DE2702275A1

DE2702275A1 - Interferenzoptische messeinrichtung fuer eine zentrifuge

Info

Publication number: DE2702275A1
Application number: DE19772702275
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl Chem Dr Flossdorf; Henning Schillig; Klaus-Peter Dipl Phy Schindler
Original assignee: Helmholtz Zentrum fuer Infektionsforschung HZI GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum fuer Infektionsforschung HZI GmbH
Priority date: 1977-01-20
Filing date: 1977-01-20
Publication date: 1978-07-27
Also published as: US4191469A

Description

PATKNTANWlLT«

1>R. DIETER V. BJiZOI.υ

DIPL. INQ. PETER SCHÜTZ

WPL. JNO. WOLFGANQ IlJiUSLKIt

MARIA-THBHK8IA STHASSB M PMMTVACH ΙΜΟβββ

D-SOUO MUBNCHKN ββ

16. Dezember 1976 99y3-76 Dr.ν.Β/Ε

Gesellschaft für Biotechnologische Forschung mbH

Mascheroder Weg 1 3300 Braunschweig-Stöckheim

Interferenzoptische Meßeinrichtung für eine Zentrifuge

Die vorliegende Erfindung betrifft eine interferenzoptische Meßeinrichtung mit einer Lichtquelle, einem Strahlteiler, zwei TeilStrahlengängen und einem Meßstrahlungsempfänger für eine Zentrifuge mit einem Mehrlochrotor, der Löcher zur Aufnahme je einer Probenzelle oder eines Gegengewichtes aufweist, welche sich bei laufendem Rotor nacheinander durch die Teilstrahlengänge bewegen und bei jeweils einer bestimmten Stellung gleichzeitig von beiden Teilstrahlengängen durchsetzt werden, ferner mit einer Anordnung zum Erzeugen eines Positionssignales, das anzeigt, daß sich ein ausgewähltes Loch in der bestimmten Stellung, bei der es von beiden Teilstrahlengängen durchsetzt wird, befindet, und einer Steueranordnung, die die Meßeinrichtung in der vorgegebenen Stellung des ausgewählten Loches kurzzeitig aktiviert.

809830/0U2

Es sind analytische Ultrazentrifugen mit Mehrlochrotor bekannt, bei denen Konzentrationsänderungen von Proben, die sich in Probenzellen im Mehrlochrotor befinden, bei laufender Zentrifuge mittels einer interferenzoptischen Meßeinrichtung gemessen werden können. Die interferenzoptische Meßeinrichtung enthält zwei in Drehrichtung des Rotors der Zentrifuge hintereinander liegende Teilstrahlengänge, die nacheinander von den Löchern des Rotors (bzw. Beobachtungsfenstern der Probenzellen oder Durchbrüchen eines Gegengewichts) freigegeben werden und bei einer bestimmten Rotorstellung beide gleichzeitig durch je ein Loch verlaufen. In dieser Stellung können die Strahlungsbündel aus den beiden Teilstrahlengängen miteinander interferieren und kann eine Messung durchgeführt werden.

Bei einer bekannten Ultrazentrifuge dieses Typs kann mittelβ eines sogenannten "Multiplexers" eine von mehreren Zellen im Mehrlochrotor ausgewählt und gemessen werden. Hierzu wird in der Ultrazentrifuge, z.B. mittels eine⁸ optischen Codierrings , ein Positionssignal erzeugt, das anzeigt, daß sich das ausgewählte Loch oder ein für Referenzmessungen dienendes, probenfreies Loch, das ein Gegengewicht enthält, im Strahlengang der Meßeinrichtung befindet.

Das Positionssignal hat in der Praxis eine so lange Dauer, daß die interferenzoptische Meßeinrichtung einerseits bereits freigegeben wird, wenn erst der eine Teilstrahlengang von dem ausgewählten Loch freigegeben wird und andererseits erst dann abgeschaltet wird, nachdem schon einer der Teilstrahlengänge wieder vom Rotor unterbrochen wurde. Da da· Verhältnis von Nutzsignal zu Störsignal verschlechtert wird, wenn der Meßstrahlungsempfänger auch Licht von nur einem Teil-

809830/0U2

strahlengang erhält, das alleine keine Interferenz erzeugen kann, ist es ferner bereits bekannt, die interferenzoptische

so

Meßeinrichtung mit gepulster Optik*zu betreiben, daß die Beleuchtung auf diejenige Rotorstellung begrenzt wird, bei der beide Teilstrahlengänge durch das ausgewählte Loch verlaufen (Anal. Biochem. 48 (1972) 588 bis 604; 605 bis 612).

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses Ziel mit geringerem Aufwand als im bekannten Falle und weniger umständlich zu erreichen.

Diese Aufgabe wird durch eine interferenzoptische Meßeinrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die gemäß dt r Erfindung d^duich gekennzeichnet ist, daß die Lichtquelle zwischen den Aktivierungsperioden der Meßeinrichtung kontinuierlich Steuerlicht emittiert; daß mit den Teilstrahlengängen an einer Stelle, die von der Lichtquelle aus gesehen hinter dem Mehrlochrotor liegt, ein Steuerlichtaufnehmer gekoppelt ist, der jeweils einen Ausgangsimpuls liefert, wenn einer oder beide Teilstrahlengänge durch ein Loch des Rotors freigegeben sind; daß der Ausgang des Steuerlichtaufnehmers mit einer zweistufigen Binärzählerschaltung gekoppelt ist, welche durch jeden Ausgangsimpuls einen Zählschritt weiter geschaltet wird, daß die Binärzählerschaltung durch das Positionssignal aktivierbar ist und daß die Binärzählerschaltung mit einer Decodierschaltung gekoppelt ist, die bei einem vorgegebenen Zustand der Binärzählerschaltung die Meßeinrichtung aktiviert.

Vorzugsweise wird die Lichtquelle zwischen den Aktivierungsperioden der Meßeinrichtung so betrieben, daß das kontinuierlich emittierte "Steuerlicht" für eine wesentliche Beeinflussung des Meßstrahlungsempfängers nicht ausreicht, und die Aktivierung erfolgt vorzugsweise durch einfaches Hochtasten der Lichtquelle auf die für die Messung erforderliche Nenn-Lichtintensität.

809830/0142

Durch die interferenzoptische Meßeinrichtung gemäß der Erfindung wird mit einfachsten Mitteln ein hohes Verhältnis von Nutzsignal zu Störsignal erreicht.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine stark vereinfachte Darstellung der wesent lichen Teile einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2a, 2b und 2c Draufsichten auf eine Meßzelle in verschiedenen Stellungen in bezug auf Teilstrahlengänge einer interferenzoptischen Meßeinrichtung und

Fig. 3 graphische Darstellungen von Signalen, wie sie beim Betrieb der Einrichtung gemäß Fig. 1 auftreten.

In Fig. 1 ist schematisch eine Probenzelle 10 dargestellt, bei der es sich um eine sogenannte Doppelsektorzelle handelt. Die Probenzelle befindet sich in einem Loch eines nichtdargestellten Rotors einer Ultrazentrifuge, wie sie z.B. von der Firma Beckman Instruments vertrieben wird. Der Rotor möge in Richtung eines Pfeiles 12 um eine Achse 14 umlaufen. Mit dem Rotor ist ein Codier ring 16 verbunden, von der durch eine optische Abtasteinrichtung mit einer Lichtquelle 18 und einem Strahlungsaufnehmer 20 Codierimpulse abgeleitet werden, die die Stellung des Rotors bezüglich einer Referenzposition anzeigen. Die Codierimpulse werden in einer Multiplexeinheit 22 zu einem Positionssignal auf einer Leitung 24 verarbeitet, welches anzeigt, daß sich ein ausgewähltes Loch, z. B. das Loch mit der Probenzelle 10, im Strahlengang einer interferenzoptischen Meßeinrichtung befinden. Die Nummer des

809830/OU2

ausgewählten Loches läßt sich in bekannter Weise mittels eines Schalters von Hand an der Multiplexeinrichtung 22 einstellen.

Die interferenzoptische Meßeinrichtung enthält eine Lichtquelle 26 in Form eines Lasers, die ein Ausgangsstrahluncjebündel 28 liefert, welches ein Raumfilter^Abeleuchtet. Das " ZlTliegt im Brennpunkt einer Kollimatorlinse 30, die ein paralleles Lichtbündel liefert, welches von unten auf den Rotor fällt. In Fortpflanzung sr ichtung des Lichtbündels vor dem Rotor befindet sich ein Doppelspalt 32 der das parallele Lichtbündel in zwei parallele kohärente Teilbündel zerlegt, die sich längs Teilstrahlengängen 34,36 fortpflanzen. Die Teilstrahlengänge verlaufen so, daß sie bei der Drehung des Rotors von den Spalten des Gegengewichtes bzw. den Sektoren der Doppelsektorzelle 10 freigegeben werden, wie anhand von Fig.2 noch erläutert werden wird. Nachdem die Teilstrahlengänge den Rotor durchsetzt haben, verlaufen sie durch eine Apertur-Blende 38, eine zweite Kondensorlinse 37, eine Kameralinse 39 sowie eine nicht dargestellte Zylinderlinse und erzeugen dann schließlich eine Interferenzfigur an einem nicht dargestellten Strahlungsaufnehmer, bei dem es sich um eine photographische Platte oder einen optisch-elektrischen Wandler handeln kann.

Bei der interferenzoptischen Meßeinrichtung gemäß der Erfindung ist zwischen der Apertur-Blende 38 und dem Strahlungsempfänger noch ein weiterer Strahlteiler 40 (z.B. eine schrägstehende Glas- oder Quarzplatte, ggf. mit schwacher Verspiegelung, angeordnet, der einen vorzugsweise geringen Teil der Teilstrahlung aus den Teilstrahlengängen 34 und 36 auf einen Strahlungsempfänger 42 wirft, bei dem es sich z.B. um eine Halbleiter-Photodiode ggf. mit nachgeschaltetem Verstärker, einem Photovervielfacher und dgl. handeln kann.

Der Ausgang des Strahlungsempfängers 42 ist mit einem Eingang eines zweistufigen Binärzählers 46 verbunden, der aus zwei bistabilen Schaltungsanordnungen 46a und 46b besteht.

809830/0U2

Der Binärzähler 46 ist mit einer Decodierschaltung 44 gekoppelt, welche ein UND-Glied 44a mit zwei Eingängen sowie einen Inverter_44b,enthält. Der Inverter 44b ist zwischen den Eingang des und-GIJedes 44a und deiif

^v Ausgang der die zweite Zählerstufe bildenden bistabilen Schaltungsanordnung 46b geschaltet, an welchem im gesetzten Zustand dieser Stufe das Signal "H" (entsprechend einer binären 1) auftritt. Der zweite Eingang des UND-Gliedes 44a ist mit einem entsprechenden Ausgang der die erste Zählerstufe bildenden bistabilen Schaltungsanordnung 46a verbunden. Der Binärzähler 46 ist so ausgebildet, daß er durch die abfallenden Flanken der Lichtimpulse gesetzt wird, so daß die Decodierschaltung 44 also auf den Zählerzustand LH (entsprechend Dezimal "1") anspricht und dann ein Ausgangssignal auf einer Leitung 48 liefert, das einer Steuereinrichtung 50 für den Laser 26 zugeführt wird und diesen auf die für eine Messung erforderliche Strahlungsleistung auftastet.

Zur Selektion der gewünschten Zelle wird das Positionssignal auf der Leitung 24 durch einen Invertierer 52 invertiert und über eine Leitung 54 den bistabilen Schaltungsanordnungen zugeführt, die so ausgebildet sind, daß sie durch den Wert "H" des intertierten Signales gesperrt und auf Null zurückgesetzt werden.

Die beschriebene Einrichtung arbeitet folgendermaßen: Solange auf der Leitung 48 kein dem Zählerstand LH entsprechendes Signal liegt, liefert die Lichtquelle 26 "Steuerlicht", dessen Intensität klein im Vergleich zur Meßlichtintensität ist und vorzugsweise zwar zur Erzeugung eines Ausgangssignales durch den Strahlungsempfänger 42 ausreicht, den nichtdargesteUten Meßstrahlungsempfänger jedoch nicht nennenswert beeinflußt.

809830/OU2

Es sei ferner angenommen, daß der Rotor sechs Löcher enthält, in denen sich fünf DoppelsektorzeIlen und ein Gegengewicht befinden, und daß die Multiplexeinrichtung auf die Zelle Nr. 2 eingestellt sei.

Wenn die Zelle Nr. 1 durch die Strahlengänge 34, 36 läuft, treten am Ausgang des Strahlungsaufnehmers 42 drei Impulse auf, wie in Fig. 3 (B) dargestellt ist. Die drei Impulse entsprechen den in Fig. 2a, 2b und 2c dargestellten Stellungen der Zelle bezüglich der Teilstrahlen—gänge. Diese Impulse bleiben jedoch unwirksam, da die Multiplexeinrichtung 22 bei der Zelle Nr. 1 ein Ausgangssignal niedrigen Wertes L liefert, das vom Inverter 52 invertiert wird, so daß auf der Leitung 54 ein Signal des Wertes H entsteht, das in Fig. 3(A) dargestellt ist und den Binärzähler 46sperrt. Die beiden bistabilen Schaltungsanordnungen 46a und 46b liefern daher Ausgangssignale mit dem Wert L (Fig. 3C bzw. 3D).

Kurz bevor die Zelle Nr. 2 in die Strahlengänge gelangt, schaltet das Signal auf der Leitung 54 (Fig. 3A) vom Wert H auf den Wert L, so daß der Binärzähler 46 freigegeben wird. Die nächsten drei Impulse (Fig. 3B), die beim Durchgang der Zelle Nr. 2 durch die Strahlengänge vom Strahlungsempfänger 42 erzeugt werden, schalten daher die bistabilen Schaltungsanordnungen 46a und 46b des Binärzählers so um, wie es in Fig. 3C (Ausgang der Schaltungsanordnung 46a) und Fig. 3D (Ausgang der bistabilen Schaltungsanordung 46b) dargestellt ist. Beim Zählerzustand LH, d.h. beim Auftreten der Rückflanke des ersten Impulses vom Strahlungsempfänger spricht die Decodierschaltung 44 an und liefert auf der Leitung 48 ein impulsförmiges Steuersignal (Fig. 3E) für den Laser 26, dessen Strahlungsintensität dadurch auf die für die interferenzoptische Messung erforderliche Nennintensität von 100%

809830/0U2

erhöht wird. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, fällt dadurch die Periode M (Fig. 3F), in der die Laserstrahlung ihre Nennintensität von 100% hat, mit derjenigen Stielung der Zelle Nr. 2 zusammen, in der diese beide Teilstrahlengänge freigibt (siehe Fig. 1 und Fig. 2b), während der Anstieg der Laserstrahlung auf die volle Intensität und der Abfall der Laserstrahlungsintensität nach Beendigung des Laserstrahlungs impulses nicht in die Meßperiode fallen. Es tritt also praktisch kein Störlicht auf und die Messungen zeichnen sich durch einen hohen Störabstand aus.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel läßt sich beispielsweise dadurch abwandeln, daß man andere Zähler- und/oder Koinzidenzschaltungen verwendet und/ oder die Freigabe der Zählerschaltung auf andere Weise, z.B. durch eine zwischen den Strahlungsaufnehmer 42 und den Eingang der Binärzählerschaltung 46 geschaltete Torschaltung, die durch das Signal auf der Leitung 24 aufgetastet wird, verwendet. Ferner kann man auch für die Erzeugung der Meßlichtstrahlung und der Steuerlichtstrahlung verschiedene Lichtquellen verwenden, da für das Steuerlicht keine Kohärenz erforderlich ist. Man kann also zur Erzeugung der Meßstrahlung einen gepulsten Laser und zur Erzeugung des Steuerlichts eine Glühlampe, eine Lumineszenzdiode und dgl. verwenden.

Bei photoelektrischer Erfassung des Meßlichtes eignet sich die vorliegende Einrichtung besonders für eine direkte Datenerfassung durch eine EDV, da bei Steuerung des photoelektrischen Meßstrahlungsaufnehmers (oder einer diesem nachgeschalteten Torschaltung oder einem diesem vorgeschalteten optischen Ventils) durch das Signal auf der Leitung 48 ein von Störanteilen freies Nutzsignal zur Verfügung steht.

809830/OU2

Leerse ite

Claims

Patentansprüche

1. Interferenzoptische Meßeinrichtung mit einer Lichtquelle, einem Strahlteiler, zwei Teilstrahlengängen und einem MeB-strahlungsempfänger für eine Zentrifuge mit einem Mehrlochrotor, der Löcher zur Aufnahme je einer Probenzelle oder eines Gegengewichtes aufweist, welche sich bei laufendem Rotor nacheinander durch die Teilstrahlengänge bewegen und bei jeweils einer bestimmten Stellung einen oder beide Teilstrahlengänge gleichzeitig freigeben, ferner mit einer Anordnung zum Erzeugen eines Positionssignales, das anzeigt, daß sich ein ausgewähltes Loch in der Stellung, bei der es von den Teilstrahlengängen durchsetzt wird, befindet, und einer Steueranordnung, die die Meßeinrichtung in dieser Stellung des ausgewähltenjLoches kurzzeitig aktiviert, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (26) zwischen den Aktivierungsperioden der Meßeinrichtung Steuerlicht emittiert; daß mit den Teilstrahlengängen (34, 36) an einer Stelle, die von der Lichtquelle (26) aus gesehen, hinter dem Mehrlochrotor liegt, ein Steuerlichtufnehmer (42) gekoppelt ist, der jeweils einen Ausgangsimpuls (Fig. 3B) liefert, wenn einer oder beide Teilstrahlengänge durch ein Loch des Rotors freigegeben sind; daß der Ausgang des Steuerlichtaufnehmers (42) mit einer zweistufigen Binärzählerschaltung (46) gekoppelt ist, welche durch jeden Ausgangsimpuls einen Zählschritt weitergeschaltet wird; daß die Binärzählerschaltung in Abhängigkeit vom Positionssignal der Multiplexeinrichtung (22) aktivierbar ist; und daß die Binärzählerschaltung mit einer Decodiererschaltung (44) gekoppelt ist, die bei einem vorgegebenen Zustand der Binärzählerschaltung die Meßeinrichtung aktiviert.

809830/OU2

ORIGINAL INSPECTED

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß in den Teilstrahlengängen (34, 36) hinter dem Rotor ein Strahlteiler (40) angeordnet ist, der einen Teil des Lichtes aus den Teilstrahlengängen zum SteuerStrahlungsaufnehmer (42) reflektiert.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßlicht; aufnehmer ein mit einem Eingabegerät einer EDV gekoppelter optisch-elektrischer Wandler ist.

809830/0U2