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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abbildung von Partikeln, insbesondere Viren, in einer Probe.
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Es gibt eine Vielzahl von Krankheiten bzw. Krankheitserregern und insbesondere krankheitsauslösenden Viren, welche sich über die Luft und insbesondere über Aerosole verbreiten und in der Luft somit als Aerosolpartikel vorliegen. Daher ist es wünschenswert, solche Viren in einer Probe, welche vorzugsweise der Luft entnommen wurde, feststellen sowie gegebenenfalls ihre Konzentration in der Luft und dadurch eine eventuelle Ansteckungsgefahr bestimmen zu können.
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Im Stand der Technik sind zwar grundsätzlich sehr exakte Methoden zur Visualisierung und Bestimmung der Konzentration von Viren in der Luft bekannt, diese basieren jedoch überwiegend auf Laborverfahren mit entsprechend langwierigen Analysen, so dass die bekannten Verfahren aufwendig, teuer und vor allem auch zeitintensiv sind. Die Vorrichtungen zur Durchführung der bekannten Methoden können daher nicht für eine kurzfristige Warnung vor Krankheitserregern genutzt werden, da die Analyseergebnisse meist schlicht zu spät vorliegen würden.
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Zudem sind die bekannten Verfahren meist auf einen einzelnen ganz bestimmten Virus oder allgemein auf einen einzelnen bestimmten Krankheitserreger abgestimmt und oftmals nicht für andere Krankheitserreger anwendbar, so dass mit solchen Verfahren nicht die Konzentration bzw. das Vorhandensein verschiedenster Krankheitserreger in der Luft bestimmt werden kann.
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Wünschenswert wäre es entsprechend, die Partikel in einer Probe in einfacher Weise mit herkömmlichen Lichtmikroskopen erfassen zu können, was jedoch bei sehr kleinen Partikeln und insbesondere bei Viren problematisch bzw. nicht möglich ist, da diese meist kleiner als die von Ernst Abbe deklarierte Auflösungsgrenze von ca. 200 nm sind.
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Von Ernst Abbe wurde festgestellt, dass Lichtmikroskope feine Objektdetails nicht mehr voneinander getrennt abbilden können, wenn diese ungefähr so eng beieinander sitzen wie es der halben Wellenlänge des Lichts entspricht. Die Optik herkömmlicher Lichtmikroskope kann das Licht nicht unendlich scharf bündeln, woraus folgt, dass die Brennpunkte der Strahlen unweigerlich zu „Brennflecken“ aufblühen. Diese Flecken sind mindestens eine halbe Wellenlänge des eingesetzten Lichts groß. Alle feineren Strukturen innerhalb dieser Flecken sind dadurch nicht mehr erkennbar.
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Aus der halben Wellenlänge von blauem Licht ergibt sich die genannte Auflösungsgrenze von ca. 200 nm.
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Beispielsweise haben Corona-Viren einen Durchmesser zwischen ca. 80 und 140 nm, so dass diese mit herkömmlichen Lichtmikroskopen nicht sichtbar bzw. nicht „scharf“ darstellbar bzw. visualisierbar und mithin auch nicht in Echtzeit beobachtbar sind.
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Weiter ist aus dem Gebiet der Fluoreszenzmikroskopie bekannt, nicht Objekte bzw. Partikel direkt, sondern die Fluoreszenz dieser Objekte bzw. Partikel zu beobachten, wobei hierfür meist ein fluoreszierendes Mittel in die Objekte eingebracht werden muss oder die Objekte selbst fluoreszierende Eigenschaften haben müssen. Objekte oder Partikel, welche selbst nicht fluoreszierend sind, können jedoch für gewöhnlich nicht beobachtet werden.
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Die Auflösungsgrenze bei der Fluoreszenzmikroskopie liegt meist bei ca. 50 nm, da auch bei der Fluoreszenzmikroskopie optisch mit Licht ausgewertet wird.
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Auch soweit kleine Partikel, also Partikel kleiner 200 nm wie beispielsweise Viren, mit Fluoreszenzmikroskopie beobachtet werden können, sind feine Details und Konturen nicht oder nur unscharf erkennbar, da diese nochmals deutlich kleiner als 200 nm bzw. 50 nm sind. Beispielsweise besitzen Viren eine Hülle mit daran sitzenden Spikes, welche das Aussehen bzw. die morphologischen Eigenschaften der Viren bestimmen.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu überwinden und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit welcher Partikel oder zumindest die Kontur von Partikeln kleiner der Auflösungsgrenze der Lichtmikroskopie und insbesondere mit einem Durchmesser kleiner 200 nm in einfacher Weise „scharf“ abgebildet werden können.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird hierfür eine Vorrichtung zur Abbildung von Partikeln, insbesondere Viren, in einer Probe vorgeschlagen, wobei die Partikel bzw. Viren vorzugsweise kleiner der Auflösungsgrenze von 200 nm sind. Die Vorrichtung weist eine Beleuchtungseinheit, einen Bildwandler und eine Abbildungseinheit auf. Dabei ist der Bildwandler zwischen der Beleuchtungseinheit und der Abbildungseinheit angeordnet, wobei er an seiner zu der Beleuchtungseinheit weisenden Seite eine Fluoreszenzschicht und auf seiner zu der Abbildungseinheit weisenden Seite eine lichtempfindliche Schicht aufweist, welche als eine Leuchtschicht ausgebildet sein kann, welche durch auftreffendes Licht zu einem Leuchten anregbar ist. Weiter ist ein Probenträger mit einer darin anordenbaren Probe oder die Probe auf dem Bildwandler und zwischen der Beleuchtungseinheit und dem Bildwandler anordenbar, so dass die in dem Probenträger anordenbare Probe und die in der Probe enthaltenen Partikel die Fluoreszenzschicht teilweise abdecken. Die Beleuchtungseinheit ist ausgebildet, die Fluoreszenzschicht anregendes Licht und/oder die Fluoreszenzschicht anregende freie Elektronen in Richtung des Bildwandlers zu emittieren, so dass die Fluoreszenzschicht in von den Partikeln freien Bereichen zur Emittierung von Licht in Richtung der lichtempfindlichen Schicht anregbar ist bzw. angeregt wird. An der lichtempfindlichen Schicht kann durch das von der Fluoreszenzschicht erzeugte Licht eine Abbildung mit einem Umriss bzw. einer Kontur der Partikel projiziert bzw. erzeugt werden. Die Abbildungseinheit ist ausgebildet, den Umriss bzw. die an der lichtempfindlichen Schicht entstehende Abbildung mit dem Umriss bildtechnisch zu erfassen. Dabei kann die Abbildungseinheit das an der lichtempfindlichen Schicht entstehende Bild bzw. die auf der lichtempfindlichen Schicht wiedergegebene Abbildung auch vergrößern.
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Die vorliegende Erfindung beruht somit im Wesentlichen auf einer Floreszenz der Fluoreszenzschicht und des dadurch an der lichtempfindlichen Schicht erzeugten Bildes, welches die Kontur bzw. den Umriss der Partikel wiedergibt. Die Fluoreszenzschicht ist dabei vorzugsweise aus fluoreszierenden Nanopartikeln mit einem Durchmesser zwischen 1 nm und 10 nm gebildet sind, welche von freien Elektronen oder Licht anregbar sind.
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Dabei ist vorgesehen, dass das von der Fluoreszenzschicht ausgesandte Licht auf die lichtempfindliche Schicht fällt und an dieser dadurch ein Abbild des Umrisses bzw. der Kontur der Partikel bildet. Das so an der lichtempfindlichen Schicht entstehende Bild kann auch als Negativ bezeichnet werden. Die dadurch an der lichtempfindlichen Schicht erzeugte Kontur bzw. das dadurch erzeugte Negativ kann dann auf der zu der Abbildungseinheit weisenden Seite der lichtempfindlichen Schicht von der Abbildungseinheit erfasst und verarbeitet werden.
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Dieses Negativ bzw. die an der lichtempfindlichen Schicht entstehende Abbildung mit der Kontur der Partikel wird entsprechend bildtechnisch und vorzugsweise gemäß dem Funktionsprinzip eines Rasterelektronenmikroskops (REM) oder eines Vidicons erfasst, wodurch nicht die Partikel bzw. das Objekt direkt, sondern dessen „Schatten“ bzw. dessen Kontur erfasst wird und auch feine Details der Partikel bzw. der Kontur der Partikel erkennbar sind.
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Da also nicht die Probe bzw. die in der Probe enthaltenen Partikel beobachtet werden, ist die Auflösungsgrenze herkömmlicher Lichtmikroskopie von 200 nm umgangen.
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Sollen von der Beleuchtungseinheit freie Elektronen erzeugt werden, kann das Beleuchtungselement eine Leonard-Röhre bzw. ein Leonard-Rohr sein, welches an seinem Austrittsfenster freie Elektronen in Richtung des Bildwandlers aussendet. Die freien Elektronen fallen dann mit der durch de Broglie definierten Wellenlänge auf den Bildwandler und einen auf dem Bildwandler angeordneten Probenträger bzw. auf die in dem Probenträger befindlichen Objekte/Partikel.
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Die kleine Wellenlänge der freien Elektronen sorgt für eine gute Konturschärfe des Objekts bzw. der Partikel in der Probe, wobei auch Licht zur Anregung der Fluoreszenzschicht verwendet werden kann, was jedoch abhängig von dem verwendeten Licht zu einer schlechteren Konturschärfe, also zu einer weniger scharfen Kontur des Partikels/ der Partikel führen kann.
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Daraus ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass bei der vorgeschlagenen Vorrichtung das Objekt bzw. die Partikel nicht direkt erfasst werden müssen und beispielsweise ein Elektronenstrahl bei einer nach dem REM-Prinzip arbeitenden Abbildungseinheit das Objekt nicht direkt abtasten / abrastern muss, wie es beim REM sonst üblich ist. Bei einer „Air REM“ genannten Variante eines REM, bei welchem die Probe bzw. das Objekt nicht in einer Vakuumkammer sondern außerhalb dieser angeordnet ist, muss der Elektronenstrahl durch ein SiN Fenster treten, was eine höhere Beschleunigungsspannung erfordert und zudem zu geringerer Auflösung führt. Auch dieser Nachteil kann durch die vorliegende Variante vermieden werden, da nicht das Objekt selbst, sondern die als licht- bzw. fotoempfindliche Schicht wirkende lichtempfindliche Schicht abgetastet bzw. abgerastert werden kann und der Primärelektronenstrahl mithin die Vakuumkammer bzw. die Abbildungsvorrichtung gerade nicht verlassen bzw. durchdringen muss.
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Vorteilhaft ist eine Variante, bei welcher die Fluoreszenzschicht aus fluoreszierenden Nanopartikeln gebildet ist, welche insbesondere einen Durchmesser zwischen 1 nm und 10 nm aufweisen.
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Ebenfalls vorteilhaft ist auch eine Variante, bei welcher die lichtempfindliche Schicht aus lichtempfindlichen Nanopartikeln gebildet ist, welche insbesondere einen Durchmesser zwischen 1 nm und 10 nm aufweisen.
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Weiter kann die lichtempfindliche Schicht eine lichtempfindliche Halbleiterschicht sein. Dabei kann die Halbleiterschicht auch aus den beschriebenen Nanopartikeln gebildet werden. Eine solche Halbleiterschicht weist ein kapazitives Verhalten auf, sodass die Halbleiterschicht durch von der Fluoreszenzschicht auf die lichtempfindliche Schicht fallendes Licht auf- oder entladbar bzw. anregbar ist, wodurch an der lichtempfindlichen Schicht die Abbildung mit dem Umriss des Partikels erzeugbar ist. Vorteilhaft ist eine Halbleiterschicht insbesondere dann, wenn zur Bilderfassung durch die Abbildungseinheit ein Elektronenstrahl verwendet wird. Die lichtempfindliche Schicht wird dabei von dem Elektronenstrahl abgetastet bzw. abgerastert. Als die Funktionsweise der Halbleiterschicht verdeutlichend, kann diese als eine Vielzahl von Kondensatoren angenommen werden, welche in einer Schicht nebeneinander angeordnet sind. Die Kondensatoren sind alle auf einer Seite elektrisch mit der leitfähigen Schicht verbunden. Das Dieelektrikum der Kondensatoren ist leitfähig, wobei die Leitfähigkeit lichtstärkenabhängig ist. Der Elektronenstrahl lädt die Kondensatoren bei einem ersten abtasten gleichmäßig auf. Das von der Fluoreszenzschicht in Richtung der lichtempfindlichen Schicht emittierte Licht (Fluoreszenz-Licht) entlädt nun zumindest einen Teil der Kondensatoren entsprechend der Lichtstärke des emittierten Lichts. Tastet nun der Kathodendenstrahl bzw. der Elektronenstrahl die Kondensatoren erneut ab, fließt ein der jeweiligen Entladung also der Belichtung entsprechender Strom über die leitfähige Schicht ab, sodass also über den beim Abrastern bzw. Abtasten fließenden Strom auf die Beleuchtung des von dem Elektronenstrahl abgetasteten Bereich der lichtempfindlichen Schicht geschlossen und dadurch die Abbildung erfasst werden kann. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die lichtempfindliche Schicht derart ausgebildet ist, dass durch das von der Fluoreszenzschicht emittierte Licht Sekundärelektronen aus der lichtempfindlichen Schicht gelöst werden, wie es beispielsweise bei einem Superortikon der Fall ist. Diese herausgelösten Sekundärelektronen können dann durch den Elektronenstrahl erfasst sowie durch einen Photomultiplier verstärkt werden.
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Dabei wird die erreichbare Auflösung der Vorrichtung bzw. die Auflösungsgrenze der Vorrichtung durch den Durchmesser der Nanopartikel mitbestimmt, so dass diese möglichst klein sein sollten. Mit einem Durchmesser der Nanopartikel von 10 nm lässt sich in Abhängigkeit der Abbildungseinheit eine Auflösungsgrenze von 10 nm erreichen. Soweit technisch möglich, können auch Nanopartikel mit einem kleineren Durchmesser verwendet werden.
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Vorzugsweise besitzen die Nanopartikel der Fluoreszenzschicht im Wesentlichen den gleichen Durchmesser. Weiter vorzugsweise besitzen die Nanopartikel der lichtempfindlichen Schicht im Wesentlichen den gleichen Durchmesser. Noch weiter vorzugsweise besitzen die Nanopartikel der Fluoreszenzschicht und der lichtempfindlichen Schicht im Wesentlichen den gleichen Durchmesser. Wird zur Bilderfassung durch die Abbildungseinheit ein Elektronenstrahl verwendet, kann dieser einen Durchmesser entsprechend dem Durchmesser der Nanopartikel der Fluoreszenzschicht und/oder der lichtempfindlichen Schicht besitzen.
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Die Nanopartikel der Fluoreszenzschicht bewirken somit eine scharfe Konturabbildung der Partikel und die Nanopartikel der lichtempfindlichen Schicht eine exakte Erfassung und Vermessung der angeregten Nanopartikel der Fluoreszenzschicht.
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Um die Fluoreszenzschicht vor Beschädigung und Abtrag zu schützen, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung vor, dass der Bildwandler an seiner zu der Beleuchtungseinheit weisenden Seite eine die Fluoreszenzschicht abdeckende Schutzschicht aufweist, welche ausgebildet ist, die Fluoreszenzschicht vor Abtrag zu schützen. Die Schutzschicht kann dabei insbesondere aus Kunststoff gebildet sein. Hierbei ergibt es sich, dass die Schutzschicht vorzugsweise durchlässig für das die Fluoreszenzschicht anregendes Licht und/oder die Fluoreszenzschicht anregende freie Elektronen ist.
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Weiter ist von Vorteil, wenn der Bildwandler eine Trägerplatte aufweist, auf deren zu dem Bildwandler weisenden Seite die Fluoreszenzschicht und auf deren zu der Abbildungseinheit weisenden Seite die lichtempfindliche Schicht aufgebracht ist. Weiter vorzugsweise ist die Trägerplatte als Glasplatte ausgebildet.
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Weiter kann die Glasplatte eine definierte und vorbekannte Dicke sowie definierte und vorbekannte optische Eigenschaften aufweisen, so dass der Abstand zwischen der Fluoreszenzschicht und der lichtempfindlichen Schicht und das Verhalten des Lichts zwischen diesen Schichten vorbekannt ist, was in Zusammenschau mit einem vorbekannten Ausbreitungsmuster des von der Fluoreszenzschicht zu der lichtempfindlichen Schicht emittierten Lichts für die später erläuterte Schärfung der an der lichtempfindlichen Schicht entstehenden Abbildung bzw. des Negativs vorteilhaft ist.
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Ist, wie später erläutert, eine leitende Schicht zwischen der Trägerplatte und der lichtempfindlichen Schicht vorgesehen, ist die lichtempfindliche Schicht an der leitenden Schicht und somit mittelbar an der zu der Abbildungseinheit weisenden Seite der Trägerplatte aufgebracht.
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Die Nanopartikel der Fluoreszenzschicht und/oder der lichtempfindlichen Schicht können vorzugsweise mit Hilfe einer Suspension auf eine insbesondere als Glasplatte ausgebildete Trägerplatte aufgebracht werden. Die Nanopartikel können also in einer Suspension gelöst und die Trägerplatte mit der Suspension beschichtet werden. Beispielsweise kann die Suspension bzw. die Nanopartikel auf die Trägerplatte und/oder eine die Trägerplatte teilweise abdeckende (leitfähige) Schicht aufgedampft werden.
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Da durch die Fluoreszenzschicht auch störendes Licht (Störlicht) treten und die lichtempfindliche Schicht anregen kann, welches beispielsweise durch eine Interaktion der freien Elektronen mit Gasen der Luft in einem Bereich zwischen der Beleuchtungseinheit und dem Bildwandler erzeugt wird, ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Bildwandler ferner eine Filterschicht aufweist, welche zwischen der Fluoreszenzschicht und der lichtempfindlichen Schicht angeordnet und ausgebildet ist, ausschließlich ein Licht mit einer Wellenlänge entsprechend der Wellenlänge des Lichts passieren zu lassen, das von der Fluoreszenzschicht emittiert wird.
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Vorteilhaft ist dabei ferner eine Variante, bei welcher die insbesondere aus Glas bzw. als Glasplatte ausgebildete Trägerplatte integral als Filterschicht ausgebildet ist.
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Die lichtempfindliche Schicht bzw. die Nanopartikel, welche die lichtempfindliche Schicht bilden, sind ferner vorzugsweise aus einem fotoempfindlichen Material, wie beispielsweise Seelen oder Antimontrisulfid, gebildet.
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Wie angeführt, sieht eine Variante vor, dass die Abbildungseinheit nach dem Prinzip eines REM bzw. nach dem Prinzip eines Vidicons arbeitet. Hierfür ist an einer von der Abbildungseinheit abgewandten Seite der lichtempfindlichen Schicht eine leitfähige Schicht bzw. elektrisch leitfähige Schicht angeordnet. Weiter ist die Abbildungseinheit ausgebildet, die lichtempfindliche Schicht mit einem als Primärelektronenstrahl bezeichneten Elektronenstrahl gerastert abzutasten, vorzugsweise durch einen Detektor durch Interaktion des Elektronenstrahls mit der lichtempfindlichen Schicht entstehende als Sekundärelektronen bezeichnete Elektronen zu erfassen und durch die erfassten Elektronen eine größengetreue oder optional vergrößerte Abbildung der Abbildung an der lichtempfindlichen Schicht bzw. der auf die lichtempfindliche Schicht projizierte Kontur der Partikel zu erzeugen.
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Vorzugsweise weist der Primärelektronenstrahl einen Durchmesser zwischen 1 nm und 10 nm auf.
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Alternativ zu einer gemäß dem Funktionsprinzip des REM/Vidicon funktionierenden Abbildungseinheit kann diese auch einen CCD-Sensor oder einen CMOS-Sensor zur bildtechnischen Erfassung der auf der lichtempfindlichen Schicht wiedergegebenen Abbildung bzw. der auf die lichtempfindliche Schicht projizierten Kontur aufweisen. Die mit der Vorrichtung erreichbare Auflösung ist dann entsprechend von der Auflösung der Sensoren abhängig. Durch die Verwendung eines solchen Sensors kann auf eine Elektronenstrahlabtastung im Vakuum verzichtet werden.
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Weiter weist die Vorrichtung gemäß einer vorteilhaften Variante eine Auswerteeinheit auf, welche ausgebildet ist, die durch die Abbildungseinheit bildtechnisch erfasste Abbildung zu schärfen.
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Alternativ dazu oder zusätzlich dazu ist die Auswerteeinheit ausgebildet, automatisch morphologische Eigenschaften der durch das Negativ bzw. durch die Abbildung auf der lichtempfindlichen Schicht als Kontur bzw. durch ihre Kontur abgebildeten Partikel zu erfassen, die erfassten morphologischen Eigenschaften mit morphologischen Eigenschaften von vorbestimmten Partikel zu vergleichen und durch den Vergleich einen Anteil und/oder eine Anzahl von vorbestimmten Partikeln in der an der lichtempfindlichen Schicht wiedergegebenen Abbildung und/oder der Probe zu bestimmen.
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Ist die Auswerteeinheit ausgebildet, das Negativ bzw. die Abbildung zu schärfen, ist hierfür vorzugsweise der Abstand der Fluoreszenzschicht zu der lichtempfindlichen Schicht, ein Ausbreitungsmuster des von der Fluoreszenzschicht zu der lichtempfindlichen Schicht emittierten Lichts sowie die Durchmesser der Nanopartikel bekannt, welche die Fluoreszenzschicht und die lichtempfindliche Schicht bilden. Das Ausbreitungsmuster kann hierbei entsprechend einer Gauß-Verteilung angenommen werden. Wird also durch die Abbildungseinheit ein Lichtmuster auf der lichtempfindlichen Schicht erfasst, kann durch die Auswerteeinheit anhand des Ausbreitungsmusters und dem Abstand bestimmt werden, wo der Nanopartikel auf der Fluoreszenzschicht sitzt, durch welchen dieses Lichtmuster auf der lichtempfindlichen Schicht erzeugt wurde. Dabei können sich die Lichtmuster mehrerer Nanopartikel der Fluoreszenzschicht an der lichtempfindlichen Schicht überlagern, wobei anhand der erfassten Lichtintensität, dem Ausbreitungsmuster und dem Abstand auch die Positionen der (mehreren) Nanopartikel bestimmt werden kann, welche das sich überlagernde Lichtmuster erzeugen. Wurden die Positionen der Nanopartikel auf der Fluoreszenzschicht bestimmt, ergibt sich daraus die Kontur des Partikels auf der Fluoreszenzschicht mit einer Auflösung gemäß dem Durchmesser der Nanopartikel.
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Als morphologische Eigenschaften werden vorliegend die äußere Erscheinung der Partikel und insbesondere die Kontur der Partikel verstanden. Es kann also die Kontur oder spezifische Eigenschaften/Elemente der Kontur erfasst und mit Konturen oder spezifischen Eigenschaften vorbekannter Partikel verglichen werden, welche in der Auswerteeinheit hinterlegt bzw. gespeichert sein können.
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Dadurch können die in der Probe enthaltenen Partikel also einen bestimmten Partikel-Typ, wie beispielsweise einem bestimmten Virus, zugeordnet werden, so dass die Anzahl von Partikeln des vorbestimmten Partikel-Typs in der Probe erfasst bzw. ermittelt werden kann.
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Aus der Anzahl von Partikeln des vorbestimmten Partikel-Typs in der Probe kann die Konzentration dieser Partikel in der Probe bzw. in der Luft, welcher die Probe entnommen wurde, bestimmt werden.
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Soll nicht der Probenträger, sondern lediglich die Probe ausgetauscht werden, sieht eine weitere Ausbildungsvariante vor, dass die Vorrichtung den Probenträger umfasst, welcher als ein fest auf dem Bildwandler angeordneter Probenkanal ausgebildet ist. Weiter ist ein Innenraum des Probenkanals von einem die Probe bildenden Fluid durchströmbar, in welchem die Partikel enthalten sind.
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Zur Bereitstellung eines solchen die Partikel umfassenden Fluides kann die Vorrichtung ferner eine Bereitstellungseinheit aufweisen, welche ausgebildet ist, in Luft vorhandene Partikel in einem Fluid zu binden, so dass das Fluid zuvor in der Luft enthaltene Aerosolpartikel als Partikel enthält, und einen stetigen oder gleichmäßig getakteten Fluidstrom durch den Probenkanal bereitzustellen.
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Wird die Probe mit den zu untersuchenden Partikeln der Luft entnommen, ist zu beachten, dass ein Aerosol ein heterogenes Gemisch (Dispersion) aus festen und/oder flüssigen Schwebeteilchen in einem Gas (der Luft) ist. Die Schwebeteilchen werden Aerosolpartikel genannt, wobei solche Aerosolpartikel beispielsweise Staub, Pollen, Sporen, Bakterien oder Viren sein können, so dass eine einfache Messung der Aerosolpartikel und somit eine Abschätzung, ob Krankheitserreger vorhanden sind, nicht ohne Weiteres möglich ist.
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Insbesondere bei einer Ermittlung der Konzentration von Partikeln in der Luft anhand der Größe der Partikel kann es daher dazu kommen, dass Partikel in die Bestimmung der Konzentration mit einbezogen werden, welche zufällig eine ähnliche Größe aufweisen und welche nicht dem gesuchten Krankheitserreger entsprechen, so dass die ermittelte Konzentration fehlerhaft ist.
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Dieses Problem kann durch die vorliegend vorgeschlagene Vergrößerung der Kontur umgangen werden.
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Weiter vereinfacht werden kann die Analyse bzw. Auswertung der Probe dadurch, dass in dieser weniger Partikel vorhanden sind, welche ohnehin nicht erfasst werden sollen, welche also von dem vorbestimmten Partikel abweichen. Hierfür kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Bereitstellungseinheit einen eingangsseitigen Vorfilter aufweist, welcher ausgebildet ist, eingangsseitig in die Bereitstellungseinheit einströmende Luft zu filtern, so dass in der Luft enthaltene organische und/oder anorganische Aerosolpartikel, bei welchen es sich nicht um die vorbestimmten Partikel handelt, zumindest teilweise vor dem Binden der Aerosolpartikel in dem Fluid ausgefiltert werden, so dass diese entsprechend nicht in dem Fluid vorhanden sind. Da die wichtigsten Typen von vorbestimmten Partikeln in ihrem Durchmesser kleiner als 300 nm sind, kommt als Vorfilter insbesondere eine Größenfilterung in Frage, durch welche im Wesentlichen alle Partikel herausgefiltert werden, welche einen Durchmesser größer als 300 nm aufweisen.
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Der Vorfilter kann zudem mehrere Filter aufweisen, welche zudem auf unterschiedlichen Filterprinzipien beruhen können. Beispielsweise kann der Vorfilter einen Größen-Filter aufweisen, durch welchen vorzugsweise im Wesentlichen alle Aerosolpartikel, die einen Durchmesser größer dem Durchmesser der vorbestimmten Partikel aufweisen, ausgefiltert werden, so dass gefilterte Luft erhalten wird, welche entsprechend vorzugsweise nur Aerosolpartikel mit einem Durchmesser gleich und/oder kleiner dem Durchmesser der vorbestimmten Partikel enthält. Daraus ergibt sich, dass die Flüssigkeit bzw. das Fluid beim Binden der in der Luft enthaltenen Aerosolpartikel in der Flüssigkeit bzw. dem Fluid die zuvor in der gefilterten Luft enthaltenen Aerosolpartikel mit einem Durchmesser gleich oder kleiner dem Durchmesser des vorbestimmten Partikels als Partikel enthält.
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Durch das Leiten der Luft in den Größen-Filter ergibt sich anschließend eine genauere Ermittlung der Konzentration, da in dem Fluid weniger „störende“ Partikel vorhanden sind, durch welche die Messergebnisse verfälscht werden können. Ein solcher Größen-Filter kann zudem auch aus mehreren hintereinander angeordneten Filtern bestehen, so dass der Größen-Filter im Wesentlichen eine Filter-Anordnung sein kann, durch welche sukzessive Partikel mit einem Durchmesser größer dem Durchmesser der vorbestimmten Partikel gefiltert werden können, bevor die verbleibenden Partikel in dem Fluid gebunden werden.
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Da in der Luft geladene und/oder ungeladene Partikel vorhanden sind, deren Konzentration abhängig von dem zu detektierenden Krankheitserreger (vorbestimmter Partikel bzw. Virus) vorzugsweise nicht ermittelt werden soll, sieht eine weitere vorteilhafte Variante vor, dass der Vorfilter einen Ladungs-Filter aufweist, durch welchen Aerosolpartikel, die eine positive Ladung aufweisen, und/oder Aerosolpartikel, die eine negative Ladung aufweisen, und/oder Aerosolpartikel, die ungeladen sind, aus der Luft gefiltert werden, so dass gefilterte Luft erhalten wird, welche vorzugsweise entsprechend nur Aerosolpartikel enthält, welche eine vorbestimmte Ladung aufweisen, die einer durch Ladung der vorbestimmten Partikel entspricht. Hierbei kann unter Ladung eine positive Ladung, eine negative Ladung sowie keine Ladung verstanden werden. Daraus folgt, dass das Fluid beim Binden der in der Luft enthaltenen Aerosolpartikel in dem Fluid im Wesentlichen nur die zuvor in der gefilterten Luft enthaltenen Aerosolpartikel mit einer vorbestimmten Ladung als Partikel enthält, was beispielsweise durch ein lineares Massenspektrometer mit Quadrupel-Elektroden realisiert werden kann.
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Zur Realisierung eines solchen Ladungs-Filters kann beispielsweise ein elektrisches Feld verwendet werden, durch welches die geladenen (Aerosol-) Partikel aus ihrer Bewegungsbahn ausgelenkt und somit aus dem Luftstrom entfernt werden. Ein derart realisierter Ladungs-Filter kann zudem mit einem oder mehreren Größen-Filtern kombiniert werden.
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Der Ladungs-Filter kann auch als elektrostatische Filtersäule bzw. Elektrofilter ausgeführt sein.
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Darüber hinaus kann der Vorfilter bzw. ein Filter des Vorfilters als ein „Impaction“-Filter ausgebildet sein, bei welchen die eingangsseitig einströmende Luft bzw. allgemein der Luftstrom umgelenkt wird, so dass zu entfernende Partikel, welche größer sind als die vorbestimmten Partikel, durch ihre größere Masse und dem den Partikeln innewohnenden Moment aus dem Luftstrom gerissen werden.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass der Vorfilter ein inhomogenes elektrisches Feld aufweist bzw. bereitstellt, durch welches polarisierbare Aerosolpartikel polarisiert werden. Ferner ist das inhomogene elektrische Feld bzw. eine dieses Feld erzeugende Vorrichtung ausgebildet, die polarisierten Aerosolpartikel durch den inhomogenen Verlauf des elektrischen Feldes auf eine Sammelvorrichtung zu lenken bzw. aus ihrer Bewegungsbahn auszulenken und an der Sammelvorrichtung zu sammeln. Die polarisierten Aerosolpartikel sammeln sich dementsprechend auf bzw. an der Sammelvorrichtung und werden an dieser oder ausgehend von dieser beim Binden der in der Luft enthaltenen Aerosolpartikel in dem Fluid gebunden.
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Beispielsweise kann die Sammelvorrichtung der später erläuterte Kondensator der Bereitstellungseinheit und entsprechend temperiert sein, so dass die polarisierten Aerosolpartikel an der Sammelvorrichtung kondensieren. Das Leiten der Luft durch das inhomogene elektrische Feld, welches entsprechend im Wesentlichen ein Filtern und Sammeln der polarisierbaren Partikel aus der Luft darstellt, kann mit einem vorgeschaltetem Ladungs-Filter und einem oder mehreren vorgeschaltetem Größen-Filter kombiniert werden.
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Sind die vorbestimmten Partikel nicht polarisierbar, weisen aber eine vorbekannte Ladung auf, kann die Sammelvorrichtung auch als entsprechend entgegengesetzt geladene Fläche ausgeführt sein, welche die vorbestimmten Partikel und der vorbekannten Ladung anzieht. Solche entsprechend entgegengesetzt geladenen und als Sammelvorrichtung vorgesehenen Flächen können ebenfalls beheizt sein.
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Zum Binden der Partikel in dem Fluid ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Bereitstellungseinheit einen Kondensator zum Binden der in der Luft enthaltenen Aerosolpartikel in dem Fluid bzw. der Flüssigkeit durch Kondensation aufweist. Die Luft mit den darin enthaltenen Partikeln kann also an dem Kondensator zu einem Kondensat (Kondenswasser) kondensieren und von diesem abgeführt werden. Hierfür kann der Kondensator zu einer Bildung von Kondenswasser führend temperiert und beispielsweise als Peltier-Element ausgeführt sein.
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Die vorstehend offenbarten Merkmale sind beliebig kombinierbar, soweit dies technisch möglich ist und diese nicht im Widerspruch zueinander stehen.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
- 1 eine Vorrichtung zur Abbildung von Partikeln, insbesondere Viren, in einer Probe;
- 2 ein Bildwandler mit darauf angeordneter Probe.
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Die Figuren sind beispielhaft schematisch. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche funktionale und/oder strukturelle Merkmale hin.
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In 1 ist eine Vorrichtung 1 abgebildet, bei welcher die Abbildungseinheit 40 nach dem Prinzip eines REM oder Vidicons arbeitet. Der Bildwandler 30 der Vorrichtung 1 kann dabei gemäß dem Bildwandler 30 entsprechen, wie er in 2 dargestellt ist.
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Der Grundaufbau der Abbildungseinheit 40 in 1 entspricht dabei dem eines Superorthikons, also eines Vidicons mit integrierter Auswertung (Photomultiplier, Elektronenvervielfacher) der Sekundärelektronen 42. Die Sekundärelektronen 42 werden dabei gemäß dem Funktionsprinzip eines REM durch den Primärelektronenstrahl 41 erzeugt.
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Abweichend von einem herkömmlichen Superorthikon besitzt die Vorrichtung 1 statt eines Glasfensters mit einer lichtempfindlichen Schicht den Bildwandler 30, welcher eine Vakuumkammer 43 der Abbildungseinheit 40 verschließt. Dabei fungiert eine in 2 bezeichnete lichtempfindliche Schicht 32 als fotoempfindliche Schicht, welche von dem Primärelektronenstrahl 41 abgetastet bzw. abgerastert wird.
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Der weitere Aufbau der Abbildungseinheit 40 wird in Abstimmung mit den Durchmessern der Nanopartikel der Fluoreszenzschicht 31 und der lichtempfindlichen Schicht 32 des Bildwandlers 30 derart gewählt, dass eine Auflösung von 10nm oder unter 10 nm bei der Bildgebung durch die Abbildungseinheit 40 möglich ist. Dieser die Auflösung bestimmende Aufbau wird insbesondere auch von den für den Primärelektronenstrahl 41 als Linsen wirkenden Magneten 44 zur Ablenkung und Fokussierung des Primärelektronenstrahls 41 bestimmt, welche auch als Spulen ausgebildet sein können.
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Um den Primärelektronenstrahl 41 für die Abtastung bzw. für die Vergrößerung der durch den Bildwandler 30 bereitgestellten Abbildung der in der Probe enthaltenen Partikel ausreichend fein bereitstellen zu können, kann die Abbildungsvorrichtung 40 weitere Elektronen-Linsen, also weitere für den Primärelektronenstrahl 41 als Linse wirkende Magnete oder Spulen aufweisen.
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Um eine Feinjustage zu ermöglichen, weist die vorliegende Vorrichtung zudem Magneten bzw. hier Spulen 45 zur Justage des Primärelektronenstrahls 41 auf. Vorteilhaft ist der Aufbau so gestaltet, dass Anodenspannungen bis 120 kV oder mehr möglich sind.
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Der durch den Wehneltzylinder 46 erzeugte Primärelektronenstrahl 41 wird durch die Rastereinheit, welche insbesondere durch die Magnete bzw. Spulen 44 gebildet ist, gemäß einem vorbestimmten Rastermuster abgelenkt und über die lichtempfindliche Schicht 32 geführt. Alternativ zu einer Ablenkung durch Spulen, kann die Rastereinheit ausgebildet sein, den Primärelektronenstrahl 41 elektrostatisch abzulenken. Die dabei erzeugten Sekundärelektronen 42 werden anschließend von den Dynoden 47 als Teil des Photomultipliers und der Signalanode 48 erfasst, welche den Detektor der Abbildungseinheit 40 bilden bzw. ersetzen.
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Das von der Signalanode 48 erfasste Signal wird anschließend mit dem Signalverstärker 49 verstärkt und als Bildsignal 50 an eine nicht dargestellte Auswerteeinheit weitergeleitet.
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Um das Negativ bzw. die Abbildung an der lichtempfindlichen Schicht zur Abtastung durch den Primärelektronenstrahl 41 erzeugen zu können, umfasst die Vorrichtung 1 eine Beleuchtungseinheit 10 und den Bildwandler 30. Die Beleuchtungseinheit 11 emittiert gemäß der in 1 gezeigten Variante freie Elektronen 11 in Richtung des Bildwandlers 30, welche die Fluoreszenzschicht 31 bzw. die Nanopartikel der Fluoreszenzschicht 31 anregen können.
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Zwischen der Beleuchtungseinheit 11 und dem Bildwandler 30 ist ein Probenträger 20 mit einer darin enthaltenen Probe bzw. Objekt angeordnet, so dass die in der Probe enthaltenen Partikel 2 den Bildwandler 30 bzw. die Fluoreszenzschicht 31 des Bildwandlers 30 teilweise abdecken.
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Daraus ergibt sich, dass die freien Elektronen 11 nur in den Bereichen auf die Fluoreszenzschicht 31 treffen, in welchen diese frei von den Partikeln 2 ist, so dass die Fluoreszenzschicht 31 nur in den Bereichen Licht zu der lichtempfindlichen Schicht 32 emittiert, welche frei von den Partikeln bzw. von dem Partikel 2 sind.
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An der lichtempfindlichen Schicht 32 entsteht dadurch die Abbildung mit der Kontur der Partikel bzw. des Partikels, welches dann von der Abbildungseinheit 40 abgetastet bzw. erfasst wird.
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In 2 ist der Bildwandler 30 im Detail dargestellt. Die Fluoreszenzschicht 31 ist vorliegend zu der Beleuchtungseinheit 10 hin von einer Schutzschicht 35 abgedeckt, welche für die freien Elektronen 11 transparent ist aber die Fluoreszenzschicht 31 mechanischer Beschädigung und Abtrag schützt.
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Der Bildwandler 30 weist eine als Glasplatte ausgebildete Trägerplatte 33 auf, welche zugleich als Filterschicht bzw. Licht-Filter fungiert und nur das von der durch die Fluoreszenz der Fluoreszenzschicht 31 emittierte Licht 34 bzw. ein Licht entsprechend der Wellenlänge des durch die Fluoreszenzschicht 31 emittierten Lichts passieren lässt. Störlicht, welches in dem Luftbereich zwischen der Beleuchtungseinheit 10 und dem Bildwandler 30 erzeugt wird oder eintritt, wird dadurch abgehalten und nicht durch die Abbildungseinheit 40 erfasst.
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Das Licht 34 der Fluoreszenzschicht 31 breitet sich in der Trägerplatte 33 entsprechend einem vorbekannten Ausbreitungsmuster 34' aus, welches vereinfacht entsprechend einer Gauß-Verteilung angenommen werden kann.
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Abhängig von der vorbekannten Dicke der Trägerplatte 33 und den Durchmessern der Nanopartikel der Fluoreszenzschicht 31 und der lichtempfindlichen Schicht 32 führt ein zur Fluoreszenz angeregter Nanopartikel der Fluoreszenzschicht 31 so beispielsweise zu einer Belichtung einer vorbekannten Anzahl von Nanopartikeln der lichtempfindlichen Schicht 32.
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Aus der Überlagerung der Ausbreitungsmuster 34', welche durch die Abbildungseinheit 40 erfasst wird, kann durch eine nicht dargestellte Auswerteeinheit berechnet werden, welche Nanopartikel der Fluoreszenzschicht 31 zur Fluoreszenz angeregt wurden, so dass sich aus allen zur Fluoreszenz angeregten Nanopartikeln der Fluoreszenzschicht 31 eine scharf aufgelöste Abbildung des Umrisses bzw. der Kontur des Partikels 2 ergibt.
