DE1958101A1

DE1958101A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Analysieren von Mikro-Teilchen

Info

Publication number: DE1958101A1
Application number: DE19691958101
Authority: DE
Inventors: Wyatt Philip Joseph
Original assignee: WYATT PHILIP JOSEPH
Current assignee: Bayer Corp
Priority date: 1968-11-21
Filing date: 1969-11-19
Publication date: 1970-06-11
Also published as: JPS539116B1; GB1296232A; DE1958101C3; US3624835A; DE1958101B2

Description

DIPL-INQ. GÜNTHER EISENFÜHR DIPL.-ING. DIETER K. SPEISER

Aktenzeichen: Neuanmeldung . 28 BREMEN 1

BORGERMEISTER-SMlDT-STR S$ ANMELDERNAME: Philip Joseph Wyatt (TRINIDAD-HAUS)

TELEFON: (0421) 111*77 TELEGRAMME: FERROPAT

BREMER BANK 100 9072

., -„-. POSTSCHECK HAMBURG 2S57»7

UtM. ZEICHEN: W 110 Datum: 18. November 1969

Philip Joseph Wyatt, 1939 Laguna Street, Santa Barbara, Californien (V. St. A.)

Verfahren und Vorrichtung zum Analysieren von-MikroTeilchen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Untersuchen von Mikro-Teilchen.

Seit langem werden aus Teilchen zusanunengesetzte Stoffe, wie etwa Dunstpartikel, Abgaspartikel, Sporen, Mikroorganismen, Blut und lebende Zellen analysiert und identifiziert. Derartige Mikro-Teilchen haben üblicherweise eine Größenordnung von 0,01 Mikron bis 100 Mikron. Wegen ihrer kleinen Größe ist ihr rasches Auffinden und ihre Identifikation mit Schwierigkeiten verbunden. Derartige Mikro-Teilchen sind gewöhnlich zu klein, um ron einem optischen Mikroskop befriedigend analysiert zu werden. Das Elektronen-Mikroskop macht die spezielle Präparation der Proben notwendig und setzt sie Umgebungsbedingungen aus, die beispielsweise lebende Teilchen so verändern, daß ihre Analyse fehlerhaft wird. Während bereits verschiedene optische Anordnungen entwickelt wurden, die das von den Teilchen gestreute Licht für ihr

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Auffinden benutzen, sind dieae Vorrichtungen lediglich zur Bestimmung von Teilchen-Dichten verwendbar und geben praktisch keine Information über die qualitative Zusammensetzung der einzelnen analysierten Teilchen.

Es ergibt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine schnelle, quantitative Analyse der physikalischen Eigenschaften von mikroskopisch feinen Stoffen zu schaffen, die mit dem von den zu analysierenden Teilchen gestreuten Licht arbeiten.

Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, daß die Intensität der Streustrahlung einer auf die Teilchen auftreffenden Energiestrahlung gleichzeitig an mehreren bei verschiedenen Winkeln zum Auftreffpunkt der Strahlung auf die Teilchen liegenden Punkten gemessen wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich aus durch eine Strahlungsquelle, die ein schmales Parallelbündel einer Energiestrahlung aussendet, durch eine Injektionseinrichtung, die die Mikro-Teilchen auf einen den Weg der Strahlung kreuzenden Pfad lenkt, sowie durchrjiehrere, in unterschiedlichen Winkeln zum Kreuzungspunkt zwischen Teilchenpfad und Strahlungsweg liegenden Stellen positionierte Detektoren.

Die Erfindung arbeitet nach dem Prinzip, daß die für die Streuung von Licht verantwortlichen Eigenschaften eines Teilchens für verschiedene Teilchen-Typen durch ihre physikalischen Eigenschaften, etwa ihre elektromagnetischen Eigenschaften, Form und Größe_i in eigentümlicher Weise bestimmt sind. Von der Theorie her sollten die physikalischen Eigenschaften eines Teilchens aus der Kenntnis der für die Streuung von Licht verantwortlichen Eigenschaften des Teilchens bestimmbar sein. Indem also die Streustrahlung eines Teilchens analysiert wird, ist es möglich, viel Information über die physikalischen Ei-

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genschaften des Teilchens zu gewinnen. Wegen der kleinen Teilchen-Größe ist es jedoch äußerst schwierig, ein einzelnes Teilchen zu isolieren und in einer Weise zu halten, die die Messung der Strahlungsintensitäten in einer hinreichenden Anzahl von verschiedenen Richtungen ermöglicht, um eine genaue Analyse des untersuchten Teilchens zu gewinnen. Weiterhin reagieren viele Teilchen, etwa lebende Mikroorganismen, sehr empfindlich auf Umgebungsbedingungen und können sich verändern oder abnutzen, ehe eine wirkungsvolle Analyse durchgeführt werden kann.

Die Erfindung zeichnet sich d.urch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen Analyse von Mikro-Teilchen durch Messung der Streulicht-Eigenschaften der Teilchen aus· Das wird dadurch erreicht, daß ein sehr scharf gebündelter Strahl einer elektromagnetischen Strahlung, etwa ein Laser-Strahl,erzeugt wird, die Mikro-Teilchen in einen Strom durch den Strahl hin^urchgelenkt werden und die Intensität des Streulichtes eines durch den Strahl laufenden Teilchens durch mehrere, in unterschiedlichen Winkeln zum Kreuzungspunkt zwischen Teilchenpfad und Strahlungsweg liegenden Stellen positionierte Detektoren gemessen wird. Das sich ergebende "Muster" in Form der verschiedenen Detektor-Ausgänge ist ein Charakteristikum des Streuers und liefert die Information, durch die seine Eigenschaften bestimmt werden können.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer beispielhaften Ausführungsform mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ; und

Fig. 2 eine weitere Ausgestaltung der Erfindung.

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In Fig. 1 ist mit 10 .eine Kugelkammer bezeichnet; sie bildet einen vollständig abgeschlossenen und abgedunkelten Raum, dessen atmosphärische Bedingungen einstellbar sind und der damit eine regelbare Umgebung für die Teilchen ermöglicht. Eine Lichtquelle 12 ist an der Aussenseite der Kammer 10 befestigt und so angeordnet, daß ein von ihr austretender Lichtstrahl die Kammer längs eines Innendurchmessers durchsetzt. Die Lichtquelle 12 kann mit einer Einrichtung versehen sein, die einen scharf gebündelten Strahl elektromagnetischer Strahlung erzeugt. Die Lichtquelle 12 kann beispielsweise ein Laser sein, oder auch eine Bogen- oder Glühlampe zusammen mit schmalen Bandfiltern und Kondensoren für die Erzeugung des schmalen Lichtstrahles aufweisen. Dabei genießt ein Laser den Vorzug, da er außerordentlich monochromatisches Licht und einen sehr stark gebündelten Lichtstrahl und ferner eine außerordentlich hohe Lichtintensität erzeugt. Ein Strahldurchmesser von einem Millimeter oder weniger ist typisch. Diametral gegenüber der Lichtquelle ist eine Lichtfalle 14 angeordnet, die die Lichtenergie absorbiert und jede Reflexion oder Streuung des Strahles zurück in das Kammerinnere verhindert.

In der Wandung der Kammer 10 sind mehrere Lichtdetektoren 16 befestigt. Sie sind auf den Kammer-Mittelpunkt ausgerichtet und von diesem bei gleichen radialen Entfernungen befestigt. Die Detektoren sind vorzugsweise gebündelte Photomultiplier mit sehr hoher Empfindlichkeit und einem breiten Ansprechbereich. Natürlich sind auch andere Arten von Strahlungsdetektoren, etwa Photodioden, Photo-Transistoren, Bolometer sowie Abwandlungen dieser Geräte denkbar und geeignet. Die Detektoren sollten jeweils einen schmalen Raumwinkel einhalten und räumlich über den Umfang der Kammer verteilt sein.

Die zu analysierenden Teilchen werden in die Kammer so 00 9 8 2Λ / 1812

eingeführt, daß sie einen Durchmesser der Kugelkanuner 10 durchlaufen und den Lichtstrahl kreuzen. Die Teilchen werden vorzugsweise in einen Gasstrom injiziert und in diesem genügend verteilt, so daß normalerweise nur ein einzelnes Teilchen sich in einem bestimmten Zeitpunkt im Lichtstrahl befindet. Eine Einrichtung zur Injektion der Teilchen umfaßt nach Fig. 1 eine Quelle 18 für ein inertes Gas, etwa Stickstoff, das unter Druck steht. Das Gas wird in einem Filter 20 gefiltert und teilweise durch einen Druckminderer 22 in einen Zerstäuber 24 geleitet. Der in Teilchen aufgelöste, untersuchte Stoff wird vorzugsweise in einem mit dem Zerstäuber 24 verbundenen Probenbehälter 26 in einem leicht flüchtigen Strömungsmittel aufgelöst. Wenn der Zerstäuber die die Teilchen enthaltende Flüssigkeit zersprüht, verdampft die Flüssigkeit und läßt die Teilchen in einem sehr verdünnten Zustand zurück.

Aus dem Zerstäuber werden diese Teilchen in eine Injektionskammer 28 gezogen, an die auch die Druckgas-Quelle 18 angeschlossen ist. In der Injektionskammer werden die Teilchen durch den Hochdruck-Gasstrom aufgenommen, der die Kammer durch eine Düse 30 verläßt und in das Innere der Kammer 10 eintritt. Die Düse 30 richtet den mit grosser Geschwindigkeit strömenden Gasstrom mit den aufgelösten Teilchen als feinen Strom auf den Mittelpunkt der sphärischen, beispielsweise kugeligen Kammer, durch den auch der Lichtstrahl läuft. Der Gasstrom ist auf eine Absaugöffnung 32 gerichtet, an die eine Saugpumpe 34 angeschlossen ist, die die Proben-Teilchen kontinuierlich aus der Kammer abzieht.

Da jedes Teilchen den Lichtstrahl durchsetzt, streut es das Licht durch Reflexion, Brechung und Beugung. Die Streustrahlung wird von den Lichtdetektoren 16 aufgenommen, wobei jeder Detektor die Streustrahlung aus einem

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anderen, festen Beobachungswinkel erfaßt. Jeder Detektor 16 ist an Verstärker 36 angeschlossen, die auch eine Auswertschaltung, etwa als Zeitdiskriminatoren und Quotientenmesser, umfassen können; der Ausgang der Verstärker versorgt eine Registriereinheit, etwa in der Form eines Mehrkanal-StreifenaufZeichners. So kann der Ausgang jedes Detektors als eigene Spur auf einem Mehrkanal-Schreiber aufgezeichnet werden. Nimmt man sie zusammen, zeigen die einzelnen Spuren an einer bestimmten Stelle an der Diagrammlänge die relativen Intensitäten des auf alle Detektoren in einem bestimmten Augenblick fallenden Lichtes. Aus diesen Daten kann leicht ein Inteneitäts-Diagramm der Streustrahlung als Funktion des Winkels für den Augenblick angefertigt werden, wenn ein bestimmtes Teilchen im Lichtstrahl ist.

Natürlich können auch andere Analyse-Verfahren für die Daten angewandt werden, etwa Digitalisierung der analogen Information aus den Detektoren und Einspeisen der digitalisierten Daten in einen Rechner, der die eingegebenen Daten mit denjenigen einer Anzahl bekannter Proben vergleicht.

Für einen zufriedenstellenden Betrieb ist es erwünscht, daß das Teilchen während seines Durchlaufs durch den Lichtstrahl seine Orientierung nicht ändert. Daher sind sehr hohe Flußgeschwindigkeiten in der Größenordnung 1 m/sek erwünscht. Während die Gesamtzeit, während der die Partikel der Dehydratationswirkung des Gases während der Messung ausgesetzt sind, recht klein gehalten werden kann, ist es für bestimmte Teilchen-Arten erwünscht, sie während der Messung in einem flüssigen Medium zu halten. Eine hierfür geeignete Anordnung zeigt Fig. 2, nach der die Teilchen in einer flüssigen Probe aufgelöst und durch eine Kapillar-Röhre 40 geführt werden, die sich längs eines Durchmessers der sphärischen, vor·

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zugsweise kugeligen Kammer 10 erstreckt und den Lichtstrahl aus der Quelle 12 durchsetzt. Das flüssige Medium, das viskoser als das in der Ausführung nach Fig. 1 benutzte Gas ist, möchte die Teilchen hintereinander ausgerichtet halten, obgleich diese Teilchen mit einer weit geringeren Strömungsgeschwindigkeit den Lichtstrahl durchsetzen.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analyse von Mikro-Teilchen auf der Grundlage einer gleichzeitigen Messung der Intensitäts-Verteilung von Streulicht über mehrere verschiedene Winkel schafft. In relativ kurzer Zeit kann eine große Anzahl von Ablesungen gewonnen werden* Probengeschwindigkeiten in der Grössenordnung von lOCO Teilchen pro Sekunde sind möglich. Dem Fachmann sind e«Vv,;♦^- *Sndlich Modifikationen an der vorstehend beschrieb.;.,,..: : '■.. - .· -y.\ r-^ möglich, ohne daß dadurch von dem der Erfindung λμ--2Χ-χ:\- _.-.:."■;i Agenden Gedanken abgewichen wird. Beispielsweise kömv^n Lichtquellen verschiedener Frequenzen verwendet werden, je nach der Größe der zu analysierenden Teilchen. Es hat sich ergeben, daß vorzugsweise das Verhältnis des Teilchen-Umfanges zur Wellenlänge des Lichtes im Bereich zwischen 1 und IO liegen sollte. Wenn das Verhältnis sehr viel kleiner ist als 1, gehen beträchtliche Details In dem Streumuster verloren. Wenn andererseits das Verhältnis viel größer als 10 ist, wird das differentiell gestreute Intensitätsmuster außerordentlich komplex, was die Identitätsanalyse stark kompliziert. Ein weiteres Analyse-Hilfsmittel ist in der Möglichkeit gegeben, polarisiertes Licht mit entsprechenden Lichtquellen und Detektoren zu benutzen, da die Streueigenschaften einiger Teilchen von der Polarisationsrichtung des Lichtes abhängen. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, die Licht-

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quelle im Impulsbetrieb zu fahren und damit den Leistungsverbrauch zu reduzieren, wodurch sich pulsierende Detektorausgänge ergeben, die eine Wechselspannungs-Verstärkung ermöglichen. Während es normalerweise erwünscht ist, daß jeweils nur ein Teilchen den Lichtstrahl in einem bestimmten Augenblick durchsetzt, können die Teilchen bei symmetrischer Form gruppenweise untersucht werden und liefern trotzdem ein charakteristisches Streumuster.

Es wird also ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Identifikation submikroskopischer Teilchen beschrieben, bei dem die Teilchen durch teinen scharf gebündelten Lichtstrahl geschickt werden und die Lichtintensitäten an mehreren unterschiedlichen Winkeln relativ zum Kreuzungs- -punkt zwischen Teilchenstrom und Lichtstrahl gemessen werden.

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Claims

ANSPRUCHE

Verfahren zum Untersuchen von Mikro-Teilchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der Streustrahlung einer auf die Teilchen auftreffenden Energie-Strahlung gleichzeitig an mehreren, bei verschiedenen Winkeln zum Auftreffpunkt der Strahlung auf die Teilchen liegenden Punkten gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiestrahlung eine elektromagnetische Strahlung ist.
3. Analysator zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch od. 2,gekennzeichnet durch eine Strahlungsquelle (12),die ein schmales Parallelbündel einer Energiestrahlung aussendet} eine Injektionseinrichtung (30, 40), die die Mikro-Teilchen auf einen den Weg (12 - 14) der Strahlung kreuzenden Pfad (30 - 32; 40) lenkt; sowie durch mehrere, in unterschiedlichen Winkeln zum Kreuzungspunkt zwischen Teilchenpfad und Strahlungsweg liegenden Stellen positionierte Detektoren (16).
4. Analysator nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (36, 38), die die Amplitude des Ausgangs aller Detektoren gleichzeitig tastet und ein Intensitätsdiagramm der von den Mikro»-Teilchen gestreuten Strahlung liefert.
5. Analysator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionseinrichtung einen Zerstäuber (24, 26) zum Dispergieren der Mikro-Teilchen sowie eine Gasdüse (30) umfaßt, die die dispergierten Mikro-Teilchen in einem Strom durch die Strahlung lenkt.

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6. Analysator nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionseinrichtung eine Kapillar-Röhre (40) und eine Vorrichtung umfaßt, die die in einem Strömungsmittel aufgelösten Mikro-Teilchen durch die Röhre leitet.

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