vergrößerung um wenigstens den Faktor zehn vorgesehen. Um eine Oberfläche 220 von beispielsweise 5 mm × 5 mm abzubilden, wird dann z. B. eine CCD-Fläche von wenigstens ca. 5 cm × 5 cm vorgesehen. Mit einem entsprechend großen CCD-Array 230 ist es somit möglich, unmittelbar eine Aufnahme der gesamten Oberfläche 220 anzufertigen.
Statt eines CCD-Arrays 230 kann auch ein CMOS, ein Diodenarray oder ein intensified CCD verwendet werden, um die Lichtsensoren 228 bereit zu stellen. Es ist auch möglich, die Oberfläche zeilenweise abzutasten.
Übersteigt die erforderliche CCD-Fläche die verfügbare Fläche eines CCD-Chips, ist es möglich, mehrere kleinere CCD-Chips in einem Array anzuordnen, um wiederum ein Bild der gesamten Oberfläche 220 zu gewinnen. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die CCD-Chips jedoch nicht Kante an Kante angeordnet, da der sensitive Bereich der einzelnen Chips im allgemeinen nicht bis an deren Kante reicht. Vielmehr wird mittels eines Strahlteilers 248 und weiteren optischen Komponenten auf jeden Chip ein Teil der Oberfläche 220 projiziert. Dabei kann es zu einer Überlappung kommen. Um sicher das gesamte Bild zu erhalten ist es vorteilhafter, überall eine gewisse Überlappung zuzulassen, um Ungenauigkeiten auszugleichen, als ein Teil der Bilder durch solche Ungenauigkeiten zu verlieren. Mittels geeig neter Datenverarbeitung wird eine solche Überlappung in der Auswerteeinheit 226 automatisch entfernt, um Fehler beim automatischen Zählen der Partikel 222 zu vermeiden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Partikeldetektorvorrichtung 210 werden die Lichtsensoren 228 als Teile einer CCD-Zeile ausgeführt, welche die Oberfläche 220 Zeile für Zeile abtastet. Die Scanrichtung orthogonal zur CCD-Zeile kann durch eine Abbildung mittels eines Kippspiegels oder durch eine präzise Verschiebung der CCD-Zeile erfolgen. Ein Gesamtbild kann auch aus mehreren Aufnahmen mit verschobenem CCD-Array 230 erstellt werden. Insofern stellt die CCD-Zeile nur eine Sonderform des CCD-Arrays 230 dar.
In 4 ist ein Ausführungsbeispiel der Partikeldetektorvorrichtung 210 gezeigt, mittels der eine Orts- und zeitaufgelöste Beleuchtung möglich ist. Das bedeutet, dass nacheinander verschiedene Bilder aufgenommen werden. Das untersuchte Objekt ändert sich nicht, aber die Art der Beleuchtung, wodurch sich unterschiedliche Bilder ergeben. Diese Veränderungen werden auch synthetische optische Apertur genannt.
Mit geeigneter Datenverarbeitung lässt sich dadurch die Auflösung deutlich verbessern. Die erzielbare Verbesserung ist um so höher, je mehr sich die Bilder bei unterschiedlicher Beleuchtung unterscheiden. Vorteilhaft ist es, wenn die zu detektierenden Partikel 222 nicht rund sind und wenn sich die Farbstoffe inhomogen in den oder auf den Partikeln 222 verteilen, wie beispielsweise Fluoreszenzfarbstoffe in Bakterien.
Das Verfahren der Orts- und zeitaufgelösten Beleuchtung wird auch dazu verwendet, um zu erkennen, ob Partikel 222 agglomeriert sind.
Es kann dazu vorteilhaft sein, wenn die Beleuchtung sehr flach erfolgt. Darüber hinaus kann ein durchsichtiger Partikelfilter 214 selbst als Lichtleiter verwendet werden. Bei solchen durchsichtigen Partikelfiltern 214 kann die Filtration und der Nachweis auch in den Poren über Antikörper/Antigen-Wechselwirkung oder DNA-Hybridisierung erfolgen. Insbesondere ist dies eine Möglichkeit für den Nachweis kleiner Moleküle wie Toxine oder Viren.
Eine weitere Möglichkeit der Orts- und zeitaufgelösten Beleuchtung besteht darin, die Lichtquelle 234 zu bewegen, insbesondere in einer Ebene senkrecht zum Strahlengang. Durch mehrfache Beleuchtung ergeben sich neben dem höheren Dynamikbereich bei der Detektion auch zusätzliche Informationen aus der Topographie, welche den Informationsgehalt der Aufnahmen um zusätzliche Freiheitsgrade erhöhen.
Bei einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Partikeldetektorvorrichtung 210 sowie des damit durchführbaren Partikeldetektionsverfahrens werden zwischen verschiedenen Messzyklen, d. h. ohne Partikel 222 auf dem Partikelfilter 214, Referenzbilder gemacht, um zu erkennen, ob einzelne Lichtsensoren 228 (CCD-Pixel) defekt sind. Dies kann durch Software kompensiert werden, um Fehler aufgrund eines Pixelausfalls zu vermeiden. Außerdem kann eine Warnmeldung generiert werden, um Fehlmessungen zu vermeiden; gegebenenfalls kann durch Austausch der Lichtsensoren oder der CCD-Vorrichtung reagiert werden.
Als Lichtquelle 234 können LEDs oder Laser verwendet werden. Optische Filter 244, 246 (Kanten- und/oder Bandpassfilter) ermöglichen eine Eingrenzung der Wellenlängen. Die optischen Filter 244, 246 können durch eine mechanische Filterwechseleinrichtung automatisch gewechselt werden, um mit verschiedenen Wellenlängen Messungen durchzuführen.
Zusätzlich kann neben der Fluoreszenzdetektion eine unmittelbare optische Aufnahme gemacht werden, um Staub, Schmutz und andere Fremdpartikel von den zu detektierenden Partikeln 222 zu unterscheiden. Dies lässt sich mit der Orts- und zeitauflösenden Beleuchtung kombinieren.
Eine deutliche Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisses ist zu erwarten, wenn das Licht der Lichtquelle 234 gepulst wird. Zum Beispiel wird das Fluoreszenzlicht erst dann detektiert, wenn der Anregungsimpuls abgeklungen ist.
Wenn der Partikelfilter 214 aus transparentem Material hergestellt ist, so kann er von der anderen Seite beleuchtet werden, so dass das Licht den Weg durch den Partikelfilter 214 hindurch nimmt. Solche Aufnahmen können ohne Partikel 222 auch dazu verwendet werden, um strukturelle Defekte in der Partikelfilter 214 oder unzureichende Reinigung erkennen zu können. Diese Information kann so ausgewertet werden, dass ein Warnhinweis gegeben wird oder der Partikelfilter 214 ausgetauscht wird.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele für den Partikelfilter 214 anhand der 5 bis 9 näher erläutert.
Der in 5 und 6 gezeigte Partikelfilter 214 weist eine Membran 312 und einen Träger 314 auf. In die Membran 312 sind Poren 316 eingebracht, die in einem Raster angeordnet sind. Die Poren 316 haben einen runden oder quadratischen Querschnitt.
Der Träger 314 stützt die Membran 312 in einem Randbereich 318 ab. Im Bereich der Poren 316 ist ein Durchflussbereich 320 vorgesehen.
Wie in 7 gezeigt, ist als Ausgangsmaterial für die Herstellung des Partikelfilters 214 ein Siliziumwafer 322 mit (110)-Kristallorientierung vorgesehen.
Das Silizium wird thermisch oxidiert, so dass beispielsweise SiO₂ 324 mit ca. 500 nm Dicke erzeugt wird. Anschließend wird das gebildete SiO₂ 324 von der Vorderseite 330 entfernt. Das SiO₂ 324 auf der Rückseite 332 wird strukturiert, um später als Ätzmaske 326 zu dienen.
Auf der Vorderseite 330 wird Diamant 328 bzw. DLC (diamond like carbon) beispielsweise in einer Dicke von ca. 1 μm abgeschieden. Eine Chromschicht (nicht dargestellt) wird in der Dicke von z. B. etwa 100 nm aufgebracht und strukturiert. Sie dient als Ätzmaske für das nun folgende Strukturieren des Diamants 328.
Der Diamant 328 wird vorzugsweise durch Plasmaätzen strukturiert, und anschließend wird die Chrommaske entfernt. 7 zeigt den Partikelfilter nach diesem Schritt.
Die Vorderseite 330 wird nun in einem Ätzhalter (nicht dargestellt) geschützt und das Silizium von der Rückseite 332 beginnend nasschemisch anisotrop geätzt. Als Ätzmittel kommen beispielsweise TMAH oder Kaliumhydroxid in Frage. Das SiO₂ 324 auf der Rückseite 332 dient dabei als Ätzmaske 326. Nach Abschluss des Ätzvorgang wird diese Schicht entfernt. Der Partikelfilter 214 sieht dann aus wie in 6. Die Membran ist somit bei dem Ausführungsbeispiel nach den 5 bis 9 aus Diamant 328 gebildet, während der Träger 314 aus dem Silizium 323 des Siliziumwafers 322 gebildet ist.
Wie in 9 dargestellt, kann zum Abschluss der komplette Partikelfilter 214 mit einer Diamantschicht 334 überzogen werden, wodurch ein äußerst stabiler, sowohl chemisch als auch mechanisch wiederstandsfähiger, Partikelfilter 214 entsteht. Selbst das Silizium 323 ist geschützt, und der gesamte Partikelfilter 214 ist mit Diamant 328 eingehüllt. Die einzige Ausnahme davon bilden etwaige Außenflächen, die beim Auseinandersägen (Separieren) von mehre ren auf einem Nutzen (Siliziumwafer 322) gemeinsam hergestellten Partikelfiltern 214 freigelegt werden. Allerdings sind die Außenflächen in der Regel ohnehin durch Dichtungsringe von dem zu filternden Fluid separiert.
Sollen auch solche Außenflächen geschützt sein, können die einzelnen Chips oder Partikelfilter 214 nach Separieren des Wafers mit einer Diamantschicht 334 überzogen werden.
Durch die zusätzliche Diamantschicht 334 verkleinert sich der Durchmesser der Poren 316. Dies sollte bei der Strukturierung der Chrommaske bereits beachtet werden, insbesondere wenn ein Soll-Durchmesser der Poren von beispielsweise ca. 450 nm erhalten werden soll.
Der in 9 dargestellte Partikelfilter 214 erhält somit eine Diamantschicht 334, die ihn gegen chemische und mechanische Einflüsse schützt.
Alternativ kann das Silizium 323 vollständig entfernt werden, wodurch einzelne dünne Filtermembranen erhalten werden.
Die Verwendung von Silizium mit (110)-Orientierung hat den Vorteil, dass beim Ätzen senkrechte Wände entstehen, wodurch eine hohe Packungsdichte von Partikelfiltern 214 auf einem Siliziumwafer 322 erreicht wird. Dies lässt sich auch durch Trockenätzen des Siliziums erzielen, allerdings ist dieser Prozess kostenaufwändiger. Zusätzlich sollte dabei gewährleistet werden, dass der Ätzprozess beim Erreichen des Diamants 328 beendet wird.
Der Siliziumwafer 322 kann aber auch aus Silizium mit (100)-Orientierung bestehen. Bei dem nasschemischen anisotropen Ätzen eines solchen Siliziumwafers 322 werden jedoch keine senkrechten, sondern schräge Kanten erzeugt, wodurch die Packungsdichte verringert wird.
Alternativ zu thermisch oxidiertem Silizium (SiO₂ 324) lassen sich auch andere Ätzmasken verwenden, beispielsweise anders abgeschiedenes SiO₂ 324 oder Si₃N₄. Ebenfalls ist eine Verwendung von SOI-Wafern oder die Nutzung weiterer Verfahren denkbar. Ein Partikelfilter 214 bei Verwendung von SOI-Wafern mit (100)-Orientierung ist in 8 gezeigt.
Die durch einen solchen alternativen Prozess fertiggestellten Partikelfilter 214 können anschließend mit einer Diamantschicht 334 versehen werden, wodurch wiederum ein Partikelfilter 214 entsteht, der vollständig durch Diamant 328 geschützt ist. Dieses Verfahren ist aufwändiger in der Prozessierung, bietet aber den Vorteil, dass die Diamantschicht 334 nicht strukturiert werden muss.
Anstelle von Silizium können auch andere Materialien als Träger 314 für die Membran 312 aus Diamant 328 verwendet werden. Hierbei kommen insbesondere Hartmetall, Titan oder Refraktäre Metalle wie beispielsweise W, Ta, Mo sowie deren Carbide in Frage. Besonders geeignet sind ebenfalls SiC und Si₃N₄.
Die Diamantabscheidung findet insbesondere mittels CVD (Chemical Vapor Deposition) in einer Methan-Wasserstoffatmosphäre statt. Die für die Dissoziation der Gase notwendige Energie wird vorteilhafterweise durch einen Heißdraht (Hot filament) zur Verfügung gestellt. Es sind aber auch Mikrowellenplasma oder Stoßentladungsanregung (Arc-Jet) möglich.
Wie oben beschrieben können zur Detektion der Partikel 222 diese mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert werden. Diese Farbstoffe werden mit einem Laser angeregt und das emittierte Licht mit dem oben näher beschriebenen Detektor gemessen.
Da Diamant transparent ist, ermöglicht die Verwendung der hier beschriebenen Partikelfilter 214, die Beleuchtung und die Detektion von unterschiedlichen Seiten erfolgen zu lassen.
Die Partikelfilter 214 mit einer Membran 312 aus Diamant 328 sind insbesondere zur Bestimmung und Messung von Viren in Medien wie Blut und Speichel besonders geeignet. Dazu werden feinere Poren 316, beispielsweise mit 50 nm Durchmesser verwendet. Poren 316 mit sehr geringem Durchmesser jenseits der Auflösungsgrenze konventioneller Belichtungs- und Strukturierungsverfahren können reproduzierbar hergestellt werden, indem ein fertiger Partikelfilter oder einer, bei dem zumindest der Diamant 328 schon strukturiert ist, mit einer weiteren Diamantschicht 334 beschichtet wird. Dadurch verengen sich Poren 316.
Zur Detektion von Bakterien im Trinkwasser kann der Lochdurchmesser 450 nm betragen. Die Membrandicke liegt dabei bei ungefähr 1 μm.
Die Poren 316 sollen eine hohe Vertikalität zur Oberfläche der Membran 12 aufweisen.
Die Rauheit der Perforation an der Innenseite der Poren 316 ist rms < 2 μm, bevorzugt rms < 100 nm und besonders bevorzugt < 50 nm.
Die Korngröße der Diamantschicht soll kleiner als 1 μm, bevorzugt kleiner als 50 nm und besonders bevorzugt kleiner als 20 nm sein.
Die Biegebruchspannung der Diamantschicht soll mehr als 1 GPa, bevorzugt mehr als 4 GPa und besonders bevorzugt mehr als 7 GPa betragen. Der E-Modul soll über 500 GPa, bevorzugt über 700 GPa und besonders bevorzugt über 1000 GPa liegen.
Der Partikelfilter 214 erlaubt eine Bakterienanreicherung in Wasser oder Luft durch einen mikromechanischen Oberflächenfilter, beispielsweise, um ein Detektionslimit einer Analyseeinrichtung zu verbessern. Durch die Verwendung von Diamant 328 in der Membran 312 besitzt der Partikelfilter 214 eine hohe chemische und mechanische Robustheit. Dies bedingt einen hohen Widerverwertungsgrad und damit einen hohen Automatisierungsgrad.
Wie dies genauer in der DE 10 2006 026 559 A1 , auf die für weitere Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird, beschrieben ist, ist der Partikelfilter in einem Detektionsverfahren verwendbar, bei dem zur Detektion bestimmter Partikel in Medien (z. B. Bakterien im Trinkwasser) das Medium durch dünne Filter gepumpt wird. Der Partikelfilter 214 hat Poren 316 mit einem so angepassten Durchmesser, dass die zu detektierenden Partikel und alle Partikel, die eben so groß oder größer sind, auf der Filteroberfläche zurückbleiben, d. h. dort angereichert werden.
Die hohe mechanische Stabilität ermöglicht die Erzeugung eines hohen Differenzdruckes zwischen beiden Seiten der Membranen, wodurch die Flussrate durch den Filter erhöht werden kann. Alternativ oder zusätzlich lässt sich die Porendichte vergrößern, um den prozentualen Anteil der Porenfläche an der gesamten Fläche des Filters zu erhöhen. Dies ist insbesondere im Hinblick auf eine Miniaturisierung des Gesamtsystems von Interesse.
Als zu filternde Medien können sowohl Flüssigkeiten als auch Gase in Frage kommen. Die 5 und 6 zeigen eine Aufsicht und ein Querschnitt durch den als Filterelement eingesetzten Partikelfilter. Die Poren sind vorzugsweise rund, können aber auch eine andere Form haben.
Um einen vollautomatischen Betrieb in einem Detektionssystem zu ermöglichen, wird ein Fluidiksystem des Detektionsystems und insbesondere das Filter nach jeder untersuchten Probe gereinigt. Dabei werden alle zuvor zu gefügten Stoffe (zu untersuchende Probe, Markierungsstoffe, Hilfsreagenzien, Schmutz und Verunreinigungen) entfernt, indem aggressive Chemikalien wie z. B. Säuren, Laugen oder Lösungsmittel zum Reinigen verwendet werden.
Im folgenden wird ein solches vollautomatisches Detektionssystem als bevorzugte Verwendung der Partikeldetektionsvorrichtung 210 anhand der 10 und 11 näher erläutert.
Das in den 10 und 11 näher dargestellte Gesamtsystem bildet eine Analyse-)Vorrichtung 70 zur automatischen Detektion von insbesondere biologischen Partikeln 222, 13 und weist als Komponenten eine Sammeleinrichtung 72, eine Transferiereinheit 74, eine Dosiereinheit 41, einen Magneten 44, eine Gruppe 76 von Reservoiren, eine Antriebseinheit 78, eine Aufschlusseinrichtung 80, eventuell mit Temperierungseinheit 82, eine Detektionseinheit 84 und eine Steuerungseinheit 86 auf.
Diese möglichen Komponenten werden im folgenden näher erläutert.
Als Sammeleinrichtung 72 ist bevorzugt ein Airsampler 30, insbesondere ein Airsampler 30 von der Firma SKC (siehe Patente US 5,902,385 und US 5,904,752 ) oder der Firma Berlin eingesetzt. Der Airsampler 30 transferiert Partikel 13, insbesondere Mikroorganismen (Bakterien, Viren) und Toxine aus einer Gasphase in eine Sammelflüssigkeit 40.
Die Transferiereinheit 74 weist bevorzugt eine Hub-Schwenkeinheit 66 auf. Da der bevorzugte Airsampler 30 modular aufgebaut ist, und insbesondere aus wenigstens zwei Bauteilen – Düsenaufsatz 64 und Sammelbehälter 36 – besteht, kann der Düsenaufsatz 64 abgetrennt und der Sammelbehälter 36 zur Anreicherungsposition transferiert werden. Hier können zum Beispiel paramagnetische Beads 16 zum Andocken an zu detektierende Partikel 13 auf genommen und mit den angedockten Partikeln angereichert werden. Ein weiteres Gefäß 62 kann wahlweise als zusätzlicher Sammelbehälter eingesetzt werden.
Die Dosiereinheit 41 ist bevorzugt als Spritze 42 ausgebildet. Mit der Dosiereinheit 41 wird z. B. Sammelflüssigkeit 40 aufgezogen.
Der Magnet 44 dient als Trenneinrichtung dazu, die paramagnetischen Beads 16 in oder an der Dosiereinheit 41 zu konzentrieren. Bei Einschalten oder Annähern des Magneten 44 werden die Beads 16 magnetisch in der Dosiereinheit festgehalten, auch wenn diese Flüssigkeit abgibt. Damit lassen sich die Beads 16 von der sie umgebenden Flüssigkeit separieren.
Die Gruppe 76 hat mehrere Reservoire (Gefäße) 91–98 mit unterschiedlichen Flüssigkeiten, die zur Prozessierung der Partikel 13 benötigt werden. Außerdem ist eine Ruheposition 99 vorgesehen. Insbesondere sind folgende Flüssigkeitsreservoire vorgesehen:

• Lösung mit paramagnetischen Beads (erstes Reservoir 91)
• Äquilibrierungslösung (zweites Reservoir 92)
• erste Aufschlusslösung (drittes Reservoir 93)
• zweite Aufschlusslösung (viertes Reservoir 94)
• Sammelflüssigkeit, z. B. Wasser (fünftes Reservoir 95)
• Reinigungslösung (sechstes Reservoir 96)
• Konservierungslösung (siebtes Reservoir 97)
• Abfallgefäß (achtes Reservoir 98)

Die Reservoire 91–98 sind bevorzugt – zusammen mit der Ruheposition 99 sowie der Sammeleinrichtung 72 – auf einer Linie ausgerichtet. Dadurch lässt sich die Dosiereinheit 41 zwischen den Reservoiren 91–98, eventuell der Ruheposition 99 und der Sammeleinrichtung 72 linear mittels eines einfach aufgebauten Linearantriebes 100 bewegen.
Außerdem kann dann das Gesamtsystem einfach erweitert oder verkleinert werden (je nach Einsatzzweck).
Die Antriebseinheit 78 weist die im folgenden unter F) bis I) erläuterten Antriebe auf:

F) einen Linearantrieb 100 mit Einheit 102 zur Aufnahme der Dosiereinheit 41 zur Ansteuerung aller Positionen (bevorzugt in nur einer Dimension, hier in X-Richtung);
G) eine erste Bewegungseinheit (erster Motor 104) zur Bewegung der Dosiereinheit 41 (bevorzugt zum Bewegen der Spritze 42) in Z-Richtung – erste Bewegung 112 –;
H) eine zweite Bewegungseinheit (zweiter Motor 106) zur Flüssigkeitsdosierung (bevorzugt zur Bewegung eines Spritzenkolbens 50) – zweite Bewegung 114 – und
I) eine dritte Bewegungseinheit (dritter Motor 108) zum Annähern oder Entfernen des Magneten 44 (z. B. in Z-Richtung) – dritte Bewegung 116.

Die Aufschlusseinrichtung 80 weist bevorzugt ein Ultraschallgerät 56, insbesondere in Form eines Ultraschallbads 110, für den mechanischen Aufschluss der Partikel, insbesondere Mikroorganismen, auf. Das Ultraschallbad 110 ist mit Flüssigkeit gefüllt, und die Dosierungseinheit 41 kann in diese Flüssigkeit eintauchen. In einer zweiten Funktion kann das Ultraschallbad 110, bei geringer Leistung, zur Resuspendierung der paramagnetischen Beads 16 verwendet werden.
Die Aufschlusseinrichtung 86 weist in dem dargestellten Beispiel weiter eine Temperierungseinheit 82 auf, die gemeinsam oder separat mit dem Ultraschallbad 110 betrieben werden kann. Die Temperierungseinheit 82 dient zur Unterstützung biochemischer Verfahren zum Aufschluss der Partikel 13, insbesondere Mikroorganismen (z. B. enzymatischer Verdau). Auch thermische Aufschlussverfahren nahe des Siedepunkts sind mit der Temperierungseinheit möglich.
Für einen Betrieb des Gesamtsystems bei extremen Temperaturen ist eine Temperierung des Gesamtsystems vorgesehen. Insbesondere werden die Reagenzienreservoire 91–97, das Abfallgefäß 98 und der Sammelbehälter 36 mittels einer hier als beispielhaft als Heizspule angedeuteten zweiten Temperiereinheit 119 temperiert.
Die Detektionseinheit 84 ist am Ende der Prozesskette vorgesehen und weist die Partikeldetektionsvorrichtung 210 mit dem Partikelfilter 214 auf. Hierzu ist als Haltevorrichtung 216 drehbare Scheibe vorgesehen, in der mehrere Partikelfilter 214 zwischen einer Aufnahmeposition zum Ausfiltern der Partikel 13, 222 und (einer in 1 dargestellten) Detektionsposition bewegbar sind.
Die in 11 angedeutete Steuerungseinheit 86 dient zur Steuerung und Überwachung des Gesamtsystems. Als Steuerungseinheit 86 ist beispielsweise ein Computer oder Datenverarbeitungsgerät vorgesehen, in dem die einzelnen Steuerungsschritte zur vollautomatischen Durchführung des Detektionsverfahrens in Form von Steuerungsbefehlen als Software gespeichert sind.
Gleichzeitig ist über die Steuerungseinheit 86 ein Datentransfer beispielsweise über das Internet (online) möglich. Der Datentransfer wird zum Abgleichen der Resultate über eine Datenbank oder zur Alarmgebung benutzt. Auch eine Steuerung des Gesamtsystems ist online möglich, so dass das System über größere Distanzen betrieben werden kann.
Am Ende eines jeweiligen mit dem vorstehenden Gesamtsystem – Vorrichtung 70 – durchgeführten Samplings ist die Übergabe der Beads 16 in oder auf die Detektionseinheit 84.
Hierzu werden die Beads 16 auf die Membran 312 des Partikelfilters 214 aufgebracht, dessen Oberfläche 220 dann in der Partikeldetektionsvorrichtung 210 als Detektionsplattform genutzt werden kann. Hierzu sind insbesondere die Beads 16 derart ausgewählt, dass sie eine größere Ausdehnung als die Größe der Poren 316 haben. In der Partikeldetektionsvorrichtung 210 wird dann das oben erwähnte Partikeldetektionsverfahren zur Messung der Anzahl der Partikel 13 durchgeführt.
Auch eine Verwendung nicht paramagnetischer Beads 16 ist in dem Gesamtsystem denkbar. Eine Anreicherung der Beads nach dem „Air-Sampling” könnte anstatt mittels eines magnetischen Feldes über eine poröse Membran, bevorzugt einem mikromechanischen Filter, erfolgen.
Hierzu wird bei einer nicht näher dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung 70 der Partikelfilter 214 als Trenneinrichtung eingesetzt. Dieser Partikelfilter 214 hält aufgrund der Größe der Poren 316 die Beads 16 zurück, lässt aber Flüssigkeiten passieren lassen. Demzufolge könnten sämtliche Wasch- und Detektionslösungen, die für eine Analyse, eine Detektion spezieller Partikel oder einen Aufschluss erforderlich sind, beispielsweise sämtliche Wasch- und Detektionslösungen, die für eine Immunodetektion (ELISA) notwendig sind, über diese mikromechanische Partikelfilter 214 gepumpt werden. Hierzu ist es für die chemische Stabilität sehr hilfreich, dass die Membran 312 aus Diamant 328 besteht oder damit überzogen ist.
Die auf der Oberfläche 220 des Partikelfilters 214 insbesondere mittels der Beads 16 entsprechend zurückgehaltenen und eventuell aufbereiteten Partikel 13, 222 werden dann mittels der Partikeldetektionsvorrichtung 210 gezählt.
Sämtliche oben mit Bezug zu einzelnen Ausführungsformen erläuterte Merkmale und Verfahrensschritte können beliebig miteinander kombiniert werden; sie können kumuliert an einer Partikeldetektorvorrichtung 10 oder einem Verfahren oder einzeln an unterschiedlichen Ausführungen vorhanden sein.

13: Partikel (insbesondere Mikroorganismus)
16: Bead
30: Airsampler
36: Sammelbehälter
40: Sammelflüssigkeit (Anreicherungsflüssigkeit)
41: Dosiereinheit
42: Spritze
44: Magnet
50: Spritzenkolben
62: weiteres Gefäß
64: Düsenaufsatz
66: Hub-Schwenkeinheit
70: Vorrichtung (Gesamtsystem)
72: Sammeleinrichtung
74: Transferiereinheit
76: Gruppe von Reservoiren
78: Antriebseinheit
80: Aufschlusseinrichtung
82: Temperiereinheit
84: Detektionseinheit
86: Steuerungseinheit
91: erstes Reservoir (Beads; Lösung mit paramagnetischen Beads)
92: zweites Reservoir (Äquilibrierungslösung)
93: drittes Reservoir (erste Aufschlusslösung)
94: viertes Reservoir (zweite Aufschlusslösung)
95: fünftes Reservoir (Sammelflüssigkeit, zum Beispiel Wasser, H₂O)
96: sechstes Reservoir (Reinigungslösung)
97: siebtes Reservoir (Konservierungslösung)
98: Abfallgefäß
99: Ruheposition
100: Linearantrieb
102: Einheit zur Aufnahme der Dosiereinheit
104: erster Motor
106: zweiter Motor
108: dritter Motor
110: Ultraschallbad
112, Z1: erste Bewegung (Spritze in Z-Richtung)
114, Z2: zweite Bewegung (Spritzenkolben in Z-Richtung)
116, Z3: dritte Bewegung (Magnet in Z-Richtung)
118: Rückstrom zur Pumpe
119: zweite Temperiereinheit
210: Partikeldetektorvorrichtung
212: Filterelement
214: Partikelfilter
216: Haltevorrichtung
218: Lichtdetektor
220: Oberfläche
222: Partikel
224: Kommunikationseinrichtung
226: Auswerteeinrichtung
228: Lichtsensor
230: CCD-Array
232: optische Fokussierungseinrichtung
234: Lichtquelle
234a: Alternativposition
234b: Alternativposition
234c: Alternativposition
236: Glasdecke
238: erstes Linsensystem
240: zweites Linsensystem
242: drittes Linsensystem
244: erster Filter
246: zweiter Filter
248: Strahlteiler
312: Membran
314: Träger
316: Pore
318: Randbereich
320: Durchflussbereich
322: Siliziumwafer
323: Silizium
324: SiO₂
326: Ätzmaske
328: Diamant
330: Vorderseite
332: Rückseite
334: Diamantschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102006026559 A1 [0105]
- US 5902385 [0112]
- US 5904752 [0112]

Claims

Partikeldetektorvorrichtung (210) zur optischen Ermittlung einer Anzahl von an einer Oberfläche (220), insbesondere eines Partikelfilters (214), angeordneten Partikeln (222, 13), mit einem ortsauflösenden Lichtdetektor (218), einer Lichtquelle (234), einer optischen Fokussierungseinrichtung (232) und einer Auswerteeinrichtung (226), wobei der ortsauflösende Lichtdetektor (218) Lichtsensoren (228) aufweist, die Helligkeitswerte messen, wobei der Lichtdetektor (218) zur Erzeugung von digitalen Bilddaten aus den von den Lichtsensoren (228) gelieferten Helligkeitswerten ausgebildet ist.
Partikeldetektorvorrichtung (210) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtsensoren (228) als wenigstens eine integrierte Schaltung und/oder als CCD, als CMOS oder als Diodenarray ausgeführt sind.
Partikeldetektorvorrichtung (210) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (234) eine LED aufweist.
Partikeldetektorvorrichtung (210) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (234) einen LASER aufweist.
Partikeldetektorvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (234) und/oder die Fokussierungseinrichtung (232) einen optischen Filter (244, 246) aufweisen.
Partikeldetektorvorrichtung (210) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Filterwechseleinrichtung zum Austausch des optischen Filters (244, 246) vorgesehen ist.
Partikeldetektorvorrichtung (210) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (234) beweglich angeordnet ist.
Partikeldetektorvorrichtung (210) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Lichtsensoren (228) oder Lichtsensoreinheiten in einem Raster angeordnet sind, wobei ein Strahlteiler (248) zur Aufteilung des Bildes der Oberfläche (220) auf die Lichtsensoreinheiten vorgesehen ist und die Auswerteeinrichtung zur Erstellung eines Gesamtbildes aus den Bilddaten der Lichtsensoreinheiten ausgebildet ist.
Partikeldetektorvorrichtung (210) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikeldetektorvorrichtung eine Positioniereinrichtung aufweist, an der wenigstens einer der Lichtsensoren (228) zur Positionierung relativ zu der Oberfläche (220) befestigt ist.
Partikeldetektorvorrichtung (210) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung einer CCD-Zeile zum Bilden der Lichtsensoren (228) eine Ablenkungsvorrichtung vorgesehen ist, die unterschiedliche Abschnitte des Bildes der Oberfläche (20) auf die CCD-Zeile abbildet.
Partikeldetektorvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (214) mit einer Membran (312) vorgesehen ist, die eine Vielzahl an Poren (316) zum Filtern der Partikel (222, 13) aus einem Medium aufweist, wobei wenigstens ein für das zu filternde Medium zugänglicher Teilbereich einer Oberfläche der Membran (312) aus einem Kohlenstoffmaterial mit Diamantstruktur gefertigt oder damit beschichtet ist.
Partikeldetektorvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (312) vollständig aus dem Kohlenstoffmaterial gefertigt ist.
Partikeldetektorvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (312) aus Diamant (328) gefertigt ist.
Partikeldetektorvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (214) zumindest an dem die Oberfläche (220) bildenden Teilbereich aus transparentem Material gebildet ist.
Vorrichtung (70) zur automatischen Detektion von Partikeln (13), insbesondere biologischen Partikeln wie Mikroorganismen, mit einer Einrichtung zum Verbinden der Partikel (13) mit selektiv an die Partikel anbindbaren Trennpartikelkörpern, einer Einrichtung zum Extrahieren der Trennpartikelkörpern (16) mit angebundenen Partikeln (13) aus einer Sammelflüssigkeit (40) und einer Partikeldetektionsvorrichtung (214) nach einem der voranstehenden Ansprüche als Detektionseinheit (84) zum Erfassen einer Anzahl und/oder Konzentration der derart getrennten Partikel (13), wobei die Einrichtung zum Verbinden der Partikel (13) mit den Trennpartikelkörpern eine Sammeleinrichtung (72) zum Sammeln der Partikel (13) aus einem zu untersuchenden Partikel-Fluidgemisch ist, die durch das Partikel-Fluidgemisch durchströmbar ist und automatisch mit einer mit den Trennpartikeln (16) versetzten Sammelflüssigkeit (40) befüllbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Dosiereinheit (41), die automatisch gesteuert mit vorbestimmten Volumen befüllbar ist und die zum Befüllen der Sammeleinrichtung (72) mit Sammelflüssigkeit (40) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinheit (41) die Trenneinrichtung aufweist, welche derart automatisch schaltbar ausgebildet ist, dass Trennpartikelkörper (16) wahlweise in der Dosiereinheit festgehalten werden oder mit dem dosierten Volumen ausgeschieden werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinheit (41) eine Spritze (42) oder Pipette aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinheit (41) mittels einer Antriebseinheit (78) zwischen der Sammeleinrichtung und der Detektionseinheit automatisch gesteuert bewegbar ist.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Gruppe (76) von Reservoiren für unterschiedliche Mittel zur Durchführung unterschiedlicher Schritte des Detektionsvorganges.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppe von Reservoiren eine Mehrzahl von Mittel enthält, die aus der folgenden Gruppe von Mitteln ausgewählt sind: Trennpartikelkörperlösung (91), Äquilibrierungslösung (92), Aufschlusslösung (93, 94), Sammelflüssigkeit (40; 95), Reinigungslösung (96) und/oder Konservierungslösung (97).
Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Gruppe (76) von Reservoiren eine Einrichtung zum Entsorgen von Abfällen, insbesondere ein Abfallgefäß (98) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16 und nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinheit (41) mittels der Antriebseinheit (78) wählbar zu unterschiedlichen Reservoiren (91–99) der Gruppe (76) von Reservoiren bewegbar ist, um Mittel aufzunehmen oder abzugeben.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens einen steuerbaren Motor (104, 106, 108) zum Antreiben einer Dosiereinheit (41) zur dosierten Aufnahme und Abgabe von Flüssigkeiten.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung zum Zusammenwirken mit paramagnetischen Beads (16) als Trennpartikelkörper einen automatisch gesteuert schalt- oder bewegbaren Magneten (44) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (44) an einer Wandung einer Dosierkammer der Dosiereinheit (41) und/oder an einem Kolbenboden eines Kolbens (50) der Dosiereinheit (41) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (44) ein Permanentmagnet ist, der durch einen automatisch gesteuerten Motor wahlweise in eine erste Position zum Festhalten der Beads (16) und in eine zweite Position zum Loslassen der Beads (16) bewegbar ist.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung einen mikromechanischen Filter (214) mit Poren (316) aufweist, deren Durchmesser größer als der Durchmesser der Partikel (13), aber kleiner als der Durchmesser der einzusetzenden Trennpartikelkörper (16) ist.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammeleinrichtung (72) eine insbesondere durch einen Airsampler (30) gebildete Gassammeleinrichtung zum Überführen der Partikel (13) aus einem mit den Partikeln beladenen Gas in eine Sammelflüssigkeit (40) aufweist, wobei die Sammelflüssigkeit (40) mit den Trennpartikelkörpern (16) beladen ist.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammeleinrichtung (72) einen separaten Sammelbehälter (36) zur Aufnahme der mit Trennpartikelkörpern (16) beladenen Sammelflüssigkeit hat, der mittels einer Transferiereinheit (74) automatisch zwischen einer Sammelposition, in der das Partikel-Fludigemisch (39) durch die Sammelflüssigkeit (40) leitbar ist, und einer Be-/Entladeposition zwecks Aufnahme der Sammelflüssigkeit (40) und/oder Entnahme von Proben bewegbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Transferiereinheit (74) eine Hub-Schwenkeinheit (66) zum Anheben und Senken und zum Verschwenken zwischen den wählbaren Positionen für den Sammelbehälter (36) aufweist.
Partikeldetektionsverfahren zur optischen Ermittlung einer Anzahl von an einer Oberfläche (220), insbesondere eines Partikelfilters (214), angeordneten Partikeln (222, 13) mittels einer Partikeldetektorvorrichtung (210) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mit den folgenden Schritten: a) Beleuchtung der Oberfläche (220) mit der Lichtquelle (234); b) Aufnahme eines Bildes der Oberfläche (220) durch die Detektoreinrichtung und Übermittlung der Bilddaten und c) Zählung der Partikel (222, 13) anhand der Bilddaten durch die Auswerteeinrichtung.
Partikeldetektionsverfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Zählung der Partikel (222, 13) ein Referenzbild der Oberfläche (220) ohne Partikel (222, 13) aufgenommen wird.
Partikeldetektionsverfahren nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Bilder der Oberfläche (220) aufgenommen werden und zwischen den Aufnahmen die Position der Lichtquelle (234) verändert wird.
Partikeldetektionsverfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Bilder der Oberfläche (220) aufgenommen werden und zwischen den Aufnahmen die Art und/oder die Anzahl der verwendeten optischen Filter verändert wird.
Partikeldetektionsverfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (220) zur Detektion fluoreszierender Partikel (222, 13) zunächst von einem Lichtpuls der Lichtquelle (234) bestrahlt wird und nach Abklingen des Lichtpulses ein Bild der Oberfläche (220) aufgenommen wird.
Partikeldetektionsverfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung die Bilder gemeinsam auswertet und daraus eine Partikelanzahl berechnet.
Verfahren zum automatischen Detektieren von insbesondere biologischen Partikeln in einem Partikel-Fluidgemisch, durchführbar mit einer Vorrichtung (70) nach einem der Ansprüche 15 bis 33, mit: – einem Sammel- und Reaktionsschritt, in dem die biologischen Partikel (13) in einer Sammelflüssigkeit (40) gesammelt werden, die mit sich an bestimmte zu detektierende Partikel (13) anbindende Trennpartikelkörpern (16) beladen ist, so dass sich die Trennpartikelkörper simultan zum Sammeln der Partikel an die Partikel (13) anbinden, – einem Extraktions- und Anreicherungsschritt, in dem die Trennpartikelkörper (16) mit den daran angebundenen zu detektierenden Partikeln (13) von der Sammelflüssigkeit (40) getrennt und in einem wesentlich kleinerem Volumen angereichert werden, und – einem Detektionsschritt zum Erfassen der Anzahl und/oder der Konzentration der separierten Partikel (13), wobei der Detektionsschritt Durchführen eines Partikeldetektionsverfahrens nach einem der Ansprüche 34 bis 39 umfasst.
Verfahren nach Anspruch 38, gekennzeichnet durch Durchführen des Extraktions- und Anreicherungsschritt in einer Dosiereinheit, die dosiert mit der mit den Partikeltrennkörpern und den daran gebundenen zu detektierenden Partilkeln (13) beladenen Sammelflüssigkeit (40) und mit flüssigen Mitteln zum Extrahieren und Anreichern der Partikeltrennkörper (16) befüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass in der Dosiereinheit (41) die Partikeltrennkörper (16) mittels Schalten einer Trenneinrichtung (44) festgehalten werden, während Flüssigkeit aus der Dosiereinheit (41) abgegeben wird.