DE4116313A1

DE4116313A1 - Zentrifugalanalysator

Info

Publication number: DE4116313A1
Application number: DE19914116313
Authority: DE
Inventors: Dietmar Prof Dr Sc Nat Lerche; Johannes Flieger; Eckhard Kuettel; Peter Diedrich; Mirko Garten
Original assignee: IWG EASTMED MEDIZINTECHNIK GMB
Current assignee: IWG EASTMED MEDIZINTECHNIK GMB
Priority date: 1991-05-15
Filing date: 1991-05-15
Publication date: 1992-11-19
Anticipated expiration: 2011-05-16
Also published as: DE4116313C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vor richtung zum Messen der Elastomechanik von Sedimenten aus Suspensionen und Emulsionen und gestattet die Bestimmung der elastischen Eigenschaften der Suspensions- beziehungsweise Emulsionsteilchen sowie deren Wechselwirkung untereinander. Sie kann vorwiegend in der medizinischen Diagnostik und bio technologischen Verfahrenstechnik eingesetzt werden.

Bekannt sind Analyseverfahren, die nach dem Sedimentations prinzip arbeiten und die die Bestimmung der Sedimentations geschwindigkeit und Korngrößenverteilung durch Ermittlung der Abschwächung von durch die zu untersuchende Suspension oder Emulsion gesandten Lichtstrahlen gestatten. Durch Ein satz von Zentrifugen kann der Sedimentationsprozeß beschleu nigt werden. Durch gleichzeitiges Messen an verschiedenen Höhen der Flüssigkeitssäule, wie es bereits vorgeschlagen wurde, kann die Lage der Phasengrenze, vor allem ihre zeit liche und örtliche Veränderung bisher nur sehr ungenau be stimmt und können auch keine Rückschlüsse auf die elasti schen Eigenschaften der Suspensions- beziehungsweise Emul sionsteilchen gezogen werden.

Bekannt ist ebenfalls ein Meßverfahren von J. A. Sirs zur Bestimmung der Deformierbarkeit von Erytrozyten aus der An fangssedimentationsgeschwindigkeit. Dazu wurde der Sedimen tationsprozeß kontinuierlich gefilmt.

Das Ziel des vorgelegten Verfahrens, die Bestimmung der ela stischen Eigenschaften eines Sediments, kann mit den be schriebenen Verfahren nicht realisiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die eine Bestimmung der Elastomechanik von Sedimenten aus Suspensionen und Emulsio nen gestatten.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß der örtliche und zeitliche Verlauf der Phasengrenze zwischen partikel freier Flüssigkeit und Sediment unter dem Einfluß eines ver änderlichen Zentrifugalfeldes bestimmt wird, wobei die zu untersuchenden Proben während des Zentrifugierens im Durch licht-Hellfeld beleuchtet werden und der Leuchtdichteverlauf der Flüssigkeitssäulen von einem hochauflösenden zeilenför migen Bildaufnehmer erfaßt und der Beleuchtungsstärkeverlauf in elektrische Signale gewandelt wird, die hiernach aufbe reitet und in Grauwerte umgesetzt einer rechentechnischen Analyse zugeführt werden. Durch die hohe örtliche Auflösung des zeilenförmigen Bildaufnehmers und die gleichzeitige Auf nahme des gesamten Grauwerteverlaufs entlang der Flüssig keitssäule ist eine direkte und exakte Bestimmung der Pha sengrenze entlang der Flüssigkeitssäule in Abhängigkeit von der Zentrifugalkraft möglich. Durch Variation der Zentrifu galkraft ist es möglich, die Elastomechanik eines zu unter suchenden Sedimentes zu bestimmen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird charakterisiert durch eine steuerbare Zentrifuge, eine Durchlicht-Hellfeld-Be leuchtung zur Abbildung von auf dem Rotor der Zentrifuge aufgebrachten Küvetten auf einen hochauflösenden zeilenför migen Bildaufnehmer und ein rechentechnisches Auswertesy stem, wobei die Zentrifugalkraft variierbar und der Meßvor gang asynchron durch eine externe Triggerimpulsfolge steuer bar ist.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Obersichtsdarstellung der erfindungsgemäßen Vor richtung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines konkreten Ausführungsbei spiels.

Die Vorrichtung besteht aus dem Antrieb (1), dem Rotor (2), der eine Anzahl von Küvetten (3) aufnehmen kann und von de nen mindestens eine als Bezugselement ausgebildet ist, der Beleuchtungseinrichtung, die aus Lichtquelle (4), Kondensor (5), Interferenzfilter (6) und Blende (7) besteht, der Ab bildungseinrichtung, die aus Objektiv (8) und zeilenförmigem Bildaufnehmer (9) besteht, sowie der Steuerelektronik, die aus Lampenregelung (10), Probenerkennung (11), Antriebsrege lung (12), Kameraelektronik (13) und Mikrorechner-Interface (14) besteht.

Auf den Rotor der Zentrifuge werden Glasküvetten radial auf gebracht. Der Rotor weist unter den Küvetten radiale Schlitze auf, die den optisch freien Zugang zu den Küvetten gestatten.

Das Objektiv bildet die Objektebene, die mit der Ebene in der die Küvetten auf dem Rotor bewegt werden zusammenfällt, auf den zeilenförmigen Bildaufnehmer ab. Dadurch wird in der Drehebene der Küvetten ein radialer zeilenförmiger Objekt ausschnitt erfaßt. Im konkreten Ausführungsbeispiel werden die Küvetten auf einen CCD-Zeilensensor (30) mit 1024 Bild punkten abgebildet. Durch Bildpunktgröße und Abbildungsmaß stab kann eine Auflösung von <= 0,1 mm erzielt werden.

Die Beleuchtung der Küvetten erfolgt im Durchlicht-Hellfeld, indem die Lichtquelle durch den Kondensor in die Eintritts pupille des Objektivs abgebildet wird. Die Beleuchtung wird durch eine spaltförmige Feldblende zwischen Kondensor und Objekt auf den durch den zeilenförmigen Bildaufnehmer erfaß ten Objektbereich begrenzt, um den Streulichteinfluß zu re duzieren. Durch die Einschaltung eines Interferenzfilters in den Beleuchtungsstrahlengang wird die Beleuchtung in ver schiedenen, eng begrenzten Spektralbereichen ermöglicht. Mindestens eine der auf dem Rotor aufgebrachten Küvetten ist als Bezugselement ausgebildet und enthält keine Suspension, so daß, neben der genauen Erfassung der Objektabmessungen, die Erfassung der Leuchtdichteverteilung der Beleuchtungs einrichtung und gleichzeitig der unterschiedlichen Empfind lichkeit der einzelnen Pixel sowie des Einflusses von Tempe ratur und Spektralbereich der Beleuchtung auf die Pixel empfindlichkeit für Referenzzwecke ermöglicht wird.

Die Lampenregelung gewährleistet die optimale Aussteuerung des Bildaufnehmers und damit die volle Ausschöpfung seines Dynamikbereichs.

Die Probenerkennung ermöglicht die Zuordnung der Küvetten zu den jeweiligen Aufnahmen und die Synchronisation der Belich tung mit einer definierten Lage der ausgewählten Probe. Sie wird durch 2 Lagegeber (15) und (16), einen Zähler (17) und einen Komparator (24) realisiert. Der erste Lagegeber (15) dient der Erkennung einer definierten absoluten Rotorwinkel position. Er erfaßt über den opto-elektronischen Reflexkop pler (19) und die nachgeordnete Komparatorschaltung (20) ei ne auf dem Rotorumfang aufgebrachte und einer bestimmten Kü vettenposition zugeordnete lichtreflektierende Marke (18).

Der zweite Lagegeber (16) dient der Erkennung von relativen Änderungen der Rotorwinkelposition in diskreten Schritten. Er erfaßt über den optoelektronischen Reflexkoppler (22) und die nachgeordnete Komparatorschaltung (23) (n-1) auf dem Rotorumfang in einer zweiten Ebene aufgebrachte und den restlichen Probenpositionen zugeordnete lichtreflektierende Marken (21), wobei n die Anzahl der sich aus dem Rotoraufbau ergebenden möglichen Probenpositionen ist. Der Zähler (17) dient der Generierung eines Digitalwortes, welches späte stens nach einer Rotorumdrehung eineindeutig der jeweils durch die Lagegeberanordnung erfaßten Küvette zugeordnet werden kann. Der Komparator (24) dient der Generierung des Binärsignals zum Start des Belichtungsvorgangs des Bildauf nehmers zum Zeitpunkt der Übereinstimmung des über das Mi krorechner-Interface bereitgestellten digitalen Probenaus wahlwortes mit der am Zählerausgang anliegenden Information.

Die Antriebsregelung erfolgt durch einen Mikrorechner. Füh rungsgröße ist die Rotordrehzahl, die als Funktion der Zeit durch das Anwenderprogramm vorgegeben wird. Die Stellgröße wird im Mikrorechner aus Führungsgröße und Rückkopplungssig nal nach einem vom Anwender im Programm abgelegten Regelal gorithmus abgeleitet und als analoger Spannungswert über das Mikrorechner-Interface ausgegeben. Stellglied ist ein 4-Qua dranten-Servoverstärker (25) mit unterlagertem Stromregel kreis, I²t-Schaltung und erhöhtem Impulsstrom zur Verbesse rung der dynamischen Eigenschaften des Antriebes. Antriebs element des Zentrifugenrotors ist ein DC-Servomotor (26). Das Rückkopplungssignal wird durch einen starr mit dem Motor gekoppelten Tachogenerator (27) als drehzahlproportionaler Gleichspannungswert gewonnen. Die Eingabe des Rückkopplungs signals in den Mikrorechner erfolgt über das Mikrorechner- Interface. Die Pegelwandlerschaltungen (28) und (29) reali sieren die Pegelanpassung von Stellgröße und Rückkopplungs signal.

Die Kameraelektronik realisiert die Ansteuerung und die Sig nalaufbereitung des Bildaufnehmers. Der CCD-Zeilensensor (31) wird in der asynchronen Betriebsart betrieben, die durch das sich ständig wiederholende, durch entsprechende Impulsansteuerung (30) angeregte, Auslesen des CCD-Zeilen sensors in den Pausen zwischen Ende und Beginn der Integra tionszeitdauer zur Verhinderung der Entstehung von Ladungs ansammlungen durch Rest- und Ruheströme gekennzeichnet ist. Die Integrationszeitsteuerung (32) blendet aus dem vom Kom parator (24) generierten Signal zum Start des Belichtungs vorganges einen Impuls aus, der nach Synchronisation mit dem Transporttakt als Übernahmeimpuls zum CCD-Zeilensensor (31) gelangt und den Integrationsvorgang startet. Gleichzeitig wird mit diesem Impuls eine Zeitschleife gestartet. Nach de ren Ablauf wird erneut ein Impuls generiert, der nach Syn chronisation mit dem Transporttakt als neuerlicher Übernah meimpuls zum CCD-Zeilensensor (31) gelangt und den Integra tionsvorgang beendet. Während des Integrationsvorganges wird das selbständige Auslesen durch die Impulsansteurung (30) verhindert. Die in den Einzelelementen des CCD-Zeilensensors (31) während des Integrationsvorganges generierten Ladungen sind dem Beleuchtungsstärkeprofil der jeweiligen Küvettenab bildung auf dem CCD-Zeilensensor proportional. Die Videosig nalaufbereitung (33) wandelt die seriell aus dem CCD-Zeilen sensor (31) ausgelesenen Ladungspakete in eine analog-dis kontinuierliche Spannung, die nach ihrer Verstärkung als Vi deosignal einem schnellen A/D-Umsetzer (34) des Mikrorech ner-Interfaces zugeführt wird. Zur Steuerung des A/D-Umset zers (34) werden der Pixeltakt und das Datengültigkeitssig nal genutzt, die aus der Impulsansteuerung (30) abgeleitet 0 werden.

Das zentrifugale Kraftfeld, daß durch die Drehbewegung des Rotors auf die Küvetten wirkt, bewirkt die Sedimentation der in den Küvetten enthaltenen Suspensions- beziehungsweise Emulsionsteilchen. Durch eine entsprechend kurze Belich tungszeit des Bildaufnehmers und Synchronisation der Be lichtung mit der Lage des Rotors wird die Momentaufnahme des Verlaufs der Leuchtdichte entlang der Flüssigkeitssäule ei ner beliebigen Küvette während der Drehbewegung ermöglicht. Dadurch ist es möglich den zeitlichen Verlauf der Phasen grenze zwischen partikelfreier Flüssigkeit und Sediment mit hoher Genauigkeit und Geschwindigkeit zu bestimmen. Im Be sonderen kann nach Abschluß der Sedimentation die Änderung der Lage der Grenzschicht als Funktion der Änderung der Zen trifugalkraft durch Änderung der Drehzahl des Rotors als De formierbarkeitskennlinie erfaßt werden. Aus der Deformier barkeitskennlinie können Aussagen zu den Eigenschaften und der Zusammensetzung der Suspension oder Emulsion abgeleitet werden. Durch die freie Programmierbarkeit der Zentrifuge ist es möglich den Geschwindigkeitsverlauf und die Meßwert aufnahme im Rahmen der Systemgrenzen frei zu gestalten.

Weiterhin ist es möglich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung den Verlauf der op tischen Dichte entlang der Küvette in Abhängigkeit von der Zeit zu erfassen. Die optische Dichte wird durch die Ermitt lung des Transmissionsgrades bestimmt.

T = (E₁ - E₂)/E₁

T = Transmissionsgrad
E₁ = Beleuchtungsstärke auf dem Bildaufnehmer bei der Referenzmessung
E₂ = Beleuchtungsstärke auf dem Bildaufnehmer bei Messung der gewählten Probe.

Die Bestimmung des Transmissionsgrades erfolgt so, daß in nerhalb von wenigen Millisekunden das Bezugselement und die Probenküvette nacheinander vom Bildaufnehmer erfaßt und die Bilddaten im Speicher des Rechners abgelegt werden, wo dann zu einem späteren Zeitpunkt die bildpunktweise Berech nung des Transmissionsgrades der Probe erfolgt. Die oben ge nannten Fehlereinflüsse können so durch eine Shadingkorrek tur weitgehend eliminiert werden. Aus dem Verlauf der opti schen Dichte lassen sich qualitative Aussagen für verglei chende Messungen ableiten. Die berechneten Transmissionswer te stehen im Speicher für weitere Auswertungen, wie zum Beispiel zur genauen Bestimmung der Lage der Grenzschicht und deren zeitlichen Verlaufs oder der grafischen Darstel lung des gesamten örtlichen und zeitlichen Verlaufs der op tischen Dichte in Form einer dreidimensionalen Darstellung, zur Verfügung.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Elastomechanik von Sedimenten aus Suspensionen und Emulsionen, gekennzeichnet dadurch, daß das Sediment einem zeitabhängig variierbarem Zentrifugalfeld ausgesetzt wird, dabei gleichzeitig in einem Durchlicht- Hellfeld beleuchtet wird und der Leuchtdichteverlauf der Proben auf einem hochauflösenden zeilenförmigen Bildaufneh mer abgebildet wird und als Maß für den Phasengrenzenverlauf in elektrische Signale gewandelt und rechentechnisch aufbe reitet wird.

2. Verfahren zur Messung der Elastomechanik von Sedimenten aus Suspensionen und Emulsionen nach Anspruch 1, gekenn zeichnet dadurch, daß die Variation des Zentrifugalfeldes durch eine rechnergesteuerte Veränderung der Rotationsge schwindigkeit der Zentrifuge realisiert wird.

3. Verfahren zur Messung der Elastomechanik von Sedimenten aus Suspensionen und Emulsionen nach Anspruch 1, gekenn zeichnet dadurch, daß die Wandlung des Leuchtdichteverlaufs in elektrische Signale wiederholt wird, der Wiederholzyklus asynchron zum Bildaufnehmertakt ist und mit einer dem Bewe gungsablauf der Zentrifuge synchronen Triggerimpulsfolge ge steuert wird.

4. Vorrichtung zur Messung der Elastomechanik von Sedimenten aus Suspensionen und Emulsionen, gekennzeichnet durch eine steuerbare Zentrifuge, eine Durchlicht-Hellfeld-Beleuchtung zur Abbildung des Leuchtdichteverlaufs der auf dem Rotor aufgebrachten Proben auf einem hochauflösenden zeilenförmi gen Bildaufnehmer und ein rechentechnisches Auswertesystem, wobei die Zentrifugalkraft zeitabhängig variierbar und der Meßvorgang durch eine externe Triggerimpulsfolge steuerbar ist.

5. Vorrichtung zur Messung der Elastomechanik von Sedimenten aus Suspensionen und Emulsionen nach Anspruch 4, gekenn zeichnet dadurch, daß mindestens eine der auf dem Rotor auf gebrachten Proben als Bezugselement ausgebildet ist.

6. Vorrichtung zur Messung der Elastomechanik von Sedimenten aus Suspensionen und Emulsionen nach Anspruch 4 und 5, ge kennzeichnet dadurch, daß die Durchlicht-Hellfeld-Beleuch tung zur Abbildung auf einen hochauflösenden zeilenförmigen Bildaufnehmer in der Wellenlänge variierbar ist.