DE2726069A1

DE2726069A1 - Photoanalysegeraet fuer in einem fluidstrom enthaltene teilchen

Info

Publication number: DE2726069A1
Application number: DE19772726069
Authority: DE
Inventors: Mack J Fulwyler
Original assignee: Coulter Electronics Inc
Current assignee: Coulter Electronics Inc
Priority date: 1976-06-10
Filing date: 1977-06-08
Publication date: 1977-12-22
Also published as: US4095898A

Description

Patentanwälte DIpI. Ing. K. Gchieschke

8 München Λΰ, r.lisyb.-thstraiie 34 Il

COULTERELECTRONICS INC., HIALEAH, FLORIDA/USA

Photoanalysegerät für in einem Fluidstrom enthaltene Teilchen

Die Erfindung betrifft ein Photoanalysegerät zur Ermittlung der Eigenschaften kleiner Teilchen, beispielsweise von Blutkörperchen.

Die Eigenschaften von Gruppen kleiner Teilchen müssen oft exakt bestimmt werden. Besonders oft sind solche Analysen für medizinische Diagnosen und Untersuchungen durchzuführen, beispielsweise bei der Analyse von Blutkörperchen oder anderen biologischen Zellen.

Zur Analyse von Gruppen kleiner Teilchen, beispielsweise von

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Blutkörperchen, wurden bereits verschiedene Systeme entwickelt. Bei einem der Systeme erfolgt die Analyse auf optischem Wege, indem die Teilchen, beispielsweise Blutkörperchen, in einem sehr dünnen Flüssigkeitsstrom mitgenommen werden, der dann eine optische Abtaststation passiert. Ein photooptisches Erfassungsgerät erfasst die optische Reaktion jedes Teilchens bei Beleuchtung mit einem Lichtstrahl.

Bei diesen Photoanalysesystemen hat es sich gezeigt, dass die Lichtstreuung und Fluoreszenzerscheinungen der Teilchen, die in dem Strom durch die optische Abtaststation gehen, von verschiedenen Eigenschaften der Teilchen abhängt, etwa der Teilchengrösse, dem Brechungsindex, der Färbung der Teilchen und ihrer Zusammensetzung. Ferner hat sich herausgestellt, dass das durch den Flüssigkeitsstrom gehende Licht ein Lichtmuster bildet, das verschieden ist, je nachdem, ob dieser Strom Teilchen führt oder nicht und das ausserdem von der Art und der unterschiedlichen Grosse der Teilchen abhängt. Ferner erzeugt der dünne Flüssigkeitsstrom an den verschiedenen Grenzflächen, etwa von Luft und Wasser oder Glas und Wasser, Lichtreflektionen. Die Reflektionen, das Lichtmuster, sowie der Lichtstrahl gehen zusammen zu einem Photodetektor, der die aufgenommenen Lichtsignale in elekrische Signale umsetzt, die zur Ermittlung eines Teilchens und seiner Eigenschaften analysiert werden.

Die am Photodetektor erzeugten Lichtreflektionen und das Lichtmuster können eine sehr hohe Intensität erreichen, wenn kein Teilchen durch den Lichtstrahl tritt. Licht von so hoher Intensität bewirkt in den vom Photodetektor gelieferten elektrischen Signalen ein starkes Rauschen. Zur Beseitigung des

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Rauschens kann die Empfindlichkeit des Photodetektors verringert werden.

Die beim Durchgang eines Teilchens durch den Lichtstrahl auftretende Reflektions- und Musteränderung am Detektor kann relativ klein sein, so dass die resultierende Änderung des elektrischen Ausgangssignales am Photodetektor ebenfalls klein ist. Infolge des hohen Rauschpegels durch die Grundhelligkeit bzw. Hintergrundbeleuchtung kann bei reduzierter Empfindlichkeit des Photodetektors die exakte Erfassung und Identifizierung verschiedener Teilcheneigenschaften schwierig werden. Aus diesem Grunde sollten die zum Photodetektor gelangenden Lichtmuster und Lichtreflektionen, wenn sich keine Teilchen in dem den Lichtstrahl kreuzenden Flüssigkeitsstrom befinden, möglichst klein sein oder ganz beseitigt werden. Die genannte Grundhelligkeit ist also soweit als möglich auszuschalten.

Zur Vermeidung der Nachteile der bekannten Systeme arbeitet das erfindungsgemässe Teilchenanalysesystem mit einem Filter für die Grundhelligkeit bzw. den Lichthintergrund, wobei das Filter zwischen dem Fluid- oder Flüssigkeitsstrom und dem Photodetektor angeordnet ist. Abhängig von Lichtreflektionen und Lichtmustern steigt die optische Dichte des Filters allmählich an den Punkten an, an denen es vom Lichtmuster getroffen wird, wodurch das durch das Filter zum Photodetektor gelangende Muster abgeschwächt wird. Auf plötzliche Änderungen des erzeugten Lichtmusters, beispielsweise beim Durchgang eines Teilchens im Fluidstrom durch den Lichtstrahl, spricht das Filter praktisch nicht an, so dass die von diesem Teilchendurchgang herrührenden Lichtschwankungen das Filter

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passieren und zu dem Photodetektor gelangen, wo sie die Erfassung und Analyse der Teilchen gestatten.

Eine erste Realisierung der Erfindung ist gekennzeichnet durch ein zwischen Photodetektor und Fluidstrom angeordnetes Grundhelligkeitsfilter, dessen optische Dichte an den vom Licht getroffenen Stellen mit der Helligkeit des auftreffenden Lichtmusters langsam derart zunimmt, dass das durch das Filter gehende Licht abgeschwächt wird, während schnelle Änderungen des Lichtmusters keinen Einfluss auf das Filter haben.

Eine zweite Realisierung der Erfindung bezieht sich auf ein Teilchenanalysesystem mit Vorrichtungen zur Bildung eines Flüssigkeitsstromes, der die zu erfassenden Teilchen enthält, mit Vorrichtungen, die einen Lichtstrahl an einer ersten Stelle durch den Flüssigkeitsstrom leiten, wobei der durch den Flüssigkeitsstrom gehende Lichtstrahl Lichtreflektionen und ein Lichtmuster erzeugt, wobei das Lichtmuster, die Lichtreflektionen und der Lichtstrahl, die durch den Flüssigkeitsstrom gehen, sich abhängig vom Durchgang eines Teilchens an dieser ersten Stelle schnell und für eine kurze Zeitspanne ändern, mit einem mit dem Lichtstrahl ausgerichteten Lichtfilter, das den durch den Flüssigkeitsstrom gehenden Lichtstrahl mit seinem Lichtmuster und seinen Reflektionen aufnimmt, mit einem Photodetektor, der abhängig von dem durch das Filter gehenden Lichtstrahl, Lichtmuster und Lichtreflektionen Signale erzeugt, die sich abhängig von Schwankungen der Lichtreflektionen, des Lichtmusters und des Lichtstrahles ändern und mit einer an den Photodetektor angeschlossenen Einrichtung, die abhängig von diesen Signaländerungen die Teilchen erfasst. Diese Realisierung ist gekennzeichnet durch die Ausführung des Filters als

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Grundhelligkeitsfilter, dessen optische Dichte an den vom Lichtmuster, dem Lichtstrahl und den Lichtreflektionen getroffenen Stellen langsam zunimmt, so dass dieses Lichtmuster, der Lichtstrahl und die Lichtreflektionen beim Durchgang durch das Filter abgeschwächt werden, wobei das Filter auf schnelle, kurzzeitige Veränderungen von Lichtmuster, Lichtreflektionen und Lichtstrahl praktisch nicht anspricht, so dass diese Änderungen das Filter praktisch ungeschwächt passieren.

Zur ausführlicheren Erläuterung der Erfindung wird auf die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele Bezug genommen. Darin zeigt:

Fig. 1 eine vereinfachte perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 2 einen Teilschnitt durch eine andere Ausführungsform der Erfindung.

Das in Fig. 1 gezeigte Photoanalysesystem enthält einen Behälter 10 für ein Fluid mit dem zu analysierenden, teilchenförmigen Stoff. Der Behälter 10 soll ausserdem mit allen erforderlichen Druck- und Regelvorrichtungen versehen sein, damit das Fluid aus dem Behälter 10 mit einer vorgegebenen Strömungsgeschwindigkeit kontinuierlich austritt.

Das Fluid aus dem Behälter 10 fliesst aus der Aussenmündung 12 als flüssige Säule nach unten. Eine Lichtquelle 18, vorzugsweise ein Laser, liefert einen Laserstrahl 20, der die Flüssigkeitssäule 1.4 an einer ersten Stelle 22 schneidet.

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Bei der Anordnung nach Fig. 2 tritt das Fluid mit den Teilchen aus dem Behälter 10 durch eine innere Düse 24 aus und gelangt in eine Mantelflüssigkeit ohne Teilchen in einer äusseren Düse 26. Einzelheiten einer solchen Anordnung zeigt die US-Patentschrift 3 710 933. Bei der erwähnten Anordnung gelangt das Fluid mit den Teilchen in die Mitte der strömenden Mantelflüssigkeit. In Fig. 2 passiert die Flüssigkeitsströmung eine optische Kammer 28, die aus einem gut lichtdurchlässigen Material besteht, beispielsweise Glas oder Plastik.

In der Ausführungsform nach Fig. 2 durchdringt der Laserstrahl 20 des Lasers 18 die optische Kammer 28 und das darin enthaltene Fluid. Der Lichtstrahl 20 durchdringt auch die Flüssigkeitssäule 14 in Fig. 1. Die Grenzfläche zwischen Glas und Luft in der Ausführungsform nach Fig. 2 erzeugt an der Aussenseite der optischen Kammer 28 Lichtreflektionen, die durch einen Lichtstrahl 30 dargestellt sind. Ebenso bewirkt die Grenzfläche zwischen dem Fluidstrom und der Wand der optischen Kammer 28 einen reflektierten Lichtstrahl 32. Durch Turbulenzen im Fluidstrom kommt es ebenfalls zu Reflektionen, von denen ein Strahl 34 gezeigt ist. Neben den erwähnten, reflektierten Lichtstrahlen kann der durch den Fluidstrom selbst tretende Strahl 20 ein bestimmtes Lichtmuster erzeugen. Die angegebenen reflektierten Lichtstrahlen, das Lichtmuster, das durch den Durchgang des Lichtstrahles 20 durch die optische Kammer 28 entsteht, wie auch der Lichtstrahl 20 selbst, gehen zu einem Grundhelligkeitsfilter 40. In Fig. 1 liefern die Grenzfläche zwischen Luft und Wasser und die Fluidturbulenzen Reflektionen, die zusammen mit dem Lichtmuster zum Filter 40 gehen.

Die Anordnung nach Fig. 2 besitzt eine variable Lichtabschwächung,

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wobei die Lichtabschwächung des optischen Filters 40, wenn ein Lichtstrahl oder ein Lichtmuster auf das Filter auftrifft, langsam ansteigt, d.h. die Lichtdurchlässigkeit geht langsam zurück. Abschwächungszunahme und Durchlässigkeitsverringerung erfolgen lediglich an den bestimmten Stellen des Filters 40, an denen der Strahl bzw. das Lichtmuster auftrifft. In Fig. 2 erfolgt somit die Lichtabschwächung des Filters 40 lediglich an den Punkten, an denen die Lichtstrahlen 30, 32 und 34 auf das Filter treffen. Auch das Lichtmuster, das durch das Schneiden von Flüssigkeitsstrom und Lichtstrahl 20 entsteht, bewirkt eine Abschwächung des Filters 40 lediglich an der Stelle, an der das Master auf das Filter trifft, was aber in Fig. 2 nicht detailliert gezeigt ist. Der Grad der vom Filter an diesen Stellen bewirkten Abschwächung hängt von Länge und Intensität des auf das Filter treffenden Lichtes und vom Filtermaterial ab. Mindestens in der Zeit, in der kein Teilchen durch den Lichtstrahl tritt, erhält somit der Photodetektor 42 praktisch kein Licht. Da nur sehr wenig oder überhaupt kein Licht am Photodetektor 42 ankommt, kann dessen Verstärkung auf maximalen Pegel eingestellt werden, ohne Rücksicht auf das hohe Umgebungsrauschen, das auftritt, wenn starkes Umgebungslicht auf den Detektor 42 trifft.

Im Ausführungsbeispiel ist ein photochromatisches Filter 40 verwendet, das ähnlich reagiert wie die Emulsion verschiedener photografischer Filme mit Silberhalogenen, wenn diese von Licht getroffen wird. Dabei ist jedoch nach dem Entwickeln das geschwärzte Bild permanent fixiert, während das photochromatische Filter gemäss der Erfindung die vollständige Umkehrung des Schwärzungs- und AbschwächungsVorganges erlaubt, abhängig von der Menge und Intensität des vorhandenen Lichtes.

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Als Grundhelligkeitsfilter 40 wird vorzugsweise ein photochromatisches Glas verwendet, wie es von den Corning Glass Works of Corning, New York/USA unter den Bezeichnungen "Photogray" oder "Sungray" auf den Markt gebracht wird.

Wenn beispielsweise das Teilchen 46 in Fig. 2 den Lichtstrahl 20 passiert, so wird ein Lichtmuster erzeugt, das sich von dem Lichtmuster unterscheidet, das ohne Teilchen entsteht. Dieses Lichtmuster ist nur während einer sehr kurzen Zeitspanne vorhanden, in der das Teilchen 46 durch den Strahl 20 geht. Das Lichtmuster gelangt zum Filter 40, dessen Lichtdurchlässigkeit, abhängig vom aufgenommenen Licht, schwächer wird bzw. dessen Lichtabschwächung zunimmt, so dass bei einer schnellen und kurzzeitigen Änderung des aufgenommenen Lichtes die bereits vorhandene Abschwächungscharakteristik des Filters 40 nicht geändert wird. Das beim Durchgang des Teilchens 46 entstehende Lichtmuster kann deshalb das Filter 40 praktisch ungeschwächt passieren. In Fig. 2 geht das Lichtmuster zu einer Sammellinse 48, die die Strahlen des Lichtmusters auf den Photodetektor 42 bündelt. In Fig. 1 gehen die vom Filter 40 durchgelassenen Lichtstrahlen direkt zum Photodetektor 42. Der Photodetektor liefert abhängig vom aufgenommenen Lichtmuster elektrische Signale zu einem Detektor bzw. einer Erfassungsschaltung 50. Infolge der grossen Empfindlichkeit des Photodetektors 42 kann gemäss der Erfindung ein beträchtlich grösserer Teil des vom Detektor 42 aufgenommenen Lichtmusters in elektrische Signale umgewandelt und auf den Detektor 50 gegeben werden. Man erhält so eine zusätzliche Information, die zur Ermittlung weiterer Eigenschaften der Teilchen verwendet werden kann, die bisher infolge der hohen Grundhelligkeit bzw. des Hintergrundlichtes der Umgebung nicht erfassbar waren.

Patentanwa Dipl. Ing.

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Claims

Patentanwälte
Dip!. Inn E F-.dW
Dip!, inj. i(. Gcinosciike 272606

COULTER ELECTRONICS INC., HIALEAH, FLORIDA/USA

Photoanalysegerät für in einem Fluidstrom enthaltene Teilchen

PATENTANSPRÜCHE

Photoanalysesystem für in einem Fluidstrom enthaltene Teilchen, wobei aus dem durch den Fluidstrom gehenden Licht und seinen Reflektionen ein von einem Photodetektor erfasstes Lichtmuster entsteht, gekennzeichnet durch ein zwischen Photodetektor (42) und Fluidstrom (14) angeordnetes Grundhelligkeitsfilter (40), dessen optische Dichte an den vom Licht getroffenen Stellen mit der Helligkeit des auftreffenden Lichtmusters langsam derart zunimmt, dass das durch das Filter gehende Licht abgeschwächt wird, während schnelle Änderungen des Lichtmusters keinen Einfluss auf das Filter haben.
2. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein photochromatisches Filter (40) zur Abschwächung des Lichtes.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Filter (40) mit einem photochromatischen Glas.

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ORIGINAL INSPECTED
4. Photoanalysesystem mit einer Vorrichtung zur Bildung eines Fluid- oder Flüssigkeitsstromes, der Teilchen enthält, mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Lichtstrahles, der an einer ersten Stelle durch den Fluidstrom geleitet wird, wobei der Lichtstrahl beim Durchgang durch den Fluidstrom Lichtreflektionen und ein Lichtmuster erzeugt, die sich beim Durchgang eines Teilchens an der ersten Stelle schnell und vorübergehend ändern, mit einem mit dem Lichtstrahl ausgerichteten Lichtfilter, das den durch den Fluidstrom gehenden Lichtstrahl, seine Reflektionen und das Lichtmuster aufnimmt, mit einem Photodetektor zur Aufnahme des durch das Filter gehenden Lichtstrahles, der Lichtreflektionen und des Lichtmusters, wobei der Photodetektor Signale liefert, die von den Änderungen der Lichtreflektionen, des Lichtmusters und des Lichtstrahles abhängig sind, und mit einer an den Photodetektor angeschlossenen Erfassungseinrichtung, die die Teilchen abhängig von den Signaländerungen erfasst, gekennzeichnet durch ein Grundhelligkeitsfilter (40) dessen optische Dichte an den vom Lichtstrahl, den Lichtreflektionen oder vom Lichtmuster getroffenen Stellen langsam zunimmt, so dass das Lichtmuster, der Lichtstrahl und die Lichtreflektionen beim Durchgang durch das Filter abgeschwächt werden, wobei das Filter auf schnelle kurzzeitige Änderungen des Lichtmusters, der Lichtreflektionen und des Lichtstrahles praktisch nicht anspricht, so dass diese im wesentlichen ungeändert passieren.
5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundhelligkeitsfilter (40) die Intensität des Lichtstrahles, des Lichtmusters und des reflektierten

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Lichtes abschwächt, so dass sich die Photodetektorsignale abhängig von der Stärke des aufgenommenen Lichtstrahles, des Lichtmusters und der Lichtreflektionen ändern.
6. System nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der die Teilchen (46) enthaltende Fluidstrom (14) eine Fluid- oder Flüssigkeitssäule in Luft bildet.
7. System nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidstrom (14) mit den darin enthaltenen Teilchen eine optische Kammer (28) passiert.
8. System nach den Ansprüchen 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet , dass zur Abschwächung des Lichtes ein photochromatisches Filter (40) dient.

Dipl.-1; Dipl. livj. 8 Mür.c;-.en ^

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