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Die
vorliegende Erfindung umfasst eine Inkubatorvorrichtung mit einer
Inkubatorkammer und einer darin angeordneten Probenaufnahme zur
Aufnahme einer Probe, sowie ein Inkubationsverfahren und ein Verfahren
zur mikroskopischen Untersuchung oder/und Vermessung einer Probe
unter Verwendung eines solchen Inkubationsverfahrens.
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Inkubatorvorrichtungen
und Inkubationsverfahren der genannten Art sind im Stand der Technik bekannt
und kommen in Industrie und Forschung überall dort zum
Einsatz, wo biologische oder medizinische Materialien oder andere
Substanzen oder Objekte (im Folgenden allgemein als „Proben” bezeichnet) über
einen bestimmten Zeitraum einem definierten Klima ausgesetzt werden
sollen. Beispielsweise ist für die Untersuchung von lebenden
Zellen, etwa mittels eines Mikroskops, die Bereitstellung von an
die Probe angepassten Umgebungsbedingungen eine entscheidende Voraussetzung
für aussagekräftige Untersuchungsergebnisse und
stellt dementsprechend eine wichtige technologische Herausforderung
bei der Realisierung solcher Messungen bzw. Untersuchungen dar.
Großen Einfluss auf das Verhalten biologischer Proben haben
dabei Temperatur und Feuchtigkeit. Das durch diese Parameter definierte
Klima muss für die Dauer der Untersuchung der Probe möglichst
konstant gehalten werden, um einerseits die Probe an sich nicht
zu verändern und andererseits Wechselwirkungen des Klimas
mit den verwendeten Mess- oder Untersuchungsinstrumenten weitestgehend
zu reduzieren.
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Eine
Inkubatorvorrichtung zur Einstellung eines solchen definierten Klimas
ist aus der
WO 2005/030394
A1 bekannt. Diese Vorrichtung weist ausreichende Größe
auf, um einen Teil einer Mikroskopanordnung zu umschließen
und ausreichend Platz für eine bequeme Handhabung der Probe
innerhalb der Inkubatorkammer sicherzustellen. Eine gewünschte
Innenraumtem peratur wird durch Einleiten eines klimatisierten Gases
in das Innere der Inkubationskammer erreicht, wobei der temperierte
Gasstrahl in Richtung der Probenhalterung orientiert ist, so dass
die Probe in dem Gasstrahl erwärmt bzw. gekühlt
werden kann.
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Die
relativ große Inkubatorkammer der aus der
WO 2005/030394 A1 bekannten
Inkubatorvorrichtung hat den Vorteil, dass darin verschiedene zusätzliche
Vorrichtungen, beispielsweise für eine in-situ-Präparation
von Proben oder für zusätzliche Messungen bzw.
Untersuchungen untergebracht werden können und somit eine
vielseitig einsetzbare Inkubatorvorrichtung bereitgestellt wird.
Ein Hauptnachteil dieser Vorrichtung sowie anderer relativ großer
Inkubatorkammern liegt in der Schwierigkeit, eine homogene Temperaturverteilung
oder eine zuverlässige, definierte Temperatur am Ort der
Probe aufrecht zu erhalten. Zur Temperierung des relativ großen
Kammervolumens ist ein ausreichend hoher Luftstrom erforderlich,
dem auch die Probe ausgesetzt ist und der zu undefinierten, größeren
Temperaturgradienten im Inneren der Inkubatorkammer führt.
Dabei wird die Bildung von Temperaturgradienten durch die Kombination
eines kleinen Gaseintrittsbereichs für das Befeuchtungsgas
mit einem relativ großen Innenraumvolumen weiter unterstützt.
Letztendlich kann nicht ausgeschlossen werden, dass Probenteile
an unterschiedlichen Positionen in der Inkubatorkammer sich unter
verschiedenen Klimabedingungen befinden oder sich das Klima in der
Inkubatorkammer an der Probenposition im Verlaufe der Messung ändert,
wodurch die Aussagekraft und Genauigkeit der durchgeführten
Messungen bzw. Untersuchungen erheblich beeinträchtigt
werden.
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Eine
aus der
DE 10
2005 033 927 A1 bekannte Inkubatorvorrichtung verwendet
eine äußere Inkubatorkammer, in welcher eine innere
Inkubatorkammer untergebracht ist, wobei in der inneren Inkubatorkammer
eine Probenhalterung zur Aufnahme einer zu untersuchenden Probe
angeordnet ist. Die innere Inkubatorkammer steht in Kontakt mit
einer außerhalb der Inkubatorkammer angeordneten beheizbaren
Zwischenplatte, so dass Wärme über Wärmeleitung
durch die Probenhalterung in die Probe eingeleitet werden kann,
um die Probe zu erwärmen.
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Unter
Verwendung einer kleineren Inkubatorkammer, wie der aus der
DE 10 2005 033 927
A1 bekannten Inkubatorkammer, lässt sich ein räumlich und
zeitlich konstantes Klima zwar einfacher einstellen bzw. aufrecht
erhalten, jedoch weisen solche Inkubatorvorrichtungen nur äußerst
begrenzte Flexibilität in Bezug auf die Durchführung
der Untersuchungen oder Messungen auf, da für zusätzliche
Gerätschaften oder zur Handhabung (Präparation)
der Probe nicht ausreichend Platz zur Verfügung steht. Oftmals
sind kleinere Inkubatorvorrichtungen für die Einmalpräparation
der Proben vor dem Beginn der Untersuchungen eingerichtet und erlauben
nach dem Verschließen der Inkubatorkammer keinen Zugang mehr
zur Probe.
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Vor
diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Inkubatorvorrichtung sowie ein Inkubationsverfahren bereitzustellen,
mit welchem eine Probe während einer vorbestimmten Zeitdauer
einem definierbaren, über die Probenoberfläche
hinweg konstanten Klima ausgesetzt werden kann, während
ein Mindestmaß an Flexibilität im Hinblick auf
den Einsatzzweck und den Betrieb der Inkubatorvorrichtung gewährleistet
bleibt.
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Nach
einem ersten Aspekt wird diese Aufgabe gelöst durch eine
Inkubatorvorrichtung, umfassend eine Inkubatorkammer, eine Probenaufnahme, welche
dazu eingerichtet ist, eine Probe aufzunehmen und im Inneren der
Inkubatorkammer an einer Probenposition zu positionieren, eine Heizanordnung mit
mindestens einem Heizelement, welches innerhalb der Inkubatorkammer
angeordnet ist und Wärme an das Innere der Inkubatorkammer
abgibt, eine Befeuchtungseinrichtung zur Erzeugung eines Befeuchtungsfluids,
sowie eine zwischen der Befeuchtungseinrichtung und dem Inneren
der Inkubatorkammer angeordnete Übertrittsöffnung,
durch die das Befeuchtungsfluid in das Innere der Inkubatorkammer übertreten
kann, wobei das Innere der Inkubatorkammer zumindestens an der Probenposition
im Wesentlichen frei von gerichteter Fluidströmung ist.
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Unter
einem Fluid, insbesondere einem Befeuchtungsfluid, wird im Rahmen
dieser Offenbarung ein Gas oder jede Mischform zwischen Gas und
Flüssigkeit verstanden. Ein Befeuchtungsfluid kann ein gasförmiges
Medium mit einer Feuchtigkeit in einem gewünschten Bereich
sein, kann jedoch auch in Form eines Nebels, eines Dampfes oder
eines Aerosols mit einer Vielzahl von fein darin verteilten Flüssigkeitsteilchen
im Mikrometerbereich vorliegen. Das Befeuchtungsfluid kann darüber
hinaus auch eine gegenüber der Umgebung niedrigere Feuchtigkeit
aufweisen, um auf diese Weise die Feuchtigkeit in der Probenumgebung
zu reduzieren.
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Die
Erfindung beruht auf der in zahlreichen Experimenten der Erfinder
gewonnenen Erkenntnis, dass durch die von den Klimatisierungsgeräten
herkömmlicher Inkubatorvorrichtungen im Inneren der Inkubatorkammer
zwangsläufig erzeugten Gasströmungen der zeitliche
Verlauf der Temperatur und Feuchtigkeit an der Probenposition sowie
ein Gradient der Temperatur und Feuchtigkeit über die Fläche der
Probe hinweg zu einer Beeinträchtigung der Mess- und Untersuchungsergebnisse
führt. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung
wird dagegen vorgeschlagen, sowohl Feuchtigkeit als auch Temperatur der
Probe im Wesentlichen ohne jegliche Fluidströmung am Ort
der Probe zu beeinflussen.
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Eng
verknüpft mit dieser Erfindungsidee sind zwei wesentliche
Prinzipien, die in der erfindungsgemäßen Inkubatorvorrichtung
verwirklicht wurden:
Zum einen kann durch Anordnen einer Heizanordnung
mit mindestens einem Heizelement innerhalb der Inkubatorkammer,
welches Wärme an das Innere der Inkubatorkammer abgibt,
eine Temperierung der Probe bzw. des Innenraums der Inkubatorkammer gänzlich
ohne die Bereitstellung eines durch den Innenraum zu leitenden Wärmeübertragungsgases oder
dergleichen erreicht werden. Das mindestens eine Heizelement strahlt
seine Wärme direkt in das Innere der Inkubatorkammer bzw.
auf die Probe ab, d. h. die wirksame Heizoberfläche des
Heizelements liegt zum Innenraum hin frei, so dass die Probentemperatur
schnell und genau beeinflussbar ist, ohne eine die Konstanz des
Klimas beeinträchtigende Fluidströmung zu verwen den.
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Das
zweite wichtige Prinzip ist die Trennung von Temperatursteuerung
und Feuchtigkeitssteuerung durch Bereitstellen einer von der Heizanordnung
separaten Befeuchtungseinrichtung. Auch die Befeuchtungseinrichtung
arbeitet nach dem erfindungsgemäßen Prinzip, Fluidströmungen
an der Probenposition im Inneren der Inkubatorkammer weitestgehend
zu vermeiden, jedenfalls jedoch am Ort der Probe eine im Wesentlichen
vollständig strömungsfreie Umgebung aufzubauen.
Dies wird dadurch erreicht, dass die Befeuchtungseinrichtung über
eine Übertrittsöffnung von der Inkubatorkammer getrennt
ist und das Befeuchtungsfluid durch diese Übertrittsöffnung
in die Inkubatorkammer übertritt, seine gerichtete Strömung
jedoch nach dem Eintreten in die Inkubatorkammer bald verliert,
so dass zumindest die unmittelbare Umgebung der Probe nahezu vollständig
strömungsfrei bleibt.
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Unter
einem strömungsfreien Zustand in der Umgebung der Probe
ist im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Zustand zu verstehen,
in welchem Wärme, Feuchtigkeit oder andere das Klima an
der Probenposition beeinflussende Parameter nicht durch eine wie
auch immer gerichtete Strömung signifikant geändert
werden, welche auf die Einleitung des Befeuchtungsfluids zurückzuführen
ist. Hiervon zu unterscheiden ist eine ggf. vorhandene Konvektionsströmung
im Inneren der Inkubatorkammer, welche beispielsweise von der durch
die Heizelemente erzeugten Wärme verursacht wird. Auch
andere langsame Strömungen, wie z. B. Diffusion aufgrund der
thermischen Eigenbewegung der Gas- oder Flüssigkeitsteilchen
in der Inkubatorkammer und Brownsche Bewegung, können erfindungsgemäß genutzt werden,
um das Befeuchtungsmedium in der Inkubatorkammer zu verteilen und
auch der Probe zuzuführen, ohne an der Probenposition eine
das Probenklima destabilisierende Strömung zu erzeugen.
Solche Konvektions- oder Diffusionsströme führen
mit deutlich geringeren Strömungsgeschwindigkeiten zu einer
natürlichen Gasumwälzung im Inneren der Inkubatorkammer,
sind jedoch so schwach und langsam, dass sie die Präzision
und zeitliche Konstanz des Klimas an der Probenposition kaum beeinträchtigen.
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Vorzugsweise
tritt das Befeuchtungsfluid an der Übertrittsöffnung
in gerichteter Strömung in das Innere der Inkubatorkammer
ein, wobei die Geschwindigkeit, mit welcher das Befeuchtungsfluid
die Übertrittsöffnung passiert, so eingestellt
ist, dass das Befeuchtungsfluid vor und in der Übertrittsöffnung
in gerichteter Strömung strömt und dass nach dem
Passieren der Übertrittsöffnung, im Inneren der
Inkubatorkammer, die gerichtete Strömung des Befeuchtungsfluids
innerhalb eines kurzen Übergangsbereichs im Wesentlichen
auf Null abfällt. Der Geschwindigkeitsbereich zur Erfüllung
dieser Bedingung hängt von der Geometrie und den Betriebsdaten
der Inkubatorkammer ab. Einen genauen Wert kann der Fachmann durch
einfache Messung an einer konkreten Inkubatorkammer leicht feststellen, beispielsweise
durch Verwendung eines Strömungssensors am Ort der Probe
oder durch ein eingefärbtes Befeuchtungsfluid in Kombination
mit der Veränderung der Übertrittsgeschwindigkeit
des Befeuchtungsfluids in die Inkubatorkammer.
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In
einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass
die Probenaufnahme dazu eingerichtet ist, eine Probe im Inneren
der Inkubatorkammer an einer Probenposition zu positionieren, welche von
der Übertrittsöffnung einen vorbestimmten Abstand
aufweist, wobei die Länge des Übergangsbereichs
in Übertrittsrichtung der Übertrittsöffnung
einen Betrag aufweist, der zwischen ungefähr 0 und ungefähr
1/4, vorzugsweise zwischen ungefähr 1/100 und ungefähr
1/10 des vorbestimmtem Abstands liegt. Untersuchungen der Erfinder
haben gezeigt, dass im Bereich zwischen ungefähr 0 und
ungefähr 1/10 des vorbestimmten Abstands eine deutliche
Verbesserung der zeitlichen und räumlichen Konstanz des
Klimas an der Probenposition auftritt. Besonders gute Ergebnisse
für spezielle Qualitätsansprüche lassen
sich im Bereich zwischen ungefähr 1/100 bis ungefähr
1/10 erreichen, wobei für Werte unterhalb 1/100 die Übertrittsströmung
so gering ist, dass ein sicherer und kontinuierlicher Übertritt
des Befeuchtungsfluids in die Inkubatorkammer gefährdet
ist, während für Werte über 1/10 ein
zunehmender Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf das Probenklima
festgestellt wurde.
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Aber
auch unabhängig von der genauen Größe
der Inkubatorkammer konnte festgestellt werden, dass die Länge
des Übergangsbereichs in Übertrittsrichtung der Übertrittsöffnung
vorteilhaft zwischen ungefähr 0 cm und ungefähr
10 cm liegen sollte, wobei besonders gute Ergebnisse für
höhere Anforderungen an die Konstanz des Klimas für
einen Bereich der Länge des Übergangsbereichs
zwischen ungefähr 1 cm und ungefähr 3 cm erfüllt
werden. Unterhalb von ungefähr 1 cm steigt die Gefahr,
dass eine kontinuierliche Zuführung von Befeuchtungsfluid ausbleibt,
während für Werte über ungefähr
3 cm ein merklicher Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf
das Probenklima festgestellt wurde.
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Vorzugsweise
ist die Befeuchtungseinrichtung eine Aerosoleinrichtung, welche
auf Grundlage eines Flüssigkeitsaerosols ein Befeuchtungsfluid
erzeugt. Gegenüber alternativen herkömmlichen
Methoden zur Herstellung eines Befeuchtungsfluids (z. B. Verdampfung
von Opferflüssigkeit) zeichnet sich eine Aerosoleinrichtung
dadurch aus, dass die Flüssigkeit schnell und direkt in
Form eines Aerosols in das umgebende Gas eingebracht wird, um dieses
zu befeuchten. Das Aerosol verdampft dabei aufgrund der thermischen
Energie des umgebenden Gases relativ schnell. Diese Verdampfung
kann bereits unmittelbar nach der Erzeugung der Aerosolkügelchen, also
noch vor dem Übertritt in die Inkubatorkammer, erfolgen
oder/und kann erst innerhalb der Inkubatorkammer stattfinden.
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Die
Aerosoleinrichtung kann ferner ein Piezoschwingelement aufweisen,
um aus einer Betriebsflüssigkeit das Flüssigkeitsaerosol
zu erzeugen. Ein solches Piezoschwingelement kann besonders leicht
und schnell angesteuert werden und erzeugt aufgrund seiner Hochfrequenzschwingung sehr
schnell Aerosolteilchen im Bereich von wenigen Mikrometern ausgehend
von der Betriebsflüssigkeit. Eine Feuchtigkeitsregulierung
unter Verwendung einer solchen Aerosoleinrichtung ist äußerst
schnell und kann genau reguliert oder ein- bzw. ausgeschaltet werden.
Gleichzeitig ist sie ausschließlich für die Feuchtigkeitsregulierung
verantwortlich und beeinflusst somit nicht die Temperatur der Probe.
Befeuchtungsregulierung und Temperierung der Probe sind erfindungsgemäß entkoppelt.
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Vorzugsweise
weist die Inkubatorvorrichtung ferner eine Fluidantriebseinrichtung
zur Erzeugung einer gerichteten Strömung des Befeuchtungsfluids mit
vorbestimmter Geschwindigkeit zur Übertrittsöffnung
hin auf. Die von der Fluidantriebseinrichtung dem Befeuchtungsfluid
verliehene Geschwindigkeit ist dabei nach den oben genannten Kriterien
so gewählt, dass im Inneren der Inkubatorkammer, zumindest
jedoch im näheren Umfeld der Probe, keine über die
langsame Konvektionsströmung hinausgehende Strömung
des Befeuchtungsfluids mehr vorhanden ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform umfasst die Inkubatorvorrichtung
eine Gasauslassöffnung, welche separat von der Übertrittsöffnung
vorgesehen ist, so dass Gas durch die Gasauslassöffnung
aus der Inkubatorkammer austreten kann. Auf diese Weise kann ein
Innendruck in der Inkubatorkammer beeinflusst werden und z. B. konstante
Druckverhältnisse im Inneren der Inkubatorkammer erhalten
werden. Die Gasauslassöffnung kann vorteilhaft mit der Übertrittsöffnung
oder mit der Befeuchtungseinrichtung über einen Zirkulationskanal
verbunden sein, so dass aus der Gasauslassöffnung austretendes
Gas wieder zu der Übertrittsöffnung bzw. zu der
Befeuchtungseinrichtung zurückgeführt werden kann.
Die Fluidantriebseinrichtung kann dann in dem Zirkulationskanal oder
zwischen Aerosoleinrichtung und Übertrittsöffnung
angeordnet sein, so dass sie einen geschlossenen, kontinuierlichen
Gaskreislauf verursacht. Wenn die Fluidantriebseinrichtung eine
Saugeinrichtung aufweist, um Fluid aus der Inkubatorkammer in den Zirkulationskanal
anzusaugen, so lässt sich eine definierte Strömungsgeschwindigkeit
mit einfachen, an sich bekannten Mitteln realisieren.
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Die
von der Fluidantriebseinrichtung erzeugten Strömungsgeschwindigkeiten
sind dabei erfindungsgemäß so gewählt,
dass sie zwar einen kontinuierlichen Übertritt des Befeuchtungsfluids
in die Inkubatorkammer sicherstellen, die Strömungsverhältnisse
im Inneren der Inkubatorkammer aber im Wesentlichen nicht beeinflussen.
Nach dem Eintritt des Befeuchtungsfluids in die Inkubatorkammer
wird das Befeuchtungsfluid in der Inkubatorkammer nahezu ausschließlich
aufgrund von Konvektionsströmungen, Brownscher Teilchenbewegung
usw. verteilt. Die Erfinder haben festgestellt, dass allein diese
quasi-zufälligen ungerichteten bzw. sehr langsamen Strömungsbewegungen
im Inneren der Inkubatorkammer ausreichend oder sogar überraschend
besser geeignet sind, um die gewünschte Feuchtigkeit an
einer Probenposition zuverlässig herzustellen und konstant
zu halten. Insbesondere haben sich die Erfinder hierbei über
das Vorurteil der Fachwelt hinweg gesetzt, ein konstantes Klima
an der Probenposition würde eine konstante, gerichtete
Strömung von Klimatisierungsgas über die Probe
erfordern.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
ist die Heizanordnung bezüglich einer vertikalen Achse
durch die Probenposition im Wesentlichen symmetrisch aufgebaut oder/und
weist bezüglich dieser Achse symmetrische Wärmeabgabecharakteristiken
auf. Die symmetrische Konfiguration der Heizanordnung bewirkt einen
im Wesentlichen nur vertikalen Temperaturgradienten innerhalb der
Inkubatorkammer, was dazu führt, dass die Temperatur der
Probe zumindest über die Probenoberfläche hinweg
konstant ist. Dabei sollen sich im Sinne der vorliegenden Erfindung
Begriffe wie horizontal, vertikal, oben, unten, seitwärts
und dergleichen auf eine normale Betriebssituation der Inkubatorkammer und
auf eine flächige Gestalt und Orientierung der Probe in
einer horizontalen Ebene beziehen. Diese Angaben sind nicht einschränkend
zu interpretieren und können ohne weiteres auch auf andere
Orientierungen oder Geometrien der Probe bzw. andere Geometrien
und Orientierungen der Inkubatorkammer analog übertragen
werden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das mindestens eine
Heizelement plattenförmig, so dass es eine relativ große
Wärmeabgabefläche aufweist. Hier wird insbesondere
an ein Flächenheizelement, z. B. ein Niedertemperatur-Flächenheizelement,
gedacht, so dass eine möglichst homogene Temperaturverteilung
im Wärmeabstrahlfeld des Heizelements erreichbar ist.
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Die
Hauptwärmeabstrahlrichtung des mindestens einen Heizelements
weist vorzugsweise zur Probenposition hin. Auf diese Weise kann
eine gut homogene Erwärmung der Probe im Wesentlichen durch
Wärmestrahlung erfolgen, was eine schnelle und genaue Temperaturführung
ermöglicht. Als besonders wirkungsvolle Anordnung hat sich
eine Ausführungsform herausgestellt, bei welcher eine Mehrzahl
von oberen Heizplatten oberhalb einer Probenebene und im Wesentlichen
symmetrisch zu einer durch die Probenposition verlaufenden Vertikalachse angeordnet
sind oder/und eine Mehrzahl von unteren Heizplatten unterhalb der
Probenebene und im Wesentlichen symmetrisch zu der Vertikalachse
angeordnet sind. In dieser Anordnung ist eine größere Umgebung
der Probe einem im Wesentlichen konstanten Temperaturfeld ausgesetzt,
wobei ein Temperaturgradient allenfalls in vertikaler Richtung auftritt.
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In
vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung
wurde eine Inkubatorvorrichtung mit im Wesentlichen strömungsfreier
Probenumgebung vornehmlich durch Wahl einer geeigneten Übertrittsgeschwindigkeit
des Befeuchtungsfluids in die Inkubatorkammer realisiert. In weiteren
Ausführungsformen der Erfindung ist jedoch ebenfalls denkbar,
zusätzlich oder alternativ zur Begrenzung der Übertrittsgeschwindigkeit
Maßnahmen zu treffen, die verhindern, dass die gerichtete
Strömung des Befeuchtungsfluids die Probenumgebung erreicht.
Eine solche Maßnahme kann die Bereitstellung einer Befeuchtungsfluid-Ablenkfläche
sein, welche in Übertrittsrichtung des Befeuchtungsfluids
der Übertrittsöffnung nachfolgend, also im Inneren
der Inkubatorkammer, angeordnet ist, so dass in die Inkubatorkammer übergetretenes
Befeuchtungsfluid auf die Befeuchtungsfluid-Ablenkfläche
trifft. Denkbar wäre außerdem die Positionierung
der Übertrittsöffnung an solcher Position innerhalb
der Inkubatorkammer, dass zwischen Übertrittsöffnung
und Probe keine geradlinige Verbindung innerhalb der Inkubatorkammer besteht.
Auf diese Weise kann die gerichtete Strömung des Befeuchtungsfluids
zumindest nicht auf direktem Wege zur Probenposition gelangen, so
dass auch bei höheren Übertrittsgeschwindigkeiten
des Befeuchtungsfluids gewährleistet werden kann, dass zumindest
die unmittelbare Probenumgebung frei von gerichteter Strömung
ist. Auch andere eine Auflösung der Strömung des
Befeuchtungsfluids innerhalb der Inkubatorkammer bewirkende Einrichtungen sind
einsetzbar.
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Die
Erfindung lässt sich mit besonderem Vorteil einsetzen,
wenn die Inkubationsvorrichtung ein Mikroskop zur Betrachtung oder/und
zur Vermessung der Probe umfasst, wobei die Probenaufnahme den Probenhalter
des Mikroskops umfasst oder bildet und wobei zumindest die Probenaufnahme
oder im Wesentlichen das gesamte Mikroskop innerhalb der Inkubatorkammer
untergebracht ist. Durch die erfindungsgemäße
Kombination von Heizanordnung und Befeuchtungsanordnung kann auch
in einer größeren Inkubatorkammer ein räumlich
und zeitlich konstantes Klima aufrecht erhalten werden, so dass
sich die Erfindung besonders gut für ein Mikroskop eignet und
gleichzeitig genug Raum für die Handhabung der Probe in
der Inkubatorkammer oder für zusätzliche Messungen/Untersuchungen
der Probe im Probenhalter des Mikroskops bereitstellt.
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Die
Erfindungsaufgabe wird ferner durch ein Inkubationsverfahren gelöst,
welches die folgenden Schritte umfasst:
- – Aufnehmen
einer Probe in einer Probenaufnahme im Inneren einer Inkubatorkammer
an einer Probenposition,
- – Betreiben von mindestens einem im Inneren der Inkubatorkammer
angeordneten Heizelement, so dass es Wärme an das Innere
der Inkubatorkammer abgibt,
- – Betreiben einer Befeuchtungseinrichtung, so dass
sie ein Befeuchtungsfluid erzeugt, sowie
- – Bewegen des Befeuchtungsfluids zu einer Übertrittsöffnung,
so dass das Befeuchtungsfluid durch diese in das Innere der Inkubatorkammer übertreten
kann, wobei die Bewegung mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit
erfolgt, die ausreichend klein ist, so dass das Innere der Inkubatorkammer
zumindestens an der Probenposition im Wesentlichen frei von gerichteter
Fluidströmung ist.
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In
dem Schritt der Bewegung des Befeuchtungsfluids zur Übertrittsöffnung
kann die Bewegungsgeschwindigkeit des Befeuchtungsfluids nach den
vorstehend für die erfindungsgemäße Inkubatorvorrichtung
genannten Kriterien eingestellt werden, um insbesondere die Größe
des Übergangsbereichs zwischen gerichteter Strömung
und Auflösung der gerichteten Strömung einzustellen.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Inkubationsverfahren werden
die Effekte und Vorteile erzielt, welche durch die entsprechenden
Merkmale der vorstehend beschriebenen Inkubationsvorrichtung erzielt
werden und oben beschrieben wurden. Das Inkubationsverfahren wird
bevorzugt mit einer erfindungsgemäßen Inkubationsvorrichtung
der oben beschriebenen Art ausgeführt.
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Die
Erfindung erstreckt sich ferner auf ein Verfahren zur mikroskopischen
Untersuchung oder/und Vermessung einer Probe, umfassend ein Inkubationsverfahren
der vorstehend genannten Art. Durch die verbesserte räumliche
und zeitliche Konstanz des Klimas in der unmittelbaren Umgebung
der Probe aufgrund des erfindungsgemäßen Inkubationsverfahrens
erzielt das Verfahren zur mikroskopischen Untersuchung oder/und
Vermessung einer Probe gemäß der Erfindung den
Vorteil, dass zuverlässigere und aussagekräftigere
Untersuchungs-/Messungsergebnisse erreichbar sind.
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Für
die tatsächliche Größe des Übergangsbereichs
haben die Erfinder einen Bereich zwischen ungefähr 0 cm
und ungefähr 10 cm, vorzugsweise einen Bereich zwischen
ungefähr 1 cm und ungefähr 3 cm als besonders
wirkungsvoll ermittelt. In dem bevorzugten Bereich zwischen ungefähr
1 cm und ungefähr 3 cm kann einerseits ein zuverlässiger Übertritt
des Befeuchtungsfluids in die Inkubatorkammer sichergestellt werden
und andererseits jegliche gerichtete Strömung an der Probenposition
aufgrund des einströmenden Befeuchtungsfluids sicher vermieden
werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbei spiels
unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher
erläutert, wobei
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1 eine
schematische Darstellung einer Inkubatorvorrichtung gemäß dem
bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
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In 1 ist
eine Inkubatorvorrichtung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
allgemein mit 10 bezeichnet und umfasst eine hermetisch
abdichtbare Inkubatorkammer 12, in welcher eine Probe 14 in
einem Probenhalter 15 an einer Probenposition P in einer
horizontalen Ebene H aufgenommen werden kann, um die Probe bei einem
vorbestimmten Klima, d. h. bei vorbestimmter Temperatur und vorbestimmter
Feuchtigkeit zu halten. Die Inkubatorkammer 12 umschließt
einen Teil eines in 1 nicht dargestellten Mikroskops
bzw. weist Fenster für den Durchgang von Betrachtungsstrahlen
für ein Mikroskop auf, so dass die Probe 14 einer
mikroskopischen Untersuchung unterzogen werden kann, während
sie dem konstanten Klima in der Inkubatorkammer 12 ausgesetzt
ist.
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Außerhalb
der Inkubatorkammer ist eine Aerosoleinrichtung 16 vorgesehen,
welche einen Wassertank 18 zur Aufnahme von Wasser als
Betriebsflüssigkeit sowie ein Piezoelement 20 in
Kontakt mit dem Wasser bzw. dem Wassertank 18 umfasst. Oberhalb
des Wassertanks 18 befindet sich eine Aerosolkammer 22,
welche das aus dem Wasser durch Anregen des Piezoelements 20 erzeugte
Aerosol 24 aufnimmt.
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Die
Aerosoleinrichtung 16 ist Teil eines geschlossenen Fluidkreislaufs 26.
In Strömungsrichtung F des Fluidkreislaufs 26 folgt
der Aerosoleinrichtung 16 ein Übertrittskanal 28,
der zu einer Übertrittsöffnung 30 führt,
an welcher der Übertrittskanal 28 in das Innere
der Inkubatorkammer 12 mündet. Die Inkubatorkammer 12 weist
ferner eine Gasauslassöffnung 32 auf, an die sich
ein Zirkulationskanal 34 anschließt, der die Gasauslassöffnung 32 mit
der Aerosoleinrichtung 16 verbindet. Im Zirkulationskanal 34, kurz
nach der Gasauslassöffnung 32, ist eine Saugeinrichtung 36 angeordnet,
welche mit vorbe stimmter Geschwindigkeit bzw. Strömungsrate
Gas aus dem Inneren der Inkubatorkammer 12 absaugt. Die
Saugeinrichtung 36 wirkt als Fluidantriebseinrichtung zur Erzeugung
einer gerichteten Strömung in dem Zirkulationskanal und
bewirkt auf diese Weise ebenfalls eine gerichtete Strömung
von Befeuchtungsfluid von der Aerosoleinrichtung 16 durch
den Übertrittskanal 28 zur Übertrittsöffnung 30 hin.
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Die
Inkubatorkammer 12 des in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiels weist im horizontalen Schnitt eine
rechteckige Grundfläche auf, während sie im Schnitt
entlang der Zeichenebene der 1 eine grob
sechseckige Gestalt hat. Die Form der Inkubatorkammer kann den Anforderungen
der konkreten Anwendung sehr flexibel angepasst werden, da die erfindungsgemäße
Konfiguration der Einrichtungen zur Klimasteuerung auch für
große Inkubatorkammern oder Inkubatorkammern mit besonderen Innengeometrien
stabile Klimaverhältnisse gewährleistet.
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Im
Inneren der Inkubatorkammer 12 sind an den Innenwänden
der Inkubatorkammer 12 zwei obere Heizelemente 38 oberhalb
der Probenebene H und zwei untere Heizelemente 40 unterhalb
der Probenebene H installiert. Die Heizelemente 38, 40 sind Niedertemperatur-Flächenheizelemente
und weisen eine besonders große Abstrahlfläche
auf. Die Abstrahlflächen der Heizelemente 38, 40 sind
zur Probenposition P hin gerichtet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
sind die Abstrahlflächen der Heizelemente 38, 40 so
groß, dass sie einen großen Teil der Innenwand
der Inkubatorkammer 12, insbesondere mehr als ein Drittel
der Innenfläche einnehmen, so dass ein konstantes Temperaturfeld
erreicht werden kann.
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Bezüglich
einer vertikalen Achse V durch die Probenposition P sind die Heizelemente 38, 40 symmetrisch
angeordnet, so dass sie einen allenfalls im Wesentlichen entlang
der vertikalen Achse V verlaufenden Temperaturgradienten erzeugen
und somit die Probentemperatur im Wesentlichen über die
gesamte Fläche der Probe 14 in der Ebene H hinweg konstant
ist.
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Im
Betrieb der Inkubatorvorrichtung 10 wird zur Erhöhung
der Feuchtigkeit im Inneren der Probenkammer 12 das Piezoelement 20 eingeschaltet, welches
daraufhin aus dem Wasser im Wassertank 18 ein Aerosol 24 erzeugt,
das sich in der Aerosolkammer 22 ansammelt. Durch den Betrieb
der Saugeinrichtung 36 und die damit erzeugte gerichtete Strömung
im Zirkulationskanal 34 wird das Aerosol 24 aus
der Aerosolkammer 22 durch den Übertrittskanal 28 zur Übertrittsöffnung 30 hin
bewegt. Aufgrund der erhöhten Umgebungstemperatur beginnt das
Aerosol 24 sofort nach seiner Erzeugung zu verdampfen.
Je nach konkret gewählten Betriebsparametern kann die Verdampfung
im Wesentlichen erst in der Inkubatorkammer 12 stattfinden,
kann bereits im Übertrittskanal 28 vonstatten
gehen oder die Verdampfung kann ggf. bereits in der Aerosolkammer 22 stattfinden
bzw. dort bereits abgeschlossen werden, bevor das Befeuchtungsfluid
in den Übertrittskanal 28 eintritt.
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Die
Saugeinrichtung 36 wird erfindungsgemäß mit
einer solchen Geschwindigkeit betrieben, dass zwar in dem Übertrittskanal 28 bis
hin zur Übertrittsöffnung 30 eine zuverlässige,
gerichtete Strömung des Befeuchtungsfluids stattfindet,
so dass das Befeuchtungsfluid zuverlässig in die Inkubatorkammer 12 eingeführt
wird, dass jedoch diese gerichtete Strömung innerhalb eines Übergangsbereichs 42, der
sich von der Übertrittsöffnung 30 in
Richtung des Übertritts bis zu einer Tiefe d in die Inkubatorkammer 12 hinein
erstreckt, im Wesentlichen vollständig zum Erliegen kommt,
so dass außerhalb des Übergangsbereichs 42 nur
noch ungerichtete Strömungsverhältnisse aufgrund
der natürlichen Konvektionsströme, der Brownschen
Teilchenbewegung und andere gaskinetischer Faktoren vorlegt.
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Ein
Abstand zwischen der Übertrittsöffnung 30 und
der Probenposition P ist in 1 mit l
bezeichnet, wobei die Länge des Übergangsbereichs
d ungefähr 1/10 des vorbestimmten Abstands l beträgt (1 ist
eine schematische, nicht-maßstabsgetreue Darstellung, in
welcher Größenverhältnisse zu Illustrationszwecken
zum Teil stark von den real bevorzugten Verhältnissen abweichen
können). Aufgrund dieses Abstandsverhältnisses
ist gewährleis tet, dass eine gerichtete Strömung
des Befeuchtungsfluids selbst die peripheren Bereiche 43 der Probe 14 nicht
trifft. Für eine typische Inkubatorvorrichtung kann der
Abstand d z. B. ungefähr 2 cm betragen.
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In
einer in 1 durch gestrichelte Linien dargestellten
Variante der Erfindung ist in der Inkubatorkammer 12 in
einem Abstand von etwa 2 cm von der Übertrittsöffnung 30 ein
Prallblech 44 angeordnet, derart, dass die Strömung
des Befeuchtungsfluids durch die Übertrittsöffnung 30 hindurch
auf das Prallblech 44 gerichtet ist. Unter Verwendung eines solchen
Prallblechs kann in jedem Falle sichergestellt werden, dass die
gerichtete Strömung des Befeuchtungsfluids zumindest nicht
den Bereich der näheren Umgebung der Probenposition P erreicht.
In einigen Ausführungsformen kann in diesem Fall die Geschwindigkeit
des Befeuchtungsfluids auch erhöht werden (z. B. auf eine
Geschwindigkeit, die ohne das Prallblech dazu führen würde,
dass die gerichtete Strömung des Befeuchtungsfluids bis
zur Probenposition reicht), um etwa einen schnelleren oder zuverlässigeren
Eintritt des Befeuchtungsfluids in die Inkubatorkammer 12 sicherzustellen.
Das Prallblech 44 lenkt das Befeuchtungsfluid dann in eine
Richtung ab, die nicht direkt zur Probenposition P hin führt.
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Die
Erfindung ist nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel
beschränkt. So kann etwa anstelle eines geschlossenen Fluidkreislaufs 26 mit
einem offenen System gearbeitet werden, wobei Übertrittsöffnung
und Gasauslass mit gleicher oder auch mit unterschiedlichen Strömungsraten
betrieben werden können oder auf einen Gasauslass gar ganz
verzichtet werden kann, um in der Inkubatorkammer einen definierten Überdruck
aufzubauen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2005/030394
A1 [0003, 0004]
- - DE 102005033927 A1 [0005, 0006]