DE1598101B2

DE1598101B2 - Fotoelektrische Abtastvorrichtung für l/itrazentrifugen

Info

Publication number: DE1598101B2
Application number: DE19661598101
Authority: DE
Inventors: William R. Oakland Calif. Boyd (V.StA.)
Original assignee: Beckman Instruments Inc
Current assignee: Beckman Coulter Inc
Priority date: 1965-05-03
Filing date: 1966-04-30
Publication date: 1972-06-08
Also published as: US3470381A; DE1598101A1; GB1116782A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine fotoelektrische ^ Abtastvorrichtung zur Aufzeichnung der Konzentra- ( tionsverteilung der in mindestens einer Probenzelle einer Ultrazentrifuge enthaltenen Substanz während des Zentrifugiervorganges mit einem optischen System, welches ein Bild der Zelle projiziert, mit einer Fotoempfangseinrichtung zur Abtastung des Zellenbildes und zur Erzeugung eines elektrischen Meßsignals, welches sich entsprechend den Änderungen der von der Probensubstanz durchgelassenen Lichtintensität ändert, und mit einer mit dem Ausgang der Fotoempfangseinrichtung verbundenen elektrischen Verarbeitungsstufe zur Verarbeitung des elektrischen Meßsignals.

Bei einer bekannten fotoelektrischen Abtastvorrichtung dieser Art (Biochemistry and Biophysics, 1963, Bd. 103, S. 379 bis 400) werden Doppelsektorzellen verwendet, d. h., eine Zelle des Rotors weist zwei Halbzellen auf, nämlich eine Probenzelle, welche die zu untersuchende Substanz enthält, und eine Bezugszelle, welche eine Bezugssubstanz enthält. Während der Umdrehung des Rotors wandert das Zellenbild in der Weise über den Empfangsschlitz ( der Fotoempfangseinrichtung,'.daß in schneller zeitlicher Reihenfolge am Ausgang der Fotoempfangseinrichtung bei jeder Umdrehung je ein der Probenzelle entsprechendes Meßsignal und ein der Bezugszelle entsprechendes Meßsignal erzeugt werden. Diese Meßsignale durchlaufen eine logarithmische Verstärkerschaltung und werden darauf durch eine Auswahlschaltung voneinander getrennt und dann in zwei Haltekreisen gespeichert, wobei der eine Haltekreis das Probensignal und der andere Haltekreis das Meßsignal speichert. Die Ausgangssignale der Haltekreise, welche dem Logarithmus der Lichtintensitäten entsprechen, werden dann einem Differenzverstärker zugeführt, in dem sie voneinander subtrahiert werden. Das Differenzsignal wird dann einer Auszeichnungsvorrichtung zugeführt, die automatisch die Absorption als Funktion der Stellung des Empfangsschlitzes der Fotoempfangseinrichtung relativ zu dem Zellenbild aufzeichnet.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß an der elektrischen Verarbeitungseinrichtung in einfacher Weise eine Eichung vorgenommen werden kann.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- häuse 10. Der Rotor 11 rotiert in einer Stahlkammer

löst, daß ein elektrischer Eichgenerator zur Erzeu- 12, die auf Gewindespindeln 13 gelagert ist. Eine

gung eines elektrischen Eichsignals an Stelle der Drehung der Gewindespindeln bewegt die Kammer

Fotoempfangseinrichtung an die genannte Verarbei- aufwärts, so daß sie einen dichten Abschluß mit der

tungsstufe anschaltbar ist zwecks Leitung des Eich- 5 oberen Platte 14 bewirkt. Die Gewindespindeln wer-

signals über die genannte Verarbeitungsstufe. den beispielsweise durch eine Kette 16 gedreht. Wenn

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchläuft die Kammer geschlossen ist, kann sie mittels einer

das Eichsignal dieselbe Schaltungsanordnung, die Diffusionspumpe 17 und der Vorpumpe 18, welche

auch von dem von der Fotoempfangseinrichtung ab- von einem Motor 19 angetrieben ist, evakuiert wer-

gegebenen Meßsignal durchlaufen wird. Veränderun- io den. Die Kammer 12 kann durch eine Kühlvorrich-

gen der Verstärkereigenschaften der Schaltungsanord- tung 21 gekühlt werden.

nung von einer Messung zur nächsten können mit Zur kontinuierlichen Bestimmung der Konzentra-

Hilfe des Eichsignals eliminiert werden. tionen der Probemengen verlaufen die Lichtstrahlen

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung einer schlitzförmigen Lichtquelle 22 hinter einer ist dadurch gekennzeichnet, daß der Eichgenerator 15 Kollimatorlinse parallel durch die Zelle 23, die in einen ein Standardsignal vorbestimmter Amplitude dem Rotor 11 vorgesehen ist. Im Bereich der Aberzeugenden Standardsignalgenerator und eine mit setzungsgrenzen wird das Licht teilweise absorbiert, dem Ausgang des Standardsignalgenerators verbun- und diese Absorption soll gemessen werden. Die dene, eine stufenweise Dämpfung des Standardsignals parallelen Lichtstrahlen werden durch eine Kondenbewirkende Dämpfungsstufe enthält. 20 sorlinse gesammelt und treffen auf die Oberfläche

Bei dieser bevorzugten Ausführungsform kann eines ablenkenden Spiegels 24, durchsetzen eine Linse

mittels der Dämpfungsstufe eine Serie von der 26 und bewirken in der Bildebene 27 eine Abbildung.

Eichung dienenden Standardsignalen variierender F i g. 2 zeigt vergrößert den Rotor 11. Der Rotor

Amplitude erzeugt werden und durch die elektrische 11 hat Zellenöffnungen 31 und 32, die einander

Verarbeitungsstufe geführt werden; die am Ausgang 25 gegenüberliegend vorgesehen sind. Einer jeden öff-

der Verarbeitungsstufe erhaltenen abgestuften Aus- nung entspricht ein den Rotor durchsetzendes Loch

gangssignale, die den stufenweise gedämpften Eich- mit einem unteren Absatz 33. Die Probenzelle ent-

signalen entsprechen, können dann mit den Ände- hält einen Einsatzteil 34, der an seinem unteren Ende

rangen des Absorptionsmeßsignals in Beziehung ge- einen Dichtungsring 36 und ein Fenster 37 aufweist;

bracht werden, um so unabhängig von etwaigen 30 ein Zwischenkörper 38 hat zur Aufnahme von Pro-

Linearitätsabweichungen und -Schwankungen der in bensubstanzen einen oder mehere Kanäle 39. Durch

der Verarbeitungsstufe befindlichen Verstärker ein einen Gewindering 43 werden das obere Fenster 41

zuverlässiges Maß für die Absorption und deren und der obere Dichtungsring 42 gehalten.

Änderung entlang des Zellenbildes zu erhalten. Die zu untersuchende Substanz befindet sich in

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der 35 den Kanälen 39 der Probenzelle. Der Zwischenkör-

Zeichnung dargestellt. Es zeigt per 38 kann zwei Kanäle 39 α und 39 b haben, die

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ultra- sektorförmig sind und in Fig. 3 wiedergegeben sind, zentrifuge mit den Antriebsmitteln, dem Rotor, der An der diametral gegenüberliegenden Seite des Kühlvorrichtung, der Vakuumpumpe und einer opti- Rotors ist die Bezugskammer 46 vorgesehen, welche sehen Abtastvorrichtung zum Messen der Absorp- 4° zwei im Abstand voneinander angeordnete Öffnuntion, gen 47 und 48 hat, die als Bezugslöcher dienen. Diese

F i g. 2 eine vergrößerte Ansicht des Zentrifugen- Löcher sind in F i g. 4 dargestellt. Die Löcher be-

rotors, stehen aus zwei Lochpaaren, die einen größeren Ab-

Fig. 3 eine Ansicht entsprechend der Betrach- stand als die Länge der Zellen 39α und 39b haben,

tungslinie 3-3 der F i g. 2, wobei eine Doppelsektor- 45 Die Öffnungen der Löcher eines jeden Lochpaares

zelle wiedergegeben ist, · haben einen Abstand voneinander, der dem Abstand

F i g. 4 eine Schnittdarstellung entsprechend der der durch die Kanäle 39 α und 39 b gebildeten Zellen-Schnittlinie 4-4 der F i g. 2, bei der die Bezugsöff- Sektoren entspricht,
nungen der Doppelsektorzelle wiedergegeben sind, Die fotoelektrische Abtastvorrichtung 51 ist in der

F i g. 5 eine schematische Darstellung einer Foto- 50 Bildebene 27 angeordnet. Die Abtastvorrichtung be-

vervielfacherröhre zur Abtastung des Zellenbildes steht aus der Abtastspindel 52 mit Antriebsmitteln,

und der Mittel zur Erzeugung von Lagemarkie- welche die Spindel in der jeweiligen Drehrichtung

rungen, mit vorgegebener Drehzahl drehen. Die Abtastspin-

F i g. 6 eine Darstellung entsprechend der Linie 6-6 del durchsetzt eine Mutter 53, an der die Fotoverviel-

der F i g. 5 zur Erläuterung der Lagemarkierungen 55 facherröhre und ihr Gehäuse 54 angeordnet sind,

auf dem Generatorrad, Das Gehäuse wird entsprechend dem Pfeil 55 hin-

F i g. 7 eine schematische Darstellung der Impuls- und hergeschoben. Ein Schlitz 56 genau bemessener

formen während der Drehung der Zentrifuge, Länge und Breite ist vor der Fotovervielfacherröhre

F i g. 8 ein vereinfachtes Blockschaltbild der er- angeordnet,

findungsgemäßen fotoelektrischen Abtastvorrichtung, 60 In F i g. 5 sind punktiert die Bilder der beiden

F i g. 9 ein weitere Einzelheiten wiedergebendes Bezugslöcher 47 und 48 und das Bild der einen ProBlockschaltbild einer erfindungsgemäßen fotoelektri- benzelle 39 wiedergegeben;
sehen Abtastvorrichtung, Das eine Ende der Gewindespindel 52 trägt eine

Fi g. 10 ein Prinzipschaltbild für die Zwecke der Lochscheibe 57, die in F i g. 6 dargestellt ist. An

Aussonderung des Meßsignals, der Speicherung und 65 einer Stelle ist eine doppelte öffnung 58 vorgesehen,

der Subtraktion desselben vorgesehenen Stufen der Eine Lichtquelle 59 ist auf der einen Seite der

fotoelektrischen Abtastvorrichtung. Scheibe angeordnet und ein Fotodetektor 60 an der

Die Ultrazentrifuge befindet sich in einem Ge- anderen Seite. Wenn die Gewindespindel gedreht

ι oyö lui

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wird, wird ein Impuls erzeugt, wenn eine der Öff- Röhre nimmt kurze Lichtimpulse auf, die dadurch, nungen in den Lichtweg zwischen der Lichtquelle 59 bedingt sind, daß die Sektoren den Lichtstrahl durch- und der Fotozelle 60 tritt. Diese Impulse geben eine setzen, und diese Stromimpulse überführt, die elek-Information über die genaue Stellung des Schlitzes ironisch verglichen werden können. 56 relativ zu dem Bild. 5 Der sehr schmale Schlitz 56 gestattet, daß nur eine . Ein vergrößertes zusammengesetztes Bild der ZeI- geringe Fläche des Bildes auf die Fotovervielfacher-Iensektoren39a und 39 b und der Bezugslöcher 47, röhre in jedem Augenblick projiziert wird. Die 48 wird durch das optische System in der Ebene des Fläche bei einer Rotation des Rotors wird als AbSchlitzes des Fotovervielfachers erzeugt. Der Foto- tastfläche des Bildes bezeichnet. Je nach der Rotorvervielfacher und der Schlitz sind auf einer gemein- io geschwindigkeit und der Abtastgeschwindigkeit könsamen Wandermutter angeordnet, so daß in der nen mehrere hundert bis zu mehreren hundertausend Querrichtung das gesamte Bild abgetastet werden derartiger Abtastflächen in der Zeit abgetastet werkann. Der Schlitz liegt senkrecht zur Bewegungsrich- den, in welcher der Schlitz das Bild in F i g. 5 in der tung. Wenn der Schlitz das Bild abtastet, so stellt horizontalen Richtung abtastet, der. Fotovervielfacher kontinuierlich die Lichtschwan- 15 Fig. 7 zeigt schematisch die von der Fotovervielkungen fest, die durch den Inhalt der Probenzelle facherröhre erzeugten Impulse, wenn eine doppelte bedingt sind. Handelt es sich um eine Probenzelle sektorförmige Probenzelle verwendet wird, mit doppelten Sektoren, so werden beide Sektoren Der obere Teil der F i g. 7 zeigt in der zeitlichen fast gleichzeitig durch das optische System abgetastet. Reihenfolge 61 bis 69 die Stellung des Schlitzes und Das bedeutet, daß der Inhalt der beiden sektorför- 20 Sektorbilder für vier verschiedene Zeitphasen, wähmigen Zellen unter praktisch denselben Verhält- rend sich die doppelte Probenzelle an dem Schlitz nissen der Lichtintensität der Wellenlänge und bei vorbeibewegt. Die im unteren Teil von F i g. 7 gegleichen Zentrifugalkräften abgetastet wird. Die fest- zeigte Kurve 71 zeigt den Ausgangsstrom der Fotogestellten Lichtintensitätswerte werden durch elek- vervielfacherröhre. Das Bild 61 zeigt das Bild des ironische Stromkreise in Stromimpulse so umge- 25 Zellensektors und des Schlitzes in dem Zeitpunkt, formt, daß die Signale dem Logarithmus der Licht- in welchem sich das Bild gerade dem Schlitz nähert; Intensitäten proportional sind. Die Stromimpulse, daher findet noch kein Ausgangsstrom statt. Das welche diese Informationswerte enthalten, werden Bild 62 zeigt den Impulsbeginn, da die Kante des miteinander verglichen und ihr Unterschied auf Zellengebildes gerade auf den Schlitz trifft. Das Bild einem Registrierstreifen registriert. Diese Kurve wird 30 63 zeigt den Schlitz, wie er vollständig durch das als Funktionskurve bezeichnet. Ein weiterer Strom- Zellenbild überdeckt ist, und in diesem Zeitpunkt kreis kann vorgesehen sein, um die zeitliche Ablei- ergibt sich maximaler Ausgangsstrom. Das Bild 64 tung des die Funktionskurve erzeugenden Signals zeigt, wie das Bild der Zelle den Schlitz wieder veraufzuzeichnen; diese Kurve wird als Ableitungskurve läßt, und in diesem Zeitpunkt nimmt der Ausgangsbezeichnet. Ein Schreibstift an der Kante des Re- 35 strom wieder ab. Das Bild 65 zeigt den Schlitz zwigistrierstreifens kann synchronisiert mit der den sehen den beiden Sektoren, und in diesem Zeitpunkt Fotovervielfacher tragenden Wandermutter betrieben ist kein Ausgangsstrom vorhanden, werden, so daß an der Kante des Registrierstreifens Die Bilder 66, 67, 68 und 69 zeigen ähnliche Zeitsich eine Aufzeichnung der Stellung des Eingangs- folgen für den zweiten Sektor. In F i g. 7 entspricht Schlitzes des Fotovervielfachers ergibt. 40 der erste Impuls einer Lichtabsorption, die größer ist In der Anordnung vorgesehene Eicheinrichtungen als bei dem zweiten Impuls, was sich dadurch erbringen bei einem jeden Abtastvorgang ein beson- gibt, daß bei dem ersten Impuls mehr Absorption in deres Eichsignal zur Aufzeichnung. Das Eichsignal der Zelle stattfindet als in dem zweiten Sektor, der wird in die elektronischen Stromkreise an derselben nur das Lösungsmittel enthielt. Die Zeitdauer zwi-Stelle eingeführt, an der das von der Fotoverviel- 45 sehen dem Beginn des ersten Impulses und dem Befacherröhre gelieferte, die Information über die Ab- ginn des zweiten Impulses beträgt bei 60 000 Umsorption enthaltende Signal eingeschleust wird, und drehungen pro Minute etwa 14 \iszc. das Eichsignal wird von demselben Schreibstift nur Nunmehr soll die elektronische Anordnung zur wenige Sekunden vor der Funktionskurve aufge- Verarbeitung des von dem Fotovervielfacher geliezeichnet. Schwankungen in der Verstärkung oder 50 ferten Signals unter Zugrundelegung von F i g. 8 erSchwankungen anderer elektronischer Kreise des örtert werden. Die von dem Fotovervielfacherkreis Wiedergabegerätes, die die aufgezeichnete Informa- 81 erzeugten Signalimpulse werden einem Verstärker tion beeinflussen könnten, beeinflussen auch in der 82 und dann einem logarithmischen Verstärker 83 gleichen Größe das gezeichnete Eichsignal. Das Bild zugeführt. Das Ausgangssignal des logarithmischen 39 der Fig. 5 gibt nur den einen Zellensektor und 55 Verstärkers ist proportional dem Eingangssignal, und das eine Paar Bezugslöcher wieder. Verwendet man dadurch erhält man einen Meßwert, der direkt den eine Probenzelle mit zwei Sektorzellen, so besteht Einheiten der optischen Dichtigkeit entspricht und das Bild aus den Bildern der beiden Sektoren, die nicht einer prozentualen Durchlässigkeit entspricht, zeitlich um wenige μβεο getrennt auftreten, und die Das Ausgangssignal des logarithmischen Verstärkers doppelten Bezugslöcher liegen um 180° von den 60 wird der die Hochspannung steuernden Stufe 84 und Sektoren getrennt auf dem Rotor. Der zeitliche Ab- den aus der logischen Stufe 86 und der Torstufe 87 stand zwischen den Sektorbildern hängt von der bestehenden Schaltstufen zugeführt. Das Ausgangs-Rotorgeschwindigkeit ab; handelt es sich um 60 000 signal des logarithmischen Verstärkers wird ausge-Umdrehungen pro Minute, so werden 5 bis 6 μβεο blendet und einer Ausblend- und Speicherstufe zubenötigt, damit der Rotor sich um den zwischen den 65 geführt, die mit 88 bezeichnet ist. Sektorzellen befindlichen Winkel von 2° dreht. Um die beiden von der Fotovervielfacherröhre er-Die Fotovervi8lfacherröhre ist ein kombinierter zeugten Impulse zu identifizieren und zu ίΓεηηεη, Lichtdetektor und elektronischer Vervielfacher. Die werden Schaltstufen 86, 87 hoher Geschwindigkeit

verwendet. Der Schaltvorgang ist mit der Umdrehung des Rotors synchronisiert, so daß die Impulse zwecks getrennter Verarbeitung verschiedenen Kanälen zugeleitet werden. Da die Rotorgeschwindigkeit willkürlich ist, so wird die Breite der Impulse und ihr zeitlicher Abstand, selbst während eines einzigen Meßvorganges, beträchtlich schwanken. Aus diesem Grunde erfolgt die Umschaltung nicht zu vorbestimmten Zeitpunkten, sondern wird synchronisiert, d. h., es findet bei dem ersten Lichtimpuls einer jeden Umdrehung des Rotors ein Anstoßen der Schaltstufen statt, und eine Zurückschaltung findet statt, wenn das Licht verschwindet. Die Genauigkeit der Schaltvorgänge ist daher vollständig unabhängig von der Rotorgeschwindigkeit, und die Schaltkreise arbeiten gleich gut, gleichgültig, ob die Lichtimpulse von den Bezugslöchern, der Bezugszelle oder der Probenzelle stammen.

Die den Zwecken der Aussonderung, Speicherung und Subtraktion dienende Stufe 88 sondert die Amplitude des ersten Impulses aus, speichert den Amplitudenwert in einer Speicherstufe, während die Aussonderung des zweiten Impulses stattfindet. Nachdem der zweite Impuls gesondert ist, hält der Rotor das gesamte Licht von der Abtastvorrichtung für die restliche Zeit der Umdrehung fern, so daß hinreichend Zeit zum Vergleich der beiden Impulse zur Verfügung steht. Dies ist die sogenannte »dunkle« Zeit, in der die Schaltvorrichtung wieder ihre Ausgangsstellung einnimmt und auf den nächsten Impuls wartet.

Der wesentliche Zweck der Auswählkreise und der Speicherkreise besteht darin, die beiden Impulsamplituden zeitlich zusammenzubringen, so daß sie voneinander subtrahiert werden können und man so ein kontinuierliches Ausgangssignal für die zuletzt gewonnene Information erhält.

Um den Höhenunterschied der beiden ausgesonderten und, gespeicherten Impulse zu erhalten, wird jeder Impuls einer der beiden Eingangsklemmen eines Differentialverstärkers 91 zugeführt. Das Ausgangssignal des Differentialverstärkers ist ungepolt, d.h., es kann, in bezug auf das durch das vorausgehende Impulspaar festgelegte Amplitudenniveau sofort positiv oder negativ werden. Das Ausgangssignal befindet sich nur dann im Gleichgewichtszustand, wenn die beiden Eingangsspannungen gleich sind. Wenn der eine Impuls eine höhere Amplitude hat als der andere Impuls, sind die Spannungen an den Eingangsklemmen ungleich und das Ausgangssignal wird dann entweder positiv oder negativ, je nachdem, welcher Impuls der größere ist.

Der Differentialverstärker enthält Gegenkopplungsmittel, die durch 92 angedeutet sind und sofort wieder die Herstellung des Gleichgewichtes bewirken, wenn die Eingangsspannungen ungleich sind. Wenn ungleiche Eingangsspannungen zur Folge haben, daß das Ausgangssignal sich ändert, so wird diese Spannungsänderung der dem Kanal B entsprechenden Klemme wieder zugeführt, wobei entweder eine Addition oder eine Subtraktion erfolgt, und zwar gerade eines solchen Spannungswertes, der die beiden Eingangsspannungen wieder gleich macht. Es muß daher die Ausgangsspannung stets gleich dem Unterschied der Spannungen der beiden Impulse sein, und diese Ausgangsspannung zeigt den Spannungsunterschied zwischen den beiden Impulsen an. Da der Differentialverstärker sehr schnell auf eine schnelle Impulsfolge anspricht, so tritt die Information aus dem Differentialverstärker als ein Signal aus, das aus sehr kleinen Signalstufen besteht, die je einer Abtastung des Bildes der Zelle entsprechen. Diese Stufenfunktion wird durch den Filter 93 in ein kontinuierliches Signal umgewandelt. Das Signal wird dann der Registriervorrichtung 94 zugeführt, welche die Funktionskurve aufzeichnet.

Der Filtervorgang beseitigt ungewollte Störsignale

ίο thermischer Natur in dem der Registriervorrichtung zugeführten Ausgangssignal. Derartige Störsignale haben eine hohe Frequenz und eine niedrige Amplitude. Um diese Störsignale zu unterdrücken, jedoch nicht wesentlich die hohen Frequenzen zu beeinträchtigen, aus denen zum Teil das Signal besteht, wird ein einstellbares nichtlineares Filter verwendet. Es kann daher die Filterung je nach den herrschenden Verhältnissen eingestellt werden.
Die Stufe 84 zur Steuerung der Fotovervielf acherspannung dient für den Empfang der Ausgangssignale und bewirkt, daß der Ausgangsstrom der Fotovervielfacherröhre im wesentlichen konstant ist für den das Lösungsmittel enthaltenden Sektor, indem eine Ausgangsspannung von dem logarithmischen Verstärker abgeleitet wird und die Spannung des Fotovervielfachers so geändert wird, daß sein Ausgangssignal auf einem konstanten Wert gehalten wird.

Zur Eichung der elektronischen Schaltung wird der Schalter 85 in seine obere Schaltstellung umgeschaltet, in der das Ausgangssignal des Fotovervielfachers einem Impulsgenerator 96 zugeführt wird, der Impulse vorgegebener Höhe erzeugt. Der Eichimpuls dieses Generators wird einer abgestuften Dämpfungsstufe 97 zugeführt, die dem Verstärker 82 Stromimpulse unterschiedlicher Amplitude zuführt. Die Arbeitsbedingungen werden so gewählt, daß der Ausgangsstrom des Fotovervielfachers direkt proportional der Lichtmenge ist, die auf ihn auf trifft, und es kann daher ein elektronisches Eichsignal an Stelle eines optischen Eichsignals an dieser Stelle verwendet werden. Die Serie der Eichimpulse sind elektrische Analogsignale für zehn 0,2-OD-Filter, die der Reihe nach in den Lichtweg eingeschaltet werden, so das sich insgesamt 2,0 OD ergeben (OD == Optical density = negativer Logarithmus des Transmissionsgrades). Die Impulse erscheinen auf dem Registrierstreifen als zehn Stufen, welche zehn Unterteilungen zwischen 0 und 2 OD bilden. Wenn die Abstastvorrichtung in dem 1-OD-Bereich arbeitet, werden nur die letzten fünf Stufen aufgezeichnet.

Die Ausgangsdichtigkeit irgendeines Punktes der Funktionskurve wird in einfacher Weise dadurch bestimmt, daß man lediglich eine gerade Linie auf dem Registrierstreifen zu einem parallelen Punkt der entsprechenden Stufen zieht. Neue Eichpunkte werden vor jeder neuen Abtastung aufgezeichnet, so daß für die Eichung und die Grundkurve die Lagen auf dem Registrierstreifen gleich sind. Es können unabhängig die Stufen der Eichung in bezug auf die aufgezeichnete Kurve verschoben werden. Eine Aufzeichnung der O-OD-Stufe kann von den beiden Bezugslöchern abgeleitet werden und gibt eine Information für die absolute und nicht nur relative Lage der Eichstufen.

F i g. 9 zeigt weitere Einzelheiten der elektronisehen Schaltung. Das Ausgangssignal der Fotovervielfacherstufe wird den Klemmen 101 und 102 des Schalters 103 zugeführt. In der dargestellten Schaltstellung ist der Vorverstärker 104 an den Ausgangs-

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kreis der Fotovervielfacherstufe angeschlossen. Das facherröhre 132 zugeführte Hochspannung — F₂ ge-

Ausgangssignal des Vorverstärkers 104 wird dem regelt wird. Diese Spannungsregelung erfolgt durch

logarithmischen Verstärker 106 zugeführt. Das Aus- eine Vergleichsstufe 133, welche ein Bezugssignal

gangssignal des logarithmischen Verstärkers wird der von einer Zener-Diode 134 zugeführt erhält, die an

Auswähl-, Speicher- und Subtraktionsstufe 107 zu- 5 eine Spannungsquelle + V₂ angeschlossen ist, wobei

geführt. Die Stufe 107 besteht aus dem Differential- der Vergleichsstufe 133 eine Ausgangsspannung von

verstärker 108, dessen Ausgangssignal dem Verstär- dem logarithmischen Verstärker zugeführt wird. Die

ker 109 zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Ver- Vergleichsstufe vergleicht die beiden Signale und

stärkers 109 wird in der Filterstufe 111 gefiltert und steuert die Verstärkungsregelung in solcher Weise,

dem Registriergerät 112 zugeführt. Um zu erkennen, io daß die beiden Signale in einem vorbestimmten Ver-

um welchen Impuls es sich handelt, falls es sich um hältnis zueinander stehen.

eine Zelle mit zwei Probensektoren handelt, muß Während des Eichvorganges wird der Schalter 103 zunächst die Anwesenheit der Impulse festgestellt ebenso wie der Schalter 136 in die andere Schaltwerden. Dies erfolgt in einfacher Weise dadurch, daß stellung gelegt. Ausgangsimpulse des Fotoverstärkers an den Ausgangskreis des logarithmischen Verstär- 15 werden durch den Verstärker 137 verstärkt und der kers 106 eine bistabile Stufe angeschaltet wird, die Vergleichsstufe 133 zugeführt, welche eine Verstärnur auf die Amplitude des Eingangssignals anspricht. kungsregelung bewirkt. Das verstärkte Signal wird Eine derartige Stufe wird durch die Schmitt-Trigger- auch dem Schalter 138 zugeführt, der eine Klammerstufe 116 gebildet. Die Trägheit der Schmitt-Trigger- stufe 139 steuert. Diese Klammerstufe klammert das stufe verhindert Instabilitäten, die sich durch Stör- 20 Eingangssignal der Dämpfungsstufe 141 auf einen signale oder extrem kleine Amplituden der Eingangs- vorbestimmten Spannungswert — V an. Diese Spansignale ergeben könnten. Das kleinste festzustellende nung — V wird dann der Dämpfungsstufe 141 zuge-Signal muß größer sein als ein oberer Umschaltgrenz- führt. Die Dämpfungsstufe ist eine stufenweise dämpwert, und der Unterschied zwischen zwei Signalen fende Stufe, und ihr Ausgangssignal wird dem Vormuß unterhalb eines unteren Umschaltgrenzwertes 25 verstärker 104 zugeführt. Die Stufe 107 zur Auswahl, der Stufe 116 fallen, um dieses jeweils umzuschalten. Speicherung und Subtraktion der Eingangsimpulse Andere Mittel zur Erzeugung von Torimpulsen bei besteht aus einem Verstärker 108, der ein Differenzdem Vorbeilauf der Rotorzellen würden eine genaue verstärker ist und gegenüber einer Gleichtaktwelle Verzögerungsbemessung erfordern und entweder unempfindlich ist, eine hohe Verstärkung hat und Energieauswahlstufen oder Rotorstellungsdetektoren 3° eine hohe Impedanz von jeder Eingangsklemme zum erfordern. Der Vorteil der vorstehend erörterten Erdungspunkt hat. Derartige Verstärker sind an sich Anordnung liegt darin, daß auf die Rotorstellung an- bekannt.

sprechende Detektoren und auf die Vorderfront an- Die Schmitt-Triggerstufe 116 und die von ihr gesprechende Steuerstufen, die auf die zur Anwendung steuerten logischen Kreise steuern die Torstufen 124 gelangende Umlauf zahl abgestimmt sind, nicht be- 35 und 126, welche die Weiterleitung der Impulse nötigt werden. steuern, indem sie die Auswähl- und Speicherstufen

Hinter die Schmitt-Triggerstufe 116 ist eine Zeit- steuern. Wenn die erste Torstufe 124 zur Zeit des Verzögerungsstufe 118 eingeschaltet. Die Zeitverzöge- ersten Signalimpulses angesteuert wird, so wird diese rungsstufe 118 wird durch die Hinterkante des Im- Torstufe geschlossen, und die Spannung an der Kapapulses der Schmitt-Triggerstufe auf der Leitung 119 40 zität 146 nimmt den Wert E₁ an, welcher die Summe in Gang gesetzt. Der nächste Schmitt-Triggerimpuls der Spannung — V₁ und e_± ist, sofern man das Spanist ohne Wirkung auf diese Zeitsteuerung, bis die nungsgefälle an der Diode 147 vernachlässigt. Wenn Zeitsteuerstufe wieder in ihre Ruhelage übergeht. die Torstufe 124 zwischen zwei eintreffenden Im-Der nächste Impuls bewirkt dann aufs neue ein In- pulsen geöffnet ist, so ist die Elektrode der Kapazi-Tätigkeit-Treten der Stufe. Signale von der Zeit- 45 tat 146, die mit der Torstufe 124 verbunden ist gesteuerstufe werden den aus Transistoren und Dioden erdet, da kein Strom durch die ladende Diode 147 in bestehenden logischen Schaltstufen 120, 125 züge- der entgegengesetzten Richtung fließt und die Impeführt. Das erste Ausgangssignal der Schmitt-Trigger- danz durch die andere Diode, die über die Kapazität stufe 116 stößt die Verzögerungsstufe 118 an. Es 146 angeschlossen ist, hoch ist. Dementsprechend wird ferner der von der Stufe 118 geöffneten UND- 5° fließt kein Strom durch den Widerstand 150, und es Stufe 120 zugeführt, die das Signal der Treiberstufe bleibt die genannte Elektrode der Kapazität 146 auf 122 zuführt. Der nächste Impuls wird von der UND- Erdpotential. Die andere Elektrode der Kapazität 146 Stufe 120 wegen des Ausgangssignals der Zeitver- befindet sich auf der Spannung E₁, die gleich der zögerungstufe 118 blockiert, jedoch durch die UND- Summe der Spannungen + V₁ + e_x und daher posi-Stufe 125 infolge des Eingangssignals der Verzöge- 55 tiv in bezug auf Erde ist.

rungsstufe 118 zugeführt. Auf diese Weise wird ein Bei dem nächsten Impuls wird die Torstufe 126 Impuls, welcher die Zeitverzögerungsstufe 118 im geschlossen, und das Ausgangssignal des Verstärkers Ruhezustand antrifft, zu der UND-Stufe 120 geleitet, erhält den Spannungswert — V₁. Die Kapazität 148 und ein Impuls, der die Zeitverzögerungsstufe 118 wird auf eine Spannung E₀ aufgeladen, die die im Erregungszustand antrifft, wird zu der UND-Stufe 60 Summe der Spannung + V₁ und e_o ist. Wenn die Tor-125 geleitet. Das Ausgangssignal der UND-Stufen stufe 126 geöffnet wird, so steigt "das Ausgangssignal 120, 125 wird den Treiberstufen 122 und 123 zu- des Verstärkers 108 auf einen Wert an, der den geführt, welche Torstufen 124 und 126 steuern, Spannungsunterschied Null an seinen Eingangsso daß der Stufe 107 zur Auswahl und Speicherung klemmen bewirkt. Es kann sich hierbei um eine und Subtraktion entsprechende Signale zugeführt 65 Spannung in der Größenordnung von 1 mV handeln, werden. Die Kapazität 148 kann sich nicht entladen, da sie

Die Fotovervielfacherstufe hat eine Verstärkungs- nur mit der in Sperrichtung vorgespannten Diode 149

Steuerung 131, durch welche die der Fotoverviel- und dem hochöhmigen Eingangskreis des Verstärkers

108 in Verbindung steht. Da die Spannung an den Eingangsklemmen des Verstärkers 108 praktisch gleich ist, so ist seine Ausgangsspannung

E,-E₂ = (V₁ +ej -

Es ist zu beachten, daß die Spannung V₁ sich heraushebt, solange sie während beider Meßphasen gleich ist. Wesentlich ist, daß —V + e₁ für den minimalen Wert e_x größer ist als zu irgendeinem Zeitpunkt e₂. Dadurch wird sichergestellt, daß die Ladedioden in Sperrichtung polarisiert sind, bis die entsprechende Torstufe die Schaltstufe schließt. Es wird daher die Information ausgewählt und gespeichert gehalten, bis die nächsten Torsteuervorgänge stattfinden. Unter praktischen Verhältnissen sind die entladenen Stromwege in der Größenordnung von 20 Megohm oder mehr. Es sind Vorkehrungen zu treffen, daß die Entladungsgeschwindigkeiten gleich sind, damit das Ausgangssignal des Verstärkers sich nicht während der Auswählvorgänge ändert.

In Fig. 10 ist im einzelnen eine Schaltung der Stufe zum Auswählen, Speichern und Subtrahieren dargestellt. Die Transistoren 151 und 152 und die zugehörigen Schaltelemente bilden die Torstufe 124. und die Transistoren 153 und 154 die Torstufe 126. Die Transistoren 151, 153 nebst zugehörigen Schaltelementen dienen dem Zweck der Entladung der Speicherkondensatoren 146 und 148, so daß schnell abfallende Eingangsimpulse e_v e₂ genau verarbeitet

ίο werden können. Die Transistoren 156 und 157 und die zugehörigen Schaltelemente bilden die Treiberstufe 122 und die Transistoren 158 und 159 die Treiberstufe 123. Die übrigen Schaltelemente haben die gleichen Bezugszeichen, und es sind in dem Schaltbild die Widerstands- und Kapazitätswerte sowie die Transistortypen und Diodentypen eingezeichnet. Ein Stromkreis der dargestellten Art wurde praktisch erprobt und gab Meßwerte für die optische Dichtigkeit einer zu untersuchenden Substanz zwi-

ao sehen 0 und 2 OD, wobei Rotorgeschwindigkeiten zwischen 1000 Umdrehungen und 60 000 Umdrehungen pro Minute verwendet wurden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Fotoelektrische Abtastvorrichtung zur Aufzeichnung der Konzentrationsverteilung der in mindestens einer Probenzelle einer Ultrazentrifuge enthaltenden Substanz während des Zentrifugiervorganges mit einem optischen System, welches ein Bild der Zelle projiziert, mit einer Fotoempfangseinrichtung zur Abtastung des Zellenbildes und zur Erzeugung eines elektrischen Meßsignals, welches sich entsprechend den Änderungen der von der Probensubstanz durchgelassenen Lichtintensität ändert, und mit einer mit dem Ausgang der Fotoempfangseinrichtung verbundenen elekirischen Verarbeitungsstufe zur Verarbeitung des elektrischen Meßsignals, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Eichgenerator (96, 97; 139, 141) zur Erzeugung eines elektrischen Eichsignals an Stelle der Fotoempfangseinrichtung (81; 132) an die genannte Verarbeitungsstufe (82, 83; 104, 106) anschaltbar ist zwecks Leitung des Eichsignals über die genannte Verarbeitungsstufe (82, 83; 104,106).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eichgenerator einen ein Standardsignal vorbestimmter Amplitude erzeugenden Standardsignalgenerator (96; 139) und eine mit dem Ausgang des Standardsignalgenerators (96; 139) verbundene, eine stufenweise Dämpfung des Standardsignals bewirkende Dämpfungsstufe (97; 141) enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang einer Steuerschaltung (84) mit einem Steuereingang der Fotoempfangseinrichtung (81) und die Eingänge der Steuerschaltung (84) mit den Ausgängen des Standardsignalgenerators (96) und der Verarbeitungsstufe (82, 83) verbunden sind zwecks Vergleichs der Standardsignalamplitude mit der Meßsignalamplitude und entsprechender Steuerung der Verstärkung der Fotoempfangseinrichtung (81).

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Fotoempfangseinrichtung (132) gelieferte Meßsignal und das von dem Eichgenerator (139, 141) gelieferte Eichsignal Impulssignale sind und daß an den Ausgang der genannten Verarbeitungsstufe (104, 106) eine Auswahl-, Speicher- und Subtraktionsstufe (107) angeschlossen ist, deren Ausgangssignal dem Amplitudenunterschied zwischen aufeinanderfolgend empfangenen Impulssignalen entspricht, und daß eine Steuerstufe (116, 118 bis 126) mit dem Ausgang der Verarbeitungsstufe (104, 106) verbunden ist und die Auswähl-, Speicher- und Subtraktionsstufe (107) entsprechend dem Ausgangssignal der Verarbeitungsstufe (104,106) steuert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerstufe eine mit dem Ausgang der Verarbeitungsstufe (104,106) verbundene Schmitt-Triggerstufe (116), eine mit dem Ausgang der Schmitt-Triggerstufe (116) verbundene Zeitverzögerungsstufe (118) und mit dem Ausgang der Schmitt-Triggerstufe (116) und den Ausgängen der Zeitverzögerungsstufe (118) verbundene Torstufen (120 bis 126) enthält und daß der logische Zustand der Torstufen (120 bis 126) von der Aktivierung bzw. Löschung der Zeitverzögerungsstufe (118) abhängt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (11) der Ultrazentrifuge eine sektorförmige Probenzelle (39 ä) und eine sektorförmige Bezugszelle (39 b) enthält und daß das Ausgangssignal der Auswahl-, Speicher- und Subtraktionsstufe (107) dem Amplitudenunterschied der Meßimpulse entspricht, welche der optischen Durchlässigkeit der Probenzelle (39 a) bzw. der Bezugszelle (39 b) entsprechen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsstufe (82, 83; 104, 106) einen logarithmischen Verstärker enthält.