DE2531882A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung des zeta-potentials von suspendierten partikeln in einer fluessigkeit - Google Patents

Description

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Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Zeta-Potentials von suspendierten Partikeln in einer Flüssigkeit

Die Messung des Zeta-Potentials von Flüssigkeiten und die Anwendung derartiger Meßergebnisse zur Aggloraerationssteuerung sind bekannt. So werden z. B. ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Zeta-Potentials und die Anwendung derartiger Messungen zur Agglomerationssteuerung in der USA-Patentschrift 3 723 712 beschrieben.

Zeta-Potential-Meßsysteme, die ein Mikroskop, eine Zelle und die dazugehörige Energieversorgung zur Lieferung der notwendigen Gleichstromspannungen zur Elektrophoresezelle umfassen, sind ebenfalls bekannt. Eine Zeta-Potentialbestimmung wird in der Weise durchgeführt, daß die Elektrophoresezelle entweder von Hand oder mit Hilfe einer automatischen Einspeisuengsvorrichtung mit einer Probe der zu messenden Flüssigkeit gefüllt, das Mikroskop auf einen geeigneten Ausschnitt der Elektrophoresezelle eingestellt und dann mit Hilfe einer Stoppuhr die Zeit der Wanderung ausgewählter Partikel über eine abgemessene Distanz bestimmt wird. In einem derartigen Meßsystem müssen die Partikel individuell zeitlich vermessen werden und die Durchschnittsgeschwindigkeit muß durch Handmessung berechnet werden. Die Partikelbeweglichkeit und das Zeta-Potential können dann aus einer Kurve erhalten werden, die auf der Durchschnittsgeschwindigkeit und der Elektrophoresezellenspannung basiert. Bei Zeta-Potentialmessungen ist die Temperatur der Probe kritisch und die erforderlichen Temperaturkorrekturen erfolgen manuell aus Faktoren, die mit der Partikelbeweglichkeit und dem Zeta-Potential zusammenhängen. In diesen bekannten Systemen gibt es keine direkte Anzeige des Zeta-Potentials und auch keine automatische Temperaturkompensation. Außerdem ist weder die Zelle, noch die Lichtquelle, nocii das Mikroskop an einem be-

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stimmten Platz dauerhaft fixiert, weshalb es sich als erforderlich erweist, alle drei Vorrichtungselemente jedesmal neu zu justieren, wenn eine frische Probe gemessen und analysiert wird. Derartige Systeme haben ferner den Nachteil, daß die Ablesungen unterschiedlich zu sein pflegen in Abhängigkeit von demjenigen, der sie durchführt, da die erhaltenen Ergebnisse davon abhängen, welcher Teil der Zelle beobachtet wird und welche Partikel gemessen werden.

In letzter Zeit haben sich Zeta-Potential-Meßvorrichtungen die Laser-Technologie zunutze gemacht. In einem dieser bekannten Systeme wird die ELektrophoresezelle mit einem Laserstrahl abgetastet mit Hilfe eines durch ein Galvanometer angetriebenen Kippspiegels. Die Geschwindigkeit der in Bewegung befindlichen Partikel relativ zu dem abtastenden Laserlicht im Blickfeld des Mikroskops wird auf Null gebracht durch Änderung der Geschwindigkeit des Spiegels. Ein derartiges System erlaubt die digitale Ablesung des Zeta-Potentials. Ein derartiges System ist jedoch, ähnlich dem oben beschriebenen, sehr schwierig und zeitraubend anzuwenden aufgrund der Notwendigkeit, die optischen Systeme immer wieder neu aufeinander abzustimmen und auf den geeigneten Punkt in der ELektrophoresezelle zu richten, um genaue Ablesungen zu erhalten. In solchen Systemen werden oftmals eine falsche Abstimmung der optischen Einrichtungen aufeinander und daraus resultierend irrige Meßdaten erhalten, ohne daß dies der Bedienungsmann weiß. Ein Vorteil eines derartigen Systems ist es, daß die Laserlichtquelle die Bewegung von Partikeln von Submikrongröße festzustellen ermöglicht.

Gemäß dem Verfahren und der Vorrichtung nach vorliegender Erfindung beobachtet eine Fernsehkamera oder ein anderer äquivalenter Bildsensor, z. B. eine photοempfindliche Anordnung, die sich eines geeigneten Linsensystems bedient, die Flüssigkeit in einer Elektrophoresezelle, welche beleuchtet ist, so daß ein Bild der in der Zelle suspendierten Partikel erzeugt wird. In

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der Vorrichtung nach der Erfindung wird die Elektrophoresezelle durch Piberoptiken beleuchtet, um eine Kaltlichtquelle zu erzielen und dadurch Konvektionsströme in der Elektrophoresezelle daran zu hindern, die elektrophoretische Bewegung der Partikel zu stören und dadurch eine falsche Messung derselben zu ergeben.

Die suspendierten Partikel in der Elektrophoresezelle werden durch ein Mikroskop vergrößert und ein Bild derselben wird durch eine Fernsehkamera oder Vidiconröhre erzeugt und auf einen Monitorschirm projiziert. Ein Referenz- oder Bezugsmuster wird dem vergrößerten Monitor-TV-Bild überlagert, wobei dieses Muster aus einer Anzahl vertikaler Linien oder Lichtmarken besteht, die horizontal über den Monitorschirm schweifen gelassen werden oder unabhängig vom Primär-TV-Bild bewegungslos bleiben. Die Zeta-Potential-Messungen werden in der Weise durchgeführt, daß eine frische Flüssigkeitsprobe in die Elektrophoresezelle eingespritzt wird mit Hilfe einer Probenzuführpumpe und Solenoidventilen. Sobald eine frische Probe in die Zelle eingeführt wurde, schließen die Solenoidventile die Enden der Zelle und die Elektrophoresespannung wird angelegt, welche eine Wanderung der Partikel innerhalb der Zelle bewirkt. Die Durchlaufgeschwindigkeit des Bezugsmusters wird dann manuell in der Weise eingestellt, daß sie mit der Geschwindigkeit eines einzelnen Partikels oder einer Gruppe von Partikeln auf dem Monitorschirm übereinstimmt.

Die Durchlaufgeschwindigkeit des manuell eingestellten Bezugsmusters kann elektronisch in ein Zeta-Potentialsignal umgewandelt werden, welches entsprechend der Temperatur der Probe korrigiert wird. Der korrekte Zeta-Potentialwert für die betreffende Probe wird dann auf dem Instrument angezeigt. Das Zeta-Potential erscheint auch als ein 4 bis 20 Milliampere-Aus gangs signal zum Zwecke der Aufzeichnung oder Verfahrenssteuerung, wie dies z. B. in der angegebenen USA-Patentschrift 3 723 712 diskutiert wird.

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Der Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt in deren optischem System. In zahlreichen der angegebenen Zeta-Potential-Messungssystemen des Standes der Technik verläuft der optische Pfad des Systems vom Auge des Bedienungsmannes zu einem Mikroskop zu der Elektrophoresezelle zu einem Spiegel und dann zu einer Lichtquelle. Gemäß vorliegender Erfindung verläuft der optische Pfad vom Auge des Bedienungsmannes zum TV-Bild zur TV-Kamera zu einer Linse zu der Zelle zu einem faseroptischen Leiter und dann zu einer Lichtquelle. Ein wesentlicher Vorteil der Bezugsmuster-Zeta-Potential-Ablesemessung liegt darin begründet, daß mehr als ein Bedienungsmann das Bild der in Bewegung befindlichen Partikel gleichzeitig beobachten kann. Ferner kann das Musterbild vergrößert werden ohne Verlust an Details durch Verwendung einer größeren TV-Bildröhre und höherer Auflösungsapparaturen. Die Fernsehkamera, die Linsen und die Elektrophoresezelle sind in geeigneten Stellungen zueinander montiert und es können zahlreiche Ablesungen erfolgen, ohne daß sich Einstellungen als erforderlich erweisen.

In den angegebenen bekannten Systemen beobachtet das Mikroskop die Zelle von oben und die Partikel erscheinen für das Auge so, daß sie sich in geraden Linien zu der einen oder der anderen Elektrode der Elektrophoresezelle bewegen. Praktisch fallen jedoch Partikel auch aufgrund der Schwerkraft nach unten. Dies wirft ein Problem auf mit rasch sinkenden Partikeln, d. h. daß diejenigen Partikel, welche eine höhere Dichte oder ein größeres Gewicht haben, im Blickfeld nur eine kurze Zeit erscheinen und dann unter die Ebene des Blickfelds auf den Boden der Elektrophoresezelle fallen. Ein Problem dieser Art ist in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeschaltet, indem die Partikelbewegung von der Seite der Zelle beobachtet wird. In einer derartigen Anordnung liegt die Ebene des Blickfelds in der Zelle parallel zu den Kräften, die eine Bewegung sowohl in horizontalen als auch in vertikalen Richtungen bewirken und je-

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des Partikel, das sich zu Beginn der Messung im Fokus befindet, bleibt im Fokus, bis es aus dem Blickfeld entschwindet. Durch die Beobachtung der Elektrophoresezelle in horizontaler Richtung wird daher die Genauigkeit der Beobachtung der Partikelbewegung stark verbessert und erhöht.

Eine Aufschlämmung, die viele große, sich rasch absetzende Partikel enthält, wird sehr viel trüber am Boden der Zelle kurz nachdem die Probe in der Zelle zur Ruhe kommt. Demzufolge wird die Lichttransmission zunehmend schlechter nahe dem Boden der Zelle. Gemäß vorliegender Erfindung verbessert sich jedoch praktisch die Lichttransmission der Elektrophoresezelle, da die schwereren Partikel aus dem Bild herausfallen und die beobachtete Probe klarer wird. Eine Aufschlämmung, die eine derartig hohe Dichte an Partikeln oder Aggregaten enthält, daß keine individuellen Merkmale länger als einige Sekunden im Blickfeld sichtbar bleiben, kann dadurch auf Zeta-Potential analysiert werden, daß die Bezugsmuster-Abtastrate so eingestellt wird, daß sie mit der Bewegung der allgemeinen Massenwanderung über den TV-Monitor übereinstimmt.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil vorliegender Erfindung liegt darin begründet, daß die Elektrophoresezelle mit einer kleinen Glühlampe von weniger als 10 Watt und einer Fiberoptik-Lichtröhre, die unerwünschte Hitze ausfiltriert und ein konzentriertes Bündel von kaltem Licht auf die Rückseite der Zelle schickt, beleuchtet wird, so daß die Einflüsse der Temperatur auf die Partikelbewegung ausgeschaltet werden.

Das erfindungsgemäße System ist auf die Messung und Anzeige von Partikeln mit einem Durchmesser von etwa 5 Mikron oder größer beschränkt. Die Bestimmung kann jedoch verbessert werden durch Verwendung einer TV-Kamera mit höherer Auflösung.

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In dem aus der angegebenen USA-Patentschrift 3 723 712 bekannten System wird ebenfalls ein TV-Monitor verwendet, um eine vergrößerte Ansicht der in der Elektrophoresezelle suspendierten Partikel zu liefern. Der Hauptunterschied zwischen diesem bekannten System und der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin begründet, daß das in der angegebenen USA-Patentschrift beschriebene System mit oder ohne den TV-Monitor funktioniert, da das Videokamerabildsignal direkt einem Computer eingegeben wird zur automatischen Berechnung und Ablesung des Zeta-Potentials. Somit stellt der TV-Monitor im bekannten System lediglich einen sehr nützlichen, aber nicht wesentlichen Indikator des Betriebsstatus des opto-elektronischen Systems dar. Demgegenüber ist im Bezugsmustersystem gemäß vorliegender Erfindung der TV-Monitor ein wesentliches Glied im opto-elektronischen System, da die Partikelwanderungsrate verglichen wird mit einer veränderbaren Bezugsmusterrate durch direkten Gebrauch des TV-Monitors. Im erfindungsgemäßen System wirkt der Monitor ferner ebenso als ein Indikator des Betriebsstatus des Systems, wie dies in dem aus der angegebenen Patentschrift bekannten System der Fall ist.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Systems gegenüber dem in der angegebenen USA-Patentschrift 3 723 712 beschriebenen System liegt darin begründet, daß das erfindungsgemäße System halbautomatisch ist, wohingegen das in der angegebenen Patentschrift beschriebene System vollständig automatisch ist. Erfindungsgemäß wird daher ein Großteil der komplexen und teuren automatischen Apparatur, die im bekannten System erforderlich ist, überflüssig.

Erfindungsgemäß werden daher die folgenden Aufgaben gelöst:

Die Aufgabe, ein genauere, halbautomatisches Zeta-Potential-Meßsystem zu schaffen.

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Ferner die Aufgabe, ein halbautomatisches System zur Messung des Zeta-Potentials zu schaffen, das weniger komplex und weniger teuer als bekannte Zeta-Potential-Meßsysteme ist.

Ferner die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Messung des Zeta-Potentials anzugeben, die sich durch größere Verläßlichkeit und Genauigkeit für wiederholte Messungen auszeichnet.

Ferner die Aufgabe, eine verbesserte Vorrichtung des angegebenen Typs anzugeben, invelcher ein TV-Monitor verwendet wird, um die elektrophoretische Beweglichkeit von Partikeln innerhalb einer Probeflüssigkeit zu beobachten, und in der die Zeta-Potentialmessung erhalten wird durch manuelle Einstellung der Geschwindigkeit eines Bezugsmusters über die Oberfläche des TV-Monitors.

Die Erfindung wird durch die beigefügte Zeichnung näher erläutert, in der darstellen

Fig. 1 die Bezugsmuster-Zeta-Potential-Messvorrichtung in Form eines Blockdiagramms,

Fig. 2 eine Darstellung in auseinander gezogener Anordnung einer zur Messung des Zeta-Potentials im erfindungsgemäßen System verwendbaren Elektrophoresezelle gemäß einer typischen Ausführungsform,

Fig. 3 eine typische Führung der Flüssigkeitsprobe zum Einspritzen in die Elektrophoresezelle,

Fig. 4 einen in Form eines Blockdiagramms dargestellten Bezugsmustergenerator mit zugehörigem Stromkreislauf gemäß einer typischen Ausführungsform, wie er in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendbar ist und

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Pig. 5 eine Vorderansicht der Steuerungs- und Anzeigetafel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Wie aus Figur 1 ersichtlich, enthält die Elektrophoresezelle 10 eine Flüssigkeitsprobe, die durch den Probevorratsbehälter und Pumpe 12 zugeführt wird, und sie ist beleuchtet mit einer variable Lichtintensitäten liefernden Lichtquelle 14 über einen Lichtpfad 16, der die Elektrophoresezelle 10 mit kaltem Licht bestrahlt, um die durch Temperaturänderungen bedingten nachteiligen Effekte auf di,- Messung der elektrophoretischen Beweglichkeit innerhalb der Elektrophoresezelle 10 zu vermeiden. Die elektrophoretisch^ Beweglichkeit der Probe in der Elektrophoresezelle 10 wird über den optischen Pfad 20 vom Bildsensor 18 gemessen, der ein Mikroskop zur Vergrößerung des Bildes der in der Elektrophoresezelle 10 befindlichen Partikel aufweisen kann, wie weiter unten ausführlicher beschrieben wird.

Das Ausgangssignal des Bildsensors 18 ist das Eingangssignal zu TV-Monitor 20, der ein Bild der Partikelbewegung innerhalb der Elektrophoresezelle 10 wiedergibt. Das Ausgangssignal des Bildsensors 18 ist außerdem das Eingangssignal zum Datenauswerter 22, in dem die erforderlichen Berechnungen des Zeta-Pote±ials gemacht werden. Angaben über die in Frage kommenden und hier verwendbaren Formeln zur Berechnung des Zeta-Potentials finden sich in der angegebenen USA-Patentschrift 3 723 712, weshalb hier nicht näher darauf eingegangen wird. Die Temperatur der Probe innerhalb der Elektrophoresezelle 10 wird abgefühlt durch den Temperatursensor 24 und diese Information stellt das Eingangssignal zum Datenauswerter 22 dar. Das Ausgangssignal des Datenauswerters 22 umfaßt das Zeta-Potential, die Temperatur und die spezifische Leitfähigkeit der Probe in der Elektrophoresezelle 10. Jedes der angegebenen Ausgangssignale kann in ablesbarer Form angezeigt werden durch den Ablesanzeiger 26.

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Temperaturkompensationsdaten vom Datenauswerter 22 stellen das Ausgangssignal dar für den Bezugsmustergenerator 28, der ein Eingangssignal zum TV-Monitor 20 liefert und insbesondere ein Signal zur Steuerung der Horizontaldurchlaufrate des Bezugsmusters 30 über das Partikelbild auf dem Monitor 20. Bezugsmustersteuerung 32 liefert ein Eingangssignal zum Datenauswerter 22 und zum Bezugsmustergenerator 28 für die Erzeugung der angegebenen Bezugsmusterdurchlaufrate. Die Energieversorgung 34 liefert die erforderliche Energie zu den Systemeinheiten. Der Datenauswerter 22 liefert außerdem ein 4 bis 20 Milliampere-Ausgangs signal, das zur Einstellung einer automatischen Steuerungseinrichtung verwendbar ist, wie dies in der angegebenen USA-Patentschrift beschrieben wird. Eine veränderbare Zellenspannung wird dem Bezugsmustergenerator 28 und der Elektrophoresezelle 10 vom Datenauswerter 22 zugeleitet, um das notwendige elektrische Feld zur Ingangsetzung und Aufrechterhaltung der Partikelbewegung zu liefern.

Die Lichtquelle mit variabler Lichtintensität 14 liefert die erforderliche Beleuchtung der Elektrophoresezelle 10, so daß das Bild der Partikel in der Probe vom Bildsensor 18 festgestellt und vom Bedienungsmann am TV-Monitor 20 beobachtet werden kann. Es stellt einen wesentlichen Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar, daß nur Licht und wenig oder gar keine Y/ärmeenergie der Elektrophoresezelle 10 zugeführt wird, da die elektrophoretische Beweglichkeit der Partikel durch Temperaturänderungen beeinflußt wird. Eine Hitzeübertragung jedweder Art in die Elektrophoresezelle führt zur Erzeugung von Konvektionsströmen in der Probe, welche die elektrophoretische Wanderung der in der Probe befindlichen Partikel beeinflussen. Ein durch Strahlung und Leitung bewirktes Erhitzen der Elektrophoresezelle 10 wird vermindert oder ausgeschaltet durch Verwendung einer Glasfaseroptik-Lichtröhre, die das Licht zum geeigneten Punkt in der Elektrophoresezelle 10 befördert und gleichzeitig von der Lichtquelle emittierte Niederfrequenzener-

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gie ausfiltert. Die Lichtenergie wird durch Veränderung der Spannung, die der Lichtquelle 14, z. B. einer Glühlampe, zugeführt wird, gesteuert.

Die in Figur 2 dargestellte Elektrophoresezelle 10 weist vor allem einen Polyaerylstab 40 von etwa 6,35 cm (2,5 inch) Länge und 0,13 x 0,13 cm (0,5 x 0,5 inch) lichter Weite auf. Ein zentral angeordnetes Loch 42 ist in Längsrichtung durch den Stab 40 gebohrt und Leitungsanschlüsse 44, 46 sind mit jedem Ende des Stabes verbunden. Die Leitungsanschlüsse 44, 46 dienen zweierlei Zwecken, nämlich sie verbinden die Elektrophoresezelle 10 mit einer (nicht gezeigten) Probenpumpe durch eine entsprechende Leitung, so daß frische Flüssigkeitsproben automatisch durch die Zelle gespült werden können, und sie dienen außerdem als Zellelektroden. Reinigungsschraube 48 und Dichtungsring 50 an einem Ende der Elektrophoresezelle 10 ermöglichen eine zwischenzeitliche Reinigung der Zelle, ohne daß es sich als erforderlich erweist, die Anschlußstücke 44, 46 oder das Rohr 40 zu entfernen.

Der Bildsensor 18 beobachtet die Elektrophoresezelle 10 etwa in der Mitte des Stabes 40, wo ein Abschnitt des Stabes abgefräst und durch kleine Glasfenster 52, 54 ersetzt ist, und zwar eines auf jeder Seite des Glasstabes, wie Figur 2 erkennen läßt. Das Glas verbessert die Qualität des vom Bildsensor 18 festgestellten Partikelbildes. Der Bildsensor 18 beobachtet die Probe durch das Glasfenster 54. Hinter dem Glasfenster 52 ist ein kleines Loch 56 im Glasfaseroptikverbindungsstück 58 vorgesehen, durch welches die Glasfaseroptikbeleuchtung in den Meßteil der Zelle eintritt.

Die Elektrophoresezelle 10 ist die kritischste Komponente des optischen Systems der erfindungs gemäß en Meßvorrichtung, da sie das Flüssigkeit-Feststoffgemisch zwischen den Zellelektroden 44, 46 aufnimmt und hält, so daß es vom Bildsensor 18 beobachtet

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werden kann. Die frische Probe wird in die Zelle gesaugt mit Hilfe der in Figur 3 gezeigten Pumpe und Solenoidventile 104, 106, die dann geschlossen werden, um die Probe innerhalb der Zelle einzuschließen. Die Probe wird in die Zelle durch Einlaß 60 eingeführt und verläßt sie durch Auslaß 62. Sobald die Solenoidventile geschlossen sind, wird eine Gleichstromspannung zwischen 10 bis 500 Volt angelegt zwischen den Zellelektroden 44, 46 über die Schnellverbindungsanschlüsse 64, 66. Die Gleichstromspannung führt dazu, daß sich jedes suspendierte Partikel der Probe innerhalb der Elektrophoresezelle 10 aufgrund seiner eigenen Ladung gegen eine Elektrode mit entgegengesetzter Polarität bewegt. Die Geschwindigkeit jedes Partikels ist proportional seiner eigenen Oberflächenladung, der Zellspannung und der Temperatur der Probe. Die Bewegung des Partikels wird vom Bildsensor 18 beobachtet und seine Bewegung wird in ein Zeta-Potential aufgelöst. Bewegt sich ein Partikel in der Probe nicht, so hat es eine Oberflächenladung von Null und es wird ihm ein Zeta-Potential von Null zugeordnet.

Die die eigentliche Zelle bildenden Komponenten selbst sind in einem Bakelitrahmen 68 und einer Bakelitmontierplatte 70 eingeschlossen, wie aus Figur 2 ersichtlich.

Der im Bezugsmuster-Zeta-Pontential-Meßsystem verwendete Bildsensor umfaßt vorzugsweise eine Standard-TV-Vidiconröhre, die in bezug auf Bildwiedergabe/uber dem Durchschnitt liegt. Das Bild wird auf die Frontseite der Vidiconröhre fokussiert mit einer Standard-10-fach-Mikroskopobjektivlinse. Der Zweck des Bildsensors ist einfach die Erzielung einer vernünftig guten Wiedergabe der einzelnen Partikel und die Weitergabe dieser Information an einen TV-Monitor zur Beobachtung durch den Operateur des Systems.

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Pur den Fachmann ist ersichtlich, daß auch jeder andere Bildsensor, der die äquivalente Funktion einer Televisionskamera ausüben kann, im erfindungsgemäßen System verwendbar ist. Ein typisches Beispiel für einen anderen geeigneten Bildsensor ist eine Photoanordnung mit einer großen Zahl von photoelektrischen Zellen, die in einem eng beieinander liegenden Verbundmuster arrangiert sind, so daß ein Bild unter ausreichender Bildauflösung auf sie fokussiert werden kann. Wie bereits erwähnt, beträgt die Auflösung des erfindungsgemäßen Systems ungefähr 5 Mikron; diese Auflösung kann jedoch erhöht werden durch Verwendung einer Vidiconröhre mit höherer Auflösung, wie sie gemäß Technologie des Standes der Technik zur Verfugung steht.

Beim TV-Monitor 20 kann es sich um jeden beliebigen Schwarz-Weiß- oder Farb-TV-Monitv,r handeln, der ein CCTV-Systemsignal aufnimmt, wobei CCTV (closed circuit TV) für "drahtgebundene Fernseh-Systeme¹* steht. Der Monitor gibt ein von der angegebenen TV-Kamera erzeugtes Primärbild wieder zur Beobachtung der Flüssigkeitsprobe innerhalb einer Elektrophoresezelle 10. Überlagert auf dem Primärbild befindet sich das Bezugsmuster 30, das vorzugsweise aus einer Anzahl von in gleichem Abstand über den TV-Schirm verlaufenden Vertikallinien besteht. Die Vertikallinien werden von einem Bezugsmustergenerator erzeugt, der weiter unten näher beschrieben wird. Die Vertikallinien werden über das TV-Kamerabild mit von Hand einstellbaren Geschwindigkeiten, die durch einen Knopf am Datenauswerter 22 steuerbar sind, laufen gelassen.

Der Datenauswerter 22 umfaßt die Schaltung zur Erzeugung der variablen Zeilspannungen für die Elektrophoresezelle 10, einen Zeitmesser zur Steuerung der automatischen P robe zuführung aus dem Probevorratsgefäß und der Pumpe 12, einen Analog-in-Digitalumwandler zur Ablesung der Temperatur, der spezifischen Leitfähigkeit und des Zeta-Potentials, und einen weiteren Umwandler zur Ausbildung eines 4 bis 20 Milliampere-Ausgangs-

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signals, das zu Steuerζwecken in der oben beschriebenen Weise verwendet wird. Vorzugsweise ist der Datenauswerter 22 in einem Gehäuse eingeschlossen, das auch den TV-Monitor 20,ein Verfahrensanzeige-Kontrollinstrument und eine Registrierblattauf ζeichnungs- oder andere Ablesevorrichtung enthält.

Wie bereits erwähnt, ist das aus Vertikallinien 30 auf dem Monitor 20 bestehende Bezugsmuster überlagert dem TV-Kamerabild der in der Elektrophoresezelle beobachteten Partikel. Die Vertikallinien 30 bewegen sich mit einer Geschwindigkeit, die gesteuert wird diich die manuelle Potentiometersteuerung 70, welche in Figur 4 mit "Musterabtastrate" bezeichnet wird. Es ist bekannt, daß die elektrophoretische Beweglichkeit der Partikel eine Funktion des Spannungsgradienten längs der Elektrophoresezelle sowie der Temperatur der Flüssigkeitsprobe innerhalb der Zelle ist. Demzufolge muß die Geschwindigkeit der Vertikallinien 30 auch in Abhängigkeit vom Spannungsgradienten längs der Elektrophoresezelle 10 und der Temperatur der darin befindlichen Flüssigkeitsprobe gesteuert werden. Die Musterabtastratensteuerung 70 stellt das Ausgangssignal des Spannungsteilers 72 ein, das das Eingangssignal für den Zellspannungs-Stromkr^islaufseinsteller (cell voltage scaling circuit) 74 bildet. Das Ausgangssignal des Zellspannungs-Stromkreislaufeinstellers 74 ist das Eingangssignal für den Spannungssteuerungs- Rampengenerator (voltage control ramp generator) 75 und besteht aus einer Kombination des Ausgangssignals des Spannungsteilers 72 und einer Spannung, die proportional der Zellspannung ist, welche mit dem ZeIlspannungsknopf eingestellt und an die Elektrophoresezelle angelegt ist. Der Temperaturkompensationskreislauf 76 bildet Steuersignale aus für den spannungsgesteuerten Rampengenerator 75» so daß eine Temperaturkompensation des Bezugsmusters für die Elektrophoresezelle geschaffen wird, die proportional der Differenz avischen der Temperatur der Probe innerhalb der Zelle und einer Bezugstemperatur ist. Der Abfall des Neigungs-

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ausgangssignals des Rampengenerators 75 wird daher variiert entsprechend der Zellspannung, der Temperatur der Probe innerhalb der Zelle 10 und der manuell eingestellten Spannung des Spannungsteilers 72.

Das Ausgangssignal des Rampengenerators 75 ist das Eingangssignal für einen variablen Synchron-Verzögerungsspannungsstromkreis 78, der Synchronisationsimpulse von der TV-Kamera 80 empfängt. Das Ausgangssignal des Synchron-Verzögerungsspannungsstromkreises 78 umfaßt eine Reihe von Impulsen, die zeitlich verzögert von den Kameraimpulsen sind, wobei die Verzögerung nur einen Bruchteil des Zeitintervalls zwischen den Kamera-Synchronimpulsen darstellt. Gemäß der hier beschriebenen Ausführungsform variiert die Synchronisationsverzögerung zwischen festgesetzten Grenzen von Null bis i/5 bis I/3O einer vollen Horizontalabtastlinie bei einer durch den Rampengenerator 75 bestimmten Frequenz. V/enn das Verzögerungs-Ausgangssignal des Synchronverzögerers 78 seinen Maximalwert erreicht, wird es auf Null zurückgestellt und rezyklisiert. Der liniengenerator 82 weist einen Oszillator für variable Frequenzen auf, welcher durch Impulse vom Xynchronverzögerungsstromkreis 78 synchronisiert wird, so daß er eine Anzahl von im gleichen Abstand voneinander befindlichen Impulsen zwischen jedem Synchronimpuls erzeugt. Diese Impulse erzeugen das Bezugsmuster auf dem TV-Monitor 20, das sich mit einer Geschwindigkeit bewegt, die proportional zum Ausgangssignal des Rampengenerators 75 ist, welcher wiederum proportional der Spannung vom Spannungsteiler 72, vom Zeilspannungsgradienten und von der Probetemperatur ist.

Die Temperatur in der Elektrophoresezelle 10 wird abgefühlt vom Temperatursensor 84 und eingegeben zum Temperaturkompensationsstromkreis 76, welcher das angegebene Signal ausbildet proportional zur Temperatur innerhalb der Zelle und einer Bezugstemperatur. Das Ausgangssignal des Temperatursensors 84

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wird auch dem Schalter 86 zugeführt. Der Schalter 87 empfängt das Ausgangssignal vom Sensor für die spezifische Leitfähigkeit 88, der die spezifische Leitfähigkeit der Flüssigkei"teprobe innerhalb der Elektrophoreseζeile 10 abfühlt. Die beweglichen Kontakte der Schalter 86 und 87 werden in den spannungsgesteuerten Oszillator 90 eingegeben. Das andere Eingangssignal zum spannungsgesteuerten Oszillator 90 ist das Ausgangssignal des Spannungsteilers 72. Sind die Schalter 86 und 87 offen, so erzeugt der spannungsgesteuerte Oszillator eine Ausgangsfrequenz, die proportional dem Ausgangssignal des Spannungsteilers 72 ist und deshalb proportional der manuell eingestellten Bezugsmusterabtastrate. Aufgrund der Tatsache, daß das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Rampengenerators 75 so eingestellt wurde, daß es proportional der Partikelgeschwindigkeit ist, und weil es bezüglich der Temperatur der Flüssigkeitsprobe in der Elektrophoresezelle und des Spannungsgradienten längs derselben kompensiert wurde, handelt es sich beim AusgangssigmL des spannungsgesteuerten Oszillators 90 um eine Frequenz, die direkt proportional der Partikelbewegung in der Elektrophoresezelle ist.

Der Digitalablesungsstromkreis 92 ist kalibriert, so daß er eine direkte digitale Ablesung des Zeta-Potentials der Flüssigkeitsprobe ermöglicht, die sie sich aus der Differenz wischen dem Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators 90 und dem Ausgangssignal des fixierten Bezugsoszillators 94 ergibt. Das Ausgangssignal des Digitalablesestromkreises 92 stellt ein Zeta-Potential dar aufgrund der Tatsache, daß das Ausgangssignal des Spannungsteilers 72 proportional ist der manuell eingestellten Bezugsmusterabtastrate, die kompensiert wurde durch den Zellspannungseinstellstromkreis 74 und den Temperaturkompensationsstromkreis 76. Es ist bekannt, daß die Geschwindigkeit der Partikel in einem elektrischen Feld abhängig ist von drei Variablen, nämlich dem Spannungsgradienten der Elektrophoresezelle, der Temperatur der in der Zelle befindlichen Flüssigkeitsprobe und dem Zeta-Potential der in

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der Zelle befindlichen Partikel. Somit wurde allen drei Variablen in zufriedenstellender Weise Rechnung getragen, so daß der in Figur 4 dargestellte Bezugsmustergenerator eine direkte Ablesung des Zeta-Potentials bei offener Schalterstellung der Schalter 86 und 87 liefert. Der spannungsgesteuerte Oszillator 90 liefert eine direkte Anzeige der Temperatur oder der spezifischen Leitfähigkeit der Flüssigkeit innerhalb der Elektrophoresezelle, wenn der Schalter 86 bzw. 87 verbunden ist mit den Schalterkontakten für die Temperatur bzw. spezifische Leitfähigkeit, wie in Figur 4 veranschaulicht.

Das die Komponenten der Figur 4 umfassende Schaltsystem ist dem Fachmann bekannt, so daß eine detailierte Beschreibung jeder der Komponenten nicht für notwendig erachtet wird, um vorliegende Erfindung zu verstehen und in die Praxis umzusetzen. Der Spannungssteuerungs-Rampengenerator 75 kann aus einem Integratorstromkreis bestehen, der einen operativen Verstärker umfaßt, in welchem die Aufladerate des Kondensators in der Rückkupplung des operativen Verstärkers spannungsabhängig variiert wird. Der variable Synchron-Sapnnungsverzögerer 78 kann auch aus einem operativen Verstärker mit einer Integrator rückkupplung bestehen, so daß sich der Stromkreis auf einen bestimmten Wert erneut einstellt. Der Temperaturkompensationsstromkreis 76 kann aus einem Verstärker bestehen, der einen Ausgangswert aufweist, der proportional ist der Änderung in der Beweglichkeit der Partikel mit der Temperatur. Der spannungsgesteuerte Oszillator 90, die Digitalableseeinrichtung 92 und der Festw/ert-Bezugsoszillafor 94 weisen eil bekanntes Digitalvoltmeter auf, in dem das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators 90 die Intervalle steuert, während welcher das Ausgangssignal des Festwert-Bezugsoszillators 94 gezählt und berechnet wird.

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Damit die Bezugsmuster-Zeta-Potential-Meßvorrichtung ordentlich funktioniert, muß die Elektrophoresezelle 10 mit einer kontinuierlich liefernden Quelle frischer Proben ausgestattet sein, die in die Zelle rasch und leicht eingespritzt werden können. Außerdem muß die frische Probe, wenn sie sich innerhalb der Elektrophoresezelle 10 befindet, isoliert sein von Störungen, die von außen kommen und Irrtümer bei der Bestimmung des Zeta-Potentials verursachen können. Um den aufgezeigten Erfordernissen gerecht zu werden, wird das in Figur 3 dargestellte Probenzuleitungssystem verwendet. Eine Probe von der Probenlieferquelle 100 wird unter Saugen von der Pumpe 102 durch die SoIenoidventile 104, 106, von denen jedes ein Dreiwegventil ist, dessen dritter Anschluß mit Hilfe eines Rohrs oder Schlauchs mit den Enden der Elektrophoresezelle 10 verbunden ist, gepumpt. Wird eine frische Probe gewünscht, hört die Probe auf, durch die Ventile 104, 106 zu fließen und fließt stattdessen vom Solenoidventil 104 zur Zelle 10 und aus dieser heraus über Ventil 106. Während einer Zeta-Potential-Bestimmung schließen die Ventile 104, 106 und der Probefluß erfolgt direkt vom Ventil 104 durch Ventil 106. Druckschwankungen werden aufgehoben und gedämpft mit Hilfe der Luftöffnung 108.

Figur 5 veranschaulicht eine typische Schalttafel, in welcher die Polarität der Spannung über die Elektrophoresezelle 10 umgekehrt werden kann mit Hilfe des Polaritätsschalters 110. Die Schalter 86 bzw. 87 verändern die Digitalanzeige 114 auf die Probentemperatur oder die spezifische Leitfähigkeit ausgehend vom normalen Zeta-Potential. Die Steuerung 116 ermöglicht eine manuelle Einstellung des Zeta-Potentialbereichs des Instruments, so daß die Empfindlichkeit der Ablesung verbessert werden kann. Die Steuerung 118 ermöglicht die Einstellung der Zellspannung innerhalb eines Bereichs von Null bis 50 Volt/cm. Die Meßbeginnsteuerung 120 ermöglicht entweder automatische oder manuelle Probezuführung der Flüssigkeit in die Elektrophoresezelle 10 und aus dieser heraus. Die Bezugsmusterbewegungsrate wird

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mit Hilfe des Potentiometers 70 eingestellt, welches im Zusammenhang mit Figur 4 beschrieben wurde. Schließlich ist auch die Lichtintensität verstellbar mit Hilfe des Potentiometers 122 und die Energiezufuhr wird gesteuert durch den Energie-Ein/Aus-Schalter 124.

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Claims (12)

Patentansprüche

1.)Verfahren zur Bestimmung des Zeta-Potentials von suspen- ^—J dierten Partikeln in einer Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) eine Probe der suspendierten Partikel in eine Elektrophoresezelle einleitet,

b) einen vorbestimmten Spannungsgradienten längs der Elektrophoresezelle anlegt,

c) die resultierende Partikelbewegung auf einem Monitor wiedergibt, der ein in der Bewegungsrate variables Bezugsmuster aufweist,

d) die Bewegungsrate des Bezugsmusters entsprechend einer von der Temperatur der Probe und dem Spannungsgradienten entlang der Zelle abhängigen Funktion kompensiert,

e) das in der Bewegungsrate variable Bezugsmuster so einstellt, daß es gleich ist der Partikelgeschwindigkeit, und

f) das Zeta-Potential aus der eingestellten Bewegungsrate des Bezugsmusters bestimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Probe mit einer Lichtquelle für kaltes Licht bestrahlt wird vor Durchführung des Verfahrensschrittes (c).

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Teil der Partikelbewegung vergrößert wird vor Durchführung des Verfahrensschrittes (c).

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle für kaltes Licht die Probe durch eine Ebene bestrahlt, die praktisch senkrecht zum Schwerefeld liegt, und daß der vergrößerte Teil der Partikelbewegung in einer Ebene entnommen wird, die praktisch parallel zum Schwerefeld liegt.

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5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Temperatur der Probe abhängige Punktion die Differenz der Temperatur der Flüssigkeitsprobe und einer Bezugstemperatur ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich das gemessene Zeta-Potential sichtbar dargestellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die spezifische Leitfähigkeit der Plüssigkeitsprobe abgefühlt wird und die Darstellung des gemessenen Zeta-Potentials auch die Wiedergabe der Temperatur und spezifischen Leitfähigkeit der Plüssigkeitsprobe umfaßt.

8. Vorrichtung zur Bestimmung des Zeta-Potentials von suspendierten Partikeln in einer Flüssigkeit nach Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet durch

a) eine Elektrophoresezelle,

b) Mittel zur Einführung der Plüssigkeitsprobe in die Zelle,

c) Mittel zur Anlegung eines vorbestimmten Spannungsgradienten längs der Elektrophoresezelle,

d) Mittel zur Wiedergabe eines Bildes eines ausgewählten Teils der in der Zelle befindlichen Plüssigkeitsprobe,

e) Mittel zur Überlagerung des wiedergegebenen Bildes mit einem in der Bewegungsrate variablen Bezugsmuster,

f) Mittel zur Einstellung der Bewegungsrate des Bezugsmusters in solcher Weise, daß dessen Geschwindigkeit mit der Geschwindigkeit der Partikel übereinstimmt,

g) Mittel zur Kompensation der eingestellten Bezugsmusterrate entsprechend einer von der Temperatur der Probe und dem SpannungB gradient en längs der Zelle abhängigen Punktion,

h) Mittel zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das die eingestellte und kompensierte Bewegungsrate des Bezugsmusters ergibt, und

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i) Mittel zur Bestimmung des Zeta-Potentials der Partikel aus dem Ausgangssignal.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch das zusätzliche Vorliegen von Mitteln zur Bestrahlung der Probe mit einem kalten Licht durch eine praktisch senkrecht zum Schwerefeld verlaufende Ebene, sowie von Mitteln zur Vergrößerung der Probe in einer praktisch parallel zum Schwerefeld verlaufenden Ebene zur Lieferung eines vergrößerten Bildes eines ausgewählten Teils der Plüssigkeitsprobe.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsmittel (g) eine Einrichtung zum Abfühlen der Temperatur der Probe und zur Erzeugung eines Signals umfassen, das in Beziehung steht zur Differenz zwischen der Temperatur der Probe und einer Bezugstemperatur, wobei die Kompensationsmittel verantwortlich sind für das Signal und für die Mittel zur Anlegung eines vorbestimmten Spannungsgradienten.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, zusätzlich gekennzeichnet durch Mittel zur sichtbaren Darstellung des Zeta-Potentials der Probe, welche Schaltungen zur Wiedergabe der Temperatur der Probe oder der spezifischen Leitfähigkeit der Probe umfaßt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellmittel (f) ein manuell einstellbares Potentiometer umfassen.

13» Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrophoresezelle eine transparente längliche Kammer mit einem Abschnitt, der von transparenten Penstern bedeckt ist, ferner Mittel, die einen begrenzten optischen Pfad für die Beleuchtung und Betrachtung eines ausgewählten Bezirks dieses Abschnitts bilden, sowie Mittel an jedem Ende der

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-u-

länglichen Kammer zum Durchfluß von Flüssigkeit und einer Elektrode zur Anlegung des Spannungsgradienten aufweist.

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