DE1958101B2 - Verfahren und Vorrichtung zur ' qualitativen Bestimmung von in einem Trägermedium enthaltenen mikroskopischen Teilchen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur ' qualitativen Bestimmung von in einem Trägermedium enthaltenen mikroskopischen TeilchenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Analysieren von in einem Trägermedium enthaltenen mikroskopischen
Teilchen, bei dem ein Strahlungsbündei durch das Trägermedium geschickt wird und die Intensität der
Streustrahlung an mehreren um den Auftreffpunkt des Strahlungsbündels auf die Teilchen räumlich verteilten
Meßstellen gemessen wird, sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtrng.
In den österreichischen Patentschriften 2 48 159 und
2 51918 werden Vorrichtungen zur gleichzeitigen,
voneinander unabhängigen Wahrnehmung von in einer Flüssigkeit als Trpgermedium suspendiertem Material
beschrieben. Dabei wird das Trägermedium mit den zu bestimmenden mikroskopischen Teilchen entgegengesetzt
zur Strahlungsrichtung durch sogenannte Lichtab-Sorptionskammern geführt. Dies hat den Nachteil, daß
der Zusammenhang zwischen der Intensität der Streustrahlung und ihrer Richuingsvertciliing nicht
berücksichtigt wird. Die Strahlungsempfänger nehmen Streustrahlung im Rahmen ihres Öffnungswinkels aus
den unterschiedlichen Abschnitten t,cr Wegstrecke des
Mediumstroms durch das Licht auf.
In dem Aufsatz »Versatile Light Scattering Photometer«,
veröffentlicht in »The Review of Scientific Instruments«, 35, 1964. Seiten 1201 bis 1205. sowie auf
Seiten 153—159 des »journal of Research of the
National Bureau of Standards«. b2, 1959. werden .Streustrahlung aufnehmende Photometer beschrieben.
Dabei wird die Strcustrahlung von Teilchen bestimmt,
die in einem ruhenden Trägcrniedium enthalten sind, wobei ein Strahlungssclcklor auf einem Kreisbogen um
einen mittleren Punkt des vom Strahlungsbündel durchsetzten Bereichs einer Küvette gefahren wird.
Di?s hat den Nachteil, daß die Strcustrahlung in den
einzelnen Winkclbcrcichcn nicht gleichzeitig gemessen werden kann, so daß diese Photometer für Ströme des
Trägermediums nicht allein verwendbar sind. Ferner läßt sich die erzeugte Slreustrahlung nicht einer
bestimmten Bewegungsrichtung der streuenden Teilchen zuordnen.
Schließlich ist aus der deutschen GebrauchsmustcrschrifI
18 04 132 eine Vorrichtung zur fortlaufenden Messung der Trübung einer Flüssigkeit bekannt. Dabei
wird ein laminar aus einem Ablaiifsiul/en eines flachen
Troges auslaufender Trägermediumstrahl von einem Lichtstrahl durchsetzt, und seine durch die Trübung
bedingte Schwächung mittels einem photoclekirischcn l'lcmcnt gemessen. Diese Hinrichtung kann nur einen
Anhaltspunkt für eine gegebenenfalls vorhandene
Trübung des Trägermediums vermitteln; Rückschlüsse auf die Art der trübenden Teilchen sind nicht möglich.
Seit langem werden aus Teilchen zusammengesetzte Stoffe, wie etwa Dunstpartikel, Abgaspartikel, Sporen,
Mikro-Orgariismen, Blut und lebende Zellen analysiert
und identifiziert. Derartige Mikro-Teilchen haben üblicherweise eine Größenordnung von 0,01 Mikron bis
100 Mikron. Wegen ihrer Weinen Größe ist ihr rasches Auffinden und ihre Identifikation mit Schwierigkeiten
verbunden. Derartige Mikro-Teilchen sind gewöhnlich zu klein, um von 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 Auffinden benutzen, sind
diese 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 Verfanren 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.
Bei einem Verfahren zur Analyse von in einem Trägermedium enthaltenen mikroskopischen Teilchen,
bei dem ein Strahlungsbündel durch das Trägennedium geschick. wird und die Intensität der Streustrahlung an
mehreren um den Auftreffpunkt des Strahlungsbündels auf die Teilchen räumlich verteilten Meßstellen
gemessen wird, ist erfindungsgemäß dazu vorgesehen, daß das Trägermedium in einem feinen Strahl kreuzend
durch das Strahlungsbiindel geleitet wird und daß die Intensität der von den Teilchen erzeugten Slreiistrahlung
an allen Meßstcllen, die unter mehreren Winkeln relativ zur Richtung des einfallenden Strahlungsbündels
.ingeordnet sind, gleichzeitig gemessen und aiifgezeichnet
wird.
Die Erfindung arbeitet nach dem Prinzip, daß die für
die .Streuung von Licht verantwortlichen Eigenschaften
eines Teilchens für verschiedene Teilchen-Typen durch ihre physikaäischen Eigenschaften, etwa ihre elektromagnetischen
Eigenschaften, Form und Größe, 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 Sircustrahlung eines
Teilchens analysiert wird, ist es möglich, viel Information über die physikalischen Eigenschaften des Teilchens
zu gewinnen. Wegen der kleinen Teilchen-Größe ist es jedoch alliierst schwierig, ein einzelnes Teilchen /u
isolieren und in einer Weise zu halten, die die Messung der Strahlungsintensitäten in einer hinreichenden
Λη/ahl von verschiedenen Richtungen ermöglicht, um
eine genaue Analyse des untersuchten Teilchens zu gewinnen. Weiterhin reagieren viele Teilchen, etwa
lebende Mikroorganismen, sehr empfindlich auf Umgebtingsbedingimgcn
und können sich verändern oder .ihmit/cn. ehe eine wirkungsvolle Analyse durchgeführt
werden kann.
Eine /ur Ausführung des erfindungsgcmiilicn Vcrfahrens
geeignete Vorrichtung mit einer .Strahlungsquelle. Min tier ein Strahlur.gsbündel ein in einer Kammer
befindliches, mit Mikrote.fchcn verset/les Trägcrnicdium
durchsetzt, sowie mit mehreren Strahlungsdetektoren, die außerhalb der Richtung des Strahlungsbündels
angeordnet sind, zeichnet sich nach der Erfindung dadurch aus, daß an der Kammer eine Injektionseinrichtung
angeordnet ist, welche das Trägermedium in einem feinen Strahl durch die Kammer und das Strahlungsbünde]
kreuzend lenkt und daß die Detektoren unter mehreren Winkeln relativ zur Richtung des einfallenden
Strahlungsbündels angeordnet sind und daß die
in Ausgänge der Detektoren mit einer Auswerteeinrichlung
zur gleichzeitigen Auswertung aller auf den Detektorenausgängen auftreienen Signale verbunden
sind. Das sich ergebende Muster in Form der verschiedenen Detektorausgänge ist dann ein Charakie-
|5 ristikum der streuenden Teilchen und liefert Information, durch die ihre Eigenschaften bestimmt werden
können.
Die Erfindung schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analyse von Mikro-Teilchen auf der
-Ό Grundlage ainer gleichzeitigen Messung der Intensitäts-Verieilung
von Streulicht über me1· <;re verschiedene
Winkel, in relativ kurzer Zeit kann eine große Anzahl von Ablesungen gewonnen werden. Probengeschwindigkeiten
in der Größenordnung von 1000 Teilchen pro Sekunde sind möglich. Es können Lichtquellen verschiedener
Frequenzen verwendet werden, je nach der Größe der zu analysierenden Teilchen. Es hat sich
ergeben, daß vorzugsweise das Verhältnis des Teilchen-Umlangs
zur Wellenlänge des Lichtes im Bereich
«ι zwischen I und 10 liegen sollte. Wenii das Verhältnis
sehr viel kleiner ist als !,gehen beträchtliche Details in
dem Streumuster verloren. Wenn andererseits das Verhältnis viel größer als 10 ist. wird das diflerentiell
gestreute Intensitätsmuster außerordentlich komplex,
!) was die Identitätsanalyse stark kompliziert. Ein weiteres
Analyse-Hilfsmittel ist i.i der Möglichkeit gegeben. polarisiertes Licht mit entsprechenden Lichtquellen und
Detektoren zu benutzen, da die Streueigenschafien einiger Teilchen von der Polarisationsrichtur,^ des
»n Lichtes abhängen. Weiterhin kann es vorteilhaft sein,
die Lichtquelle im Impulsbetrieb zu fahren und damit den Leistungsverbrauch zu reduzieren, wodurch sich
pulsierende Dctcktorausgänge ergeben, die eine Wechselspannungs-Vcrstärkung
ermöglichijn. Während es normalerweise erwünscht ist. daß iewcils nur ein
Teilchen den Lichtstrahl in einem bestimmten Augenblick
durchsetzt, können die Teilchen bei symmetrischer Form gruppenweise untersucht werden und liefern
trotzdem ein charakteristisches Streumustcr.
Vi Andere zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung
sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachstehend anhand einer beispielhaften Ausführungsform mit Bc/ug auf die
Zeich' ingcn erläutert. Es zeigt
η F i g. I eine schematische Darstellung einer bevorzugten
Ausführungsfon.ι der Erfindung; und
F i g. 2 eine weitere Ausgestaltung der Erfindung.
In F i g. I 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
In F i g. I 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 Uogenoclcr
Glühlampe zusammen mit schmalen liandfilicrn und Kondensoren für die Erzeugung des schmalen
Lichtstrahles aufweisen. Dabei genießt ein Laser den Vorzug, da er außerordentlich monochromatisches
Licht und einen sehr gut gebündelten Lichtstrahl und ferner eine außerordentlich hohe Lichtintensität erzeugt.
Ein Sirahldurchmesser 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 zu ück in das Kammerinnere verhindert.
In der Wandung der Kammer 10 sind mehrere
Lichtdetektoren 16 befestigt. Sie sind auf ilen Kammer-Mittelpunkt
ausgerichtet und von diesem bei gleichen radialen Entfernungen befestigt. Die Detektoren sind
vorzugsweise Photoiiuiltiplier mit sehr hoher Empfindlichkeit
und einem breiten Ansprechbereich. Natürlich sind auch andere Arten von Strahlungsdetektoren, etwa
Photodioden. Photo-Transistoren. Bolometer sowie Abwandlungen dieser Gerate 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 eingeführt, daß sie einen Durchmesser der
Kugclkammer 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, [■line Hinrichtung zur Injektion der Teilchen umfaßt nach
[·" i g. I 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 Flüssigkeil
zersprüht, verdampft die Flüssigkeit und läßt die Teilchen in einem stark verdünnten Zustand zurück.
Aus dem Zerstäuber werden diese Teilchen in eine Injektionskammer 28 gezogen, an die auch die
Druckgas-Quelle ig angesclilossou nc. In der injekiionskammer
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 fe-.i»en Strom auf den Mittelpunkt der
sphärischen, beispielsweise kugeligen Kammer, durch den auch der Lichtstrahl läuft. Der Gasstrom ist ,uif eine
Absaugöffnung 32 gerichtet, an die eine Säugpumpe 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 Strcustrahlung wird von den Lichidctcktoren 16
aufgenommen, wobei jeder Detektor die Strcusirahlung
aus einem anderen, festen Beobachliingswinkcl erfaßt,
leder Detektor 16 ist an Verstärker 36 angeschlossen,
die auch eine Auswerteschaltung. etwa als Zeiidiskriniinatoren
und Quotientenmesser, umfassen können; der Ausgang der Verstärker versorgt eine Registriereinheit.
etwa in der Form eines Mchrkanal-Sehrcibets. So kann der Ausgang jedes Detektors als eigene Spur aufgezeichnet
werden. Nimmt man sie zusammen, zeigen die ein/einen Spuren an einer bestimmten Stelle an der
Diagrammlänge die relativen Intensitäten ties auf alle
Detektoren in einem bestimmten Augenblick fallenden Lichtes. Aus diesen Daten kann leicht ein Intensitäts-Diagramm
der Streustrahlung als Funktion des Winkels für den Augenblick angefertigt werden, wenn cm
bestimmtes Teilchen im Lichtstrahl ist.
Natürlich können auch andere Analyse-Verfahren für die D.itcn 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 F i g. 2, nach der die
Teilchen in einer flüssigen Probe aufgelöst und durch eine Kapillar-Röhre 40 geführt werden, die sich längs
eines Durchmc'.sers der sphärischen, vorzugsweise
kugeligen Kammer 10 erstreckt und den Lichtstrahl aus der Quelle i2 durchsetzt. Das flüssige Medium, das
viskoser als das in der Ausführung nach F i g. 1 benutzte Gas ist. möchte die Teilchen hintereinander ausgerichtet
halten, obgleich diese Teilchen mit einer weit geringeren Strömungsgeschwindigkeit den Lichtstrahl durchsetzen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (13)
- Patentansprüche:L Verfahren zum Analysieren von in einem Trägermedium enthaltenen mikroskopischen Teilchen, bei dem ein Strahlungsbündel durch das Trägermedium geschickt wird und die Intensität der Streustrahlung an mehreren um den Auftreffpunkt des Strahlungsbündels auf die Teilchen räumlich verteilten MeQst.ellen gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermedium in to einem feinen Strahl kreuzend durch das Strahlungsbündel geleitet wird; und daß die Intensität der von den Teilchen erzeugten Streustrahlung an allen Meßstellen (16), die unter mehreren Winkeln relativ zur Richtung des einfallenden Strahlungsbündels angeordnet sind, gleichzeitig gemessen und aufgezeichnet wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Teilchen in dem Trägermedium so stark verkleinert wird, daß sich zu einem bes.immten Zeitpunkt jeweils nur ein ι CiiCiiCn im nFCüZUngSpUnKi rnit uCm oiruiiiUngS-bündel befindet.
- 3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlung Licht gewählt wird.
- 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlung monochromatisches Licht gewählt wird.
- 5. Verfahren nach einem der vorstehenden so Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer kohärenten Sirahlung gemessen wird.
- 6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer polarisierten Strahlung gerr-essen wird. M
- 7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlung die Laserstrahlung gewählt wird.
- 8. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer Strahlungsquelle, von der ein Strahlungsbündel ein in einer Kammer befindliches, mit Mikroteilchen versetztes Trägermedium durchsetzt, sowie mi1 mehreren Strahlungsdetektoren, die außerhalb der Richtung des Strahlungsbündcls angeordnet sind, f5 dadurch gekennzeichnet, daß an der Kammer (10) eine Injektionseinrichtung (18, 20, 22, 24, 26, 28, 30) angeordnet ist, welche das Trägermedium in einem feinen Strahl durch die Kammer und das Strahlungsbündel kreuzend lenkt: daß die Detektoren (16) >o unter mehreren Winkeln relativ zur Richtung des einfallenden Strahlungsbündels angeordnet sind und daß die Ausgänge der Detektoren mit einer Auswertecinrichtung (36) zur gleichzeitigen Auswertung aller auf den Dctckiorausgängcn auftreten- γλ den Signale verbunden sind.
- 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren auf der Oberfläche einer Kugelschalc angeordnet sind, deren Mittelpunkt im Kreuzungspunkt des Strahlungsbündels fto mit dem feinen Strahl liegt.
- 10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9. dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerlecinrichtung (36) an einen Mchrkanalschrciber (38) angeschlossen ist. welcher für jeden Detektor (16) eine eigene (>5 Aufzeichnungsspur ent hü It.
- I I. Vorrichtung nach Anspruch K oder 4. dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Auswerteeinrichtung digitalisiert ist und in einein Rechner mit Daten einer Anzahl bekannter Teilchenarten verglichen wird.
- 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8—11, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionseinrichtung einen Zerstäuber (24,26) zum Dispergieren der Mikroteilchen sowie eine Gasdüse (30) aufweist, welche die dispergieren Mikroteilchen in dem Trägermedium als Strahl durch das Strahlungsbündel lenkt.
- 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8— 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionseinrichtung eine Kapillarröhre (40) aufweist, die die Kammer sowie das Strahlungsbündel vollständig durchsetzt.
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