DE3723388C2

DE3723388C2 -

Info

Publication number: DE3723388C2
Application number: DE19873723388
Authority: DE
Inventors: Fraser Keith Mcneil-Watson; Christopher Malvern Gb Das Neves Pedro
Original assignee: MALVERN INSTRUMENTS Ltd MALVERN HEREFORD AND WORCESTER GB
Current assignee: MALVERN INSTRUMENTS Ltd MALVERN HEREFORD AND WORCESTER GB
Priority date: 1986-07-18
Filing date: 1987-07-15
Publication date: 1990-04-26
Also published as: GB2194112A; DE3723388A1; JPS6345553A; GB8715497D0; GB2194112B; GB8617661D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mikroelektrophoresezelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und betrifft damit allgemein das Gebiet der Laserdoppler-Geschwindigkeitsmessung.The invention relates to a Microelectrophoresis cell according to the generic term of claim 1 and relates generally the field of laser Doppler speed measurement.

Viele Substanzen oder sonstigen Sachgegebenheiten in dispergiertem Zustand, einschließlich lebender Zellen, Emulsionen, fester Mineralien oder anderer gemahlener Partikel tragen eine Nettooberflächenladung aufgrund der Ionisation chemischer Gruppen, die die Oberfläche bilden. Diese Ladung kann durch die Technik der Elektrophorese untersucht werden, bei der die Teilchen oder geladenen Sachgegebenheiten in einem geeigneten Strömungsmittel suspendiert werden und ein elektrisches Feld zwischen passenden Elektroden angelegt wird. Mit Hilfe einer zweckmäßigen Technik wird dann die resultierende Bewegung gemessen, und das Vorzeichen und die Größe des Potentials über der Scherungsfläche kann daraus abgeleitet werden. Dieses Potential ist für das Studium und Verständnis der Art und Weise, wie sich die geladenen Sachgegebenheiten verhalten, sowohl von theoretischem als auch von praktischem Interesse.Many substances or other facts in a dispersed state, including living cells, emulsions, solid minerals or other ground particles a net surface charge due to the Ionization of chemical groups that surface form. This charge can be obtained through the technique of Electrophoresis are examined, in which the Particles or charged facts in one suitable fluids are suspended and a electric field between matching electrodes is created. With the help of an appropriate technique the resulting movement is then measured, and the sign and the size of the potential above the Shear area can be derived from this. This There is potential for studying and understanding the species and how the loaded facts behave, both theoretical and also of practical interest.

Ein weithin angewendetes modernes Verfahren für die Untersuchung der Bewegung bedient sich der Laserdoppler- Geschwindigkeitsmessung. Hierbei wird Laserlicht von der Menge der bewegten Partikel gestreut und man mißt die Frequenzverschiebung, die aufgrund des Dopplereffekts durch diese Bewegung induziert wird, mit Hilfe eines entsprechenden Detektors und eines Signalverarbeiters. In Kenntnis der Geometrie der Streuanordnung kann man dann die Geschwindigkeit ableiten.A widely used modern process for the Examination of the movement uses the laser Doppler Speed measurement. Here, laser light from the The amount of moving particles is scattered and you measure them Frequency shift due to the Doppler effect induced by this movement with the help of a corresponding detector and a signal processor. Knowing the geometry of the scattering arrangement one can then derive the speed.

Beim Entwurf einer Kammer oder Zelle für elektrophoretische Messungen mit Laserdoppler- Geschwindigkeitsmessung zur Bewegungsanalyse muß eine ausreichend hohe Feldstärke erreicht werden, um auch bei einem solchen Partikel eine meßbare Geschwindigkeit zu erreichen, das vielleicht nur eine geringe Ladung trägt und an eine optische Anordnung gekoppelt ist, die den Eintritt und den Austritt von ausreichender Laserleistung ermöglicht, um meßbare Signale von ggf. auch nur wenigen Partikeln niedriger Streuungseffizienz zu erzeugen.When designing a chamber or cell for electrophoretic measurements with laser Doppler Speed measurement for motion analysis must be sufficiently high field strength can be achieved in order to such a particle to a measurable speed achieve that, maybe just a small charge carries and is coupled to an optical arrangement which the entry and exit of sufficient Laser power enables to measure signals of possibly even a few particles with low scattering efficiency to create.

Das Erzielen einer hohen Feldstärke ist speziell, jedoch nicht ausschließlich dann notwendig, wenn die Laserdoppler-Elektrophorese bei der Untersuchung von Partikeln in Medien niedriger Dielektrizitätskonstante angewandt wird, wo eine gegebene Ladung nur zu einer niedrigen Geschwindigkeit führt. Als nicht erschöpfendes Beispiel einer solchen Situation sei die Suspension von Kohlenstoffteilchen in Paraffin, wo die Dielektrizitätskonstante etwa 1/40 von der eines Salzes in Wasser beträgt, genannt. Eine hohe Feldstärke läßt sich gut durch nahe beieinander angeordnete Elektroden verwirklichen. Es ist wichtig, daß das Feld räumlich gleichförmig ist, so daß sich keine Verteilung des Felds und somit der Geschwindigkeiten im Raum durch den Meßbereich ergibt.Achieving a high field strength is special but not only necessary if the Laser Doppler electrophoresis when examining Particles in media with low dielectric constant is used where a given load is only one low speed leads. As not exhausting An example of such a situation is the suspension of Carbon particles in paraffin where the Dielectric constant about 1/40 that of a salt in water. A high field strength leaves well through electrodes placed close together realize. It is important that the field be spatial is uniform so that there is no distribution of the Field and thus the speeds in space through the Measuring range results.

Diese Erfordernisse führen zu einer idealisierten Zelle, die aus geladenen, gleichförmigen, flachen und parallelen Platten besteht. Der Laserstrahl muß zu Co-Normalen der Plattenachsen einen Winkel einnehmen und die Detektorvorrichtung sollte idealerweise in der allgemeinen Verlaufsrichtung des Laserstrahls liegen, um den Lichtstreueffekt durch Partikel endlicher Größe zu maximieren. Bekannte praktische Systeme, die Zellen dieser Form verwenden, müssen bei Verwendung großflächiger Elektrodenplatten sehr kleine Strahlenwinkel anwenden, um eine Kollision zwischen der Platte und dem Laserstrahl bzw. den Laserstrahlen zu vermeiden.These requirements lead to an idealized one Cell made up of charged, uniform, flat and parallel plates. The laser beam must take an angle to the co-normals of the plate axes and the detector device should ideally be in the general direction of the laser beam to the light scattering effect due to particles of finite size maximize. Known practical systems, the cells Use this form when using large electrode plates very small Apply beam angle to avoid a collision between the plate and the laser beam or laser beams avoid.

So ist aus der US-PS 42 42 194 eine Elektrophoresezelle bekannt, die optische Systeme zum Leiten eines Teils des von einer Laserquelle erzeugten kohärenten Lichts durch die Zelle und zu einem Detektor aufweist, der außerdem einen anderen Teil des Lichtstrahls vom Laser, nämlich einen Bezugsstrahl, direkt empfängt. Die Elektroden weisen in der Zelle einen relativ großen Abstand voneinander auf, um große Einfallswinkel der Lichtstrahlen zum elektrischen Feld zuzulassen. Im Fall größerer und einander angenäherter Plattenelektroden könnte der Strahlenwinkel nur relativ klein sein, und diese nur kleine mögliche Winkel zwischen dem Laserstrahl und dem angelegten Feld und somit der Bewegungsrichtung würde zu einer niedrigeren Dopplerfrequenzverschiebung und zu erschwerten Meßbedingungen führen.For example, an electrophoresis cell is known from US Pat. No. 4,242,194 which uses optical systems for Passing a portion of the coherent light generated by a laser source through the cell and to a detector which also has another part of the light beam from Laser, namely a reference beam, receives directly. The electrodes point in the cell a relatively large distance from each other to large angles of incidence of the light rays to admit to the electric field. In the case of larger and closer together The beam angle could only be relatively small for plate electrodes, and these only small possible angle between the laser beam and the applied field and thus the Direction of movement would result in a lower Doppler frequency shift and difficult measuring conditions.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Elektrophoresezelle zu schaffen, die relativ große Plattenelektroden haben kann, ohne hierdurch wesentliche Nachteile für die Messung in Kauf nehmen zu müssen.In contrast, the invention has for its object to an electrophoresis cell create that can have relatively large plate electrodes without thereby essential Having to accept disadvantages for the measurement.

Durch die Erfindung wird eine Mikroelektrophoresezelle für ein Laserdoppler-Elektrophoresesystem geschaffen, bei dem der Weg des kohärenten Lichts in den Zellenbereich der Analyse der Probe durch eine optisch transparente Elektrode hindurchverläuft, die entsprechend ihrer Anordnung die Betätigungsladung über der Probe anlegt. The invention makes a microelectrophoresis cell created for a laser Doppler electrophoresis system, at which is the path of coherent light into the cell area the analysis of the sample by an optically transparent Electrode runs through, which according to their Arrangement creates the actuating charge over the sample.

Vorzugsweise sind beide Elektroden der Zelle optisch durchlässig und liegen quer zu den Wegen der beiden getrennten Strahlen von kohärentem Licht. Hierbei ist es vorteilhaft, reflektierende Flächen vorzusehen, mit deren Hilfe die beiden Strahlen zu einem Schnittpunkt im Bereich der Probenanalyse gerichtet werden können. Durch die Verwendung der transparenten Elektroden ist es möglich, hohe Strahlwinkel zu erzielen. Die Elektroden können im Vergleich zur Strahlgröße und zum Elektrodenabstand großflächig sein, wobei jedoch die Feststellung des Streueffekts erheblich vermehrt ist, da ein vergleichsweise großer Streuwinkel anwendbar ist.Both electrodes of the cell are preferably optical permeable and lie across the paths of the two separate rays of coherent light. Here it is advantageous to provide reflective surfaces with which Help the two rays to an intersection in the Range of sample analysis can be directed. By using the transparent electrodes it is possible to achieve high beam angles. The electrodes can compared to the beam size and Electrode distance must be large, but the Determination of the scattering effect has increased considerably since a comparatively large scattering angle can be used.

Anstelle eines Doppelstrahlsystems kann auch ein einzelner Strahl in einem Winkel zur Co-Normalen der Elektrodenplattenachse ausgerichtet werden, während die Einheit über eine Übertragungseinrichtung zum Projizieren eines Bezugsstrahls kohärenten Lichts in den Ausgangsweg der von der Zelle emittierten Lichtstrahlen verfügt. Diese Übertragungseinrichtung kann einen Strahlensender mit einer Faseroptik enthalten.Instead of a double jet system, a single beam at an angle to the co-normal of the Electrode plate axis are aligned while the Unit via a transmission device for projecting a reference beam of coherent light into the exit path the light rays emitted by the cell. This transmission device can be a radiation transmitter included with a fiber optic.

Das vollständige Zellensystem kann den notwendigen Detektor für die emittierten Lichtstrahlen in einer Ebene ausgerichtet enthalten, die zwischen den Ebenen der Elektroden liegt.The complete cell system can do the necessary Detector for the emitted light beams in one plane included contained between the levels of Electrodes.

Anstelle der geradlinigen Fortschreitung des Laserstrahls können zum Heranbringen des Strahls zu einem Punkt an der oder nahe der transparenten Elektrode auch Faseroptiken oder ähnliche Mittel verwendet werden. In diesem Fall kann die transparente Elektrode als Linse, als Teilreflektor oder als Fenster wirken, um den Eintritt von einfallendem Licht in den Bereich der Probenanalyse zu ermöglichen und den Austritt des gestreuten Lichts aus diesem Bereich zu akzeptieren.Instead of the linear progression of the laser beam can be used to bring the beam to a point on the or near the transparent electrode also fiber optics or similar means can be used. In this case can the transparent electrode as a lens, as Partial reflector or act as a window to the entrance of incident light in the area of sample analysis to allow and the exit of the scattered light from accept this area.

Bei einer bevorzugten Ausführung umfaßt die transparente Elektrode eine diskrete Platte aus Indium-Zinn-Oxid oder aus optischem Glas, das mit einem Indium-Zinn-Oxid- Überzug versehen ist. Alternativ kann die Elektrode einen Metallfilm aufweisen, der ausreichend dünn, um meßbares Licht hindurchzulassen, auf optisches Glas aufgebracht ist. Mit der Elektrodenschicht können feine Drähte verbunden sein oder an sie kann ein Oberflächenüberzug aus einem leitenden Metallfilm angelegt sein, an den mit Hilfe fester Leiter oder in anderer Weise Kontakt geschaffen werden kann.In a preferred embodiment, the transparent one A discrete plate made of indium tin oxide or made of optical glass, which is coated with an indium tin oxide Cover is provided. Alternatively, the electrode can Have metal film that is sufficiently thin to be measurable Let light through, applied to optical glass is. With the electrode layer fine wires can may be bonded to or attached to a surface coating be made of a conductive metal film to which with Help fixed ladder or otherwise contact can be created.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, wobei zeigen:The following is a preferred one Embodiment of the invention with reference to the Description of the drawing, showing:

Fig. 1 eine diagrammartige Darstellung einer erfindungsgemäßen Mikroelektrophorese-Zelle; und FIG. 1 is a diagrammatic representation of an inventive microelectrophoresis cell; and

Fig. 2 einen Vertikalschnitt in einer Ebene II-II in Fig. 1. FIG. 2 shows a vertical section in a plane II-II in FIG. 1.

Die in der Zeichnung dargestellte Prüfzelle begrenzt einen Strömungsweg (1) für die Einführung und die Abgabe der Probe. Er durchquert einen Probenanalysebereich, der zwischen zwei Elektroden (2) eingeschlossen ist. Jede Elektrode umfaßt eine Schicht aus optischem Glas, die eine Wand eines Prismas (3) bildet, und trägt einen polierten Film aus Indium-Zinn-Oxid, mit dem ein elektrisch leitender Draht (4) verbunden ist. Diese Verbindung wird durch äußeren Druckkontakt des Drahts (4) mit einer Goldplattierung (5) erreicht, die auf der Oberseite des Prismas (3) aufgebracht ist. Die Schicht der Goldplattierung läuft um den Rand des Prismas und überdeckt auf eine kurze Strecke den Überzug aus Indium- Zinn-Oxid. Das Feld, das erzeugt wird, wenn über die Elektroden (2) ein elektrisches Potential angelegt wird, hat eine durch einen Doppelpfeil (17) angedeutete Richtung. Von einer Quelle kohärenten Lichts erzeugte Laserstrahlen (6, 7) werden durch in einem jeweiligen Winkel angeordnete Flächen (8, 9) des Prismas so reflektiert, daß sie durch die transparenten Elektroden (2) hindurchtreten und speziell einen Bereich (10) der Probenanalyse zwischen den Elektroden durchlaufen. Der von den Partikeln erzeugte Lichtstreueffekt wird mit einem Fotoelektronenvervielfacher (11) gemessen, nachdem das Streulicht durch ein auf die Achse des Strömungswegs (1) ausgerichtetes optisches System (12) hindurchgetreten sind.The test cell shown in the drawing limits a flow path ( 1 ) for the introduction and delivery of the sample. It crosses a sample analysis area which is enclosed between two electrodes ( 2 ). Each electrode comprises a layer of optical glass which forms a wall of a prism ( 3 ) and carries a polished film made of indium tin oxide, to which an electrically conductive wire ( 4 ) is connected. This connection is achieved by external pressure contact of the wire ( 4 ) with a gold plating ( 5 ), which is applied to the top of the prism ( 3 ). The gold plating layer runs around the edge of the prism and covers the indium tin oxide coating for a short distance. The field that is generated when an electrical potential is applied across the electrodes ( 2 ) has a direction indicated by a double arrow ( 17 ). Laser beams ( 6 , 7 ) generated by a source of coherent light are reflected by surfaces ( 8 , 9 ) of the prism arranged at a respective angle in such a way that they pass through the transparent electrodes ( 2 ) and in particular an area ( 10 ) of the sample analysis between pass through the electrodes. The light scattering effect produced by the particles is measured with a photo electron multiplier ( 11 ) after the scattered light has passed through an optical system ( 12 ) aligned with the axis of the flow path ( 1 ).

Als Abwandlung des dargestellten Systems kann auch nur einer der Laserstrahlen (6, 7) verwendet sein, jedoch wird dann ein Bezugsstrahl aus kohärentem Licht, das zweckentsprechend gedämpft ist, beispielsweise von einer Einheit (13) unmittelbar zum Detektorsystem (11, 12) geleitet, so daß Licht ohne Doppler-Verschiebung mit dem gestreuten Licht gemischt wird. Ein Bezugsstrahl könnte auch über andere Hilfsmittel als unmittelbar durch den Strömungsweg (1) zum Detektorsystem (8, 9) geleitet werden, beispielsweise durch eine Faseroptikleitung (14) von einer Einheit (15) her. Auch die Laserstrahlen (6, 7) können mit Hilfe optischer Fasern (16) oder mit ähnlichen Mitteln zu den Flächen der Elektrode (2) gebracht werden. Das Material der Elektroden (2) kann dann als Linse, Reflektor oder Fenster gebraucht werden, um den Eintritt von einfallendem Licht zu ermöglichen oder den Austritt von gestreutem Licht zu akzeptieren.As a modification of the system shown, only one of the laser beams ( 6 , 7 ) can be used, but then a reference beam of coherent light, which is appropriately attenuated, is passed directly to the detector system ( 11 , 12 ), for example by a unit ( 13 ), so that light is mixed with the scattered light without Doppler shift. A reference beam could also be directed via aids other than directly through the flow path ( 1 ) to the detector system ( 8 , 9 ), for example through a fiber optic line ( 14 ) from a unit ( 15 ). The laser beams ( 6 , 7 ) can also be brought to the surfaces of the electrode ( 2 ) using optical fibers ( 16 ) or similar means. The material of the electrodes ( 2 ) can then be used as a lens, reflector or window to allow the entry of incident light or to accept the exit of scattered light.

Idealerweise besteht die Schicht der Elektroden (2) aus Zinnoxid mit einer kleinen Dotierung von Indium, das die elektrische Leitfähigkeit verbessert. Es können jedoch auch andere elektrisch leitfähige Materialien mit einem hohen Wert der Lichtdurchlässigkeit verwendet werden, wie dünne Schichten aus Edelmetallen. The layer of the electrodes ( 2 ) ideally consists of tin oxide with a small doping of indium, which improves the electrical conductivity. However, other electrically conductive materials with a high level of light transmission can also be used, such as thin layers of precious metals.

Bei der beschriebenen Mikroelektrophoresezelle stellt also der Bereich (10) für die Probenanalyse einen Teil des Strömungswegs (1) für die Einführung und die Anstoßung der Probe dar. Die Seitenwände der Zelle werden durch die zwei Elektroden (2) gebildet, die als polierte Filme aus Indium-Zinn-Oxid, das optisch durchlässig ist, an den Wänden des Prismas (3) gebildet ist. Die Laserstrahlen (6, 7) werden von den im Winkel angeordneten Flächen (8, 9) des Prismas so reflektiert, daß sie durch die transparenten Elektroden (2) treten und sich im Bereich (10) schneiden. Von den Teilchen erzeugte Lichtstreueffekte werden vom Fotoelektronenvervielfacher (11) gemessen, der auf der Achse des Strömungswegs (1) ausgerichtet angeordnet ist. Wegen der Transparenz der Elektroden (2) können große Schnittwinkel der Strahlen (6, 7) in der Probe erzielt werden.In the microelectrophoresis cell described, the area ( 10 ) for the sample analysis thus forms part of the flow path ( 1 ) for the introduction and the impingement of the sample. The side walls of the cell are formed by the two electrodes ( 2 ), which are made as polished films Indium tin oxide, which is optically transparent, is formed on the walls of the prism ( 3 ). The laser beams ( 6 , 7 ) are reflected by the angled surfaces ( 8 , 9 ) of the prism in such a way that they pass through the transparent electrodes ( 2 ) and intersect in the area ( 10 ). Light scattering effects generated by the particles are measured by the photomultiplier tube ( 11 ), which is arranged on the axis of the flow path ( 1 ). Because of the transparency of the electrodes ( 2 ), large cutting angles of the beams ( 6 , 7 ) can be achieved in the sample.

Claims

1. Microelectrophoresis cell for a laser Doppler electrophoresis system, with an inner analysis area, two electrodes which form opposite walls of the analysis area and with the aid of which an actuating charge can be applied to a sample in the analysis area, and a device for determining a light path via the coherent light can be passed through the analysis area, which also has an exit path for light rays emitted by the analysis area, characterized in that at least one of the electrodes ( 2 ) is formed from an optically transparent material and extends across the analysis area.

2. Cell according to claim 1, characterized in that there are two separate light paths for coherent light beams ( 6 , 7 ) which pass through two electrodes ( 2 ), both of which are optically transparent.

3. Cell according to claim 2, characterized by reflecting surfaces ( 8 , 9 ) which guide the two light beams ( 6 , 7 ) to an intersection in the area of the sample analysis.

4. Cell according to claim 1, characterized by transmission means ( 13 , 14 , 15 ) for directing a reference beam of coherent light into the output path of the light beams emitted by the cell.

5. Cell according to claim 4, characterized in that the transmission devices contain a beam transmission from a fiber optic ( 14 , 15 ).

6. Cell according to one of claims 1 to 5, characterized by a detector ( 11 , 12 ) for emitted light beams, which is aligned in a plane lying between the planes of the electrodes ( 2 ).

7. Cell according to one of claims 1 to 6, characterized by fiber optics ( 16 ) or by another device for bringing the beam to a point on or near the transparent electrode ( 2 ).

8. Cell according to claim 7, characterized in that the electrode ( 2 ) acts as a lens, partial reflector or window to allow the entry of the incident light into the area of the sample analysis or to accept the exit of scattered light from this area.

9. Cell according to one of claims 1 to 8, characterized in that the transparent electrode ( 2 ) comprises a discrete plate made of indium tin oxide or an indium tin oxide coating applied to optical glass.

10. Cell according to one of claims 1 to 8, characterized in that the electrode ( 2 ) comprises a thin enough on optical glass to allow the passage of measurable light, applied metal film.

11. Cell according to claim 9 or 10, characterized in that fine wires are connected to the electrode layer ( 2 ) or that a surface coating of a conductive metal film ( 5 ), which is contacted by thin wires or otherwise, is applied to the electrode layer.