DE2712360C2

DE2712360C2 -

Info

Publication number: DE2712360C2
Application number: DE19772712360
Authority: DE
Inventors: Tibor Dr. 4400 Muenster De Zoeld
Original assignee: Becton Dickinson and Co
Current assignee: Becton Dickinson and Co
Priority date: 1977-03-22
Filing date: 1977-03-22
Publication date: 1987-08-06
Also published as: DE2712360A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zählung und Größenbestimmung von in einer Elektrolytflüssig keit suspendierten Teilchen, mit einer kleinen Durchtrittsöffnung in dem Strompfad der Suspension zwischen einem Eingangskanal und einem Ausgangs kanal, wobei die Durchtrittsöffnung einen ersten Teilchen-Beobachtungsort darstellt, mit einer ersten Elektrode in Strömungsrichtung vor der Durchtritts öffnung und einer zweiten Elektrode hinter der Durchtrittsöffnung, und mit einem weiteren Teilchen- Beobachtungsort, wobei die während des Durchtritts von Teilchen durch die Durchtrittsöffnung erfolgen de Widerstandsänderung zwischen den Elektroden re gistriert und ausgewertet wird, und wobei hinter der Durchtrittsöffnung Elektrolytflüssigkeit zuge führt wird.

Aus der US-PS 37 10 933 ist eine derartige Vorrich tung bekannt, bei der die aus einer Kapillare aus tretende Suspension durch eine laminare Fluidströ mung fokussiert wird und als sehr dünner Suspensions strahl durch die Durchtrittsöffnung hindurchtritt. Die Durchtrittsöffnung stellt einen ersten Teilchen- Beobachtungsort dar, an dem die Widerstandsänderung, welche beim Durchtreten eines Teilchens durch die Durchtrittsöffnung erfolgt, zwischen den Elektroden registriert und zur Zählung und Größenbestimmung des betreffenden Teilchens ausgewertet wird. Der Sus pensionsstrahl verläßt die Durchtrittsöffnung als ein freier Strahl in einem Ausgangskanal, dessen Innenwand zum Suspensionsstrahl einen großen Ab stand besitzt. Die Teilchen werden dann in dem freien Suspensionsstrahl im Ausgangskanal - an einem zweiten Teilchen-Beobachtungsort - mittels eines fluoreszieren den Lichtstrahls analysiert. Anschließend wird der freie Suspensionsstrahl mittels eines piezoelektri schen Resonators in sehr kleine Tröpfchen aufgebrochen, und die an der Durchtrittsöffnung erzeugten, einzelnen Teilchen zugeordneten Signale werden verwendet, um den Tröpfchen, welche einzelne Teilchen enthalten, elektrostatisch eine ihrer Größe entsprechende Be wegungsbahn zu verleihen, wodurch die Teilchen sortiert werden. Diese bekannte Vorrichtung stellt ein System mit freiem Suspensionsstrahl dar, welches nach der Durchtrittsöffnung mechanisch hochpräzise gearbeitet und justiert sein muß, damit der freie Suspensions strahl ungestört strömen kann und die Teilchen in der jenigen Reihenfolge behält, in welcher diese durch die Durchtrittsöffnung hindurchtreten. Da diese For derung nur schwer zu verwirklichen ist, muß der zweite Teilchen-Beobachtungsort nahe bei der Durch trittsöffnung liegen, weswegen sich diese bekannte Vorrichtung nicht für alle wünschenswerten weiteren Teilchenanalysen einsetzen läßt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß die einzelnen Teilchen auch in größerem Abstand von der Durchtrittsöffnung für weitere Untersuchungen in der Reihenfolge zur Verfügung stehen, in welcher sie die Durchtrittsöffnung verlassen.

Diese Aufgabe wird bei der Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der an die Durchtrittsöffnung anschließende Ausgangs kanal bis zu dem weiteren Teilchen-Beobachtungsort einen Querschnitt besitzt, der in der Größenord nung der Durchtrittsöffnung liegt, und daß in Strömungsrichtung hinter der Durchtrittsöffnung mindestens ein Seitenkanal trichterförmig verengend in den Ausgangskanal mündet, der von einem Gefäß abzweigt, das Elektrolytflüssigkeit enthält.

Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß sich die Teilchen nach dem Durchtritt durch die Durchtrittsöffnung in einem engen Ausgangskanal weiterbewegen, dessen Querschnitt in der Größenord nung der Durchtrittsöffnung liegt. Die Teilchen stehen daher auch am Ende des Ausgangskanals in der Reihenfolge zur weiteren Untersuchung zur Verfügung, in welcher sie die Durchtrittsöffnung durchlaufen, und lassen sich am Ende des Ausgangskanals mittels weiterer Analyseeinrichtungen untersuchen. Dank ihrer geschlossenen Bauweise ist die Vorrichtung robust und läßt sich als integraler Bestandteil an die Analyseeinrichtungen ankoppeln, wodurch diese weiteren Analyseeinrichtungen, z. B. ein aus der DE-PS 19 19 628 bekanntes Durchfluß-Fotometer, Information über die Nukleinsäuren und/oder die Proteine der zuvor größen bestimmten Teilchen liefern. Die in Strömungsrichtung hinter der Durchtrittsöffnung durch den Seitenkanal in den Ausgangskanal laminar einströmende Elektrolyt flüssigkeit stellt dabei sicher, daß die Ordnung der Teilchen beim Verlassen der Durchtrittsöffnung und dem gleichzeitigen Einströmen in den Ausgangskanal nicht gestört wird.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Eingangskanal zur hydrodynami schen Fokussierung der Teilchen-Suspension koaxial innerhalb eines von Elektrolytflüssigkeit durchström ten Hüllkanals angeordnet und endet in geringem Ab stand vor der Durchtrittsöffnung in Form einer Düse. Die aus dieser Düse austretende Suspension wird durch den Hüllstrom aus Elektrolytflüssigkeit zur Durch trittsöffnung hin beschleunigt und dadurch zu einem fokussierten, dünnen Suspensionsstrahl geformt, der laminar durch die Durchtrittsöffnung hindurchtritt. Diese hydrodynamische Fokussierung der Suspension be wirkt eine genauere Ausrichtung der Teilchenbahnen im Zentrum des durch die Durchtrittsöffnung hindurch tretenden Suspensionsstrahls, so daß die Teilchen längs des relativ homogenen elektrischen Feldes in der Mitte der Durchtrittsöffnung transportiert werden. Die an den Elektroden erzeugte Impulsgröße entspricht dann besser der Teilchengröße als dies ohne hydro dynamische Fokussierung der Fall ist.

Bevorzugt ist die erste Elektrode, die vor der Durch trittsöffnung angeordnet ist, in ein Gefäß einge taucht, welches den Hüllkanal mit Elektrolytflüssig keit speist. Die zweite Elektrode ist bevorzugt in dasjenige Gefäß eingetaucht, welches durch den Sei tenkanal Elektrolytflüssigkeit in den Ausgangskanal einspeist. Die erste und die zweite Elektrode liegen bei dieser Ausführungsform der Erfindung außerhalb des unmittelbaren Strömungspfades der Suspension in Gefäßen, aus denen das durch Elektrolyse des Elek trolyten an der Elektrodenoberfläche erzeugte Gas relativ frei entweichen kann, ohne daß aufsteigende Gasblasen die strömende Suspension und damit die Widerstandsmessung zwischen den beiden Elektroden merklich beeinflussen. Werden darüber hinaus die Elektrodenflächen ausreichend groß gewählt, so läßt sich der durch die Gaserzeugung bedingte Rauschpegel, welcher die Messung der Widerstandsänderung an der Durchtrittsöffnung überlagert, auf einen vernachläs sigbaren Wert reduzieren.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfin dung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausfüh rungsform der Vorrichtung;

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung mit hydrodynamischer Fokussierung; und

Fig. 3 den zwischen erster und zweiter Elektrode gemesse nen Widerstand als Funktion des zwischen den Elektroden fließenden Stromes.

In Fig. 1 ist eine erste, asymmetrische Ausführungsform einer Vorrichtung dargestellt, die zur Zählung und Größenbestimmung von in einer Elektrolyt flüssigkeit suspendierten Teilchen dient. Ein erstes Gefäß 7 enthält eine Suspension 9 aus einer Elektrolytflüssigkeit und suspendierten Teil chen. Die Suspension 9 strömt durch einen Eingangskanal 3, der in die Suspension 9 eingetaucht ist und sich am stromabseitigen Ende trichterförmig in eine Durchtrittsöffnung 1 verjüngt. An die Durchtrittsöffnung 1 schließt sich der relativ enge Aus gangskanal 2 an, durch den die Suspension zur weiteren Untersu chung weiteren Meßeinrichtungen zuführbar ist. In Strömungsrich tung unmittelbar hinter der Durchtrittsöffnung mündet ein Sei tenkanal 4 trichterförmig verjüngt in den Ausgangskanal 2. Der Seitenkanal 4 befindet sich mit dem vom Ausgangskanal 2 abgewandten Ende in einer reinen Elektrolytflüssigkeit 10, die sich in einem zweiten Gefäß 8 befindet. In vorgegebenem Abstand vor dem Eingangskanal 3 liegt im ersten Gefäß 7 eine erste Platinelek trode 5, während sich eine zweite Platinelektrode 6 in vorge gebenem Abstand vor dem dem Ausgangskanal 2 abgewandten Ende des Seitenkanals 4 befindet. Die Suspension 9 strömt durch den aus Eingangskanal 3, Durchtrittsöffnung 1 und Ausgangskanal 2 gebilde ten Strompfad, dem ein bestimmtes Druckgefälle von außen zur Verwirklichung der Strömung eingeprägt wird. Vom zweiten Ge fäß 8 strömt durch den Seitenkanal 4 unmittelbar hinter der Durchtrittsöffnung 1 reine Elektrolytflüssigkeit in den Aus gangskanal 2. Eingangskanal 3 und Seitenkanal 4 besitzen gegen über der Durchtrittsöffnung 1 und dem Ausgangskanal 2 einen re lativ großen Querschnitt. Die Fläche der Durchtrittsöffnung 1 und ebenso die Fläche des Querschnitts des Ausgangskanals 2 liegt et wa in der Größenordnung von 100 µ². Die Fläche der als Platin elektroden ausgebildeten Elektroden 5 und 6 liegt in der Grö ßenordnung von 1 cm². Strömt ein in der Suspension 9 enthaltenes Teilchen durch die Durchtrittsöffnung 1, so verän dert sich bei dem Durchtritt dieses Teilchens aufgrund des unter schiedlichen spezifischen Widerstandes des Teilchens und der Elektrolytflüssigkeit der zwischen den Elektroden 5 und 6 gemessene Widerstand R _c. Diese Widerstandsänderung wird als Strom- und/oder Spannungsimpuls zwischen den Elektroden 5 und 6 registriert und in gewünschter Weise weiter verarbeitet, wobei aus der Größe des Impulses auf die Teilchengröße geschlossen werden kann.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dar gestellt, die symmetrisch angeordnete Seitenkanäle 4′, 4′′ und eine hydrodynamische Fokussierung des Suspensionsstrahls enthält. Bei dieser Ausfüh rungsform ist die zweite Elektrode in mehrere Teilelektroden 6′, 6′′ unterteilt, die in Gefäßen 8′, 8′′ in Elektrolytflüs sigkeit 10 getaucht sind. Die Elektrolytflüssigkeit 10′, 10′′ wird durch mehrere Seitenkanäle 4′, 4′′ , die von den die Teilelektroden 6′, 6′′ enthaltenden Gefäßen 8′, 8′′ ausgehen und unmittelbar hinter der Durchtrittsöffnung 1 in den Ausgangskanal 2 münden, in den Aus gangskanal 2, bevorzugt symmetrisch am Umfang des Ausgangskanals 2 verteilt, eingeführt. Der Eingangskanal 3 tritt in gewissem Abstand vor der Durchtrittsöffnung 1 durch einen Hüllkanal 12 seitlich hindurch und wird anschließend koaxial in den von Elektrolytflüssigkeit 10 durchströmten Hüllkanal 12 bis kurz vor die Durchtrittsöffnung 1 geführt. Durch eine Düse an dem der Durchtrittsöffnung 1 benachbarten Ende des Eingangskanals 3 strömt die Suspension in einem fokussiertem Strahl mittig in die Durchtrittsöffnung 1 ein. Die erste Elektrode 5 befindet sich in einem mit reiner Elektrolytflüssigkeit gefüllten Gefäß 13 , in welches das stromaufwärtige Ende des Hüllkanals 12 einge taucht ist. Durch die hydrodynamische Fokussierung des Suspen sionsstrahles und durch die symmetrische Einströmung von Elek trolyflüssigkeit unmittelbar hinter der Durchtrittsöffnung 1 wird bewirkt, daß die zu messenden Teilchen im wesentlichen im Zentrum, d. h. im Bereich des relativ homogenen elektrischen Feldes durch die Durchtrittsöffnung 1 hindurchtreten, so daß die zwischen der ersten Elektrode 5 und dem gemeinsamen An schlußpunkt der zweiten Teilelektrode 6′, 6′′ gemessenen Strom- und/oder Spannungimpulse der jeweiligen Größe des durchtre tenden Teilchens genauer entsprechen.

In Fig. 2 können die Gefäße 8′, 8′′ die Teilelektroden 6′, 6′′ und die Seitenkanäle 4′, 4′′ durch ein Gefäß 8 und/oder eine Elektrode 6 und/oder einem Seitenkanal 4 ersetzt werden, der dem Ausgangskanal 2 die Elektrolytflüssigkeit laminar zuführt.

In Fig. 3 ist der Verlauf des zwischen der ersten und der zwei ten Elektrode 5, 6 gemessenen Widerstands R _c als Funktion des Stroms I _c dargestellt, der zwischen den beiden Elektroden 5 und 6 fließt, wobei die Gesamtfäche jeder Elektrode 5, 6 zwischen 2 cm² und 3 cm² liegt. Aus dem bei kleinen Stromwerten stark ansteigenden Widerstandsverlauf läßt sich der Einfluß des Polarisationspotentials an der Zwischenschicht zwischen Elektrode und Elektrolytflüssigkeit erkennen. Durch diese starke Erhöhung des effektiven elektrischen Widerstands zwischen den Elektroden bei relativ kleinen Strömen wird die relative Widerstands änderung, die beim Durchtritt der Teilchen durch die Durch trittsöffnung 1 hervorgerufen wird, relativ klein, die Vorrichtung wird bei einem derartigen Arbeitspunkt daher relativ unempfind lich. Um die Vorrichtung bei möglichst großer Empfindlichkeit zu be treiben, ist daher bei einer Elektrodenfläche von etwa 1 cm² ein Strom in der Größenordnung zwischen 0,1 und einigen Milliampere erforderlich.

Claims

1. Vorrichtung zur Zählung und Größenbestimmung von in einer Elektrolytflüssigkeit suspendierten Teilchen, mit einer kleinen Durchtrittsöffnung in dem Strompfad der Suspension zwischen einem Eingangs kanal und einem Ausgangskanal, wobei die Durchtritts öffnung einen ersten Teilchen-Beobachtungsort dar stellt, mit einer ersten Elektrode in Strömungsrich tung vor der Durchtrittsöffnung und einer zweiten Elektrode hinter der Durchtrittsöffnung, und mit einem weiteren Teilchen-Beobachtungsort, wobei die während des Durchtritts von Teilchen durch die Durchtrittsöff nung erfolgende Widerstandsänderung zwischen den Elektroden registriert und ausgewertet wird, und wo bei hinter der Durchtrittsöffnung Elektrolytflüssigkeit zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der an die Durchtritts öffnung (1) anschließende Ausgangskanal (2) bis zu dem weiteren Teilchen-Beobachtungsort einen Querschnitt besitzt, der in der Größenordnung der Durchtrittsöff nung (1) liegt, und daß in Strömungsrichtung hinter der Durchtrittsöffnung (1) mindestens ein Seitenkanal (4, 4′, 4′′) trichterförmig verengend in den Ausgangs kanal (2) mündet, der von einem Gefäß (8, 8′, 8′′) abzweigt, das Elektrolytflüssigkeit enthält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Eingangskanal (3) zur hydro dynamischen Fokussierung der Teilchen-Suspension koaxial innerhalb eines von Elektrolytflüssigkeit durchströmten Hüllkanals (12) verläuft und in ge ringem Abstand vor der Durchtrittsöffnung (1) in Form einer Düse endet, die einen fokussierten Sus pensionsstrahl durch die Durchtrittsöffnung (1) abgibt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die erste Elektrode (5) in einem weiteren, mit Elektrolytflüssigkeit gefüllten Ge fäß (13) angeordnet ist, von dem der Hüllkanal (12) ausgeht.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (6) in dasjenige Gefäß (8) eintaucht, das durch den Seitenkanal (4) Elektrolytflüssig keit in den Ausgangskanal (2) einspeist.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (6) in mehrere Teilelektroden (6′, 6′′) unterteilt ist, die in mehrere Gefäße (8′, 8′′) eingetaucht sind, welche über je einen Seitenkanal (4′, 4′′) Elektrolytflüssigkeit in den Ausgangs kanal (2) einspeisen.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Quer schnitt des Ausgangskanals (2) kleiner oder gleich (200 × 200) µ² beträgt.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangs kanal (2) in mehrere Zweigkanäle unterteilbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangs kanal (3), der Ausgangskanal (2), die Seitenkanäle (4; 4′, 4′′) und/oder der Hüllkanal (12) einstückig aus nichtleitendem Material oder aus mit nicht leitendem Material beschichtetem Metall ausgebildet sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (5, 6; 5, 6′, 6′′) Platin enthalten und eine Fläche in der Größenordnung von 1 cm² besitzen.