DE2745437C3

DE2745437C3 - Vorrichtung zur Messung des Druckes in einem sehr kleinen Volumen

Info

Publication number: DE2745437C3
Application number: DE2745437A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Phys. 5170 Juelich Huesken; Ernst Dr. 5100 Aachen Steudle; Ulrich Prof. Dr. 5170 Juelich Zimmermann
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1977-10-08
Filing date: 1977-10-08
Publication date: 1980-07-10
Also published as: AU4050778A; DE2745437B2; US4214487A; GB2005426B; AU519965B2; CH634146A5; FR2405477A1; JPS5461974A; FR2405477B1; GB2005426A; JPS617247B2; DE2745437A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung des Druckes in einem sehr kleinen Volumen, wie einer biologischen Zelle oder einem Kapillargcfäß, die einen mit einer Mikrokapillare in Verbindung stehenden, druckdicht abgeschlossenen und mil einem nahezu inkompressiblen Medium, wie Silikonöl oder dergleichen, gefüllten Raum aufweist, an den zur Messung des Druckes im Raum eine Einrichtung zur Umwandlung des Druckes in elektrische Größen angeschlossen ist und in den ein zur leilweisen Verdrängung des Mediums vorgesehener, von außerhalb des Raumes verschiebbarer Körper hineinragt, der durch Ein- oder Ausfahren in den Raum die während des Meßvorganges in der Mikrokapillare befindliche Grenzschichl zwischen dem Medium und der aus dem Volumen in die Mikrokapillare eingedrungenen Flüssigkeit einstellt.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der Zeitschrift »Naturforschung«, Band 26b, 1971, Seite 1303, bekannt. Die bekannte Vorrichtung dient der Messung des Druckes in einzelligen Algen, wobei der gemessene Druck eine Aussage über den Volumenfluß zuläßt, der zwischen der Vakuole der Algen und dem Außenmedium als Folge einer hydrostatischen und/oder osmotischen Druckdifferenz im nichtslationären Zustand auftritt. Bei der bekannten Vorrichtung sind jedoch Fehler in der Messung nicht zu vermeiden, die auf die Auswirkung der, wenn auch geringen, so doch vorhandenen Kompressibilität des Mediums oder auch auf Einwirkung von Temperaturschwankungen auf die Ausdehnung des Mediums zurückzuführen sind. Die bekannte Vorrichtung ist daher in ihrer Anwendung auf relativ große Zellen, wie einzellige Algen, beschränkt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, bei dei der

ίο Einfluß der Kompressibilität des im druckdicht abgeschlossenen Raum befindlichen Mediums als auch anderer Einflußgrööen weitgehend ausgeschaltet ist und somit eine hohe Meßgenauigkeit erzielt wird.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß eine innerhalb der Mikrokapillare angeordnete und bis nahe an die Öffnung der Mikrokapillare reichende Elektrode und eine Vergleichselektrode vorgesehen sind, die mit einer Regeleinrichtung in elektrischer Verbindung stehen, wobei die Regeleinrichtung mit einem Antrieb zur Verschiebung des Körpers verbunden und so ausgelegt ist, daß sie, in Abhängigkeit sowohl von dem Meßwert des elektrischen Widerstandes zwischen den beiden Elektroden als Eingangsgröße als auch von einem vorgegebenen Sollwcri des Widerstandes, den Körper verschiebt.

Die Verglcichselektrodc ist entweder zusammen mit der anderen Elektrode, jedoch von dieser elektrisch isoliert, in der Mikrokapillare angeordnet, wobei beide Elektroden gleich tief in die Spitze der Mikrokapillare hineinragen, oder zur Verwendung außerhalb der Mikrokapillare vorgesehen.

Beim Einsatz der Vorrichtung gemäß der Erfindung

li zur Messung des Druckes, beispielsweise des Druckes in einer biologischen Zelle, wird die Mikrokapillare. deren .Spitzendurchmesser zweckmäßigerweise I bis 5 μηι beträgt, in eine der in einem Gewebestück vorliegenden Zellen eingeführt, wobei nach relativ kurzer Zeit, nach einigen Sekunden bis einigen Minuten, die Einsiichsielle wieder abdichtet. Die Vcrglciehselekirode wird, falls sie nicht in der Mikrokapillare angeordnet ist, in die physiologische Lösung, in der sich das Gewebestück befindet, eingetaucht, so daß der Wert des elektrischen

4¹» Widerstandes zwischen den beiden Elektroden über die physiologische Lösung gemessen werden kann. Dieser Widerstandswcrl ist abhängig davon, ob und inwieweit die in der Mikrokapillare befindliche Elektrode von dem in dem abgeschlossenen Raum, der Driickmcßkammcr.

w befindlichen Medium, beispielsweise Silikonöl. umhüllt ist. Wird nun ein Sollwcri des elektrischen Widcrsianilswerlcs vorgegeben, so wird mittels der Regeleinrichtung durch Verschieben des in die Drucknießkaipmer hineinragenden Körpers diejenige Posilion der Gren/-

'>'> schicht Silikonöl/Zellsaft in der Mikrokapillare eingeregelt, bei der der Wert des Widerstandes /wischen den Elektroden dem Sollwert entspricht.

Da bei Verschieben dci Grenzschichl Silikonöl/Zellsaft in der Mikrokapillare in Richtung auf die Öffnung

w) der Kapillaren hin der Widerstandswert stark ansteigt, wenn das Silikonöl die in der Miki «kapillare angeordne-Ie Elektrode gerade umhüllt, ist es zweckmäßig, daß der Sollwert des Widerstandes einem Widcrstandsweri zwischen den beiden F.lcklrodcn entspricht, bei dem die

t>5 Spitze der in der Mikrokapillare angeordneten Elektrode durch das Medium gerade umhüllt wird. Da die Spitze der Elektrode sich nahe an der Öffnung der Mikrokapillare befindet, hat dies zur Folge, daß nur eine

geringe Menge an Zellsaft in die Mikrokapillare eindringt, so daß das Volumen, das der Zellsaft nach dem Einführen der Mikrokapillare in die Zellen einnimmt, nahezu dem ursprünglichen Zellvolunien entspricht.

Da während der Messung die Position der Grenzschicht durch die Regeleinrichtung konstant gehalten wird, werden Ungenauigkeitcn der Druckmessung, die auf die Kompressibilität des Silikonöls zurückzuführen wären, ebenso vermieden, wie durch Temperaturschwankungen bedingte Ungenauigkeiten. Infolgedessen ist die Vorrichtung gemäß der Erfindung auch zur Messung des Druckes in sehr kleinen Volumina von unter 0,1 nl, beispielsweise pflanzlichen oder tierischen Zellen, einsetzbar. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist daher in einem sehr viel größeren Anwendungsbereich einsetzbar, als dies bei der bekannten Vorrichtung möglich war. Dabei ist es erstmals möglich, außer der direkten Messung des hydrostatischen Druckes in biologischen Zellen auch die Zellwandelastizität und Wasserpermeabilität einzelner biologischer Zellen direkt zu messen. Diese Meßgrößen können beispielsweise zur Unterscheidung von kranken und gesunden Zellen herangezogen werden. Als weiterer medizinischer Anwendungsbereich ist beispielsweise eine sehr genaue Messung von Druckprofilen in Kapillargefäßen zu nennen.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispicls unter Bezugnahme auf die Zeichnung im folgenden näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Vorrichtung mit in einem Flüssigkeitsbad befindlichen, für die Druckmessung vorgesehenen Gewebestück

Fig. 2 eine vergrößerte Wiedergabe der in Fig. 1 dargestellten Spitze der Mikrokapillare mit angestochener Zelle

Wie aus F-"ig. I hervorgeht, weist die Vorrichtung einen druckdicht abgeschlossenen Raum, die Druekmeükamnicr I, auf, mit der über eine Dichtung 2 eine Mikrokapillare 3 in Verbindung sieht. Die Druckmeßkammcr I ist mit Silikonöl gefüllt. An die Druckmcßkammcr ist ein Druckwandler 4 angeschlossen, der zur Umwandlung des Druckes in elektrische Größen dient. Er ist an ein in der Zeichnung nicht dargestelltes elektrisches Anzeigegerät angeschlossen.

In die Driickmeßkammcr 1 ragt ferner über eine weitere Dichtung 2 ein Metallstab 5 hinein, der mil einem Feinvorschub 6 in Verbindung sieht. Dieser isi über ein Schneckengetriebe 7 und ein weiteres auswechselbares Getriebe 8 mittels eines elektrischen Motors 9 antreibbar, wobei ein Übersetzungsverhältnis von 2500 :1 erzielt wird.

Wie aus F i g. 1 ferner zu entnehmen ist, befindet sich innerhalb der Mikrokapillare 3 eine Elektrode 10. die über eine weitere Dichtung 2 aus der Druckmeßkammer

ίο 1 herausgeführt ist und mit einer Regeleinrichtung 11 in elektrischer Verbindung steht. Die Spitze der aus einem dünnen Silberdraht mit einem Durchmesser von 1 μπι bestehenden Elektrode 10 befindet sich nahe der Öffnung der Mikrokapillare 3. An die Regeleinrichtung

π 11 ist ferner eine Vergleichselektrode 12 angeschlossen, die in die Flüssigkeit 13, in der sich das Zellgewebe 14 befindet, hineinreicht.

Mit einer Vorrichtung der in F i g. 1 dargestellten Art wurde der hydrostatische Druck in Zellen der Pflanzen Carpobrotus edolis und Capsicum annuum gemessen. Der Durchmesser dieser Zellen betrag etwa 30 μιτι bei Carpobrotus edoiis und etwa 70 μπι c :i Capsicum annuum. Es wurde, wie in der Zeichnung, insbesondere in F i g. 2, dargestellt ist, die Mikrokapillare in eine Zelle eingeführt. Nach Ausheilen der Einstichstelle wurde die Grenzschicht Silikonöl/Zellsaft auf die in Fig. 2 dargestellte Position an der Spitze der Elektrode 10 eingeregelt. Dabei wurden zur Widerstandsmessung Spannungsimpulse einer Pulshöhe im Bereich von 20 bis

jo 50 mV und einer Dauer von 50 bis 100 ms in einem zeitlichen Abstand von 100 bis 400 ms angewendet. Das Übersetzungsverhältnis der Getriebe war so gewählt, daß ein Vorschub des Metallstabes 5 von 1 μπι/sec bei laufendem Motor erzielt wurde. Die erhaltenen

ii Widerstandswerte wurden in der Regeleinrichtung 11 mit dem vorgegebenen Sollwert verglichen und die so erhaltenen Meßwerte zur Steuerung des Antriebs für den Metallstab 5 benutzt. Über eine Betriebsdauer von etwa 5 Stunden wurde die Messung durchgeführt und dabei außer dem hydrostatischen Druck auch die Elastizität der Zellwände und die Wasserpermeabilität der Zellen kontinuierlich bestimmt.

Statt eines Pulsbetriebes der Regeleinheit ist selbstverständlich auch ein kontinuierlicher Betrieb unter Verwendung einer Wechselspannung möglich.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung des Druckes in einem sehr kleinen Volumen, wie einer biologischen Zelle oder einem Kapillargefäß, die einen mit einer Mikrokapillare in Verbindung stehenden, druckdicht abgeschlossenen und mit einem nahezu inkompressiblen Medium, wie Silikonöl oder dergleichen, gefüllten Raum aufweist, an den zur Messung des Druckes im Raum eine Einrichtung zur Umwandlung des Druckes in elektrische Größen angeschlossen ist und in den ein zur teilweisen Verdrängung des Mediums vorgesehener, von außerhalb des Raumes verschiebbarer Körper hineinragt, der durch Ein- oder Ausfahren in den Raum die während des Meßvorganges in der Mikrokapillare befindliche Grenzschicht zwischen dem Medium und der aus dem Volumen in die Mikrokapillare eingedrungenen Flüssigkeit einstellt, dadurch gekennzeichnet, daß eise innerhalb der Mikrokapillare (3) angeordnete und bis nahe an die Öffnung der Mikrokapillare reichende Elektrode (10) und eine Vergleichselektrode (12) vorgesehen sind, die mit einer Regeleinrichtung (U) in elektrischer Verbindung stehen, und daß die Regeleinrichtung mit einem Antrieb (9) zur Verschiebung des Körpers (5) verbunden und so ausgelegt ist, daß sie, in Abhängigkeit sowohl von dem Meßwert des elektrischen Widerstandes zwischen den beiden Elektroden als Eingangsgröße als auch von einem vorgegebenen Sollwert des Widerslandes, den Körper (5) verschiebt.

2. Vorrichtung nach Anspruch ,, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert Je.·, Widerstandes einem Widerstandswert zwischen den b. iden Elektroden (10, 12) entspricht, bei dem die Spitze der in der Mikrokapillare (3) angeordneten Elektrode (10) durch das Medium gerade umhüllt wird.