DE10238506A1

DE10238506A1 - Verfahren zur Herstellung von informationstragenden mikropartikulären Gemischen

Info

Publication number: DE10238506A1
Application number: DE2002138506
Authority: DE
Inventors: Hilmar Rauhe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-08-17
Filing date: 2002-08-17
Publication date: 2004-03-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung von informationstragenden mikropartikulären Gemischen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung von informationstragenden mikropartikulären Gemischen.
Produktpiraterie stellt für die Industrie ein aktuelles und ernst zu nehmendes Problem dar. Nach Schätzungen der Internationalen Handelskammer werden mittlerweile bereits 10% des gesamten Welthandelsvolumens durch den Exund Import von Fälschungen erzielt. Der daraus erwachsende wirtschaftliche Schaden beläuft sich nach Schätzungen auf jährlich 100 Milliarden US-Dollar. Besonders die noch im Aufbau befindlichen Absatzmärkte der Markenartikelhersteller in Osteuropa und Asien sind aufgrund dramatischer Umsatzrückgänge stark gefährdet. Zudem können qualitativ minderwertige Fälschungen dem Ruf einer Marke irreparable Schäden zufügen, wenn die Qualitätserwartungen der Käufer nicht erfüllt werden. Produktpiraterie bringt zudem negative Auswirkungen für den Verbraucher mit sich und birgt gesellschaftspolitische Probleme. So verstoßen Produktpiraten mit ihren Fälschungen gegen eine Fülle von nationalen und europäischen Vorschriften, die den Verbraucherschutz, die Produkthaftung oder das öffentliche Gesundheitswesen regeln. Darüber hinaus nimmt die Produktpiraterie Einfluß auf die industrielle Wettbewerbsfähigkeit und die Beschäftigungssituation in den jeweiligen Ländern. In Deutschland beispielsweise sollen nach Schätzungen des Deutschen Justizministeriums jährlich ca. 50.000 Arbeitsplätze aufgrund von Produktpiraterie verlorengehen. Im gesamteuropäischen Raum sollen nach Schätzungen insgesamt ca. 300.000 Arbeitsplätze betroffen sein. Zudem wird allgemein angenommen, daß mit den durch den Verkauf von gefälschten Produkten erzielten Gewinnen ein direkter Beitrag zur Finanzierung organisierter Kriminalität geleistet wird.
Die Unterscheidung zwischen Fälschungen und Originalprodukten hat sich in nicht unerheblichem Maße für die Zoll- und Polizeibehörden, ebenso wie für die Unternehmen selbst, als schwerwiegendes Problem erwiesen.
Neben den Umsatzeinbußen und Imageschäden für die betroffenen Unternehmen gibt es nicht unbeträchtliches Gefährdungspotential für die Bevölkerung, da z.B. auch sicherheitskritische technische Bauteile (Autobauteile, Flugzeugbauteile) und Medikamente gefälscht werden.
Die Kennzeichnung von Produkten wird aber nicht nur aus diesem Grunde gefordert. Auch aus Verbrauchersicht sind Produktkennzeichnungen vorteilhaft, um beispielsweise Produkthaftungsansprüche geltend machen zu können.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Produktkennzeichnungen bekannt. Grundsätzlich lassen sich an Produktkennzeichnungssystemen offene (overt) und verborgene (covert) Systeme zur Produktkennzeichnung unterscheiden. Overt-Systeme sind z.B. Etiketten, Hologramme, Gravuren usw. Covert Systeme sind typischerweise molekulare Marken, die direkt in oder an dem zu kennzeichnenden Produkt ein- oder angebracht werden. Allerdings gibt es auch fließende Übergänge zwischen beiden Typen, z.B. Partikel zur Produktkennzeichnung, die mit einem Lichtmikroskop sichtbar gemacht werden. Ein solcher „Übergangstyp" ist beispielsweise das im Internet unter der Adresse http://www.microtaggant.com/ beschriebene Microtaggant®-Produktsicherungssystem. Dieses System arbeitet mit kleinen Melamin-Alkyd-Polymer-Partikeln, die – abhängig vom jeweiligen Vennrendungszweck – eine Größe von 0,005 bis 0,045 Millimetern (5-45 μm) aufweisen. Die Partikel werden in einem sogenannten Sandwich-Verfahren aus mindestens 4 bis zu 10 farblich unterschiedlicher Schichten aufgebaut. Jeder Farbcode wird einem Anwender zugeordnet. Die jeweilige Code-Nummer ergibt sich aus der Zuordnung eines bestimmten Zahlenwertes zu jeder einzelnen Farbe.
Die Herstellung dieser Partikel ist jedoch sehr aufwendig, daher fehlerträchtig und für viele Anwendungszwecke zu teuer.
Grundsätzlich sollten Partikel, die zur Produktkennzeichnung eingesetzt werden folgende Anforderungen erfüllen:

• Die Partikel sollten möglichst klein sein, damit sie in möglichst viele Materialien ein- oder aufgebracht werden können und die Kennzeichnung nicht sofort sichtbar ist.
• Es muß verschiedene, voneinander unterscheidbare Partikel geben, damit diese als Informationsträger fungieren können. Mit diesem Informationsträger (Datenspeicher) können dann u.a. eindeutige Kennzeichnungen hergestellt werden.
• Die Gewinnung bzw. Herstellung der Partikel sollte wirtschaftlich sein.
• Die Partikel sollten möglichst stabil sein.
• Die Partikel sollten chemisch möglichst inert sein, um mit dem gekennzeichneten Material keine Wechselwirkungen einzugehen.
• Die Partikel sollten ungiftig sein.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Mittel zur Produktkennzeichnung bereitzustellen, die den oben genannten Anforderungen genügen und die Nachteile des Standes der Technik überwinden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von informationstragenden mikropartikulären Gemischen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man

a) Einen Code definiert, der mithilfe von natürlichen oder nachträglich applizierten Merkmalen von Partikeln implementiert werden kann, die ausgewählt sind unter i. Morphologie der Partikel ii. Molekularstruktur iii. informationstragende Struktur der Partikel iv. Größe v. Form vi. Farbe vii. Wellenlängen-Spektrum viii. Chemischen Bestandteilen ix. Isotopen x. Optischen Eigenschaften xi. physikalischen Eigenschaften (z. B. Dichte, Gewicht) xii. chemischen Eigenschaften oder xiii. Anzahl Partikeln
b) Partikel herstellt oder gewinnt
c) gegebenenfalls die in b) gewonnenen Mikropartikel in jeweils einheitliche Partikelspezies sortiert und
d) ein einen in Schritt a) definierten Code implementierendes informationstragendes Gemisch aus Partikeln erzeugt, indem man gemäß dem Kodierschema f(q₀, q₁,... q_n) = q₀ ^q1,...qn|n ∈ IN₀, q₀, q₁,... q_n ∈ IR i. eine gewünschte Anzahl n, n ∈ IN₀, von Merkmalen gemäß a) auswählt; ii. damit bis zu f(q₀, q₁,... q_n) = q₀ ^q1,...qn|n ∈ IN₀, q₀, q₁,... q_n ∈ IR verschiedene Partikelspezies bildet und jeder Partikelspezies einen Datenwert zuord net; iii. jeweils bis zu f(q₀, q₁,... q_n) = q₀ ^q1,...qn|n ∈ IN₀, q₀, q₁,... q_n ∈ IR verschiedene Partikelspezies miteinander vermischt und so ein informationstragendes Gemisch erzeugt; oder
e) ein einen in Schritt a) definierten Code implementierendes informationstragendes Gemisch aus Partikeln erzeugt, indem man gemäß dem Kodierschema f(R₀, R₁,... R_n) = R₀ ^R1,...Rn|n ∈ IN₀, R₀, R₁,... R_n ∈ IR i. bis zu f(R₀, R₁,... R_n) = R₀ ^R1,...Rn|n ∈ IN₀, R₀, R₁,... R_n ∈ IR verschiedene Partikelkomplexe erzeugt, indem man für jeden Partikelkomplex jeweils bis zu R_i = f(q_0i, q_1i,... q_ki) = q_0i ^q1i,...qki|k ∈ IN₀, q_0i, q_1i,... q_ki ∈ IR Partikelspezies aneinander oder an einen gemeinsamen Träger bindet oder gemeinsam miteinander verpackt; ii. bis zu f(R₀, R₁,... R_n) = R₀ ^R1,...Rn|n ∈ IN₀, R₀, R₁,... R_n ∈ IR viele verschiedene Kombinationen von Partikelkomplexen miteinander verbindet und jedem resultierenden Partikelkomplex einen Datenwert zuordnet; iii. diese miteinander vermischt, und so ein informationstragendes Gemisch erzeugt; oder
f) ein einen in Schritt a) definierten Code implementierendes informationstragendes Gemisch aus Partikeln erzeugt, indem man gemäß dem Kodierschema f(d, m) = d^m|d ∈ IR, m ∈ IN₀ i. m, m ∈ IN₀, räumlichen Ordnungseinheiten jeweils bis zu d, d ∈ IR, viele Partikel, Partikelgemische oder Partikelkomplexe in einem festen räumlichen Verhältnis zueinander anordnet, wobei jede räumliche Ordnungseinheit eine Mischung von Partikeln, Partikelgemischen oder Partikelkomplexen erhält; ii. jeder räumlichen Anordnung von Partikeln, Partikelgemischen oder Partikelkomplexen einen Datenwert zuordnet.

Erfindungsgemäß besonders bevorzugt ist ein Verfahren zur Herstellung von informationstragenden mikropartikulären Gemischen auf Basis von Kieselalgen (Diatomeen), das dadurch gekennzeichnet ist, daß man

a) Einen Code definiert, der mithilfe von natürlichen oder nachträglich applizierten Merkmalen von Diatomeen implementiert werden kann, die ausgewählt sind unter i. Morphologie des Kieselsäureskeletts ii. Molekularstruktur iii. Nukleinsäure-Sequenz iv. Größe v. Form vi. Farbe vii. Wellenlängen-Spektrum viii. Chemischen Bestandteilen ix. Isotopen x. Optischen Eigenschaften xi. physikalischen Eigenschaften (Dichte, Gewicht) xii. chemischen Eigenschaften oder xiii. Anzahl Partikeln
b) Diatomeen (Mikropartikel) i. durch Zucht oder ii. durch Ernte aus ihren natürlichen Lebensräumen oder iii. in fossiler Form (z. B. Diatomit, Kieselgur) durch Abbau gewinnt,
c) gegebenenfalls die in b) gewonnenen Mikropartikel in jeweils einheitliche Partikelspezies sortiert und
d) ein einen in Schritt a) definierten Code implementierendes informationstragendes Gemisch aus Partikeln erzeugt, indem man gemäß dem Kodierschema f(q₀, q₁,... q_n) = q₀ ^q1,...qn|n ∈ IN₀, q₀, q₁,... q_n ∈ IR i. eine gewünschte Anzahl n, n ∈ IN₀, von Merkmalen gemäß a) auswählt; ii. damit bis zu f(q₀, q₁,... q_n) = q₀ ^q1,...qn|n ∈ IN₀, q₀, q₁,... q_n ∈ IR verschiedene Partikelspezies bildet und jeder Partikelspezies einen Datenwert zuord net; iii. jeweils bis zu f(q₀, q₁,... q_n) = q₀ ^q1,...qn|n ∈ IN₀, q₀, q₁,... q_n ∈ IR verschiedene Partikelspezies miteinander vermischt und so ein informationstragendes Gemisch erzeugt; oder
e) ein einen in Schritt a) definierten Code implementierendes informationstragendes Gemisch aus Partikeln erzeugt, indem man gemäß dem Kodierschema f(R₀, R₁,... R_n) = R₀ ^R1,...Rn|n ∈ IN₀, R₀, R₁,... R_n ∈ IR i. bis zu f(R₀, R₁,... R_n) = R₀ ^R1,...Rn|n ∈ IN₀, R₀, R₁,... R_n ∈ IR verschiedene Partikelkomplexe erzeugt, indem man für jeden Partikelkomplex jeweils bis zu R_i = f(q_0i, q_1i,... q_ki) = q_0i ^q1i,...qki|k ∈ IN₀, q_0i, q_1i,... q_ki ∈ IR Partikelspezies aneinander oder an einen gemeinsamen Träger bindet oder gemeinsam miteinander verpackt; ii. bis zu f(R₀, R₁,... R_n) = R₀ ^R1,...Rn|n ∈ IN₀, R₀, R₁,... R_n ∈ IR viele verschiedene Kombinationen von Partikelkomplexen miteinander verbindet und jedem resultierenden Partikelkomplex einen Datenwert zuordnet; iii. diese miteinander vermischt, und so ein informationstragendes Gemisch erzeugt; oder
f) ein einen in Schritt a) definierten Code implementierendes informationstragendes Gemisch aus Partikeln erzeugt, indem man gemäß dem Kodierschema f(d, m) = d^m|d ∈ IR, m ∈ IN₀ i. m, m ∈ IN₀, räumlichen Ordnungseinheiten jeweils bis zu d, d ∈ IR, viele Partikel, Partikelgemische oder Partikelkomplexe in einem festen räumlichen Verhältnis zueinander anordnet, wobei jede räumliche Ordnungseinheit eine Mischung von Partikeln, Partikelgemischen oder Partikelkomplexen erhält; ii. jeder räumlichen Anordnung von Partikeln, Partikelgemischen oder Partikelkomplexen einen Datenwert zuordnet.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind unter „Gemischen auf Basis von Kieselalgen" Gemische zu verstehen, die mindestens eine naturbelassene, fossile und/oder wie weiter unten beschrieben modifizierte Kieselalge enthalten.
Kieselalgen sind einzellige Pflanzen, die mit einem Kieselsäuregerüst umgeben sind. Kieselalgen besitzen allerdings Chlorophyll c anstelle von Chorophyll b und die Assimilationsprodukte (Chrysolaminarin anstelle von Stärke, sowie Öle in besonderen Ölvakuolen) werden außerhalb der Chromatophoren abgelagert. Aufgrund dieser und anderer Merkmale haben Kieselagen mehr Gemeinsamkeiten mit Braunalgen und Goldalgen, als mit Grünalgen und Höheren Pflanzen.
Kieselalgen kommen auf der Erde nahezu ubiquitär vor (Meer, Seen, Erdboden) und machen den Hauptbestandteil des Phytoplanktons aus. Die kleinsten bekannten Diatomeentaxa haben einen Durchmesser von lediglich 2,5 μm, die größten erreichen 2 mm.
Typisch für Kieselalgen ist der Besitz einer, außerhalb des Plasmalemma abgelagerten, Hülle aus amorpher Kieselsäure. Diese ist aufgebaut wie eine Käseschachtel: Es gibt einen Schachteldeckel, Epitheka genannt, und einen Schachtelboden, der als Hypotheka bezeichnet wird. Die überlappenden Seitenränder der Schachtel nennt man Epipleura, bzw. Hypopleura.
Die Fortpflanzung geschieht durch vegetative Zellteilung, wobei jede Tochterzelle eine neue Hypotheka bildet, d.h. bei einer der beiden Tochterzellen wird die Hypotheka zu einer neuen Epitheka. Damit werden die Nachkommen von Generation zu Generation immer kleiner. Einen Ausgleich schafft die sexuelle Fortpflanzung. Unter Sexualität versteht man eine Methode, die es gestattet zwischen den Individuen innerhalb einer Population genetische Information auszutauschen, was durch Karyogamie geschieht. Karyogamie ist die Verschmelzung zweier haploider Gametenkerne zum diploiden schmelzung zweier haploider Gametenkerne zum diploiden Zygotenkern. Als Befruchtungsmodus kommen bei Kieselalgen Oogamie (bei Centrales) und Isogamie (bei Pennales) vor, wobei aber begeißelte Schwärmer nur bei Centrales (Spermatozoiden) vorkommen. Bei Kieselalgen zeichnet sich die Zygote, die hier auch Auxospore genannt wird, durch erhebliches Größenwachstum aus, wodurch der Größenverlust infolge vieler vegetativer Teilungen wieder ausgeglichen wird. Der Lebenzyklus ist diplontisch mit gametischem Kernphasenwechel, d.h. Diatomeen sind grundsätzlich diploid.
Die säurfesten Silikatschalen der Kieselalgen dienen als Bestimmungsmerkmal und werden seit über 100 Jahren zur Klassifikation der Diatomeentaxa eingesetzt. Je nach Autor belaufen sich die Schätzungen der weltweit existierenden Taxa auf 10.000 bis 1 Mio. Arten, weitaus die meisten davon sind marin. Im Standarwerk zur Bestimmung limnischer Diatomeenproben (KRAMMER & LANGE-BERTALOT, 1986-1991 B, Süßwasserflora von Mitteleuropa, Band 2: Bacillarophyceae) sind ca. 1600 Arten beschrieben.
Die verschiedenen Spezies lassen sich einerseits genetisch (also anhand charakteristischer Nukleinsäuresequenzen), andererseits optisch unter dem Mikroskop anhand ihres jeweils charakteristischen Kieselsäureskeletts unterscheiden. Außerdem lassen sich die Diatomeen-Partikel nachträglich nachbehandeln, um sie mit unterscheidbaren Merkmalen zu versehen (z.B. durch Färben, Bedampfen etc.). Eine weitere Alternative ist, bei der Aufzucht von Diatomeen gezielt bestimmte Stoffe zum Kulturmedium zu geben, die durch die Stoffwechseltätigkeit der Diatomeen aufgenommen und eingelagert werden.
In fossiler Form kommen Diatomeen z.B. im Kieselgur bzw. im Diatomit vor. Darin findet man Mischungen von sehr vielen unterschiedlichen Kieselsäureskeletten. Kieselgur wird und wurde in Kosmetika und Lebensmitteln verwendet und findet heutzutage z.B. noch Anwendung als Filtermaterial in der Getränkeindustrie. Außerdem findet Kieselsäure in der Ernährung oder der Medizin Ver wendung. Dort wird es vornehmlich als Siliziumdioxid-Quelle (Haut-, Haar- und Nagel-Aufbau) verwendet.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren sind grundsätzlich alle Diatomeen, d. h. alle Vertreter der Klasse der Bacillariophyceae (in der NCBI-Nomenklatur: Bacillariophyta) einsetzbar. Nur für bestimmte Verwendungsformen eingesetzt werden sollten die wenigen toxischen Vertreter der Bacillariophyta, z.B. Vertreter der Gattungen Nitzschia und Pseudo-Nitzschia.
Im einzelnen seien insbesondere die der folgenden systematischen Aufstellung zu entnehmenden Organismen genannt:

Klasse: Bacillariophyceae
• Ordnung: Centrales
1. Unterordnung: Coscinodiscineae
2. Unterordnung: Rhizosolenünae
3. Unterordnung: Biddulphüneae
• Ordnung: Pennales
1. Unterordnung: Araphidineae Familie: Fragilariaceae Gattung: Tetracyclus Gattung: Diatoma Gattung: Meridion Gattung: Asterionella Gattung: Tabellaria Gattung: Synedra Gattung: Fragilaria Gattung: Opephora Gattung: Hannaea Gattung: Centronella
2. Unterordnung: Raphidiodinae Familie: Eunotiaceae Gattung: Eunotia Gattung: Actinella Gattung: Peronia
3. Unterordnung: Monoraphidiodinae Familie: Achnanthaceae Gattung: Achnanthes Gattung: Cocconeis
4. Unterordnung: Biraphidinae Familie: Naviculaceae Gattung: Cymbella Gattung: Amphora Gattung: Rhoicosphenia Gattung: Gomphoneis Gattung: Didymosphenia Gattung: Mastogloia Gattung: Diatomella Gattung: Scoliopleura Gattung: Entomoneis Gattung: Gyrosigma Gattung: Pleurosigma Gattung: Oestrupia Gattung: Caloneis Gattung: Pinnularia Gattung: Diploneis Gattung: Stauroneis Gattung: Neidium Gattung: Amphipleura Gattung: Frustulia Gattung: Anomoeneis Gattung: Navicula Familie: Epithemiaceae Gattung: Epithemia Gattung: Rhopalodia Gattung: Denticula Familie: Bacillariaceae Gattung: Bacillaria Gattung: Nitzschia Gattung: Hantzschia Gattung: Cymbellonitzschia Gattung: Cylindrotheca Gattung: Simonsenia Familie: Surirellaceae Gattung: Surirella Gattung: Cymatopleura Gattung: Campylodiscus Gattung: Stenopterobia

Es existieren auch andere Nomenklaturen und Klassifikationen von Diatomeen. Z.B. werden Diatomeen nach dem NCBI (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/) als Bacillariophyta mit den Unterklassifikationen Bacillariophyceae (raphid, pennate diatoms), Coscinodiscophyceae (centric diatoms) und Fragilariophyceae (araphid, pennate diatoms) bezeichnet. Außerdem finden sich dort Proben und Klone (environmental samples), die den Bacillariophyta zugeordnet wurden aber noch nicht weiter klassifiziert wurden. Auch diese Diatomeen sind in dem erfindungsgemäßen Verfahren einsetzbar.
Bei der Definition eines geeigneten Codes gemäß Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens macht man sich den Umstand zunutze, daß grundsätzlich jedes Merkmal oder jede Charakteristik eines Objektes, z.B. Größe, Form, Farbe, Zusammensetzung, atomare Struktur, molekulare Struktur, genetischer Code, Häufigkeit usw... zur Speicherung von Informationen benutzt werden kann.
Im Falle von Partikeln auf der Basis von Diatomeen stehen u.a. die Merkmale Struktur (Morphologie des Kieselsäureskeletts), Molekularstruktur, Genetischer Code, Größe, Form und Farbe zur Verfügung.
Außerdem lassen sich zur Generierung weiterer erfindungsgemäß nutzbar zu machender Charakteristika die Partikel nachbehandeln. Z.B. lassen sich Diatomeen nachträglich färben oder chemisch modifizieren. Außerdem können lebende Diatomeen mit zusätzlichen Merkmalen versehen werden, indem man Stoffe in das Kulturmedium mischt, die von den Diatomeen durch ihren Stoffwechsel aufgenommen, angereichert oder eingelagert werden. Damit lassen sich gezielt spezifische Stoffe in Diatomeen anreichern und die Diatomeen damit gezielt verändern. Zu diesen Stoffen zählen u.a. fluoreszierende Teilchen, Pigmente, Metalle oder Isotope. Beispielsweise läßt sich farbige Tinte in das Kulturmedium mischen um Farbpigmente in die Diatomeen inkorporieren zu lassen.
Es lassen sich auch insbesondere diejenigen Moleküle im Nährmedium modifizieren/markieren, die eine besondere Rolle im Stoffwechsel der Diatomeen spielen. Dazu zählen z.B. SiO₂, Phosphat und Schwefel. Auch Isotopenmarkierungen sind möglich, wenn die Isotopen dem Kulturmedium zugesetzt werden oder die Verhältnisse von Isotopen in den Stoffen, die dem Kulturmedium zugesetzt werden gegenüber den natürlichen Gegebenheiten verändert werden. Beispielsweise beträgt die natürliche Verteilung der Kohlenstoff-Isotope C12 und C13 typischerweise 98,90% : 1,10%. Eine Markierung läßt sich also dadurch erreichen, daß C13 im Überschuß zum Kulturmedium zugegeben wird und daurch in den Diatomeen angereichert wird, so daß sich das natürliche Verhältnis hin zu C13 verschiebt.
Überdies läßt sich durch genetische Modifikationen sowohl die genetische Information als auch (unter anderem) die Morphologie von Diatomeen verändern.
Auch nach Schritt b) erhaltene fossile Partikel können erfindungsgemäß zusätzlich markiert werden.
Dazu werden sie z.B. mit Farbstoffen versetzt, photoaktiven Chemikalien getränkt oder mit Metall bedampft. Alternativ können sie z.B. mit einem Laser modifiziert oder mit Gravuren versehen werden.
Zur nachträglichen Färbung der Diatomeen eignen sich z.B. die einschlägigen, gemeinhin für die Mikroskopie (Lichtmikroskopie, Fluoreszenz- Laser-, Elektronenmikroskopie) eingesetzten Farbstoffe und Fuoreszenzfarbstoffe und z.B. die einschlägigen histochemischen und immunhistochemischen Verfahren. Dazu zählen z.B. Lugolsche Lösung, Methylenblau, Toluidinblau, Acridinorange usw.
Für Diatomit (Kieselgur), das überwiegend aus Silikatgerüsten besteht, eignen sich insbesondere kationische Farbstoffe wie z.B. Methylenblau, Chromoxidgrün und Mauvein. Außerdem können die Silikatgerüste auch durch die Einlagerung von Metallatomen intensiv gefärbt werden.
Geeignet ist u.a. auch die Bedampfung und "Färbung" mit Schwermetallionen. Bei der Bedampfung werden die Diatomeen (im Vakuum) einer Metalldampfwolke (z.B.: Platin oder Platin/Kohle, Gold, Vanadium, Chrom, Blei u.a.) ausgesetzt, die bei der Erhitzung einer entsprechenden Metallelektrode entsteht. Neben dem sog. negative staining, bei der sich die Metallionen (Phosphorwolframsäure, Uranylacetat, Uranylformiat u.a.) um die Strukturen herum anlagern, ist auch das sog. positive staining geeignet, bei dem die Salz- und Metallionen absorbiert oder eingelagert werden. Geeignet ist ebenfalls der Laser-"Beschuß" der Diatomeen-Partikel, sofern er charakteristische Muster in den Partikel hinterläßt.
Diatomeen sind grundsätzlich deshalb gut als Datenspeicher geeignet, weil es von Natur aus eine große Anzahl verschiedener Spezies gibt, die sich schon anhand natürlicher Merkmale gut voneinander unterscheiden lassen und aufgrund der Vielzahl unterschiedlicher Spezies eine recht hohe Speicherkapazität zur Verfügung stellen. Veranschlagt man z.B., daß es etwa 100.000 verschiedene Arten (Spezies) von Kieselalgen gibt, dann kann damit beispielsweise ein digitaler Code mit bis zu 100.000 Bits gebildet werden. Die Bits können dabei wie beschrieben jeweils z.B. genetisch oder optisch unterscheidbar sein.
Zu den natürlichen Merkmalen, die sich als Codeträger eignen, zählen u.a. die spezifische Morphologie, sowie die spezifische genetische Ausstattung, die sich anhand spezifischer DNA Sequenzen nachweisen läßt (z.B. durch Sequenzierung oder Hybridisierung mit spezifischen DNA Sonden). Zur Erhöhung der Speicherkapazität des Datenträgers könnten selbst genetisch unterschiedliche Mutanten bzw. Stammlinien derselben Spezies verwendet werden.
Ein weiterer Vorzug von Diatomeen ist die hohe Stabilität, die Diatomeen aufgrund ihres Kieselsäureskeletts besitzen und die sie auch für starke mechanische Beanspruchungen, extreme chemische Bedingungen (Silikat widersteht auch starken Säuren, ausgenommen Flußsäure) und hohe Temperaturen (der Schmelzpunkt von Cristobalit, einer kristallinen Form von SiO₂ in der die Kieselsäure der Diatomeenschalen hauptsächlich vorliegt liegt bei 1710°C) geeignet macht. So halten Diatomeen (beispielsweise die Spezies Fragilariopsis kerguelensis) z.B. mehrere hundert Tonnen Druck pro m² aus (Kosmos, Mitteilungen der Alexander von Humboldt- Stiftung, 17.12.2001, im Internet unter: http://www.avh.de/kosmos/kultur/2001 002.htm).
Die Kieselsäureskelette (Silikat, SiO₂) machen Diatomeen auch insofern besonders gut für die Kennzeichnung geeignet, als die Kieselsäureskelette durchsichtig sind und insofern auch die optischen Eigenschaften von durchsichtigen Materialien kaum ändern. Es eignet sich daher insbesondere auch für Klarlacke und insbesondere auch für Glas (der Hauptbestandteil von Glas ist ebenfalls SiO₂). Außerdem ist Silikat in vielen Fällen chemisch und thermisch stabiler als das markierte Material selbst. So kann eine Probe des gekennzeichneten Materials thermisch oder durch die Zugabe einer starken Säure (z.B. Salz- oder Schwefelsäure) aufgelöst werden, ohne daß die Kieselsäuregerüste zerstört werden. Damit läßt sich ggfs. die Markierung aus einem Material zurückerhalten ohne daß aufwendige Extraktionsverfahren angewendet werden müssen.
Ein weiterer Vorzug ist, daß Silikat keinerlei toxische Auswirkungen auf den menschlichen Organismus hat. Kieselsäure ist als weißliches Pulver (es handelt sich hierbei um aufbereitetes und gemahlenes Diatomit) z.B. in Reformhäusern erhältlich, wo es, wie beschrieben, für den Aufbau von Knochen, Zähnen und Nägeln empfohlen wird. Der Verzehr von Silikat ist auch in größeren Mengen unbedenklich. Daher ist Silikat insbesondere auch für die Kennzeichnung sensibler Produkte (Nahrungsmittel, Pharmazeutika) geeignet.
Ein weiterer Vorzug ist, daß mannigfaltige chemische Umsetzungen mit Silikat bekannt sind. So lassen sich die chemischen Eigenschaften der Kieselsäureskelette der Diatomeen verändern (z.B. um die Stabilität noch zu erhöhen), ohne daß die Morphologie (und damit Informationsgehalt) der Partikel verloren geht. Z.B. sind vielfältige Silikat-Salze, Silikat- oder Alkali-Silikat-Verbindungen bekannt (z.B. aus der Glas- und Keramikherstellung). Zu den Silikatverbindungen zählen u.a. Aluminiumsilikate und Zeolithe, Silikatkeramiken (zumeist Alkali-Aluminium-Silikate), Zirkoniumsilikate und Magnesiumsilikate. Außerdem läßt sich SiO₂ z.B. auch in Magnesiumoxid oder Calciumoxid umsetzen.
Informationen können mit Partikeln gespeichert werden, wenn mit den Partikeln nach formalen Regeln Codes gebildet werden. Dazu kann man Datenstrukturen mit Partikeln abbilden. Im Folgenden wird gezeigt, wie man Datenstrukturen mit Partikeln implementiert.
Entscheidend ist, daß die für einen Code verwendeten Partikel charakteristische, nachweisbare und von anderen Partikeln unterscheidbare Merkmale aufweisen. Dazu zählen die oben bereits genannten natürlichen oder nachträglich applizierten Merkmale (Form, Farbe, Größe,...). Anhand dieser Merkmale lassen sich Partikel jeweils Partikelspezies zuordnen. Eine Partikelspezies ist jeweils definiert durch eine Menge von charakteristischen Merkmalen, die jeweils ein Partikel aufweisen muß, um genau dieser Partikelspezies zugeordnet werden zu können. Eine Partikelspezies umfaßt daher eine Menge von m Partikeln mit m ∈ IN₀, die aufgrund mindestens eines gemeinsamen Merkmals (Farbe, Form, Größe,...) oder einer gemeinsamen Kombination von Merkmalen dieser Partikelspezies zugeordnet werden kann. Die Definition von Partikelspezies ist wahlfrei (und wird vom Implementierenden festgelegt), muß jedoch eindeutig sein. So kann z.B. festgelegt werden, daß rote Partikel und blaue Partikel unter 10μm eine Partikelspezies bilden.
Beispiele für Partikelspezies sind: • Alle discusförmigen Partikel • Alle Partikel zwischen 10 und 20 μm • Alle Partikel der biologischen Spezies Fragilariopsis kerguelensis • Alle Partikel die blau gefärbt sind, unter 10μm groß und ein Isotopenverhältnis C12 : C13 von 95% : 5% besitzen • Alle Partikel mit der DNA Sequenz 5' acgtttgactgacaatcgc 3'
Beispielhaft wird die Definition eines Codes durch Partikel im Folgenden dargestellt:
Sei s ein Binärstring der Länge i, also z.B. s_bsp = 01010101. Jetzt läßt sich jeder Position im Binärstring eine spezifische Partikelspezies zuordnen. Die jeweiligen Partikelspezies lassen sich anhand eines oder mehrerer Merkmale (z.B. Farbe, Form, Aussehen, molekulare Zusammensetzung, etc.) voneinander unterscheiden, die Partikel derselben Spezies dagegen lassen sich als merkmalsgleich identifizieren. Das Vorhandensein bzw. Nichtvorhandensein der Partikel steht jeweils für „1" und „0". Im Beispiel sei das Merkmal, anhand derer sich die Partikelspezies identifizieren oder unterscheiden lassen, die Farbe. Weiterhin nehmen wir für unser Beispiel an, daß für Position 0 im Binärstring blaue Partikel stehen, für Position 1 rote, für Position 2 gelbe usw. Dann läßt sich jetzt der Binärstring 111 kodieren, indem blaue, rote und gelbe Partikel verwendet werden. Der Binärstring 001 läßt sich kodieren, indem nur blaue Partikel verwendet werden usw. Umgekehrt läßt sich aus dem Vorkommen von nur gelben und roten Partikeln unschwer der Binärstring 110 ablesen.
Nehmen wir an, daß wir 8 verschiedene Partikelspezies mit unterscheidbaren Merkmalen haben, so können wir damit 1 Byte Information kodieren, wenn wir, wie beschrieben, das Vorhandensein einer Spezies als logische „1 ", die Abwesenheit einer Spezies als logische „0" interpretieren. Damit sind mit 8 Partikelspezies dann 2⁸ = 256 = 1 Byte an Informationen kodierbar. Das Prinzip läßt sich verallgemeinern: Für n verschiedene Partikelsorten gibt es nach diesem Kodierschema 2ⁿ verschiedene Kombinationen und kodierbare Informationen.
Das Kodierschema läßt sich aber auch noch weiter erweitern. Beispielsweise läßt sich die Anzahl der Partikel einer Spezies in die Kodierung mit einbeziehen. Dann geht die Anzahl der Partikel in die Anzahl der kodierbaren Datenwerte mit ein. Die Anzahl der Partikel ist n, wobei n ∈ IN₀ ist. Aufgrund der hohen Zahl an Partikeln kann es jedoch praktischer sein, das Verhältnis der Anzahl Partikel der Partikelspezies zueinander zu ermitteln. Kann z.B. jede Partikelspezies gar nicht, einfach oder zweifach vertreten sein, dann haben wir nicht nur 2 Grundgesamtheiten (0, 1), sondern schon deren drei (0, 1, 2). Haben wir z.B. vier Partikelspezies a, b, c, d, und kann jede Partikelspezies in der Anzahl Partikel in den Vielfachen 0, 1 und 2 zueinander vertreten sein, so gibt es 3⁴ verschiedene darstellbare Datenwerte. Insgesamt kann die Anzahl der Grundgesamtheiten g nun bei ganzzahligen Verhältnissen zueinander g ∈ IN₀, bei gebrochenen Verhältnissen zueinander sogar g ∈ IR sein. Insgesamt können wir mit diesem Kodierschema also f(p,g) = pg|g,p ∈ IN0, bzw. f(p,g) = pg|g ∈ IR, p ∈ IN0
viele verschiedene Datenwerte darstellen, wobei p die Anzahl der verschiedenen Partikelspezies und g die Anzahl der verschiedenen Grundgesamtheiten bezeichnet. Wenn nur wenige Partikelspezies zur Verfügung stehen, kann es zweckmäßig sein alternativ eine Kodierung nach dem Schema f(p,g) = pg|g,p ∈ IN0, bzw. f(p,g) = pg|g ∈ IR, p ∈ IN0
vorzunehmen.
Wir können nun verallgemeinern und sehen, daß es sich auch bei dem Verhältnis von Partikelspezies zueinander im Prinzip auch um ein Merkmal (Konzentration) handelt, das gewissermaßen nachträglich einer Partikelspezies zugeordnet wurde. Verallgemeinernd können wir daher sagen, daß sich Datenwerte durch Partikelspezies nach dem Kodierschema f(q,r) = qr|q,r ∈ IN0, bzw. f(q,r) = qr|q,r ∈ IR
darstellen lassen. Dabei geben q und r jeweils die Anzahl unterschiedlicher Instanzen der Merkmale Q und R an. Ein Beispiel dazu: Nehmen wir an, daß Merkmal Q die Farbe der Partikel ist und wir genau 2 unterschiedliche Instanzen diese Typs haben, nämlich Partikel die jeweils rot oder blau gefärbt wurden, dann ist q = 2. Nehmen wir weiterhin an, daß Merkmal R die Zugehörigkeit der Partikel zu einer biologischen Spezies ist, dann können wir mit 16 verschiedenen biologischen Spezies (r = 16) q^r = 2¹⁶ verschiedene Datenwerte darstellen. Haben wir umgekehrt z.B. nur 2 biologische Spezies zur Verfügung, jedoch 16 verschiedene Farben, dann wäre es zweckmäßig statt 16² verschiedenen Datenwerten 2¹⁶ zu erhalten, indem wir eine geschicktere Kodierung wählen und in diesem Falle eine Zuordnung von biologischer Spezies zu Merkmal Q und Farbe zu Merkmal R vornehmen.
Dieses Kodierungsschema läßt sich noch weiter verallgemeinern. Bisher haben wir lediglich 2 verschiedene Merkmale betrachtet. Jedoch haben wir im Allgemeinen bis zu n verschiedene Merkmale zur Verfügung, wobei für n gilt n ∈ IN₀. Damit erhalten wir ein Kodierschema von: f(q0, q1,... qn) = q0 q1,...qn|n, q0, q1,... qn ∈ IN0 , bzw. f(q0, q1,... qn) = q0 q1,...qn|n ∈ IN0, q0, q1,... qn ∈ IR verschiedenen darstellbaren Datenwerten, wobei jeweils q₀,..., q_n die Anzahl unterschiedlicher Instanzen eines Merkmals Q_i (mit 0 ≤ i ≤ n) angibt (also z.B. Q₀ = Farbe, q0 = {blau, gelb, rot} = 3).
Die bisher beschriebene Datenstruktur wollen wir als set (Menge) bezeichnen. Sie basiert auf der Repräsentation von Daten durch unabhängige Einzelpartikel mit unterscheidbaren Merkmalen. Die Kodierungsmöglichkeiten können noch ausgeweitet werden, wenn die bisher unabhängigen Partikel zu Partikelkomplexen verbunden werden, oder wenn sie an einen Träger gebunden werden. Werden Partikel zu Partikelkomplexen verbunden, so kann jeder Partikelkomplex im Prinzip soviel Information speichern wie bisher ein ganzer Pool von losen Einzelpartikeln (set). Da wir Partikelkomplexe jedoch im Prinzip ebenfalls wie Partikel behandeln können (und z.B. ihr Verhältnis zueinander festlegen können), erreichen wir damit eine höhere Informationsdichte (s.u.). Werden die Partikel gar nach einem bestimmten Prinzip oder Muster miteinander verbunden, so läßt sich diese Informationsdichte nocheinmal steigern.
Im Prinzip handelt es sich bei einem Partikelkomplex um eine Partikelspezies, bei der die zugehörigen Partikel physikalisch aneinander gebunden sind. Binden wir Partikel oder Partikelkomplexe an einen adressierbaren Träger, so können wir identische Partikel oder Partikelkomplexe dadurch unterscheiden, daß sie sich an räumlich unterscheidbaren Adressen befinden. Auch in diesem Falle erreichen wir also eine weitere Steigerung der Informationsdichte.
Werden Partikel miteinander zu Partikelkomplexen verbunden, so bezeichnen wir diese Datenstruktur als record. Werden Partikel oder Partikelkomplexe an einen Träger gebunden und räumlich adressierbar, so bezeichnen wir diese Datenstruktur als array.
Zur Implementierung von records können die Partikel unterschiedlicher Partikelspezies miteinander verbunden werden. Dazu werden sie z.B. entweder aneinander oder an einen gemeinsamen Träger gebunden oder gemeinsam miteinander verpackt. Das Resultat sind Partikelkomplexe, die aus Einzelpartikeln bestehen. Dieses Vorgehen ist z.B. auch dann sinnvoll, wenn das ungewollte Vermischen von Codes unterschiedlicher Herkunft vermieden werden soll. In einem einzelnen record ohne ein bestimmtes Muster können, wie oben gezeigt, bis zu f(q0, q1,... qn) = q0 q1,...qn|n ∈ IN0, q0, q1,... qn ∈ IR
viele Datenwerte gespeichert werden, wobei jeweils q_i, 0 < i s n, die Anzahl unterschiedlicher Instanzen eines Merkmals Q_i der verwendeten Partikel ist.
Mit n Partikelkomplexen können sogar bis zu f(R0, R1,... Rn) = R0 R1,...Rn|n ∈ IN0, R0, R1,... Rn ∈ IR
viele verschiedene Datenwerte gespeichert werden, wobei R; (mit 0 ≤ i ≤ n) jeweils die Anzahl verschiedener Partikelkomplexe ist. Es gilt also für jedes R; Ri = f(q0i, q1i,... qki) = q0 q1i,...qki|k ∈ IN0, q0i, q1i,... qki ∈ IR
Eine weitere Möglichkeit ist es, Ortsinformationen in den Speicher mit ein zu beziehen, indem man Partikel oder Partikelkomplexe in räumlichen Ordnungseinheiten anordnet. So können Partikel oder Partikelkomplexe logisch auch als array (Array, Matrix) angeordnet werden, bei dem jedes einzelne Feld der Arrays einzeln adressiert werden kann. Physikalisch läßt sich ein logisches Array z.B. 2-dimensional als Chip (z.B. auf Siliziumträgermaterial) implementieren, bei dem jeweils einzelne Partikel oder Partikelgruppen an die Spots (Felder) des Chips gebunden werden. Für den Fall, daß sich auf einem Array pro Zelle Partikel einer bestimmten Partikelspezies befinden, kann ein solches Array f(d, m) = dm|d ∈ IR, m ∈ IN0
viele verschiedene Datenwerte speichern, wobei m die Größe des Arrays (= Anzahl der Zellen) angibt und d den Wertebereich IR, der durch ein Merkmal (z.B. Anzahl von Partikeln) oder durch eine Kombination von Merkmalen abgebildet wird. Arrays können sowohl Partikel unterschiedlicher Partikelspezies und Partikelkomplexe unterschiedlicher Sorten von Partikelkomplexen speichern, als auch jeweils nur Partikel einer Partikelspezies oder einer Sorte von Partikelkomplexen. Ein Array das nur Partikel einer Partikelspezies oder einer Sorte von Partikelkomplexen enthält heißt typisiertes Array. Typisierte Arrays sind in Programmiersprachen allgemein übliche Datenstrukturen, z.B. array of char, array of int, array of object etc. Insofern können typisierte Arrays von bestimm ten Partikelsorten hier auch zur Repräsentation solcher Datenstrukturen dienen. Ein array of int läßt sich z.B. durch ein array of Fragilariopsis kerguelensis darstellen.
Außerdem lassen sich in einem Array auch Arrays speichern. Analog lassen sich immer weiter beliebige Datenstrukturen bilden. Z.B. records von sets, records von arrays, sets von arrays, sets von records, records von records, arrays von records von arrays usw..
Die gemäß Schritt b) des bevorzugten Verfahrens durch Zucht, Ernte oder als Kieselgur (Diatomit) gewonnen Diatomeen werden unter anderem kommerziell angeboten.
Diatomeen und ihre Zuchtbedingungen sind in der einschlägigen Literatur beschrieben, z.B. in Monographien wie:
– Barber, H.G. & Haworth E.Y. (1981): A guide to the morphology of the diatom frustule. Freshwater Biol. Ass., Ambleside, U.K. Scientific Publ. No. 44. 112 pp.
– Round, F.E., Crawford, R.M. & Mann, D.G. (1990): The Diatoms. Biology & Morphology of the Genera. Cambridge University Press. 747pp.
– Stace, C. A. (1989): Plant Taxonomy and Biosystematics. Cambridge University Press, Cambridge, U.K. 264 pp.
– Werner, D. (1977 ed.): The Biology of Diatoms. Blackwell Scientific Publications, Oxford. 498 pp., sowie in weiteren wissenschaftlichen Arbeiten, z.B. in:
– Goos, Frank-Martin: Entwicklung und Architektur von Aufwuchsgesellschaften unter definierten Licht- und Nährstoffverhältnissen, Aachen: Shaker-Verl., 1999 (Berichte aus der Biologie) Zugl.: München, Techn. Univ., Diss., 1999 ISBN3-8265-6650-5 und in: S. Burkhardt, I. Zondervan, U. Riebesell, Effect of CO2 concentration on C:N:P ratio in marine phytoplankton: A species comparison , worauf hiermit in vollem Umfang Bezug genommen wird.
Dort ist auch beschrieben, welche Umweltbedingungen von welchen Spezies bevorzugt werden. Wenn man die Umgebungsparameter bei der Zucht entsprechend wählt und sicherstellt, daß die jeweiligen Kulturen nur mit bestimmten Diatomeen-Spezies oder Subspezies inkubiert werden, so kann man Diatomeen direkt sortenrein erhalten und im Nachfolgenden auf das Trennen und Sortieren von Mischungen verzichten.
Die in den Schritten b) i oder b) ii erhaltenen Partikel werden vorzugsweise konserviert. Dies geschieht z.B. durch Trocknung, Hitze, Vakuum, Gefriertrocknung, Strahlung, durch Dehydrierung (Substitution von Wasser durch Aceton, Alkohol, organische Lösungsmittel oder Kohlenwasserstoffe oder Gemische aus Kohlenwasserstoffen, z.B. Paraffin), Silanisierung oder Plastination oder eine Kombination dieser Methoden.
Die Konservierung dient einerseits dem Zweck unnötige biologische Kontaminationen zu vermeiden, andererseits dem Zweck der dauerhaften Haltbarmachung der Partikel.
Fossile Diatomeen (Schritt b) iii) bedürfen in der Regel keiner Konservierung. Stattdessen kann aber eine Aufbereitung sinnvoll sein, die für Diatomite (Kieselguren) typischerweise nach der Gewinnung durchgeführt wird. So wird Diatomit je nach Gewinnungsgebiet in der Regel von Fremdbestandteilen getrennt (z.B. von Sand durch Schlämmen oder durch Windsichtung), getrocknet und ggfs. gebrannt (zur Entfernung organischer Bestandteile typischerweise bis zu 800°C).
Im Falle von durch Zucht oder durch Ernte erhaltenen Diatomeen sind u.a. die normalerweise zur Konservierung von Geweben oder Nahrungsmitteln verwendeten Verfahren geeignet. Es gibt umfangreiche Literatur, in der die Konservierung und Fixierung von biologischen Präparaten und Geweben beschrieben sind. ("Klassisch" sind etwa die Verfahren unter Verwendung von Alkohol oder Formaldehyd/Formalin.) Im Einzelnen sind dies z.B.:

• Chemische Konservierungsverfahren die z.B. in der Biologie und Medizin zur Konservierung von Geweben üblicherweise verwendet werden. Bei diesen Verfahren wird das Gewebe dehydriert, d.h. Wasser durch eine geeignetes Substitutionsmittel (z.B. Aceton, Alkohol, Formaldehyd/Formalin oder organische Lösungsmittel) ersetzt. (Z.B. werden dazu die Diatomeen in 100% Aceton oder Alkohol eingelegt bis das Wasser durch Aceton bzw. Alkohol ersetzt ist. Zweckmäßig ist es, wenn der Wassergehalt nach der Dehydrierung max. noch 1% beträgt. Es kann außerdem zweckmäßig sein, diesen Schritt unter 0°C, z.B. zwischen -15°C und -25°C durchzuführen, damit er möglichst schonend verläuft.) Nach der Dehydrierung können die Partikel ggfs. auch noch mit härtbarem Polymeren fixiert werden, z.B. durch Silanisierung, Plastination, Einlagerung von Paraffin (Wachs) usw. Geeignet sind die zur Fixierung von Geweben bekannten Protokolle. Diese sind allgemein bekannt und finden sich u.a. im Internet (z.B. unter: www.kfunigraz.ac.at/anawww/plast/plmeth.html). Üblich sind z.B. auch Konservierungen mit Glutaraldehyd und Osmiumtetroxid und die Fixierung mit Kunstharzen.
• Trocknung und Röstung, z.B. die in der Lebensmittelindustrie (z.ß. zur Kaffeeröstung) durchgeführten Vertahren, die beispielsweise in Sprühtürmen durchgeführt werden.
• Trocknung unter Vakuum, z.B. im Vakuumtrockenschrank.
• Die bekannten Verfahren zur Gefriertrocknung, z.B. sog. quick-freeze, deep-etch Schockgefrierverfahren, bei dem die zu konservierenden Objekte in flüssigen Stickstoff überführt werden oder die in der Nahrungsmittelindustrie angewandten Verfahren zur Gefriertrocknung von Lebensmitteln.
• Bestrahlung mit Licht, UV oder kurzwelliger Strahlung, einschließlich Röntgen- oder radioaktiver Strahlung.

Durch Zucht gewonnene Kieselalgen können direkt sortenrein erhalten werden.
Ansonsten sind für Trennung und Sortierung der Diatomeen gemäß Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens die für die Trennung von Partikeln und Partikelmischungen (Mischungen bezügl. eines unterscheidbaren Merkmals) im Mikrometerbereich und die Trennung biologischer Partikel üblichen Verfahren geeignet.
Geeignet sind z.B. die aus der mechanischen Verfahrenstechnik bekannten Verfahren zur Trennung, Fraktionierung und Sedimentation von Partikeln. Geeignet sind z.B. Siebtürme aus verschiedenen Sieben mit unterschiedlichen Maschenweiten. Aus der Siebtechnik bekannt sind z.B. Vibrationssiebe (kommerziell erhältlich z.B. von den Firmen Allgeier, Fritsch und Retsch), Luftstrahlsiebe, Ultraschallsiebe, Sichter und Feinsichter. Geeignet sind Trocken- und Naßsiebvertahren.
Außerdem geeignet sind die üblichen Verfahren der Sedimentation, Zentrifugation (differentielle Zentrifugation und Dichtegradienten-Zentrifugation, d. h. Zonen-Zentrifugation und isopyknische Zentrifugation), Chromatographie, Schwerkraftabscheidung, Elektrophorese, Durchflußzytometrie und das Sortieren mit Zellsortern. Sedimentation kann z.B. in Wasser vorgenommen werden, wobei sich die Teilchen gemäß dem Stokes'schen Gesetz ablagern. Die Sedimentationsgeschwindigkeit kann dabei durch Erhöhung der Viskosität der verwendeten Flüssigkeit (z.B. Zuckerlösung) verlangsamt werden.
Die Diatomeen-Partikel können in flüssiger Lösung auch mithilfe der üblichen Verfahren zur Flüssigfiltration getrennt und sortiert werden. Hier sind Membranen und Filter mit den verschiedensten Porengrößen erhältlich, die zur Auftrennung der Partikel auch hintereinander geschaltet werden können. Geeignet sind z.B. die zur Flüssigfiltration verwendeten Polymer- und Keramikmembranen. Ebenso die in der pharmazeutischen Industrie und der Biotechnologie verwendeten Verfahren zur Mikrofiltration und zur Gewinnung von Partikeln. Dazu werden z.B. Hohlfilter, die mit Porengrößen bis hinab zu 0,1 μm erhältlich sind, angewendet. Geeignet ist ebenfalls die Crossflow-Mikrofiltration (CMF).
Diatomit hat nur eine geringe Härte, seine spezifische Dichte beträgt zwischen 1,95 und 2,3 g/cm³. Aufgrund der feinen, skeletalen Struktur der sie bildenden Partikel sind Diatomite nur sehr gering verfestigt und können schonend in die Einzelpartikel zerlegt werden. Oft ist Diatomit nur durch eingelagerte Feuchtigkeit verfestigt und zerfällt schon nach der Trocknung in einen feinen Staub. Um die Desintegration von Diatomit in Einzelpartikel zu beschleunigen kann Diatomit ggfs. getrocknet, geschüttelt (trocken oder in einem Lösungsmittel) oder ggfs. vorsichtig zerrieben werden. Die Desintegration kann z.B. auch in einem Luftstrom (auch einem heißen Luftstrom), oder z.B. durch Behandlung des Sedimentes durch Ultraschall beschleunigt werden.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten mikropartikulären Gemische können durch den Fachmann in von der beabsichtigten Verwendung abhängiger Weise verpackt werden. Dazu werden sie vorzugsweise in härtbare Massen z.B. in Silikat, Thermoplasten (z.B. PVC), härtende Lacke, Harze, Wachse oder wachsartige Stoffe (langkettige Kohlenwasserstoffe) o.ä. eingebracht.
Dazu werden sie entweder in die Verpackungssubstanz eingemischt, die nach der Härtung gemahlen wird oder die mikropartikulären Gemische werden in die flüssige Verpackungsmasse eingemischt und durch Dispensation in Mikrotröpfchen verpackt. Mit einem Dispensen, wie dem im Internet beworbene Waxjet (siehe z.B. www.berasit.de, bzw. http://www.berasit.de/Produkte/ Ink Jet/ Waxjet/ waxjet. html) ist es sogar möglich die verpackten mikropartikulären Gemische sofort zu verdrucken. (Das Gerät ist auf das flüssige Auftragen von Wachs ausgelegt).
In Schritt d) – f) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der in Schritt a) definierte Code implementiert. Wie für Schritt a) beschrieben, bedarf es zumindest eines Merkmals oder einer Merkmalskombination, anhand dessen sich die Partikel zu einer bestimmten Spezies (z.B. einer biologischen Spezies oder einer Partikelgruppe mit einer bestimmten Farbe oder Form) zuordnen und anhand dessen sich die Spezies voneinander unterscheiden lassen.
Diese Merkmale können optisch (z.B. Farbe, Form), physikalisch (z.B. Masse, Größe), chemisch, biochemisch oder molekularbiologisch detektierbar sein.
Wie bereits beschrieben sind die Merkmale entweder natürlichen oder künstlichen Ursprungs. In den Erläuterungen zu Schritt a) wurde beschrieben wie sich z.B. ein Binärcode mit Partikeln darstellen läßt, die sich z.B. farblich voneinander unterscheiden. Wenn wir, wie im Beispiel in den Erläuterungen zu Schritt a) einen 8-Bit Code verwenden, dann können wir jetzt dazu 8 voneinander unterscheidbare Spezies verwenden. Dazu wird z.B. Bit 0 von Spezies 0 (z.B. biologische Spezies Melosira), Bit 1 von Spezies 1 (z.B. Individuen zwischen 20 und 40μm Größe), Bit 2 von Spezies 2 (z.B. zylindrische Partikel, blau eingefärbt) usw. repräsentiert. Wir können jetzt einzelne Werte darstellen (z.B. den Binärwert 01010101), indem wir eine Mischung von Spezies 0, Spezies 2, Spezies 4 und Spezies 6 herstellen. Der Binärwert 00000110 wird durch die Spezies 1 und 2 dargestellt usw.
Für anspruchsvollere Kodierungen, die z.B. records oder arrays von Partikeln erfordern, können verschiedene Partikel-Spezies z.B. miteinander versintert werden. Dazu können die entsprechenden Spezies-Mischungen z.B. ab einer Temperatur von ca. 1050°C miteinander gebrannt werden.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind mikropartikuläre Gemische, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Markierungssubstanzen, enthaltend mikropartikuläre Gemische, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung der ertindungsgemäß hergestellten mikropartikuläre Gemische als Datenträger. Dazu wird ein Code aus jeweils einzelnen Partikelspezies oder einer Kombination von Partikelspezies erstellt.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung der erfindungsgemäß hergestellten mikropartikuläre Gemische zur Produktkennzeichnung, Dazu werden sie z.B. in das zu markierende Material gemischt oder an dem zu markierenden Material oder Produkt angebracht.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen mikropartikulären Gemische können nachträglich identifiziert und damit der mit ihnen gebildete Code ausgelesen werden.
Dies geschieht z.B. optisch mit Hilfe eines Mikroskops, z.B. molekularbiologisch durch Lesen enthaltener Nukleinsäuresequenzen, z.B. durch chemische Analyse der natürlichen, eingelagerter oder später applizierter Chemikalien oder anhand physikalischer Merkmale (Größe, Masse).
Zur Identifikation werden die Partikel in oder auf dem gekennzeichneten Material nachgewiesen. Möglich ist z.B. eine optische Identifikation der Partikel anhand optisch detektierbarer (natürlicher oder nachträglich applizierter) Merkmale. Dazu zählt z.B. die Klassifikation verschiedener Diatomeen-Spezies anhand ihrer Morphologie, ihrer Größe oder Farbe.
Genetisch lassen sich die Partikel dann charakterisieren, wenn sie auf durch Zucht oder Ernte erhaltenen Diatomeen basieren und die jeweils enthaltenen Nukleinsäuren nicht durch nachträgliche Behandlung zerstört wurden. (Nukleinsäuren lassen sich z.B. durch Konservierung, wie oben beschrieben, erhalten).
Zur genetischen Charakterisierung lassen sich die in den Mikropartikeln enthaltenen Nukleinsäuren in dem Fachmann bekannter Weise auslesen. Dazu zählen z.B.:

a) Visualisierung durch Elektrophorese; durch Elektrophorese werden Nukleinsäuren nach Größe aufgetrennt. Hierdurch erhält man ein Bandenmuster, das charakteristisch für das aufgetrennte Gemisch aus Nukleinsäuren ist. Geeignet sind dabei alle Verfahren zur Elektrophorese (auch kapillare Gelelektrophorese oder Elektrophorese mit Microfluidic devices, wie z.B. dem Agilent BioAnalyzer),
b) Sequenzierung,
c) durch Hybridisierung, z.B. durch Hybridisierung auf Nukleinsäure-Microarrays.

Partikel die auf fossilisierten Kieselsäureskeletten basieren (z.B. die aus Diatomit gewonnenen) enthalten in der Regel keine Nukleinsäuren mehr. Hier können ggfs. jedoch nachträglich Nukleinsäuresequenzen zu Partikelspezies hinzugegeben werden um Unterscheidungsmerkmale zu schaffen.
Außerdem können die Partikel chemisch charakterisiert werden. Dazu weist man entweder die natürlichen oder die nachträglich applizierten Chemikalien mit den jeweils für sie bekannten Nachweisverfahren nach. Dazu geeignet sind auch enzymatische Nachweisverfahren (z.B. zum Nachweis von Phosphat).
Außerdem können die Partikel physikalisch (z.B. anhand Größe, Masse, spezifischer Dichte usw.) charakterisiert werden. Sofern bestimmte Isotopenmischungen durch Einlagerung erhalten wurden, können auch diese identifiziert werden.
Weitere Gegenstände der vorliegenden Erfindung sind die Verwendung von Diatomeen als Datenspeicher und zur Produktkennzeichnung, die Verwendung von Diatomit (Kieselgur) als Datenspeicher und zur Produktkennzeichnung, die Verwendung von Silikat für die Produktkennzeichnung sowie die Implementierung von Datenstrukturen mit Partikeln.

Claims

Verfahren zur Herstellung von informationstragenden mikropartikulären Gemischen, dadurch gekennzeichnet, daß man a) einen Code definiert, der mithilfe von natürlichen oder nachträglich applizierten Merkmalen von Partikeln implementiert werden kann, die ausgewählt sind unter I. Morphologie der Partikel II. Molekularstruktur III. informationstragende Struktur der Partikel IV. Größe V. Form VI. Farbe VI. Wellenlängen-Spektrum VIII. Chemischen Bestandteilen IX. Isotopen X. Optischen Eigenschaften XI. physikalischen Eigenschaften (Dichte, Gewicht) XII. chemischen Eigenschaften oder XIII. Anzahl Partikeln b) Partikel herstellt oder gewinnt c) gegebenenfalls die in b) gewonnenen Mikropartikel in jeweils einheitliche Partikelspezies sortiert und d) ein einen in Schritt a) definierten Code implementierendes informationstragendes Gemisch aus Partikeln erzeugt, indem man gemäß dem Kodierschema f(q₀, q₁,... q_n) = q₀ ^q1,...qn|n ∈ IN₀, q₀, q₁,... q_n ∈ IR I. eine gewünschte Anzahl n, n ∈ IN₀, von Merkmalen gemäß a) auswählt; II. damit bis zu f(q₀, q₁,... q_n) = q₀ ^q1,...qn|n ∈ IN₀, q₀, q₁,... q_n ∈ IR verschiedene Partikelspezies bildet und jeder Partikelspezies einen Datenwert zuordnet; III. jeweils bis zu f(q₀, q₁,... q_n) = q₀ ^q1,...qn|n ∈ IN₀, q₀, q₁,... q_n ∈ IR ver-schiedene Partikelspezies miteinander vermischt und so ein informationstragendes Gemisch erzeugt; oder e) ein einen in Schritt a) definierten Code implementierendes informationstragendes Gemisch aus Partikeln erzeugt, indem man gemäß dem Kodierschema f(R₀, R₁,... R_n) = R₀ ^R1,...Rn|n ∈ IN₀, R₀, R₁,... R_n ∈ IR I. bis zu f(R₀, R₁,... R_n) = R₀ ^R1,...Rn|n ∈ IN₀, R₀, R₁,... R_n ∈ IR verschiedene Partikelkomplexe erzeugt, indem man für jeden Partikelkomplex jeweils bis zu R_i = f(q_0i, q_1i,... q_ki) = q_0i ^q1i,...qki|k ∈ IN₀, q_0i, q_1i,... q_ki ∈ IR Partikelspezies aneinander oder an einen gemeinsamen Träger bindet oder gemeinsam miteinander verpackt; II. bis zu f(R₀, R₁,... R_n) = R₀ ^R1,...Rn|n ∈ IN₀, R₀, R₁,... R_n ∈ IR viele verschiedene Kombinationen von Partikelkomplexen miteinander verbindet und jedem resultierenden Partikelkomplex einen Datenwert zuordnet; III. diese miteinander vermischt, und so ein informationstragendes Gemisch erzeugt; oder f) ein einen in Schritt a) definierten Code implementierendes informationstragendes Gemisch aus Partikeln erzeugt, indem man gemäß dem Kodierschema f(d, m) = d^m|d ∈ IR, m ∈ IN₀ I. m, m ∈ IN₀, räumlichen Ordnungseinheiten jeweils bis zu d, d ∈ IR, viele Partikel, Partikelgemische oder Partikelkomplexe in einem festen räumlichen Verhältnis zueinander anordnet, wobei jede räumliche Ordnungseinheit eine Mischung von Parti keln, Partikelgemischen oder Partikelkomplexen erhält und man II. jeder räumlichen Anordnung von Partikeln, Partikelgemischen oder Partikelkomplexen einen Datenwert zuordnet.
Verfahren zur Herstellung von informationstragenden mikropartikulären Gemischen auf Basis von Diatomeen, dadurch gekennzeichnet, daß man a) einen Code definiert, der mithilfe von natürlichen oder nachträglich applizierten Merkmalen von Diatomeen implementiert werden kann, die ausgewählt sind unter i. Morphologie des Kieselsäureskeletts ii. Molekularstruktur Nukleinsäure-Sequenz iii. Größe iv. Form v. Farbe vi. Wellenlängen-Spektrum vii. Chemischen Bestandteilen viii. Isotopen ix. Optischen Eigenschaften x. physikalischen Eigenschaften (Dichte, Gewicht) xi. chemischen Eigenschaften oder xii. Anzahl Partikeln b) Diatomeen i. durch Zucht oder ii. durch Ernte aus ihren natürlichen Lebensräumen oder iii. in fossiler Form durch Abbau gewinnt, c) gegebenenfalls die in b) gewonnenen Mikropartikel in jeweils einheitliche Partikelspezies sortiert und d) ein einen in Schritt a) definierten Code implementierendes informationstragendes Gemisch aus Partikeln erzeugt, indem man gemäß dem Kodierschema f(q₀, q₁,... q_n) = q₀ ^q1,...qn|n ∈ IN₀, q₀, q₁,... q_n ∈ IR I. eine gewünschte Anzahl n, n ∈ IN₀, von Merkmalen gemäß a) auswählt; II. damit bis zu f(q₀, q₁,... q_n) = q₀ ^q1,...qn|n ∈ IN₀, q₀, q₁,... q_n ∈ IR verschiedene Partikelspezies bildet und jeder Partikelspezies einen Datenwert zuordnet; III. jeweils bis zu f(q₀, q₁,... q_n) = q₀ ^q1,...qn|n ∈ IN₀, q₀, q₁,... q_n ∈ IN₀ verschiedene Partikelspezies miteinander vermischt und so ein informationstragendes Gemisch erzeugt; oder e) ein einen in Schritt a) definierten Code implementierendes informationstragendes Gemisch aus Partikeln erzeugt, indem man gemäß dem Kodierschema f(R₀, R₁,... R_n) = R₀ ^R1,...Rn|n ∈ IN₀, R₀, R₁,... R_n ∈ IR I. bis zu f(R₀, R₁,... R_n) = R₀ ^R1,...Rn|n ∈ IN₀, R₀, R₁,... R_n ∈ IR verschiedene Partikelkomplexe erzeugt, indem man für jeden Partikelkomplex jeweils bis zu R = f(q_0i, q_1i,... q_ki) = q_0i ^q1i,...qki|k ∈ IN₀, q_0i, q_1i,... q_ki ∈ IN₀ Partikelspezies aneinander oder an einen gemeinsamen Träger bindet oder gemeinsam miteinander verpackt; II. bis zu f(R₀, R₁,... R_n) = R₀ ^R1,...Rn|n ∈ IN₀, R₀, R₁,... R_n ∈ IR viele verschiedene Kombinationen von Partikelkomplexen miteinander verbindet und jedem resultierenden Partikelkomplex einen Datenwert zuordnet; III. diese miteinander vermischt, und so ein informationstragendes Gemisch erzeugt; oder f) ein einen in Schritt a) definierten Code implementierendes informationstragendes Gemisch aus Partikeln erzeugt, indem man gemäß dem Kodierschema f(d, m) = d^m|d ∈ IR, m ∈ IN₀ I. m, m ∈ IN₀, räumlichen Ordnungseinheiten jeweils bis zu d, d ∈ IR, viele Partikel, Partikelgemische oder Partikelkomplexe in einem festen räumlichen Verhältnis zueinander anordnet, wobei jede räumliche Ordnungseinheit eine Mischung von Partikeln, Partikelgemischen oder Partikelkomplexen erhält und man II. jeder räumlichen Anordnung von Partikeln, Partikelgemischen oder Partikelkomplexen einen Datenwert zuordnet.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man in Schritt b) Diatomeen gewinnt, die ausgewählt sind unter Diatomeen der Ordnung Centrales, Unterordnungen Coscinodiscineae, Rhizosolenünae, Biddulphüneae und Diatomeen der Ordnung Pennales, Unterordnungen Araphidineae, Raphidiodinae, Monoraphidiodinae sowie Biraphidinae.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die in Schritt b) gewonnenen Diatomeen mit zusätzlichen Unterscheidungsmerkmalen versieht, insbesondere durch Färbung, chemische, mechanische oder genetische Modifikation, vorzugsweise durch Anreicherung von fluoreszierenden Teilchen, Pigmenten, Metallen oder Isotopen in lebenden Diatomeen oder durch Färbung oder Metallbedampfung fossiler Diatomeen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man a) die Partikel des in einem der Schritte d) bis f) erzeugten Gemisches aneinander bindet, gemeinsam an einen Träger bindet oder sie gemeinsam verpackt, oder b) die Partikel des in einem der Schritte d) bis f) erzeugten Gemisches als Matrix anordnet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die in Schritt b) erhaltenen Partikel konserviert, insbesondere durch Trocknung, Röstung, Erhitzen, Applikation eines Vakuums, Gefriertrocknung, Bestrahlung, Silanisierung, Plastination, Dehydrierung oder eine Kombination dieser Methoden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die in Schritt b) erhaltenen Partikel aufbereitet, insbesondere durch Abtrennen unennrünschter Fremdbestandteile, vorzugsweise durch Schlämmen, Windsichten, Trocknen oder Ausbrennen organischer Bestandteile.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man Schritt c) mit Hilfe von Methoden durchführt, die ausgewählt sind unter a) Trocken- oder Naßsiebverfahren, insbesondere unter Einsatz von Siebtürmen aus verschiedenen Sieben mit unterschiedlichen Maschenweiten, vorzugsweise unter Einsatz von Sieben, die ausgewählt sind unter Vibrationssieben, Luftstrahlsieben, Ultraschallsieben, Sichtern und Feinsichtern, b) Sedimentation, Zentrifugation, Chromatographie, Schwerkraftabscheidung, Elektrophorese, Durchflußzytometrie und Sortieren mit Zellsortern.
Verfahren zur Verpackung von informationstragenden mikropartikulären Gemischen, dadurch gekennzeichnet, daß man a) ein Gemisch nach einem der Ansprüche 1 bis 8 gewinnt und b) das Gemisch in eine Substanz einbringt, die ausgewählt ist unter härtbaren Massen, insbesondere Silikat, Thermoplasten, härtenden Lacken, Harzen, Wachsen oder wachsartigen Stoffen.
Markierungssubstanz, enthaltend ein mikropartikuläres Gemisch, erhältlich nach einem der Ansprüche 1 bis 9, insbesondere ein Gemisch auf Basis von Diatomeen.
Datenträger, enthaltend ein mikropartikuläres Gemisch, erhältlich nach einem der Ansprüche 1 bis 9, insbesondere ein Gemisch auf Basis von Diatomeen.
Verwendung eines mikropartikulären Gemisches, insbesondere eines Gemisches auf Basis von Diatomeen, das nach einem der Ansprüche 1 bis 9 erhältlich ist, zur Produktkennzeichnung.
Verfahren zum Auslesen der Information, die in nach einem der Ansprüche 1 bis 9 erhältlichen informationstragenden mikropartikulären Gemischen enthalten ist, insbesondere in mikropartikulären Gemischen auf Basis von Diatomeen, dadurch gekennzeichnet, daß man a) gegebenenfalls die mikropartikulären Gemische chemisch, mechanisch oder thermisch aus ihren Verpackungen freisetzt und b) die mikropartikulären Gemische optisch, molekularbiologisch, chemisch oder anhand physikalischer Merkmale identifiziert und so die durch sie repräsentierten Informationen ausliest.