DE3118875C2

DE3118875C2 -

Info

Publication number: DE3118875C2
Application number: DE3118875A
Authority: DE
Inventors: Zdenek Kreuzlingen Ch Maly; Vladislav 8027 Neuried De Blazek
Original assignee: BLAZEK VLADISLAV 4150 KREFELD DE
Current assignee: BLAZEK, VLADISLAV, 4150 KREFELD, DE
Priority date: 1980-05-23
Filing date: 1981-05-13
Publication date: 1991-07-25
Also published as: DE3118875A1; US4435080A; CH649155A5

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der elastischen Eigenschaften von Mikropartikeln mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.

Unter Mikropartikeln werden Partikel einer Größe von 1 bis 50 Mikrometer verstanden und unter deren dynamischen Eigenschaften dann Veränderungen der Form oder Größe, entweder selbsttätig oder unter Einfluß von äußeren Faktoren.

Die Messung von dynamischen Veränderungen von Mikropartikeln kann über deren Zustand und Eigenschaften aussagen, was besonders für biologische Untersuchungen und medizinische Diagnostik von Bedeutung ist. Als Beispiel kann die Messung von Deformabilität und innerer Viskoelastizität von Erythrozyten (roten Blutkörperchen) dienen, welche für die Bestimmung von Blutkonservenqualität und die Entwicklung von Konservierungsmethoden, sowie für medizinische Diagnostik von Blutkrankheiten von Bedeutung ist.

Es sind mehrere Methoden zur Messung von Deformabilität von Mikropartikeln bekannt und werden auch angewendet. Diese sind jedoch mit Nachteilen unterschiedlichen Grades behaftet:

a) Filtration von Partikelsuspension unter Druck oder Vakuum durch ein Sieb mit kalibrierten Öffnungen, die kleiner als die Partikel sind. Es wird ein Verhältnis zwischen der Anzahl der durchgeschlüpften und der zurückgebliebenen Partikel gemessen. Die Nachteile dieser Methode liegen darin, daß es nicht möglich ist, mit der gleichen Partikelgruppe die Messung zu wiederholen und daß die Relaxationszeit, d. h. die Zeitkonstante, in der die Partikel ihre ursprüngliche Form wiedererlangen, nicht ermittelt werden kann. Das letztere ist eine wichtige Angabe zur Ermittlung von der inneren Viskoelastizität der Partikel.
b) Deformation der Partikel durch zentrifugale Kräfte und deren Fixierung in deformiertem Zustand. Die Nachteile dieser Methode sind die gleichen, wie bei der Filtrationsmethode. Nachdem nur einzelne Partikel gemessen werden, ist es schwierig, Angaben über eine Gruppe von Partikeln zu gewinnen.
c) Elongation eines an einem Punkt fixierten Partikels in strömender Flüssigkeit. Von der langwierigen Präparation des Partikels bis zur Messung abgesehen, können die gleichen Nachteile wie bei a) und b) genannt werden. Dagegen ist es aber möglich die Relaxationszeit, z. B. aus Videorecording, zu messen.
d) Elongation eines Partikels beim Einsaugen in eine Mikropipette unter definierter Kraft. Mit dieser Methode werden vorwiegend die Eigenschaften von Zellmembranen ermittelt. Die Nachteile sind die gleichen wie bei c).
e) Deformation von Partikeln in Suspension, die einen Spalt zwischen zwei zentrischen Zylindern, von denen einer fest ist und der andere rotiert, ausfüllt. Die bei der Rotation entstehenden Scherkräfte deformieren die Partikel. Die gemessene Suspension ist mit einem räumlich kohärenten monochromatischen Licht durchstrahlt. Das dabei entstandene Diffraktionsbild wird auf einer Fotoplatte fixiert und ausgewertet. Die Nachteile dieser Meßanordnung sind:
- - der Lichtstrahl wird an den zylindrischen Flächen teilweise deformiert und das Diffraktionsbild verzerrt;
- - schwierige Reinigung der Zylinder und Wechsel der Proben;
- - nach jedem Probenwechsel müssen die Zylinder optisch zentriert werden;
- - Sedimentation der Partikel beim Stillstand;
- - die Spaltbreite kann ohne Zylinderwechsel nicht verändert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Meßsystem zu schaffen, das die vorstehend genannten Mängel beseitigt, in dem es folgende technische Kriterien erfüllt:

a) Messung von dynamischen Eigenschaften von Mikropartikeln in breitem Bereich der einwirkenden Scherkräfte, wobei Deformation, Elongation und Relaxation der Partikel als wichtigste Eigenschaften erfaßt werden müssen.
b) Wiederholbarkeit der Messung mit der gleichen Partikelgruppe unter kontinuierlich oder stufenweise veränderten Bedingungen und Erfassung der Meßdaten in beliebiger Phase der Untersuchung.
c) Veränderbarkeit der Prüfbedingungen ohne Umbau der Einrichtung oder Umfüllen der Prüfsubstanz.
d) Einfacher und leichter Probenwechsel durch schnelle Reinigung des Meßsystems oder durch auswechselbare Meßelemente.
e) Weitgehende Eliminierung der Sedimentation der Partikel beim Stillstand.
f) Benutzung eines Detektionssystems, daß eine graphische und/ oder mathematische Auswertung der Daten (mit eventuellem Anschluß an EDV) erlaubt.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Während des Meßvorganges wird die bewegliche Scheibe in Bewegung gesetzt, wobei die dieser Scheibe näheren Flüssigkeitsschichten mitbewegt werden. Die Bewegung wird jedoch von der stationären Scheibe gebremst und somit entstehen in der dünnen Flüssigkeitsschicht Scherkräfte, deren Stärke von der Viskosität der Flüssigkeit, der Geschwindigkeit der Scheibe und der Distanz zwischen beiden Scheiben abhängen. Diesen Scherkräften ausgesetzte Partikel verändern dabei ihre Form oder Größe, wenn sie eine Elastizität aufweisen.

Beim Durchgang einer kohärenten Strahlung, z. B. Laserstrahlen, durch die Suspension entsteht an den Partikeln eine Diffraktion der Strahlung, welche als ein Diffraktionsbild erfaßt wird. Veränderungen der Partikel erscheinen als Änderungen des Diffraktionsbildes. Durch Auswertung dieser Änderungen ist es möglich, schnell und einfach die dynamischen Eigenschaften der Partikel zu bestimmen.

In Bild 1 ist die Meßanordnung schematisch dargestellt. In dem Spalt zwischen der festen Scheibe (1) und der beweglichen (rotierenden) Scheibe (2) befindet sich die Suspension der untersuchten Partikel (3). Kohärentes Licht (4) eines Lasers (5) wird durch das System geführt oder mit Hilfe von Prismen oder Spiegeln (6) gelenkt, wobei eine Diffraktion (7) der Strahlung an den Partikeln entsteht. Das so veränderte Licht, über ein optisches System (8) geführt, wird von einem System optoelektronischer Detektoren aufgenommen und ausgewertet.

Die Auswertung der Diffraktionsbilder wird in Bild 2 und 3 bei der Messung der Deformabilität der Erythrozyten demonstriert. In Bild 2 ist ein Diffraktionsbild einer Blutkörperchensuspension bei Stillstand der Scheibe, also bei Null-Scherkraft (1) und ein entsprechendes Diagramm der Intensität und Strahlungsverteilung in der Bildebene (2) dargestellt. Bild 3 zeigt ein Diffraktionsbild bei rotierender Scheibe, somit bei der Einwirkung von Scherkräften auf die Erythrozyten (1), sowie ein entsprechendes Diagramm der Strahlungsverteilung in der Bildebene (2). Die Berechnung der Deformabilität erfolgt nach der Formel

wobei d die durch die Deformation entstehende Elongation der Blutkörperchen und d₀ deren Durchmesser sind.

In nachfolgenden Beispielen und Zeichnungen sind die grundsätzlichen Ausführungen der Meßkörper und die Meßanordnungen aufgeführt.

Beispiel 1

Das Meßsystem (Bild 4) wird aus zwei runden Scheiben gebildet, von denen die eine (1), z. B. die untere, fest und die andere (2) z. B. die obere, rotierend angeordnet sind. Der Meßspalt kann durch feste Distanzscheiben (Bild 4a) oder mittels eines beweglichens Kolbens (Bild 4b) eingestellt werden. Die Scheiben müssen dauernd oder intermittierend für das kohärente Licht durchlässig sein.

Beispiel 2

Das Meßsystem (Bild 5) wird aus einer Grundplatte (1) und rotierender Scheibe (2) gebildet, welche mit auswechselbaren Hilfskörpern (3) (Plättchen oder Schalen) versehen sind. Der Meßspalt wird entweder wie in Beispiel 1 eingestellt oder es wird eine Distanzscheibe in den Hilfskörper integriert (Bild 5a). Diese Anordnung erleichtert die Reinigung des Gerätes.

Beispiel 3

Für eine größere Anzahl zu untersuchender Proben ist im Bild 6 ein Meßsystem dargestellt. Bei dieser Anordnung wird sowohl die Grundplatte (1) als auch die rotierende Scheibe (2) mit auswechselbaren Hilfskörpern (3) und (4) versehen. Der Meßspalt kann mit auswechselbaren Distanzscheiben (Bild 6a) oder mit integrierten Distanzformen (Bild 6b) eingestellt werden. Diese Anordnung ist für Serienmessungen einer großen Anzahl von Proben unter gleichen Meßbedingungen geeignet.

Bei manchen Mikropartikeln erfolgt deren volle Deformation augenblicklich mit dem Einsetzen der Scherkräfte und somit ist eine aussagekräftige Messung solcher Partikel auch bei linearer Bewegung der Meßkörper möglich.

Beispiel 4

In Bild 7 ist eine Anordnung der Meßkörper zur Messung bei linearer Bewegung dargestellt. Die Grundplatte (1) ist mit Führungs- und gleichzeitig Distanzschienen (2) versehen, in denen die zweite Platte (3) mit einstellbarer Geschwindigkeit bewegt wird. Der Meßspalt wird durch feste oder verstellbare Distanzschienen eingestellt.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung der elastischen Eigenschaften von Mikropartikeln mit den Merkmalen

- die Mikropartikel sind in einer Flüssigkeit mit definierter Viskosität suspendiert;
- die Suspension ist im Zwischenraum zwischen zwei transparenten Meßkörpern angeordnet;
- die Meßkörper sind unter Wahrung des Abstands relativ zueinander bewegbar, um auf die Suspension unterschiedliche Scherkräfte zu übertragen;
- der Zwischenraum wird durch die Meßkörper mit einem kohärenten Meßstrahl senkrecht zur Scherkraft durchstrahlt;
- aus dem Meßstrahl werden Beugungsbilder der suspendierten Teilchen gewonnen,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die dem Zwischenraum zugewandten Flächen der Meßkörper plan ausgebildet sind;
- die Flächen parallel verlaufen und die Schichtdicke des Zwischenraumes definieren;
- und daß die Schichtdicke einstellbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkörper Scheiben sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der beiden Meßkörper als auswechselbares, nur während des Meßvorganges eingesetztes Element ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum mittels integrierter Distanzformen, auswechselbarer Distanzscheiben oder eines als Auflagefläche dienenden, beweglichen Kolbens einstellbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkörper zumindest örtlich für den kohärenten Meßstrahl durchlässig sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der scheibenförmig ausgebildeten Meßkörper einen auswechselbaren Hilfskörper umfaßt, welche/r vorzugsweise plättchen- oder schalenförmig ausgebildet ist/sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßkörper festgelegt und der andere bewegbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß beide Meßkörper gleichsinnig mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bewegbar sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkörper gegensinnig bewegbar sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung der Meßkörper eine Linearbewegung ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung der Meßkörper eine Rotationsbewegung ist.