DE19744246A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Videomikroskopie disperser Partikelverteilungen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Videomikroskopie disperser PartikelverteilungenInfo
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Description
Viele Dispersionen bewegter Partikeln in flüssigen oder gasförmigen Medien -
beispielsweise Staubpartikeln, Flüssigkeitströpfchen in Luft oder etwa Pollen - müssen
zur Umweltüberwachung oder zur Optimierung industrieller Prozesse in Echtzeit
(online) detektiert und charakterisiert werden.
Hierfür haben sich vier Klassen von Instrumenten etabliert:
- 1. Partikelsammler, wobei in der ersten Stufe eine Partikelsammlung durch Filterung oder Sedimentation stattfindet und in einer zweiten Stufe Menge und Spezies der Partikeln durch Wägung, Mikroskopie und/oder chemische Analyse bestimmt werden.
- 2. Streueffekt-Instrumente, wobei als Maß der Partikelkonzentration die Streuung von Strahlung direkt oder indirekt registriert wird, die beim Durchgang der Strahlung (Licht, Mikrowellen, Elektronenstrahlen, Radioaktive Strahlen oder Schall) durch das partikelbeladene Medium entsteht.
- 3. Zählende Instrumente, in welchen die Einzelpartikel beim Durchgang durch einen enge Detektionszone registriert und durch ein pulsförmiges Signal einzeln angezeigt werden - beispielsweise die "Coulter-Counter". Dauer und Höhe der Pulssignale gestatten zusätzliche Aussagen bezüglich Partikeleigenschaften wie etwa Material oder Größe. Unterschiedliche Detektionsmechanismen werden eingesetzt. Beispielsweise werden Streulichtblitze beim Durchgang der Partikeln durch den Fokus eines Lichtstrahls erzeugt und mit Lichtdetektoren registriert, oder es werden sprunghafte Kapazitätsänderung eines winzigen Kondensators, zwischen dessen Elektroden ein Teilchen hindurchfliegt, zur Erzeugung elektrischer Pulse genutzt.
- 4. In situ Mikroskope. Dieses sind Videomikroskope, die ohne Probennahme direkt in das partikelbeladene Medium schauen, beispielsweise durch ein Fenster eines gerührten Bioreaktors. Bewegungsunschärfe der bewegten Partikeln wird vermieden durch Blitzbelichtung des Mikroskops und/oder durch kurzzeitige Öffnung des elektronischen Kameraverschlusses. Die Auswertung nach gewünschten Partikelparametern (Größe, Anzahl, Erkennung) leistet eine Digitale Bildverarbeitung des Kamerabildes. Dies Verfahren ist relativ neu und wird dargestellt in der Patentschrift DE 40 32 00 252 sowie in der Zeitschrift "Biotechnology & Bioengineering" Jahrgang 1995, Band 478, Seiten 106-116.
Die In situ Mikroskopie hat gegenüber den anderen Verfahren den Vorteil, daß sie die
Gestalt einzelner Partikel mit einer optischen Auflösung von bis zu 0,5 µm direkt
abbildet. Nachteilig ist jedoch der limitierte Konzentrationsbereich, in welchem mit
ausreichender Statistik Partikelbilder aufgenommen werden können.
Problematisch ist die Partikeldetektion bei geringen Partikelkonzentrationen, etwa bei
tausend Partikeln pro Kubikzentimeter. Dies ist beispielsweise ein wichtiger
Meßbereich für die Überwachung von Stäuben. Bei derartigen
Teilchenkonzentrationen wird der winzige Beobachtungsbereich des In situ
Mikroskops von beispielsweise ca. 10-8 (cm)3 nur sehr selten von einem Partikel
durchquert.
Ein Beispiel: Um nur etwa zehn Partikeln mit ca. 20 µm Durchmesser bei einer
Konzentration von 103 Partikeln pro Kukzentimeter scharf abzubilden, müßte das In
situ Mikroskop etwa zehn Stunden lang mit einer Bildfrequenz von 30 Bildern pro
Sekunde arbeiten. Dies ist vollkommen unpraktikabel.
Die vorliegende Erfindung macht nun auch den Meßbereich geringer Konzentrationen
für eine online - Video-Mikroskopie erreichbar. Nach Anspruch 1 schaut ein
Videomikroskop durch ein Fenster in einen engen Strömungskanal, das von einem
partikeltragenden Medium mit definierter Geschwindigkeit durchströmt wird -
getrieben durch eine genau kontrollierte Druckdifferenz. Infolge seines geringen
Probevolumens und der begrenzten Bildfrequenz kann das Videomikroskop nur Bilder
von einem geringen Teil des durchströmenden Volumens aufnehmen.
Damit nun trotz der lückenhaften Volumenabtastung durch das Mikroskop alle
durchströmenden Partikel abgebildet werden, muß die Mikroskopkamera "wissen",
wann im Meßkanal sich ein Probevolumen mit (mindestens) einem Partikel nähert.
Dieses vorausgesetzt, wird nun eine Bildaufnahme durch das ankommende Partikel
selbst ausgelöst. Die Kamera wird also von der Beobachtung der großen partikelfreien
Volumenanteile entlastet und ist aufnahmebereit für die relevanten Probevolumina, in
welchen sich Partikel befinden.
Das rechtzeitige Signal von herantreibenden Partikeln muß durch einen zusätzlichen
Detektor für Einzelpartikel gegeben werden, der den Strömungskanal stromaufwärts
von der mikroskopierten Stelle überwacht.
Der Detektor registriert ankommende Partikel und sendet augenblicklich ein
Pulssignal zum zeitgerechten Triggern des Kameraverschlusses und der
Mikroskopbelichtung.
Als Detektionsmechanismus kommen alle Mechanismen in Frage, die auch in den
oben erwähnten handelsüblichen zählenden Partikelmeßgeräten angewendet werden,
beispielsweise die Kapazitätsänderung eines Kondensators durch die Wechselwirkung
mit einem Partikel.
Auch der Einsatz kommerzieller Partikelzähler zur Kameratriggerung ist möglich,
wobei dann sogar die- Auswertung der Videomikroskopie mit der quantitativen
Auswertung des zählenden Gerätes kombiniert werden kann.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Partikel-getriggerten Videomikroskops ist in
Fig. 1 skizziert.
Das strömende Medium 1 (z. B. Luft) wird durch eine Membranpumpe 2 in den
Strömungskanal 3 gesaugt. Die geometrische Form der Eingangsmündung 4 ist so zu
gestalten, daß die Partikelbeladung des angesaugten Mediums durch den
Ansaugvorgang möglichst wenig verfälscht wird - ein Problem, das für alle
ansaugenden und probenehmenden Sonden der Partikelmeßtechnik auftritt und für
welche dem Fachmann entsprechendes Optimierungswissen zur Verfügung steht.
Der Strömungskanal ist im Bereich der mikroskopierten Stelle so eng, daß alle
hindurchtransportierten Partikeln durch das transparente Fenster 6 vom Objektiv des
Mikroskops erfaßt und ausreichend scharf abgebildet werden.
Stromaufwärts zur Beobachtungsstelle des Mikroskops befindet sich ein Miniatur-
Kondensator, dessen Elektroden isoliert in der Wand des Strömungskanals eingefaßt
sind, so daß der Kondensator die effektive Dielektrizitätskonstante im
Strömungskanal mißt.
Partikeln, die sich in die Kondensatorzone hineinbewegen, ändern dort sprungartig die
effektive Dielektrizitätskonstante und damit die Kapazität. Der Kapazitätssprung wird
mit handelsüblicher Elektronik in einen elektrischen Strompuls 8 umgeformt.
Dieser Puls triggert einen elektronischen Pulser 9, der mit passender Zeitverzögerung
einen normierten Ausgangspuls 10 erzeugt. Der Ausgangspuls 10 des Pulsers triggert
den Verschluß der Kamera 11 und die Blitzbelichtung 12 des Mikroskops genau in
dem Moment, in dem das Partikel infolge der definierten Strömungsgeschwindigkeit
das mikroskopierte Volumen erreichen muß, so daß dort ein scharfes Bild des
Partikels genommen wird.
Das Bild wird elektronisch weiterverarbeitet, auf einem Monitor 14 dargestellt und
einer automatischen Bildverarbeitung in einem Rechner 15 zugeführt.
Charakterisierung und eventuell Erkennung der Partikeln wird von einer
automatischen Bildverarbeitung übernommen. Der Videomonitor ermöglicht die
visuelle online - Inspektion der Partikeln.
Wenn sich beispielsweise statistisch nur in jedem tausendsten Volumen von der Größe
des mikroskopischen Beobachtungsbereichs ein Partikel befindet, kann im Vergleich
zum In situ Mikroskop die Meßzeit durch forcierten Transport des Mediums im
Meßkanal um einen Faktor Tausend verkürzt werden. Die kapazitive Detektion an
der schnellen Strömung übernimmt eine rasche Vorselektion der Probevolumina und
entlastet so das Mikroskop. Die Strömungsgeschwindigkeit kann sinnvoll soweit
erhöht werden, bis die Kamera von ankommenden Partikeln in solch kurzen
Zeitabständen getriggert wird, daß eine weitere Erhöhung der Bildfrequenz wegen der
notwendigen Bildverarbeitungszeit nicht mehr möglich ist. Weitere Steigerung der
Strömungsgeschwindigkeit wäre dann unproduktiv.
Claims (4)
1. Verfahren zur Videomikroskopie von Partikeln, die in gasförmigen oder
flüssigen Medien dispergiert sind, beispielsweise von Pollen oder Staubteilchen in
Luft oder von Mikroorganismen oder feinen Gasbläschen in Wasser, mit folgenden
Merkmalen:
- - eine kurze Belichtungszeit dient zur scharfen Bildaufnahme der beweglichen mikroskopischen Partikeln ohne Bewegungsunschärfe,
- - die kurze Belichtungszeit wird realisiert
entweder durch eine gepulste Mikroskopbelichtung (Blitz),
oder eine kurze Kameraöffnungszeit (durch elektronischen Shutter) bei kontinuierlicher Mikroskopbelichtung,
oder eine Kombination beider Techniken mit Synchronisation von Blitz und Öffnung des Kameraverschlusses, - - die Mikroskopbilder werden zur visuellen Inspektion auf einem Videomonitor gezeigt,
- - die Bilder werden mit digitaler Bildverarbeitung ausgewertet, um die Partikeln zu charakterisieren, beispielsweise hinsichtlich der Partikelhäufigkeit oder hinsichtlich der Partikelgröße, oder um bekannte Partikelspezies, beispielsweise Pollen, Asbestteilchen, Tröpfchen oder Bläschen durch Erkennung selektiv zu detektieren,
- - das partikeltragende Medium wird mit Hilfe von Druckanwendung durch einen engen Strömungskanal transportiert, der vor dem Mikroskopobjektiv verläuft,
- - durch ein transparentes Fenster in der Wand des Strömungskanals wird dessen Inneres mit dem Mikroskop beobachtet,
- - der Strömungskanal wird so eng ausgelegt, daß alle im Kanal am Mikroskop vorbei transportierten Partikeln noch vom optischen Schärfebereich des Mikroskops erfaßt werden und somit scharf vom Objektiv in die Kamera abgebildet, dadurch gekennzeichnet, daß:
- - die Strömung im Strömungskanal - bevor sie die mikroskopierte Beobachtungsstelle erreicht - eine Sensorzone durchläuft, in welcher die mittransportierten Partikeln von einem Partikeldetektor registriert werden, der auf jedes einzelne Partikel sofort mit einem elektrischen oder optischen Signal reagiert,
- - das Signal des Partikeldetektors mit Hilfe einer Triggerelektronik die rechtzeitige Kurzzeit-Bildaufnahme des Videomikroskops zur Aufnahme des ankommenden Partikels auslöst,
- - die Laufzeit des Partikels von der Detektorzone zur Mikroskopierposition durch eine entsprechende elektronisch eingestellte Zeitverzögerung (Delay) der Mikroskoptriggerung berücksichtigt wird, so daß das Videomikroskop genau in dem Zeitfenster ein Bild aufnimmt, in dem das Partikel von ihm erfaßt wird.
2. Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Ausgestaltung des Verfahrens
nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - der Partikeldetektor vor dem Mikroskop 13 aus einem Miniatur-Kondensator 7 besteht, der die Ankunft des Partikels 5 zwischen seinen Elektroden durch einen Kapazitätssprung anzeigt, der seinerseits ein meßbares elektrisches Pulssignal 8 in der Kondensatorschaltung erzeugt.
3. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet daß
- - die Partikeldetektion vor dem Mikroskop realisiert wird, indem der Fokus einer Lichtquelle in den Strömungskanal verlegt wird, so daß die Partikeln beim Durchqueren dieser intensiven Lichtzone einen Streulichtblitz verursachen, der von einem empfindlichen Lichtdetektor, beispielsweise einem Photomultiplier, registriert und angezeigt wird.
4. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Verarbeitung des Bildsignals in einer CCD-Kamera mit integriertem Signalprozessor ("Intelligente Kamera") erfolgt, so daß zur Auswertung des Bildes bezüglich der Partikelcharakterisierung und zur Anzeige der berechneten Partikelparameter kein externer Rechner notwendig ist,
- - durch die Verwendung einer CCD-Kamera mit integriertem Signalprozessor ein kompaktes, transportables und vollständig autonomes Partikelmeßgerät entsteht,
- - dieses autonome Instrument die Partikelbilder auf einem Standard- Videomonitor oder auf einem integrierten Kleinbildschirm abbilden kann,
- - die numerischen Auswerteergebnisse der intelligenten Kamera auf einem alphanumerischem Display oder auf einem Standard Video-Monitor oder auf einem miniaturisiertem Videomonitor oder auch in analogen Signalausgängen angezeigt werden,
- - und über ein Interface die digitalisierten Bilder auch externen Rechnern zu erweiterter Auswertung und Dokumentation zugeführt werden können und die intelligente Kamera von entfernter Stelle über Rechner gesteuert werden kann.
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| DE19744246A DE19744246A1 (de) | 1997-10-07 | 1997-10-07 | Verfahren und Vorrichtung zur Videomikroskopie disperser Partikelverteilungen |
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Publications (1)
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| DE19744246A1 true DE19744246A1 (de) | 1999-04-29 |
Family
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Family Applications (1)
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Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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