DE4116313C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Elastomechanik von Sedimenten aus Suspensionen und Emulsionen - Google Patents

Description

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

Bekannt sind Analyseverfahren, die nach dem Sedimentationsprinzip arbeiten und die die Bestimmung der Sedimentationsgeschwindigkeit und Korngrößenverteilung durch Ermittlung der Abschwächung von durch die zu untersuchende Suspension und Emulsion gesandten Lichtstrahlen gestatten (US 50 03 488). Durch gleichzeitiges periodisches Messen an verschiedenen Höhen der Flüssigkeitssäule, wie es bereits vorgeschlagen wurde (DE 26 14 917 A1), kann die Lage der Phasengrenze, vor allem ihre zeitliche und örtliche Veränderung, bisher nur sehr ungenau bestimmt und können auch keine Rückschlüsse auf die elastischen Eigenschaften der Suspensions- bzw. Emulsionsteilchen gezogen werden.

Der Einsatz von Zentrifugen ist für die Korngrößenanalyse bekannt (DE-OS 23 24 421). J. A. Sirs (Phys. Med. Biol. 15, 9, 1970) nutzte ein diskontinuierliches Zentrifugationsverfahren zur Bestimmung der Flexibilität von Erythrozyten. Dazu wurde der Sedimentationsprozeß kontinuierlich gefilmt.

Das Ziel des vorgelegten Verfahrens, die Bestimmung der elastischen Eigenschaften eines Sedimentes, kann mit den beschriebenen 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 Emulsionen gestatten.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 4 gelöst. Dabei wird der örtliche und zeitliche Verlauf der Phasengrenze zwischen partikelfreier Flüssigkeit und Sediment unter dem Einfluß eines veränderlichen Zentrifugalfeldes bestimmt, wobei die zu untersuchenden Proben während des Zentrifugierens im Durchlicht-Hellfeld beleuchtet werden und der Leuchtdichteverlauf der Flüssigkeitssäulen von einem hochauflösenden zeilenförmigen Bildaufnehmer erfaßt und der Beleuchtungsstärkeverlauf in elektrische Signale gewandelt wird, die hiernach aufbereitet und in Grauwerte um gesetzt einer rechentechnischen Analyse zugeführt werden. Durch die hohe örtliche Auflösung des zeilenförmigen Bildaufnehmers und die gleichzeitige Aufnahme des gesamten Grauwerteverlaufs entlang der Flüssigkeitssäule ist eine direkte und exakte Bestimmung der Phasengrenze entlang der Flüssigkeitssäule in Abhängigkeit von der Zentrifugalkraft möglich. Durch Variation der Zentrifugalkraft ist es möglich, die Elastomechanik eines zu untersuchenden Sedimentes zu bestimmen.

Ausführungsbeispiel

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

Fig. 1 eine Übersichtsdarstellung 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 (31) 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 optoelektronischen 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 Impulsansteuerung (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 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 (6)

1. Verfahren und Messung der elastomechanischen Eigenschaften von Sedimenten aus Suspensionen und Emulsionen mittels Durchlicht­ verfahren durch Beleuchtung des Sediments in einem Durchlicht-Hellfeld bei dem das Sediment einem konstanten oder zeitabhängig variierbaren Zentrifugalfeld ausgesetzt wird, dabei gleichzeitig das Transmissions­ profil über die gesamte Probe mit hoher Auflösung registriert wird und durch Wandlung des Leuchtdichteverlaufs in elektrische Signale und deren rechentechnische Aufarbeitung die zeitliche Veränderung des Phasengrenzverlaufs automatisch als Maß für die zentrifugalkraft­ abhängige Sedimenthöhe/Sedimentverformung bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Variation des Zentrifugalfeldes durch eine rechnergesteuerte Veränderung der Rotatiosgeschwindigkeit der Zentrifuge realisiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Wandlung des Leuchtdichteverlaufs in elektrische Signale wiederholt wird, der Widerholzyklus asynchron zum Bildaufnehmertakt ist und mit einer dem Bewegungsablauf der Zentrifuge synchronen Triggerimpuls­ folge gesteuert wird.

4. Vorrichtung zur Messung der elastomechanischen Eigenschaf­ ten von Sedimenten aus Suspensionen und Emulsionen mittels Durchlicht­ verfahren durch Beleuchtung des Sediments in einem Durchlicht-Hellfeld, mit einer in Abhängigkeit von der zeitlichen Veränderung der Sedimenthöhe steuerbaren Zentrifuge, einer in die Zentrifuge integrierten optoelektronischen Baugruppe zur hochauflösenden Abbildung des sich über die gesamte Länge erstreckenden Leuchtdichteverlaufs der auf den Rotor aufgebrachten Proben sowie mit einem rechentechnischen Auswertesystem zur prozessabhängigen Steuerung der Zentrifugalkraft und zur automatischen Berechnung und Auswertung elastomechanischer Kenngrößen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß mindestens eine der auf dem Rotor aufgebrachten Proben als Bezugselement ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Durchlicht-Hellfeld-Beleuchtung zur Abbildung auf einen hochauflösenden zeilenförmigen Bildaufnehmer in der Wellenlänge variierbar ist.