DE102018121948B4

DE102018121948B4 - Verfahren und Mittel zur Fixierung von Partikeln auf einem Substrat

Info

Publication number: DE102018121948B4
Application number: DE102018121948.2A
Authority: DE
Inventors: Jörn LEPELMEIER
Original assignee: JOMESA Messsysteme GmbH
Current assignee: JOMESA Messsysteme GmbH
Priority date: 2018-09-08
Filing date: 2018-09-08
Publication date: 2021-12-23
Anticipated expiration: 2038-09-09
Also published as: US20200079067A1; DE102018121948A1; US11318727B2

Abstract

Verfahren zur Fixierung von Partikeln auf einem Substrat, umfassend die Verfahrensschritte:(a) Bereitstellen eines Substrats, das offene Poren enthält und das eine Oberseite und eine Unterseite mit den zu fixierenden Partikeln auf der Oberseite aufweist,(b) Bereitstellen einer Klebelösung, die ein Fixierungsmittel und/oder eine Vorläufersubstanz für ein Fixierungsmittel in einem Lösungs- oder Verdünnungsmittel enthält,(c) Kontaktierung von Partikeln und Klebelösung,(d) Entfernen des Lösungs- oder Verdünnungsmittels unter Bildung einer die Partikel auf dem Substrat fixierenden Klebemasse, die das Fixierungsmittel enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung gemäß Verfahrensschritt (c) von der Unterseite des Substrats durch die Substrat-Poren hindurch erfolgt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Mittel zur Fixierung von Partikeln an einem Substrat, insbesondere zur elektronen- oder lichtmikroskopischen Untersuchung der Partikel.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Fixierung von Partikeln auf einem Substrat, umfassend die Verfahrensschritte:

(a) Bereitstellen eines Substrats, das offene Poren enthält und das eine Oberseite und eine Unterseite, mit den zu fixierenden Partikeln auf der Oberseite aufweist,
(b) Bereitstellen einer Klebelösung, die ein Fixierungsmittel und/oder eine Vorläufersubstanz für ein Fixierungsmittel in einem Lösungs- oder Verdünnungsmittel enthält,
(c) Kontaktierung von Partikeln und Klebelösung,
(d) Entfernen des Lösungs- oder Verdünnungsmittels unter Bildung einer die Partikel auf dem Substrat fixierenden Klebemasse, die das Fixierungsmittel enthält,

Außerdem geht es bei der Erfindung um eine Klebelösung zur Fixierung von Partikeln an einem Substrat, wobei die Klebelösung eine polymerisierbare oder polymerisierte organische Substanz in einem Lösungs- oder Verdünnungsmittel enthält.
Methoden zum Fixieren von Partikeln auf einem Substrat spielen bei der mikroskopischen Betrachtung und Analyse beispielsweise in der Medizintechnik, der Biologie und bei der Ermittlung der „technischen Sauberkeit“ in der Restschmutzbestimmung eine Rolle.
Bei der Bestimmung der technischen Sauberkeit wird die Oberfläche technischer Bauteile, beispielsweise Maschinenelemente, mit einem Lösungsmittel abgewaschen und dabei anhaftende Schmutzteilchen weggeschwemmt. Die Waschlösung wird anschließend filtriert und die Partikel scheiden auf einem Filtermedium ab. Durch Analyse der Teilchen, beispielsweise mittels elektronenmikroskopischer oder lichtmikroskopischer Untersuchungen, können Rückschlüsse auf die Qualität der Fertigung und Unstimmigkeiten im Fertigungsprozess des technischen Bauteils gewonnen werden.
Bei der Bestimmung der technischen Sauberkeit sind zwei grundsätzliche Untersuchungsansätze von großer Wichtigkeit. Das sind einerseits die quantitative Auszählung und Vermessung von Partikeln auf einer Filtermembran mittels optischer Mikroskope und andererseits die qualitative Materialanalyse der Partikel.
Die Auszählung und Vermessung der Partikel liefert in der Regel auch die qualitative Unterscheidung zwischen metallischen und nichtmetallischen Partikeln. Dafür verlangt diese Untersuchung aber einen nichtmetallischen Hintergrund, auf dem die Partikel bei der Analyse aufliegen. Als nichtmetallischer Hintergrund werden meist Filtermaterialien auf Basis von Zellulose (Zellulosenitrat) oder Siebgewebefilter (aus PET oder Polyamid) verwendet.
Aufgrund gestiegener Anforderungen wird zunehmend zusätzlich eine Materialanalyse zumindest von den größten (teilweise von allen) gefundenen Partikeln verlangt, die häufig mittels REM-EDX (REM-Rasterelektronenmikroskop, EDX oder EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)) durchgeführt wird.
Hierbei stellt sich das Problem, dass das Substrat (beispielsweise die Filtermembran) elektrisch nichtleitend ist. Daher besteht die Gefahr, dass sich die Partikel aufladen und aufgrund elektrostatischer Effekte unkontrolliert wegfliegen. Dies tritt insbesondere bei REM-EDX Analysen auf, da dafür die Partikel relativ lange und fokussiert mit Elektronen beschossen werden müssen, um ausreichend hohe „Count-Raten“ für das REM-EDX Spektrum zu erhalten.
Stand der Technik
Um den Nachteil der fehlenden elektrischen Leitfähigkeit der üblichen Filtermembran-Materialien zu umgehen, behilft man sich damit, die zu analysierenden Partikel einzeln auf ein elektrisch leitfähiges Kohlenstoffband umzulagern, so dass sie ohne Gefahr einer elektrostatischen Aufladung einer REM-EDX Analyse unterworfen werden können. Diese Methode ist allerdings für Serienuntersuchungen nicht anwendbar.
Es ist auch vorgeschlagen worden, die Partikel auf der Filtermedium für elektronenmikroskopische Untersuchungen mit einem Fixierungsmittel aus einem elektrisch leitenden Werkstoff zu fixieren, beispielsweise indem sie vollflächig mit Gold oder Kohlenstoff bedeckt werden. Durch diese Bedeckung wird zwar eine Festlegung der Partikel am Filtermedium erreicht, jedoch handelt es sich um zeitaufwendige Verfahren, die eine geringe Haftfestigkeit gewährleisten und außerdem die materialspezifische Untersuchung der Teilchen erschweren.
Um diesen Nachteil zu vermeiden, schlägt die DE 102 277 61 A1 vor, die Partikelansammlung auf dem Filtermedium mit einer Kleberlösung zu bestäuben, wie beispielsweise Polymeren oder Harzen, wie sie in handelsüblichem Haarsprays zum Einsatz kommen. Nach der Trocknung der Kleberlösung bilden sich zwischen den Partikeln und dem Filtermedium organische Strukturen, die Vernetzungen bewirken, die die Partikel auf dem Filter fixieren.
Diese Methode hat den Nachteil, dass der Kleber die Partikel mindestens teilweise überdeckt. Diese Kleberstrukturen sind auf REM-Aufnahmen sichtbar und damit für die Bewertung störend. Ferner ist eine gute Fixierung der Partikel nur mit relativ dickem Klebeüberzug zu erreichen. Eine dicke Überziehung der Partikel mit organischem Material stört aber die Qualität der EDX Analyse.
Die EP 1 842 044 B1 beschreibt ein System und ein Verfahren zur Vorbereitung einer Gewebeprobe 15 für eine histologische Untersuchung. Das System umfasst eine Probenaufnahmekarte 14, auf der die Gewebeprobe 15 in einer vorbestimmten Position und Ausrichtung für die histologische Untersuchung fixiert wird. Außerdem umfasst das System eine Kassette 11 zur vorübergehenden Aufnahme der Probenaufnahmekarte 14 mit der Gewebeprobe 15, und es umfasst eine Basisform 12, die eine untere Hohlkammer (lower chamber 38) zur Aufnahme der Probenaufnahmekarte 14 und einen oberen Aufnahmebereich (upper receiving area 48) zur Aufnahme der Kassette 11 aufweist. Die lösbare Fixierung der Gewebeprobe 15 auf der Probenaufnahmekarte 14 beruht auf einer Proteinbrücke, die sich zwischen dem denaturierten Gewebesaft im frischen Zustand des Gewebes und den Fasern der Zelluloseschicht 22 bildet. Alternativ wird kann die Gewebeprobe 15 auch mittels eines zugesetzten Proteinklebers fixiert werden. Auch dabei bildet sich eine Proteinbrücke zwischen der Gewebeprobe 15 und den Zellulosefasern aus. Zum Einbetten der Gewebeprobe in Paraffin wird die Probenaufnahmekarte 14 mitsamt der Gewebeprobe 15 in die Kassette 11 mit Lochboden 17 eingelegt und darin präpariert. Danach wird die Probenaufnahmekarte 14 aus der Kassette 11 entnommen und in die untere Hohlkammer 38 der Basisform 12 eingelegt. Die Kassette 11 wird im oberen Aufnahmebereich 48 der Basisform 12 oberhalb der Probenaufnahmekarte 14 angeordnet. Anschließend wird flüssiges Paraffin durch die Öffnungen des Lochbodens 17 der Kassette 11 in die Basisform 12 eingegossen, so dass es die Hohlräume der Basisform 14 und die Kassette 11 ausfüllt.
Die WO 2010/007453 A2 beschreibt ein Verfahren zum Einbetten von biologischen Gewebeproben, bei dem die Gewebeprobe im Deckelteil einer perforierten Kassette eingeschlossen wird, die Kassette mit der darin befindlichen Gewebeprobe einer chemischen Gewebebearbeitung unterzogen wird, und daraufhin wird die Gewebeprobe in der gleichen Kassette in Paraffin eingebettet, das anschließend aushärten kann. Die Kassette 1 verfügt hierzu über ein Deckelteil 1a mit einer perforierten Wand 3 (Öffnungen 5) und ein Unterteil 1b, ebenfalls mit Öffnungen 10 an der Oberseite. Das Deckelteil 1a wird mit seiner perforierten Wand 3 nach unten auf eine horizontale Fläche gelegt und eine Gewebeprobe M mit ihrer später zu schneidenden Seite nach unten auf der Wand 3 abgelegt. Dann wird die Gewebeprobe M von einem Probenfixierpolster 17 umgeben. Das Unterteil 1b wird dann mit seiner perforierten Oberseite 8 nach unten auf das Deckelteil 1a aufgesetzt, so dass die Gewebeprobe M in das Deckelteil 1a eingeschlossen und gleichzeitig durch das Probenfixierkissen 17 angedrückt wird. Nach einer Dehydratisierung werden die Perforationen 5 des Deckelteils 1a durch Aufsetzen des Verschlusselements 2 auf die Kassette verschlossen, die so gebildete Einheit mit dem Verschlusselement 2 und dem Deckelteil 1a nach unten auf eine horizontale Fläche gelegt und die Kassette mit flüssigem Paraffin P aufgefüllt.
Beim Verfahren zum Ausrichten und Verarbeiten einer Gewebeprobe 22 gemäß Figur 1 der US 7 005 110 B2 wird die Gewebeprobe 22 in eine Kombination 24 aus Kassette und Form eingesetzt, deren Boden mit einem Filterpapier 26 ausgekleidet ist. Anschließend wird die Gewebeprobe mit geschmolzenem porösem Einbettungsmaterial 28 übergossen.
Die US 2008/0254504 A1 beschreibt ein Verfahren zur Handhabung einer Gewebeprobe, wobei diese auf einer Schicht aus einem „Orientierungsmaterial“ abgelegt wird, das eine nachträgliche Ausrichtung der Gewebeprobe ermöglicht, bevor diese mit dem Einbettungsmaterial übergossen wird.
Bei einer Abwandlung der Methode mit mechanischer Verankerung des Orientierungsmaterials 131; 133 hat der Träger 125 eine Öffnung 130. Beim Auftragen der Schicht aus dem Orientierungsmaterial 131 auf dem Träger 125 sammelt sich ein Teil davon in der Öffnung 130 an und bildet dabei einen Anker 133. Dieser trägt zu mechanischen Fixierung der Gewebeprobe 127 bei. Wird der Träger 125 entfernt, wie in FIG. 12b gezeigt, bricht der Anker 133 ab und gibt die Gewebeprobe 127 frei.
Aus der WO 2009/152575 A1 ist es bekannt, dass zum Einbetten von histologischen Gewebeproben außer Paraffin auch Harze und Polymere geeignet sind, einschließlich Aradlit und Gylcolmethacrylat.
US 9 546 937 B2 beschreibt eine zweiteilige Gewebekassettenanordnung aus einer Gewebekassette und einer Form, die über ein Klappscharnier miteinander verbunden sind. Auf einem Lochplatten der Gewebekassette 12 liegt ein für flüssige Reagenzien durchlässiger Schwamm 14 auf, der den Reagenzienverbrauch reduziert. Die Form verfügt über einen von Mikroporen 32 durchzogenen Zwischenboden 22. Das Klappscharnier ermöglicht es, die Gewebekassettenanordnung in eine Offenstellung (Figuren 1 bis 3) und in eine Geschlossenstellung (Figuren 4, 8, 10, 12) zu bringen. In der Geschlossenstellung befindet sich zwischen den beiden Teilen ein Gewebefach 206 (Figuren 8 und 12), in dem sich die Gewebeprobe befindet und in das hinein geschmolzenes Wachs eingegossen werden kann.
Das in der Geschlossenstellung der Gewebekassettenanordnung in die Basiskavität 133 eingegossene, geschmolzene Wachs kann durch die Öffnungen 126 am Boden 120 der Gewebekassette 12 nach unten in das Gewebefach 206 gelangen, wo es die Gewebeprobe 230 einbettet.
Die US 4 557 903 A beschreibt eine Kapsel 10 zur Aufnahme einer Gewebeprobe 12 während einer Flüssigkeitsbehandlung zur Vorbereitung einer histologischen Untersuchung. Die Kapsel 10 besteht aus zwei übereinander klappbaren und miteinander fixierbaren Rahmen 18a, 18b, die jeweils von einer porösen Membran 22 überspannt sind. Die poröse Membran 22 ermöglicht es Verarbeitungsflüssigkeiten und verflüssigtes Einbettungsmaterial in den Innenbereich 24 der Kapsel 10 einzuleiten.
Auch die US 5 665 398 A beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einbetten von Gewebeproben für die histologische Untersuchung. Die Vorrichtung umfasst eine Einbettungsform 31 sowie einen Kassetteneinsatz 11 mit Lochboden und einer mit Schlitzen 27; 29 versehenen, umlaufenden Seitenwand. Die Einbettungsform 31 hat eine Vertiefung 33 zur Aufnahme der Gewebeprobe. Beim einstufigen Wachs-Einbettungsvorgang wird flüssiges Wachs in die Einbettungsform 31 gegossen, bis es über eine Seitenwandvertiefung 47 überläuft. Danach wird die in der Kassette 11 vorbehandelte Gewebeprobe 49 auf das noch flüssige Wachsbad aufgelegt und die Kassette 11 in die Einbettungsform 31 eingetaucht. Die dabei in das flüssige Wachsbad ragenden Schlitze 27; 29 der umlaufenden Seitenwand sind so dimensioniert, dass sie wie eine Kapillarpumpe wirken, so dass das flüssige Wachs vom Boden der Kassette und über die Länge der Schlitze nach oben gezogen wird und den Raum um die Schlitze und zwischen der Außenwand der Kassette und der Innenwand der Einbettform auffüllt. Dadurch wird das Wachsniveau auf dem die Gewebeprobe aufliegt nach unten gezogen, bis es nicht mehr wesentlich über dem Boden der Kassette liegt, wie in Figur 3 gezeigt.
Die US 5 269 671 A beschreibt ebenfalls ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einbetten von Gewebeproben für die histologische Untersuchung. Die Vorrichtung umfasst eine Einbettungsform 31 sowie einen Kassetteneinsatz 11 mit Lochboden und einer mit Schlitzen 27; 29 versehenen, umlaufenden Seitenwand. Die Einbettungsform 31 hat eine Vertiefung 33, in die die Gewebeprobe 47 eingelegt und anschließend mit flüssigem Wachs übergossen wird.
Die US 5 427 742 A beschreibt eine Gewebeverarbeitungs-Kassette 100 mit einer Basis 102, die mit einem klappbaren Deckel 104 verbunden ist. Die Basis 102 hat einen äußeren umlaufenden Basisrahmen 103 der eine Basisöffnung 114 umgibt; und sie hat einen inneren Basisrahmen 118, der eine zentrale Öffnung 134 umgibt und der innerhalb der Basisöffnung 114 zentriert ist. Der Deckel 104 hat eine mit der Kassetten-Basis 102 korrespondierende Form mit innerem (126) und äußerem (105) Deckelrahmen. Der Boden der zentralen Öffnung 134 des inneren Basisrahmens 118 wird von einem ersten porösen Sieb 132 gebildet. Ebenso wird der Boden der korrespondierenden zentralen Öffnung des inneren Deckelrahmens 126 von einem zweiten poröses Sieb 136 gebildet. Bei geschlossenem Deckel sind die Siebe 132, 136 voneinander beabstandet und definieren ein Behältnis 140, in das die Gewebeprobe 144 zur Verarbeitung eingelegt wird. Die Gewebeprobe wird zunächst in dem Behältnis eingeschlossen und die Kassette 100 wird zur Verarbeitung in einen Verarbeitungsbehälter gelegt, wo sie Verarbeitungsflüssigkeiten ausgesetzt wird. Die Gewebeprobe wird abschließend in einen Paraffinblock eingegossen, indem flüssiges Paraffin durch Öffnungen in die Basis 102 gegossen wird.
Die EP 0 255 375 B1 beschreibt ein doppelseitiges Klebeband. Das Klebeband besteht aus einem porösen Trägermaterial, das beidseitig mit einem druckempfindlichen Klebstoff beschichtet ist. Die Poren verbessern die Haftung des Klebstoffes. Der druckempfindliche Klebstoff kann ein Polymer auf Acrylatbasis sein. Dieser Klebstoff ist fest oder pastös und zur Durchführung des Verfahrens von Anspruch 1 ungeeignet.
Die US 3 087 850 A beschreibt die Herstellung eines drucksensitiven Transfer-Klebebandes 10. Es umfasst ein Trägerband 11, das beidseitig mit einer Silikon-Trennbeschichtung versehen ist. Auf der einen Seite des Trägerbandes 11 wird eine flüssige Klebstoffschicht 12 aus einer Mischung aus einem druckempfindlichem Klebstoff und Lösungsmittel aufgetragen und das Lösungsmittel anschließend entfernt. In die Klebstoffschicht 12 wird ein poröser und mit einem Lösungsmittel getränkter Verstärkungsstreifen 14 so eingepresst, dass er darin vollständig eintaucht. Der Klebstoff ist beispielsweise ein gummiähnliches Polymer; der poröse Verstärkungsstreifen 14 besteht beispielsweise aus Papier. Die Nassverklebung der verstärkten Klebstoffschicht 12 auf der einen Seite des Trägerbandes 11 bewirkt, dass die Klebstoffschicht mit größerer Kraft darauf haftet als auf der anderen Seite des Trägerbandes, wodurch das Transfer-Klebeband 10 leicht gerollt werden kann.
Die DE 26 33 329 A beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines dampfdurchlässigen Haftklebematerials, umfassend (a) die Bildung einer Beschichtung aus einem Haftklebstoff auf Basis einer wässrigen Emulsion, in der eine mit Wasser nicht mischbare organische Flüssigkeit dispergiert ist, die flüchtiger als Wasser ist, auf einer Oberfläche, die von Wasser schlecht benetzbar ist, (b) Belassen der Beschichtung bei Raumtemperatur, bis sich Poren entwickeln, die eine solche Größe erreichen, dass das Material, wenn es getrocknet ist, eine hohe Dampfdurchlässigkeit aufweist. Die Figuren 1 und 2 zeigen das Haftklebematerial mit einem Trägermaterial 12 mit einer darauf befindlichen Klebebeschichtung 14, die wiederum Bereiche des Klebematerials 16 und in der Klebeschicht ausgebildete Poren 18 aufweist.
In DE 15 69 901 C3 und US 3 523 846 A geht es um die Herstellung eines dampfdurchlässigen Pflasters mit mikroporöser Klebstoffschicht. Bei einem Ausführungsbeispiel wird auf einem Papierträger mit klebstoffabweisender Silikonbeschichtung eine viskoelastische Selbstklebemasse aufgetragen. Diese wurde durch Copolymerisation von 2-Äthylhexylacrylat, Butylacrylat und Glycidylmethacrylat in Lösung in einem Aceton-Benzin-Gemisch erhalten. Zwecks schnellen Verdampfens des Losungsmittelgemisches wird der mit der Klebemasse beschichtete Papierträger einer schnellen Trocknungsbehandlung unterworfen, bei der sich in der Klebeschicht eine Vielzahl winziger Bläschen ausbilden. Danach wird auf die Klebeschicht ein Wirrfaservlies mittels Andrückwalzen aufgebracht (kaschiert) und das aus Papierträger, Klebeschicht und Wirrfaservlies bestehende Schichtgebilde unter einem Druck kalandriert. Infolge des hohen Pressdrucks werden die Bläschen in der Klebeschicht zerstört, und die Klebschicht wird vom Papierträger auf das Wirrfaservlies übertragen und auf diesem gleichzeitig verankert.
Technische Aufgabenstellung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das es ermöglicht, Partikel auf einfache und kostengünstige Weise so an einem Substrat, insbesondere an einem Filtermedium, zu fixieren, dass eine anschließende Untersuchung mittels Mikroskopische oder REM-EDX möglichst nicht beeinträchtigt wird.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein preiswertes und möglichst einfach zu handhabendes und ungiftiges Mittel zur Durchführung des Verfahrens zur Verfügung zu stellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Kontaktierung gemäß Verfahrensschritt (c) von der Unterseite des Substrats durch die Substrat-Poren hindurch erfolgt.
Im Unterschied zu dem bekannten Verfahren erfolgt eine Kontaktierung der auf der Oberseite des Substrats aufliegenden und zu fixierenden Partikeln mit der Klebelösung „von unten“ durch die Poren des Substrats hindurch. Dadurch wird erreicht, dass die Partikel vom Fixierungsmittel „von unten“ festgehalten werden, ohne vom Fixierungsmittel überdeckt zu werden.
Diese Methode zur Fixierung einer Partikel-Ansammlung auf einem Substrat eignet sich für elektronen- oder lichtmikroskopische Untersuchungen und auch für Handhabungsvorgänge und den Transport des mit Partikeln beladenen Substrats, wenn es darum geht, einen Verlust von Partikeln oder eine Veränderung der Partikel-Ansammlung möglichst zu vermeiden. Besonders vorteilhaft ist die Methode aber anwendbar, wenn die auf dem Substrat fixierten Partikel anschließend einer Materialanalyse unterzogen werden sollen, wie beispielsweise mittels REM-EDX. Denn es besteht weder die Gefahr, dass Partikel bei der Untersuchung unkontrolliert wegfliegen, noch ist eine nennenswerte Verfälschung des Analyseergebnisses durch das Fixierungsmittel zu befürchten.
Das Substrat dient als Unterlage für die Partikel-Ansammlung und als Probenträger für anschließende Analysen. Es ist flächig mit Oberseite und Unterseite ausgebildet, wobei die Fläche eben oder zwei- oder dreidimensional gekrümmt sein kann. Das Substrat enthält Poren, die beispielsweise miteinander verbunden sind oder die durchgängig von der Oberseite zur Unterseite reichen, so dass es durchlässig für Gas und Flüssigkeit ist. Es besteht insbesondere aus üblichen Filtermaterialien, wie etwa Zellulose oder einem porösen textilen Material, wie etwa aus Nylon oder PET.
Die Klebelösung enthält ein Lösungs- oder Verdünnungsmittel und mindestens ein Fixierungsmittel, beispielsweise in gelöster Form und/oder mindestens eine Vorläufersubstanz für ein Fixierungsmittel. Das Fixierungsmittel ist beispielsweise eine polymere organische Substanz und die Vorläufersubstanz ist eine monomere organische Substanz, aus der durch Polyreaktion (Polymerisation, Polykondensation oder Polyaddition) ein polymeres Fixierungsmittel entsteht.
Beim Inkontaktbringen gemäß Verfahrensschritt (c) füllen sich die Poren des Substrats mindestens teilweise mit dem gelösten Fixierungsmittel - wie beispielsweise einer gelösten polymeren, organischen Substanz - und/oder mit der Vorläufersubstanz - wie beispielsweise einer monomeren organischen Substanz - und mit dem Lösungs- oder Verdünnungsmittel, so dass sich von unten nach oben ein Kontakt zwischen den Partikeln auf der Oberseite des Substrat und Klebelösung ausbildet. Das Ansteigen der Klebelösung von der Substrat-Unterseite zur Substrat-Oberseite kann beispielsweise auf Kapillarkraft beruhen, die endet, sobald Flüssigkeit die Substrat-Oberseite erreicht hat.
Dadurch wird ein Überlagern oder Überschwemmen der Partikel mit dem Fixierungsmittel besonders effektiv verhindert.
Zur Ausbildung der Klebmasse ist ein Trocknungsvorgang erforderlich, bei dem zumindest ein Teil des Lösungs- oder Verdünnungsmittels der Klebelösung entfernt wird. Infolge des vollständigen oder teilweisen Entfernens des Lösungs-oder Verdünnungsmittels bildet sich in den Poren des Substrats und in Kontakt mit den Partikeln eine mehr oder weniger viskose Klebemasse. Dies kann beispielsweise auf einfacher Materialanreicherung durch Trocknung, Sedimentation und/oder Segregation, oder durch Ausfällung und/oder durch Polyreaktion beruhen. Die sich bildende viskose Klebemasse kontaktiert die Partikel ausschließlich oder im Wesentlichen an deren Auflagefläche auf dem Substrat und verbindet sie dadurch mit dem Substrat „von unten“.
Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Das Inkontaktbringen von Partikeln und Klebelösung kann beispielsweise über direkten Kontakt der Partikel mit der flüssigen Klebelösung oder mit Bestandteilen der Klebelösung erfolgen, die sich beim Verdampfen oder Verdunsten derselben bilden.
Als besonders geeignet hat sich eine indirekte Maßnahme zum Inkontaktbringen erwiesen, bei der die Substrat-Unterseite mit der Klebelösung benetzt wird. Durch den direkten Kontakt mit dem porenhaltigen und daher saugfähigen Substrat wird Klebelösung oder Bestandteile daraus infolge von Kapillarkraft in die Poren des Substrats eingezogen und gelangen so rasch zur Substrat-Oberseite. Die Prüfung ob ein offenporiges, saugfähiges Substrat vorliegt, kann anhand eines Farbeindringtests erfolgen
Die Benutzung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Klebelösung auf die Substrat-Unterseite aufgetragen oder aufgesprüht wird, oder dass die Substrat-Unterseite mit der Klebelösung angeströmt wird. Bei einer besonders einfachen Methode erfolgt das Benetzen dadurch, dass eine Vorlage der flüssigen Klebelösung in einem Behälter oder auf einem Träger Kontakt mit der Substrat-Unterseite gebracht wird. Dabei wird das Substrat mit den zu fixierenden Partikeln beispielsweise auf die Vorlage der flüssigen Klebelösung aufgelegt.
Durch die Verdunstung/Verdampfung des Lösungs- oder Verdünnungsmittels wird in der Klebelösung das Fixierungsmittel beziehungsweise dessen Vorläufersubstanz angereichert, so dass es durch Sedimentation, Segregation, Ausfällung und/oder durch Polyreaktion zur Bildung der viskosen Klebemasse kommt, und zwar insbesondere in den Poren des Substrats. Die viskose, beispielsweise polymerisierte Klebemasse verbleibt danach in den Poren und an der Unterseite der Partikel, die in Kontakt mit der Substrat-Oberseite sind.
Bei einer besonders vorteilhaften Verfahrensvariante enthält die Klebelösung Polymethylmethacrylat (PMMA) und/oder als Vorläufersubstanz dafür Methylmethacrylat (MMA).
Gegebenenfalls liegt polymerisierte PMMA in der Klebelösung in vollständig oder teilweise gelöster Form vor. Geeignete Lösungsmittel sind beispielsweise Nitromethylenchlorid, Methylenchlorid, Nitroethan, Ethylformiat oder Ethylacetat. Für die Bildung einer niedrig viskosen Klebelösung ist es vorteilhaft, die vorhandenen PMMA-Makromoleküle kurzkettig sind (50k) und/oder wenn zusätzlich ein Anteil an Monomeren in der Klebelösung vorhanden ist.
Das Verfahren gestaltet sich besonders einfach, wenn die Klebelösung das monomere Molekül als Vorläufersubstanz für PMMA enthält, also monomeres Methylmethacrylat (MMA). Gegebenenfalls eignet sich insbesondere Aceton als Lösungs- oder Verdünnungsmittel, was den Vorteil hat, dass Aceton ohne große Risiken für Umwelt und Gesundheit einfach und schnell verdunstet oder verdampft werden kann. der Siedepunkt von Aceton liegt bei 56°C. Beim Verdampfen/Verdunsten von Aceton können auch Bestandteile der Klebelösung, insbesondere kleinere Moleküle, wie beispielsweise kurzkettige Monomere, wie etwa MMA, durch die Poren hindurch zur Substrat-Oberseite transportiert werden.
Die sich hierbei bildende Klebemasse besteht vollständig oder vorwiegend aus polymerisiertem PMMA, das eine gute Haftung der Partikel auf der Substrat-Unterlage gewährleistet und das aufgrund seiner Transparenz die optische Analyse der Partikelansammlung oder eine REM-EDX-Analyse kaum oder nicht beeinträchtigt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass das Entfernen des Lösungs- oder Verdünnungsmittels einen Verfahrensschritt umfasst, bei dem das Substrat flächig aufgespannt wird.
Das Substrat ist in diesem Fall feucht, da es noch Lösungs- oder Verdünnungsmittel aus der Kleberlösung enthält. Zum Aufspannen wird das Substrat beispielsweise auf einen Substrathalter aufgelegt, welcher geeignet ist, das Substrat rundum zu erfassen und zu spannen, vorzugsweise wird dafür ein als Trommelspanner ausgeführter Filterhalter eingesetzt. Im gespanntem Zustand verdampft/verdunstet das restliche Lösungs- oder Verdünnungsmittel - wie beispielsweise Aceton - schneller, und es bildet sich eine Struktur aus Fixierungsmasse - wie beispielsweise PMMA - unterhalb der Partikel, welche diese auf der Substrat-Oberseite fixiert. Das Spannen des Substrats im noch feuchten Zustand trägt außerdem dazu bei, Verwerfungen und Wellenbildung zu vermeiden. Für nachfolgende Analysen, wie zum Beispiel mikroskopische oder REM-EDX-Untersuchungen sind plane Substratflächen vorteilhaft, insbesondere wenn das Untersuchungsgerät eine geringe Tiefenschärfe hat.
Bei einer alternativen und gleichermaßen bevorzugten Verfahrensvariante wird das Substrat beim Inkontaktbringen gemäß Verfahrensschritt (c) flächig aufgespannt.
In diesem Fall wird das Substrat im bereits aufgespannten Zustand mit der Klebelösung in Kontakt gebracht. Zum Aufspannen wird das Substrat beispielsweise auf einen Substrathalter aufgelegt, welcher geeignet ist, das Substrat rundum zu erfassen und zu spannen, wie beispielsweise und vorzugsweise ein als Trommelspanner ausgeführter Filterhalter. Auch in diesem Fall trägt das Spannen des Substrats dazu bei, Verwerfungen und Wellenbildung des Substrats zu vermeiden.
Hinsichtlich der Klebelösung zur Fixierung von Partikeln auf einem Substrat wird die oben angegebene Aufgabe ausgehend von einer Klebelösung der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die organische Substanz Polymethylmethacrylat (PMMA) und/oder eine Vorläufersubstanz dafür ist.
Die Klebelösung enthält im einfachsten Fall eine Vorläufersubstanz für PMMA, also beispielsweise monomeres Methylmethacrylat (MMA). Gegebenenfalls eignet sich insbesondere Aceton als Lösungs- oder Verdünnungsmittel, was den Vorteil hat, dass Aceton ohne große Risiken für Umwelt und Gesundheit einfach und schnell verdunstet oder verdampft werden kann. Das Lösungs-oder Verdünnungsmittel dient auch zur Einstellung der Viskosität der Klebelösung.
Alternativ oder ergänzend dazu liegt bereits polymerisiertes oder teilpolymerisiertes PMMA in der Klebelösung in gelöster Form vor. Geeignete Lösungsmittel sind beispielsweise Nitromethylenchlorid, Methylenchlorid, Nitroethan, Ethylformiat oder Ethylacetat.
Die Klebelösung gemäß der Erfindung eignet sich zur Fixierung von Partikeln anhand des oben erläuterten, erfindungsgemäßen Verfahrens zum Konditionieren einer Probe für die elektronen- oder lichtmikroskopische Untersuchung von Partikeln auf einem Substrat (Filtermedium) im Rahmen einer Restschmutzanalyse.
Die sich unter Einsatz des Fixierungs-Mittels bildende Klebemasse besteht vollständig oder vorwiegend aus polymerisiertem PMMA, das eine gute Haftung der Partikel auf der Substrat-Unterlage gewährleistet und das aufgrund seiner Transparenz die optische Analyse der Partikelansammlung oder eine REM-EDX-Analyse kaum oder nicht beeinträchtigt.
Die erfindungsgemäße Klebelösung ist insbesondere geeignet zur Fixierung von Partikeln auf einer Oberseite eines flächigen Substrats mittels einer Klebemasse, deren Volumen im Wesentlichen auf den Bereich von Kontaktflächen zwischen den Partikeln und der Substrat-Oberseite beschränkt ist.
Ausführungsbeispiel
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Ausführungsbeispiele für das erfindungsgemäße Fixierungsverfahren
Verfahrensschritt (a): Bereitstellen eines Substrats, das offene Poren enthält und das eine Oberseite und eine Unterseite, mit den zu fixierenden Partikeln auf der Oberseite aufweist.
Die Bauteile eines Maschinenelements werden im Rahmen der Restschmutzanalyse mit einer Waschlösung behandelt und die partikelhaltige Waschlösung wird über eine Filtermembran abgezogen. Die in der Waschlösung enthaltenen Partikel scheiden sich auf der Oberseite der Filtermembran ab.
Als Filtermembran wird im Ausführungsbeispiel ein handelsüblicher geschlossenmaschiger Siebgewebefilter mit einem Filterdurchmesser von 47µm aus PET Material (Polyethylenterephthalat) eingesetzt (JOMESA; 50 µm; Handelsname: PE-47L-50).
Verfahrensschritt (b): Bereitstellen einer Klebelösung, die ein Fixierungsmittel oder eine Vorläufersubstanz für ein Fixierungsmittel in einem Lösungs- oder Verdünnungsmittel enthält.
Die Klebelösung setzt sich zusammen aus monomerem Acrylkleber (Methylmethacrylat; MMA), gelöst in einer Mischung aus Ethylformiat, Nitroethan und Butanol (erhältlich von der Firma Evonik unter der Bezeichnung Acrifix 1S 0116), verdünnt in Aceton. Eine Verdünnung im Volumenverhältnis 1:4 (ein Teil Acrylkleber, vier Teile Aceton) liefert eine hinreichend dünnflüssige Klebelösung und eine klebefähige Masse nach der Polymerisation.
Weiteres Vorgehen nach Verfahrensschritt (b) gemäß Verfahrensvariante A:
Verfahrensschritt (c): Inkontaktbringen von Partikeln und Klebelösung
Die dünnflüssige Klebelösung wird in eine Petrischale gegeben und die zu untersuchende Filtermembran auf die Klebelösung aufgelegt. Es genügt 1 ml Klebelösung für eine Filtermembran mit 47 mm Durchmesser.
Die Klebelösung und darin enthaltene Komponenten gelangen von der Unterseite des Filtermediums infolge von Kapillarkraft durch die Poren hindurch zur Oberseite und in Kontakt mit den Partikel-Oberflächen, die mit dem Filtermedium in Kontakt sind.
Verfahrensschritt (d): Entfernen des Lösungs- oder Verdünnungsmittels unter Bildung einer die Partikel auf dem Substrat fixierenden Klebemasse, die das Fixierungsmittel enthält.
Das Verdünnungs- und Lösungsmittel „Aceton“ verdunstet bei Standardbedingungen (Raumtemperatur: 25 °C, Atmosphärendruck: 1013 hPa). Dabei beginnt das MMA zu polymerisieren.
Nach etwa 1 Minute wird die noch feuchte Filtermembran auf einen Filterhalter gelegt, welcher die Filtermembran spannt (Trommelspanner). In diesem gespanntem Zustand verdunstet das restliche Aceton und es bildet sich eine Struktur von polymerisiertem MMA (PMMA) unterhalb der Partikel, welche diese auf die Filtermembran klebt. Zugleich wird durch die Spannvorrichtung eine Verwerfung und Wellung der Filtermembran verhindert.
Das Filtermedium kann nun als Probenträger zur elektronen- und lichtmikroskopischen Untersuchung eingesetzt werden. Selbst bei verhältnismäßig starken elektrostatischen Aufladungen kommt es nicht zum Wegspringen der Teilchen.
Weiteres Vorgehen nach Verfahrensschritt (b) gemäß Verfahrensvariante B:
Verfahrensschritt (c): Inkontaktbringen von Partikeln und Klebelösung
Die dünnflüssige Klebelösung wird in eine Petrischale gegeben. Es genügt 1 ml Klebelösung für eine Filtermembran mit 47 mm Durchmesser. Die Filtermembran wird auf einen Filterhalter gelegt, welcher die Filtermembran spannt (Trommelspanner).
Auf die plane Oberseite eines Trägers wird 1 ml der Klebelösung gegeben. Die Klebelösung spreitet sich auf der planen Oberseite aus, fließt aber wegen der Oberflächenspannung nicht ab, so dass sich auf der Trägeroberseite ein dünner Überzug (Film) aus Klebelösung bildet. Im gespannten Zustand wird die Filtermembran mit ihrer Unterseite auf den mit der Klebelösung überzogenen Träger aufgelegt.
In einer alternativen Verfahrensvariante wird die Filtermembran im gespannten Zustand mit ihrer Unterseite auf eine plane Träger-Oberseite aufgelegt, wobei die Träger-Oberseite über einen Einlasskanal mit einer Vorratsbehälter für die Klebelösung verbunden ist, über den anschließen 1 ml Klebelösung auf die Träger-Oberseite gepumpt wird.
Bei beiden Ausführungsformen gelangen die Klebelösung und darin enthaltene Komponenten von der Unterseite der Filtermembran infolge von Kapillarkraft durch die Poren hindurch zur Oberseite und in Kontakt mit den Partikel-Oberflächen, die mit der Filtermembran in Kontakt sind.
Verfahrensschritt (d): Entfernen des Lösungs- oder Verdünnungsmittels unter Bildung einer die Partikel auf dem Substrat fixierenden Klebemasse, die das Fixierungsmittel enthält.
Das Verdünnungs- und Lösungsmittel „Aceton“ verdunstet bei Standardbedingungen (Raumtemperatur: 25 °C, Atmosphärendruck: 1013 hPa). Dabei beginnt das in der Kleblösung enthaltene MMA zu polymerisieren und es bildet sich eine Struktur von polymerisiertem MMA (PMMA) unterhalb der Partikel, welche diese auf die Filtermembran klebt.
Das Filtermedium kann nun als Probenträger zur elektronen- und lichtmikroskopischen Untersuchung eingesetzt werden. Selbst bei verhältnismäßig starken elektrostatischen Aufladungen kommt es nicht zum Partikelverlust durch Wegspringen von Teilchen.
Beispiel für das erfindungsgemäße Mittel zur Fixierung von Partikeln an einem Substrat
Das Mittel besteht aus monomerem Acrylkleber (Methylmethacrylat; MMA), gelöst in einer Mischung aus Ethylformiat, Nitroethan und Butanol (erhältlich von der Firma Evonik ; Handels unter der Bezeichnung Acrifix 1S 0116. Dieser Kleber wird im Volumenverhältnis 1:4 mit Aceton verdünnt (ein Teil Acrylkleber, vier Teile Aceton), so dass eine dünnflüssige Klebelösung erhalten wird.

Claims

Verfahren zur Fixierung von Partikeln auf einem Substrat, umfassend die Verfahrensschritte: (a) Bereitstellen eines Substrats, das offene Poren enthält und das eine Oberseite und eine Unterseite mit den zu fixierenden Partikeln auf der Oberseite aufweist, (b) Bereitstellen einer Klebelösung, die ein Fixierungsmittel und/oder eine Vorläufersubstanz für ein Fixierungsmittel in einem Lösungs- oder Verdünnungsmittel enthält, (c) Kontaktierung von Partikeln und Klebelösung, (d) Entfernen des Lösungs- oder Verdünnungsmittels unter Bildung einer die Partikel auf dem Substrat fixierenden Klebemasse, die das Fixierungsmittel enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung gemäß Verfahrensschritt (c) von der Unterseite des Substrats durch die Substrat-Poren hindurch erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrat-Unterseite mit der Klebelösung benetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Benetzen erfolgt, indem eine Vorlage der Klebelösung in einem Behälter oder auf einem Träger in Kontakt mit der Substrat-Unterseite gebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebelösung Polymethylmethacrylat (PMMA) und/oder als Vorläufersubstanz dafür Methylmethacrylat enthält.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel Nitromethylenchlorid, Methylenchlorid, Nitroethan, Ethylformiat, Ethylacetat und / oder vorzugsweise Aceton als Lösungs- oder Verdünnungsmittel enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen des Lösungs- oder Verdünnungsmittels einen Verfahrensschritt umfasst, bei dem das Substrat flächig aufgespannt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat bei der Kontaktierung gemäß Verfahrensschritt (c) flächig aufgespannt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das flächige Aufspannen unter Einsatz eines Trommelspanners erfolgt.
Klebelösung zur Fixierung von Partikeln an einem Substrat zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Klebelösung eine polymerisierbare oder polymerisierte organische Substanz in einem Lösungs- oder Verdünnungsmittel enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Substanz Polymethylmethacrylat (PMMA) und/oder eine Vorläufersubstanz dafür ist.
Klebelösung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorläufersubstanz monomeres Methylmethacrylat (MMA) ist.
Klebelösung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Lösungs- oder Verdünnungsmittel Aceton enthält.
Verwendung der Klebelösung nach einem der Ansprüche 9 bis 11 zur Fixierung von Partikeln auf einer Oberseite eines Substrats zur Ausbildung einer Klebemasse, deren Volumen im Wesentlichen auf den Bereich von Kontaktflächen zwischen den Partikeln und der Substrat-Oberseite beschränkt ist.