NO802464L - Fremgangsmaate og apparat for plassering av punktdraapeformasjoner i fluidumsstraalen til en elektrostatisk sorteringsanordning - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår i allminnelighet elektrostatisk strømningssortering og mer spesielt de sorteringsanordninger som er tilpasset til å avføle til-stedeværelsen og/eller beskaffenheten til partikler i en laminær strøm, og for selektivt å sortere disse partiklene ved å bryte strømmen i et antall -diskré dråper og sorter-

ing av disse dråpene inneholdende slike forvalgte partikler. Slike sortere er kjent for bruk i sortering og analysering

av cellesammensetning av gitte biologiske prøver, som f.eks. ved telling/analysering av celletyper for en gitt blodprøve.

I et apparat av denne allminnelige typen blir laminærstrømmen etablert i et område hvor en lysspredende, fluorescerende ellerVolummåling blir utført. Så snart en celle som er av interesse har blitt avfølt, blir en elek-tronisk tidsforsinkelse aktivert for tidslengde jaødvendig for cellen til å dekke avstanden fra punktet med celle-detektering til punktet med dråpeformasjon. Dråpeformasjonen kan bli fullført ved vibrering av et strømnings-kammer eller en åpning gjennom hvilket strømmen passerer,

ved en frekvens tilstrekkelig til å frembringe dråpeformasjon, i allminnelighet i strørrelsesorden på omkring ho 000 cycler pr sek. Når en celle av interesse ankommer ved dråpeformasjonspunktet, kan en ladningspuls bli tilført for å lade dråpen (pluss, minus eller nøytral), slik åt dråpen som er av interesse går inn i et påfølgende like-strømsfelt, hvor den kan bli avbøyet som ønsket for samling. En generell oversikt over denne teknikken er gitt i "Laser Flow. Microphotometry For Rapid Analysis And Sorting Of Mammalian Cells", Mullaney, et al., Annals New York Academy

Of Sciences, Vol. 197, side I76-I90 (se spesielt side 180

og fig. 3Qg k).

Slike partikelsortere er også beskrevet i US-patent nr. 3 710'933 og 3 380 584 og h lh8 718. I disse patentene blir sorteringen fullført i samsvar med en valgt parameter som kan være størrelse, radioaktivitetsmengde, farge, fluorescens, lysabsorbsjon eller enhver egenskap som er i stand til å bli overført til en elektrisk mengde.

Disse patentene beskriver i tillegg enkeltstående eller

flere parametermålinger for å utføre slik sortering.

For selektivt-å sortere disse dråpene som inneholder celler som er bestemt til å være av spesiell interesse, avhenger i allminnelighet av apparater av denne typen av en strømningsmengde vurdert for fluidum som inneholder

en spesiell celle. Denne strømningsmehgdvurderingen blir nyttet for å vurdere tiden mellom cel1edetekteringen og dråpebruddpunktet ved hvilke selektiv ladning av dråpene

som skal bli sortert finner sted. Som beskrevet i US-patent nr. 3 710 933 blir slike systemer i allminnelighet innrettet og justert før cellemålingene. Dråpeformasjonene blir i allminnelighet spesielt kontrollert ved å belyse utstrålt væske-stråle nær strømningskammeret med et stroboskoplys eller equivalentlyskilde. Stroboskoplyset blir blitzsynkronisert med hensyn til oscillatorfrekvensen. Dråpeforma.sjonen kan ., så bli betraktet ved å benytte ef<r>aikroskop og ved å variere spenningen og frekvensen tilført til strømningsforstyrrelses-omformeren kan dråpeformasjonen bli justert for en gitt dysediameter og s.trømningsl engde. Se US-patent nr. 3 710 933»spalte 11, linje lk- k9.

Som beskrevet spesielt i US-patent nr. 3 710 933 kan strømningsmengden ved å tilføre kjent trykk til forskjellige reservoarer bli vurdert og cellestrømmen justert ved å variere de relative trykkene mellom forskjellige reservoarer som føres inn i strømmen.. Tilnærmet tidsforsinkelse mellom celleavfølingen og dråpeformasjonen (som er vurdert i ovennevnte US-patent, og være i størrelsesorden av l4oo mikrosek.) kan bli vurdert slik at en egnet dråpeladnings-generator vil operere i kombinasjon med pulshøydeanalysator og celleseparasjonslogikken for å lade valgte celler som inneholder dråper for påfølgende elektrostatisk sortering.

Et antall faktorer påvirker muligheten for et gitt apparat å selektivt sortere en eller flere typer med målceller fra en kontinuerlig cellestrøm. Også ved antagelse at detekteringsutstyret for å identifisere hver celle som skal bli sortert er lOO1^ nøyaktig kan forskjellen i strømningsmengden, temperaturen, fluidiumviskosi teten og omformerutførelsen påvirke tidsforsinkelse eller plasseringen av de ønskede målcelleinneholdende dråper ved bruddpunktet, som er punktet ved hvilke en ladningspuls må bli tilført for å sikre at målcellen vil bli elektrostatisk sortert i det påfølgende.

En av fremgangsmåtene benyttet for å justere

et slikt sorteringsapparat innbefatter kjøring av en under-søkelse sprøve gjennom det apparatet som er innstilt eller programmert til å sortere med hensyn til en eller flere lett identifiserbare celletyper. Ifølge denne prosedyren blir forsinkelsestiden manuelt justert inntil de dråpene som er sortert fra strømmen er funnet som skal inneholde det ventede antall målceller. Mens denne fremgangsmåten benyttet alene eller kombinasjon med stroboskopmetoden ovenfor beskrevet har vist seg å gi tildels heldige re-sultater, er den tilbøyelig til i en viss grad å gi feil spesielt i løpet av perioder med utstrakt maskinbruk og/ eller forandrende driftsforhold, slik som forandring i prøvevisko si tetene og/eller temperaturer.

I US-patent nr. 3 826 364 er beskrevet en spesiell sorteringsfremgangsmåte og apparat hvor en koak-sialstrøm blir utløst gjennom en vibreringsdyse. Under-søkelse (avhøring) av strømmen ved hjelp av en eller flere celleføreinnretninger for avføling av cellene i strømmen forekommer umiddelbart nedstrøms til dysen. I ovenfornevnte patent blir ladepulser tilført ved bestemte tids-punkter for nøyaktig adskillelse av dråper ved bruk av forsinkelse senhe ter som er justert til å tilveiebringe nød-vendig tidsforsinkelse for å gi bevegelsestid til partiklene fra punktet med partikkelspredningsdetektéring til punktet hvor strømmen brytes i dråper, jfr. forøvrig ovénfornevnte patent, spalte 7>linje 22-32.

Som det fremgår av det nevnte patentet er varig-heten såvel som anvendelsestiden av ladepulsene kritisk for separeringen av i det minste dråpen som inneholder måle-partikkelen som skal bli sortert. Jfr. forøvrig også nevnte påtent spalte 8, linje 2-6.

Som også nevnt i ovenfornevnte US-patent fører et dråpebrudd fra en gitt strøm med seg en ladning som er piwporsonal og potensial i mellom dråpastrommen og omgivende elektroder eller ladningsoverflater ved tidspunktet for dråpesepareringen fra strømmen. Dersom dråpebruddet fra strålestrømmen i løpet av overføringstiden fra dråpelad-ningspulsen, enten i løpet av flanken eller den bakre kanten til pulsen kan en mellomliggende verdi mellom 0 og ønsket full ladning bli tildelt måldråpen. Ved anordningen ifølge US-patentet 3 826 364 blir på/av overganger med dråpelad-ningspulser synkronisert med dråpeformasjonsinnretningen hvorved ladningspulsovergangene kan bli synkronisert til å forekomme kun mellom formasjonen av dråper og når dråper ikke blir adskilt fra strømmen. Dette er muliggjort ved ovenfornevnte anordning ved anbringelse av en variabel fasestyreenhet innbefattet i omformingsstyrekretsen som er justert for riktig takting av dråpeformasjonen med dråpe-ladepulsen. Som beskrevet i US-patent nr. 3 710 933 gir stroboskopisk belysning av strømmen muligheten til å be-trakte strømmen gjennom et egnet mikroskop, idet den strob-oskopiske belysningen er synkronisert med dråpeladnings-pulsene slik at strømmen og mer spesielt avbøyd dråper kan<*>bli belyst for å sikre at avbøyde dråper inneholder ønskede partikler som skal bli sortert.

I den senere tid har forskjellige apparater og fremgangsmåter blitt foreslått for å takte anvendelsen av en ladepuls slik at dråper som inneholder partikler som skal bli sortert kan bli selektivt ladet. US-patent nr. 3 9^3 6o6 beskriver en spesiell adskiller for adskillelse av partikler i et fluidum i samsvar med visse partikkelkarakteristikker. Denne anordningen innbefatter en' innretning for justering av en elektrisk forsinkelse som skal bli lik med tiden mellom utstråling av partikkel fra en stråledannende åpning til punktet med brudd. Ovenfornevnte patent foreslår bruken av en bevegelig skala i stedet for det matte glasset ved tidligere kjente projekseringsmikroskop, idet denne skalaen er forbundet med et potensiometer til en RC-oscillator for derved å styre oscillatorens frekvens. Et andre potensiometer for å styre klokkeoscillatorfrekvensen er koplet til et høyde justeringselement i åpningen, idet denne frekvensen blir benyttet til å klokke f or sinkel se s-skif te-regi s t erne slik at ladepulsen kan bli lett bevirket til å forekomme ved bestemt tid, uavhengig fluktasjonstrykk, hastighet, amplitude og frekvens til dråpeformingsgeneratoren. Se US-patent nr. 3 9^3 606, spalte 2, linje 23-36. Ovenfornevnte patent viser en mer automatisert verson av stroboskop-pro-jeksjonsmikroskop-teknikken: beskrevet ovenfor.

Dråpeformingskarakteristikkene i en forstørret strøm har altså blitt betraktet i forbindelse med typen farve stråletrykkingen. Ved farvestråletrykking hvor diskré farvedråper dannet i en farvestrålestrøm blir elektrostatisk rettet for å danne tegnene på en opptegningsflate, spesielt dempning av litt gjort for å etablere jevn dråpeformasjon og ladningskarakteristikker. Siden ladningen gitt til enhver gitt dråpe ved dens bruddpunkt er proporsonal med dens over- - flateområde, det er formen av den .dråpen ved bruddpunktet, og siden jevn lett ladningsvariasjon kan frembringe feil-aktig avbøyningskarakteristikker, har farvestråletrykkere foreslått forskjellige systemer for å tilveiebringe en farvestrålestrøm som innbefatter jevn formet og jevnt ladede dråper som vil gi en forutsibar nedstrømsavbøyningsoppførsel. Disse problemene blir komplisert ved tendensen til den forstyrrede strømmen å danne "satelitter" som ikke kun påvirker ladningen tilført foregående eller påfølgende dråper, men også endrer volumet til disse dråpene som derved tilsvarende påvirker trykkingens jevnhet.

Ved farvestrålesprøyting har uttallige systemer blitt foreslått for å avføle karakteristikkene til en forstyrret farvestrålestrøm, enten over eller under bruddpunktet til nevnte strøm. US-patent nr. 3 907 ^29 beskriver en' fremgangsmåte ved anordning for å detektere hastigheten for å detektere dråpene dannet fra■en væskestrøm. Ifølge denne beskrivelsen blir diskré dråper rettet mellom et par åpning-er og en lyskilde som blir stroboskopisk synkronisert med en valgt frekvens og rettet mot åpningen. Ved detektering av tiden mellom når en første av åpningene er blokkert av en dråpe i strømmen som blir indikert av lyset som blir brudt i løpet av stroboskoptilføringen, og tiden når en andre av åpningene blir blokkert av en annen dråpe, når lyskilden blir talt, kan hastigheten til dråpene bli målt og en korrek-sjon av hastigheten kan bli utført ved å forandre trykket av forgrenings tilførselen av væske strømmen. I US-patent nr," 3 7^9 627 benytter en farvestråleskrivesystem en ioneut-ladning av dråper hvor en lyskilde og en fotocelle anbragt nedstrøms fra bruddpunktet til en forstyrret strøm bli benyttet for å avføle passeringen av diskré dråper og tids-måle forsinkede ladninger påfølgende tilført dertil. Jfr. forøvrig US-patent nr. 3 769 627 spalte 1, linje 18-35-Denne fremgangsmåten blir utført ved å benytte ovenfor beskrevne fotocelleanordning for å telle og syn-kronisere ladninger tilført når diskré dråper passerer flere separate ladningsstasjoner som reagerer på kodet informasjon tilført til hver stasjon synkront med passeringen av hver1 dråpe.

Som beskrevet i US-patent nr. k okj 1.83 har

0

anstrengelser blitt gjort for å tilveiebringe styring og formasjon av formen av dråpene i en farve strålestrøm ved å avføle overflate bølgeprofilen til den kontinuerlige delen av strømmen (oppstrøms fra bruddpunktet) ved å belyse den delen til strømmen med en strålingsenergikilde slik som en laser. Overflatebølgeprofilen frembragt ved å belyse strøm-men for å tilveiebringe fundamental og harmonisk sekvens-komponenter derav og et forstyrrende drivsignal, hvis amplitude og relative fase som en funksjon av avfølte fre-kvenskomponenter for styring av formasjonen og formen av dråpene. Etter en beskrivelse av fordeler og vanskeligheter med styring av avbrytingsgeometrien, spesielt med hensyn til belysningen av satelittformasjonene, beskriver ovenfornevnte patent den praktiske ønskeligheten av måling av farvestråle-strømmen oppstrøms i stedet for nedstrøms for dråpebruddpunktet. jfr. forøvrig US-patent nr. k ohj 1^3, spalte 4, linje 53-68.

Ovenfornevnte patent beskriver et system hvori en farvestrålemanifold som har en forstyrrende innretning, slik som et piezoelektrisk krystall sender en forstyrret farvestrålestrøm inn i en.ladningselektrode konstruksjon, som er pulset på velkjent måte for selektivt å tilføre ladning til dråpene. En kilde med strålingsenergi, som kan være en helium-neon laser, stråler strålingsenergi fokusert på den kontinuerlige delen av strålen "nett før" strålingen går inn i ladningselektrodekonstruksjonen". Siden farven er opaque blir en skygge dannet som blir avbildet gjennom en linse på et substrat som har en spalte dertil. Denne skyggen dannet derved utgjør overflatebølgeprofilen til strålen som er en " fremstilling av de respektive amplitudene og relative fasene til fundamentale og harmoniske frekvenser. Jfr. forøvrig nevnte US-patent nr. 4 047 183, spalte 6, linje 27-68, spalte 7»linje 1-26.

Ved en foretrukket utf øiel se sf orm i ovenf ornevnte patent blir utgangssignalet oppnådd på.denne måten bragt til å styre fundamentale og harmoniske frekvenser tilført dert piezoelektriske forstyrrelsesinnretningen for å styre dråpeformasjonen og formen til dråpene frembragt av farvestråle-s trømmen.

Jfr. også IBM Technical Disclosure Bulletin Volume 16, No. 12, May 1974, side 3877-8, med tittelen "Feedback For Synhronized Pressure Jet Using Optical Sensor", og IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. l6, No. 3» August 1973, side 880, med tittelen "Phase Detection On Ink Jet Droplets", som beskriver farvestråletrykke-systemer som benytter optisk føler.

Andre skrifter som beskriver forskjellige farvestråletrykke-synkroniseringssysterner er US-patent nr. 025 926, nr. 4 045 770, nr. 3 953 860, nr. 3 7^1 94l,

nr. 3 836 912, nr. 3 982 251, nr. 3 878 591.

Andre patenter som beskriver partikkel eller strømningssorteringssysterner er US-patentene nr. 3 94l 479, nr. 3 851 169 og nr. 3 910 702.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en ny fremgangsmåte og apparat for nøyaktig etablering og posisjon-ering av bruddpunktet ved en laminær strøm til et elektrostatisk partikkel-sorteringsapparat. Ved nøyaktig styring<*>av bruddpunktet i systemet, vil andre faktorer slik som variabel overflatespenning, viskositet, temperaturer etc., som ellers ville kunne forstyrre den nøyaktige ladningen av partikler som inneholder dråper, ikke forstyrre med dråpe-ladningssynkrnniseringen.

Et nytt elektrostatisk partikkel-sorterings-system er beskrevet som innbefatter en strømningsinnretning for etablering av strøm med en kontinuerlig-partikkelinneholdende strøm, som består av i det minste en partikkel-inneholdende kjernestrøm og en omhyllende strøm. En optisk detekteringsinnretning er anbragt for optisk å detektere partikler i det minste ved et partikkelfølerpunkt langs strøm-men. Forstyrrelsesinnretning for å forstyrre strømmen med i.det minste en forvalgt frekvens og amplitude for å bevirke strømmen til å danne et avbrytelsespunkt (bruddpunkt) ved hvilke strømmen blir en rekke diskré dråper. For.å takte den relative ladningen slik at de valgte dråpene inneholder -

i det minste valgte partikler detektert av den optiske detek-teringsinnretningen er en synkroniseringsinnretning anbragt som består av en omhyllingsfølerinnretning for å avføle lys-spreder- og slukkekarakteren til strømmen ved et omhyllings-følerpunkt påfølgende stedet for forstyrrelsen, overflatekarakter analyseinnretning for å tilveiebringe et utgangssignal som i det minste reagerer selektivt på omhyllings-fø1erinnre tningen, og forstyrrelse samplitude-justeringsinn-retning som reagerer på overflatekarakter-analyseinnretningen for å etablere og opprettholde bruddpunktet ved omhyllings-følerpunktet.

Ved den foretrukne utførelsesformen består om-hyllingsf ølerinnretningen av en strålingsenergikilde fokusert på strømmen for å måle sprede- og slukkingen av strømmen og mer spesielt omhyllingsstrømdelen til den strømmen. Om..-hyllingsfølerinnretningen tilveiebringer følgelig et overflatekarakterutgangssignal som er proporsonalt med overflatekarakteren til strømmen. Ifølge den foretrukne utførelsesformen har forstyrret laminær strøm blitt funnet og tilveiebringe i det vesentlige forskjellige og tydelige utgangssignaler når de blir avfalt ovenfor, under eller ved deres bruddpunkt.

Ved sammenligning av sanntidsbølgeform-karakteristikker med

en referansebølgeform-karakteristikk-innstilling kan et feil-

signal følgelig bli frembragt ved å variere amplituden til omsetteren inntil bruddpunktet er etablert og opprettholdt ved det omhyllingsfølerpunktet. Ved antagelse at en fast strømningsmengde vil følgelig en gitt tidsforsinkelse gi nøyaktig dråpeladning av dråper som inneholder partikler i-dentifiserte oppstrøms fior sortering.

En primærhensikt med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe et forbedret elektrostatisk partikkel-sorteringsapparat hvor bruddpunktet til en forstyrret laminær strøm er etablert og opprettholdt ved et fast sted. Dette og andre hensikter med foreliggende oppfinnelse skal beskrives nærmere i det påfølgende.

Oppfinnselsen skal nå beskrives nærmere ved hjelp av foretrukne utførelsesformer i forbindelse med tegn-ingene, hvor: Fig. 1 viser et delvis blokkdiagram av det foretrukne utførelsesapparatet ifølge foreliggende oppfinnelse, Fig. 2 viser bølgeformen av et overflatekarakter-utgangssignal frembragt ved bruddpunkt-område til en laminær strøm, Fig. 3 viser bølgeformen til overflatekarakterutgangssignalet når omhylningsfølerpunktet er plassert under bruddpunktet. til en forstyrret laminær strøm, og Fig. viser bølgeformen til overflatekarakterutgangssignalet frembragt når omhyllingsfølerpunktet er plassert over bruddpunktet til en forstyrret laminær strøm.

Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å bruke den sammen med et elektrostatisk partikkel-sorteringsapparat hvor en rekke partikler svevende i en fluidum blir innført i en omhylnings-strøm 12 for å tilveiebringe en laminær strøm l4. Denne strømmen blir så bragt til å strømme gjennom et laminær-strømni ngs-kammer hvor en optisk detekteringsinnretning detekterer partikler ved i det minste et partikkelfølerpunkt, og registrerer hvilke av disse partiklene som skal bli sortert fra strømmen. Denne optiske detekteringen kan benytte en helium-neon laser fokusert på den laminære strømmen l4 inne i laminærstrømningskammeret. Ved å benytte forskjellige fotooptiske detektorer i kombinasjon mei forskjellige dyser innført i kjerne strømmen kan sprede, absorbsjon, fluorescerings- eller andre karakteristikker av partiklene følt ved partikkelfølepunktet identifisere de partiklene som i det påfølgende skal sorteres.

Partikkeldetektorkilden l6 kan være en lyskilde, en lysémmiterende diode, helium neon laser, eller laser diode. En eller flere partikkeldetektorreseptorer 18 kan være orientert ved en eller flere stillinger i forhold til strømmen, avhengig av partikkeltypen og lokaliseringen av energien som skal bli detektert. I tilfelle at en partikkel valgt for sortering har blitt avfølt, vil en egnet tidsforsinkelses-krets 20 justert for trigging av dråpeladekretsen 22 bevirke relativ ladning av dråpen som inneholder den forvalgte partikkelen nøyaktig ved det tidspunkt når dråpen blir dannet ved bruddpunktet 26. Ved å følge detekteringen^ay den ønskede partikkelen ved partikkelpunktet strømmer strømmen ut gjennom en åpning 28 som er forstyrret av en omsetter og omsetterdriver 32 og 3k henholdsvis. Forstyrrelsesinnretningen i den forstyrrede laminærstrømmen 36 øker gradvis i størrelse eller amplitude på grunn av overflatespenningen til væske-strålingen. Ifølge- den foretrukne utførelsesformen til foreliggende oppfinnelse forstyrrer forstyrrelsesinnretningen, som innbefatter omsetteren 32, omsetterdriveren 34 og en styrt amplitudeoscillator 38, strømmen med i det minste en forvalgt frekvens og amplitude for å bevirke strømmen til å danne et bruddpunkt betegnet med 26.

Synlcroniseringsinnretningen ved foreliggende oppfinnelse består av en omhyllingsfølerinnretning for av-føling av lyssprede- og slukkekarakter til strømmen ved et omhyllingsfølerpunkt påfølgende forstyrrelsen og for å frembringe et overflatekarakter-utgangssignal som er proporsonalt dertil. Som vist på fig. 1 tilsvarer omhyllings-følerpunktet bruddpunktet, idet bruddpunktet automatisk blir opprettholdt ved omhyllingsfølerpunktet, som beskrevet nærmere senere. Omhyllingsfølerinnretningen består av en omhyllingsdetektor til 2h, som er en strålingsenergikilde med hensyn til hvilke omhyllingsstrømdel er vesentlig gjennomskinnelig. Ved den foretrukne utførelsesformen kan omhyllingsdetektorkilden være en helium neon laser, en lys-emitterende diode, en laser diode eller en vanlig lyskilde. Omhyllingsdetektorkilden er fokusert på strømmen. Egnet optikk skulle være tilveiebragt for å fokusere strålingsenergi for strømmen. En 1 i-n se enhet som innbefatter to sylindriske linser har vært funnet å være egnet for dette formål, idet hver av disse linsene har deres akser orientert perpendikulært på aksen til! innfallende lys, såvel som perpendikulært med hensyn til hverandre. Man har funnet det egnet .å benytte en fremre sylindrisk linse som har en brenn-vidde på tilnærmet 6rnm og en bakre linse som har en brenn-vidde på tilnærmet llcm. Den foretrukne omhyllingsdetektorreseptoren er en fotodiode, men kan også være en fotomultiplikator. Ved de ovenfornevnte identifiseringslinsene tenderer deri fremre linsen til å fokusere strålingsenergi<*>på strømmen mens den bakre linsen. fokuserer innfallende ener-gi mot dioden. Man har funnet det egnet å benytte.en vanlig FC200 Ortho Instruments linseenhet for dette formål. Denne linseenheten kan f.eks. bli plassert tilnærmet 6,3mm fra strømmen og fotodioden tilnærmet 25,4mm på den motsatte siden av strømmen etter brennpunktet på linseenheten for at fotodioden skal ta opp en hoveddel av lyset enten spredt eller slukket av strømmen, men ikke så mye lys at det oppstår en detektormetting.

For å måle den relative spredningen og slukkingen av strømmen ved omhyllingsdetekteringspunktet er en omhyllings-detekteringreseptor ho anbragt på motsatte side av strømmen i en posisjon slik at de relative forskjellene i omhyllings-strømmens spredning vil gi proporsonalitetsforskjel1er i utgangen til omhyllingsdetektorreseptoren, hvis utgangssignal representerer et overf latekarakterutgangssigiial . Ved den foretrukne utførelsesformen er • omhyllingsdetektorreseptoren en fotodiode eller mindre foretrukket en fotomultiplikator.

Overflatekarakterutgangssignalet blir mottatt

av en bølgeformkarakteristikkdetektor-generator kl som ana-lyserer overflatekarakteren til strømmen og frembringer sitt eget utgangssignal som blir sammenlignet med signalet til en referansebølgeformkarakteristikk- innstilingsinnretning k2

via en feilsignalgenerator 44 for å tilveiebringe et feilsignal i tilfelle av at dråpebruddpunktet ikke er funnet å være ved omhyllingsfølepunktet. Dette feilsignalet vil øke eller minske amplituden til forstyrrelsen tilført laminær-strømmen ved hjelp av omsetteren ved påvirkning gjennom tidligere nevnte styreamplitudeoscillator 38 og omsetterdriveren 34. På denne måten vil dråpebruddpunktet 26 automatisk bli igjenanbragt ved omhyllingsfølerpunktet og vil bli opprettholdt i den posisjonen også i tilfellet.at andre faktorer slik som overflatespenning, viskositet, strømningsmengde, temperatur, åpningsdiameter, etc. endres i løpet av driften av anordningen. Ved den foretrukne utførelsesformen for en gitt laminær strøm skulle, omhylningsf ølepunktet bli anbragt slik at under normale forhold blir omsetteramplituden innstilt til omkring 30% av dens maksimale amplitude, som' derved gir en hovedsaklig justering av amplituden for å kompensere de ovenfornevnte effekter.

Fig. 2,3 og k viser bølgeformer for laminær-strømmen ved henholdsvis under og over bruddpunktet. Når overvåket av omhyllingsfølerinnretningen forløper sann tid fra venstre til høyre, mens mengden av lys avfølt av om-hylningsdetektor reseptoren øker vertikalt. Fig. 4 viser en kurve av forstyrret laminærstrøm 36 når omhylnirg sføler-punktet er anbragt i det vesentlige over bruddpunktet, og som det fremgår av kurven er overflatekarakterutgangssignalet i det vesentlige sinusformet. Toppene 100 og 102 korresponderer med relativt tynnere deler med forstyrret strøm, hvor betydelig mindre deler av strålingsenergien er utelatt av pmhylningsdetektorkilden 24, er bragt til å bli spredt,

og hovedsaklig større deler av den energien blir således mottatt av omhyllingsdetektorreseptoren (mottager) 40.

Bølgedalene 104 og 106 korresponderer med "buler" eller områder med relativt større amplitude- i den forstyrrede strømmen 36, og forårsaker tilsvarende hovedsaklig større deler med strålingsenergi fra omhyllingsdetektorkilden 24 til å bli spredt og således ikke mottatt av omhyllingsdetektormottageren 40. Fig. 3 viser overflatekarakterutgangssignalet når omhyllingsfølerpunktet er anbragt hovedsaklig under bruddpunktet, det er "når diskré dråper allerede har blitt dannet, idet hver av bølgedalene 110 og 112 korresponderer med diskré dråper, og de små bølgedalene ll4 og ll6 korresponderer med små mellomliggende "satelitter" og den øvrige delen av bølgeformen 1.18 og 120, når topp-mengder med lys er mottatt av ..omhyllingsdetéktormottageren korresponderer med rommene mellom dråpene (og/eller satelittene). Den unike bølgeformen vist på fig. 2 er bølgeform-en av overflatekrakterutgangsignaler når. omhyllingsføler-punktet og bruddpunktområdet korresponderer. Rommene mellom dråpene 122,124 og 127 representerer tider når maksimal mengde med lys blir samlet av fotodiodeomhyllingsdetektormottagerne 4o. De dypeste bølgedalene betegnet med 128 og 130 og 132 representerer maksimale buler med dråper som skal bli dannet. Små ribber 134 er som det fremgår av kurven dannet i bulene, og kan være resultat av harmoniske"i omsetterfrekvensen eller på annen måte naturlig resulterer fra oppførselen til dråpen eller bruddpunktet hvis oppførsel ikke til nå er fullt for-stått. Idet man følger bulingen, men fremdeles forbundet dertil er bånddelene som representerer hurtig utstrekking av endene av bulingen til et bånd som har et mindre senter enn. endene. Dette båndets størrelse og geometri blokkerer kun omkring halvparten av lyset som den største delen av dråpen. Denne bånddelen har blitt brutt bort fra foregående dråper

og trinnbåndhellingene l42, l44 og l46 fører klart til frie luftmellornrom, slik som 124 og 126. mellom dråpene. Som det fremgår av bølgeformen på fig. 2 er tre spesielle trinnhell-.inger med betydelig amplitude som utgjør bølgeformen ved bruddpunktet. Først,! danner negative dråper hellingen l48, 150 og 152, så -danner positive dråper/bånd hellinger 154, 156 og 158 og tilslutt ender positive bånd hellingene l42,* 144, 146. Dette kan bli sett i kontrast til hellingene vist på bølgeformene på fig. 3 og 4, hvor jevne antall positive og negative hellinger er observert.

Ifølge den foretrukne utførelsesformen av foreliggende oppfinnelse kan også en viss grad med omgivende lys bli samlet av omhyllingsmottagerdetektoren og følgelig blir bølgedalen 110, 112 og 104 og 106 lett avflatet, istedet for å være jevnt avrundet, som vil være å vente dersom omgivende lys ble utelukket fra systemet. Ytterligere har man funnet at bruddpunktbølgeformen på fig. 2 ikke behøver å være så veldefinert som vist på figuren, men heller klare bruddpunkt-bølgeformer kan ikke desto mindre bli avledet selv om en lett defokusering av omhyllingsmottagerkilden er'tillatt, som derved eliminerer detekteringen av små ribber, slik som ribbene Ijk og/eller noen av de spesielle detaljene ved bånd-formen som vist ved 136, 138 og lko.

Som kjent for fagmannen på området er de små satelittene som f.eks. vist ved Ilk og ll6 på fig. 3 ekstremt ustabile, muligens på grunn av deres bevegelse i kjølevannet av mye større sfæriske gjenstander og/eller andre forhold forårsaket av forskjellige induserte ladninger mellom tilliggende ladninger. Det er teoretisk funnet at formen til luftstrømmen * rundt store'' sfæriske gjenstander vil tendere og bevege satelittdråper enten opp eller ned avhengig av størrelsen, bølgelengden og strøm-ningsmengden med dråpestrøm. Bølgeformen vist på fig. 3 vil følgelig bli ventet å bli frembragt innenfor tilnærmet tre bølgelengder bortenfra bruddpunktet. Når omhyllingsdetekteringspunktet er beveget ned vil virkningen av trek-ket og strømmen rundt sfæren bli mye mer klart og satelittene registrert som enten "hurtig" eller "trege" satelitter. I tilfellet f.eks. at satelitten 116 er "hurtig" ville den tendere mot og smelte sammen med dens foregående dråpe, og følgelig vil den bli sett som plass-skiftende mot dråpen 110 inntil den smelter sammen med denne. På lignende måte dersom satelitten 116 var en "treg" satelitt vil dens posisjon tendere mot å veksle relativt mot dråpen 112 inntil den smelter sammen og ble opptatt av dråpen 112, som er den påfølgende dråpen relativ til denne satelitten.

Ifølge med den foretrukne utførelsesformen i-følge foreliggende oppfinnelse vil bølgeformkarakteristikk-detektorgeneratoren analysere overflatekarakter-utgangs-signale l for å bestemme om deres signal er gunstig sammenlignet med referansebølgeform-karakteristikkinnstillings-signalet. Mens en fagmann på dette området vil se fra de forskjellige bølgeformene vist på figurene at der er mange parametre som kan bli benyttet for å registrere bølgeformen på fig. 2 fra disse på fig.i 3 og 4, er det antatt at teknikken beskrevet i US-paterit søknad nr. 68112, inngitt 20. august 1979, den beste.måten å utføre analysen. Som nærmere beskrevet i denne søknaden, vil ved hjelp av dif-ferensering av overflatekarakterutgangssignalet et odd antall topper som korresponderer med tre trinns bruddpunkt-

i

topper til den vesentlige amplituden bli frembragt når om-hyllingsf ølerpunktet er plassert ved bruddpunktet, mens derimot et jevnt antall slike topper vil bli frembragt pr. syklus dersom omhyllingsfølerpunktet er plassert enten opp-over eller under bruddpunktet. I begge disse sistnevnte to tilfellene vil feilsignalgeneratoren frembringe et feilsignal for å variere den styrte amplitudeoscillatoren, og vil således virke gjennom omsetterdriveren jk', omsetteren 32 og åpningen 28 for å variere forstyrrelsesamplituden til

forstyrret laminær strøm 36. Dette på sin side vil bevege bruddpunktet til forstyrret laminær strøm inntil bruddpunktet som korresponderer med omhyllingsfølerpunktet, ved hvis tidspunkt ikke noe ytterligere feilsignal og således ingen ytterligere forandring i omsetteramplituden behøver å bli tiIve.iebragt. Under antagelse av en konstant strømnings-mengde vil en fast tidsforsinkelse tilveiebragt av tids-forsinkelsen 20 bevirke dråpeladning gjennom dråpeladnings-kretsen 22, slik at dråpe er ladet ved bruddpunktet kan bli sortert ved hjelp av anvendelsen av et elektrisk felt, frembragt av avbøyningsplatene 200 og 202, slik at ønskede partikler som skal bli valgt kan bli samlet i en av prøve-samlingsbeholderen 2o4, 206 eller 208.

Av ovenf ornevnte fremgår at et ekstremt enkel,"og effektiv fremgangsmåte og apparat er beskrevet for nøy-aktig bestemmelse og etablering av bruddpunktet til en forstyrret laminær strøm ved en fast avstand fra partikkeldektek-.teringspunktet. Under antagelse av en fast strømningsmengde, vil nøyaktig fast tidsforsinkelse følgelig sikre presis dråpeladning av dråper som inneholder partikler som skal bli so r-t ert.

Det er klart at "forskjellige forandringer i detaljene, materiler og anordning av delene som her har blitt beskrevet eg vist for å forklare oppfinnelsen kan bli gjort av fagmannen på området innenfor hensikten og prin-sippene av oppfinnelsen som angitt i kravene. Uttrykkene "forstyrrelse" eller "forstyrrelsesinnretning" er ment å<*>innbefatte ikke bare mekaniske vibrasjonsfremgangsmåter for å tilveiebringe diskontnuitet i strømmen, men også diskontin-uiteter som blir indusert av andre innretninger slik som en veksling av strømoverflatespenningen, f.eks. ved elektrisk, termisk eller optiske innretninger. Likeledes er det ment å innbefatte en periodisk eller aperiodisk forstyrrelse.

1. Elektrostatisk partikkelsorteringssystem,karakterisert vedat det består av a) strømningsinnretning for etablering av strøm med en kontinuerlig partikkelinnholdende strøm som innbefatter minst en partikkelinneholdende kjernestrøm og en omhyllende strøm, idet par tikkel strømmen har et partikkel-følerpunkt definert langs denne,

b) partikkelfølerinnretning for optisk detekter-

ing av partiklene i det minste ved partikkelfø1erpunktet,

c) forstyrrelsesinnretning for å forstyrre strømmen méd i det minste en forutbestemt frekvensamplitude

for å bringe strømmen til å danne et bruddpunkt hvor strøm-men blir en rekke med diskré dråper,

d) dråpeladningsinnretning for relativ ladning av utvalgte dråper når de blir dannet ved bruddpunktet, . og e) synkroniseringsinnretning for å takte den relative ladningen slik at de utvalgte dråpene inneholder i det minste utvalgte partikler detektert av den optiske detek-teringsinnretningen, idet synkroniseringsinnretningen består av: i) omhyllingsfølerinnretning for avføling av i det minste lysspredningskarakteristikk til strømmen ved omhyllings-følerpunktet langs denne påfølgende nevnte forstyrrelse og for å frembringe et overflatekarakterutgangssignal som er proporsonalt. med dette, ii) overflatekarakteranalyse-innretning for å tilveiebringe et utgangssignal som i det minste selektivt reagerer på overflatekarakterutgangssignalet, og iii) amplitudejusteringsinnretning som reagerer på overflatekrakteranalyseinnretningen for å justere amplituden til forstyrrelsesinnretningen for å etablere og opprettholde bruddpunktet ved omhyllingsfølerpunktet. 2. System ifølge krav 1,karakterisertved at amplitudejusteringsinnretningen består av en omsetter, omsetterdriver og en styrt amplitudeoscillatorinn-retning for påvirkning gjennom omsetterdriveren på omsetteren for selektiv å forandre amplituden til forstyrrelsen tilført strømmen. 3. System ifølge krav 1, ka^rakteri sert ved at.overflatekarakteranalyseinnretningen består av en bølgeformkarakteristikk detektorgenerator, referansebølge-form karakteristikkinnstillings-innretning for frembringelse av et utgangssignal som korresponderer med ønsket bølgeform-karakteri s tikker til overflatekarakterutgangs-signalet når omhyllingsfølerpunktet er anbragt ved bruddpunktet, og en fei 1signalgenerator for sammenligning av utgangssignalene til referansebølgeformkarakteri stikk-inns tillingsinnretningen og bølgeformkarakteristikkdetektor-generatoren, idet feilsignalgeneratoren innbefatter innretninger for å frembringe et proporsonalt feilsignal som reaksjon på sammenlignet forskjeller derimellom. 4. System ifølge krav 1,karakterisertved at omhyllingsfølerinnretningen består av^en strålingsenergikilde i forhold til hvilke omhyllingsstrømdelen er i det vesentlige gjennomskinnelig, og en strålingsenergi-mottager for å måle i det minste spredningen til strålingsenergien ved hjelp av omhyllingsstrømdelen og for å tilveiebringe et utgangssignal proporsonalt dertil. 5. Fremgangsmåte for elektrostatisk å sortere partikler,karakterisert ved: a) etabl ering av strømmen av en kontinuerlig partikkelinneholdende strøm som består av i det minste en partikkelinneholdende kjernestrøm og en omgivende om-hylningsstrøm, idet strømmen har et partikkelfølerpunkt definert langs dette, b) optisk detektering av partiklene idet minste ved partikkelfølerpunktet, c) forstyrrelse av strømmen med i det minste en forvalgt frekvens og amplitude for å bevirke at strømmen danner et bruddpunkt ved hvilke strømmen blir en rekke diskré dråper, d) relativ ladning av utvalgte dråper når de er blitt dannet ved bruddpunktet, og e) synkronisering av den relative ladningen slik at de valgte dråpene inneholder i det minste valgte partikler

detektert ved det optiske detekteringstrinnet, idet . synkroni-

seringstrinnet innbefatter trinnene med:'

i) avføling av i det minste lysspredende karakteristikker ved strømmen ved et omhyllingsfølerpunkt langs denne nedstrøms fra forstyrrelsen for å frembringe et overflatekarakterutgangssignal som er proporsonalt dertil,

ii) analysering av overflatekarakterutgangssignalet for å frembringe et utgangssignal som er i det minste selektivt reaktivt i forhold til overflatekarakterutgangssignalet, og

iii) justering av den valgte amplituden i forstyrrel-sestrinnet som reaksjon på det selektive reagerende utgangssignalet for å etablere og opprettholde bruddpunktet ved om-hyllingsf ølerpunktet.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 7»karakterisert vedat trinnet med å analysere overflatekarak-. terutgangssignalet består av å frembringe en strømoverflate-karakterutgangsbølgeform, frembringelse av en referansebølge-form-innstilling som korresponderer med en ønsket bølgeform-karakteristikk til overflatekarakterutgangssignalet når om-hyllingsf ølerpunktet er anbragt ved bruddpunktet, og sammenligning av bølgeformene for å frembringe et feilsignal proporsonalt med den sammenlignende forskjellen derimellom. 7. Fremgangsmåte ifølge krav 7»karakterisert vedat trinn med å avføle lysspredningskarakteristikken til strømmen består i å utvelge en strålingsenergikilde med hensyn til hvilke i det minste omhyllingsstrøm-delen er i det vesentlige gjennomskinnelig, fokusering av strålingsenergikiIden på i det minste omhyllingsstrømmen ved omhyllingsfølerpunktet, og måling av i det minste spredningen av strålingsenergien frembragt ved hjelp av omhyllings strøm-men ved omhyllingsfølerpunktet for å tilveiebringe nevnte overflatekarakterutgangssignal. 8. Fremgangsmåte ifølge krav 7>karakterisert vedat trinnet med utvelgelse av strålings-energikilden består i å utvelge en lyskilde med hensyn til<*>hvilke omhyllingsstrømmen er i det vesentlige gjennomskinnelig.

Claims (1)

1. 9. F:) e?-tro s ta ti sk partikkelsorteringssystem, karakterisert ved at det består av: a) strømningsinnrétning for etablering av strøm av en kontinuerlig partikkel-inneholdende strøm som består av i det minste en partikkélinneholdende kjernestrøm og en omgivende omhyllingsstrøm, idet strømmen har et partikkel-følerpunkt definert derlangs, b) partikkelfølerinnretning for å detektere partiklene i det minste partikkelfølerpunktet, c) forstyrrelsesinnretning for å forstyrre strøm-men med i det minste en forvalgt frekvens og amplitude for å-bevirke strømmen til å danne bruddpunkt ved hvilket strøm-men blir en rekke diskré dråper, d) dråpeladningsinnretning for relativ ladning av valgte dråper når de blir dannet ved bruddpunktet, og e) synkroniseringsinnretning for takting av den relative ladningen slik at valgte dråper inneholder i det minste valgte partikler detektert av detekteringsinnretning-en, idet synkroniseringsinnretningen innbefatter: i) omhyllingsfølerinnretning for avføling av i det minste lysspredningskarakteristikken til strømmen ved et omhyllingsfølerpunkt derlangs påfølgende forstyrrelsen og for tilveiebringelse av et overflatekarakterutgangssignal som er proporsonalt dertil, ii) overflatekarakteranalyseinnretning for tilveiebringelse av et overflatekarakterutgangssignal som er proporsonalt' dertil, iii) amplitudejusteringsinnretning som reagerer på overflatekarakteranalyseinnretningen for justering av amplituden av forstyrrelsesinnretningen for å etablere og opprettholde bruddpunktet ved omhyllingsfølerpunktet.

   10. Fremgangsmåte for'elektrostatisk å sortere partikler, karakterisert ved , a) etablering av strømmen av en kontinuerlig partikkelinneholdende strøm som består av i det minste en partikkelinneholdende kjernestrøm og en omgivende omhylningsstrøm, idet strømmen har et par-tikkelf ølerpunkt definert derlangs, b) detektering av partikler i det minste ved par- tikkelfølerpunktet, c) forstyrring av strømmen med i det minste en på forhånd valgt frekvens og amplitude for å bevirke strøm-men til å danne et bruddpunkt ved hvilket strømmen blir en rekke diskré dråper, d) relativ ladning av valgte dråper når de er dannet ved bruddpunktet, ogj e) synkronisering1' av den relative ladning slik at valgte dråper inneholder i det minste valgte partikler detektert i de.tekteringstrinnet, idet synkroniseringstrinnet innbefat ter: i) avføling av i det minste lysspredte karakteristikker av strømmen ved et omhyllingsfølerpunkt langs denne nedstrøms fra forstyrrelsen for å tilveiebringe et overflatekarakterutgangssignal som er proporsonalt dertil," ii) analysering av overflatekarakterutgangssignalet for å tilveiebringe et utgangssignal som er i det minste selektivt reagerende på overflatekarakterutgangssignalet, og iii) justering av den forvalgte amplituden ved for-styrrelsestrinnet som reaksjon på det selektive reagerende utgangs signalet for å etablere og opprettholde bruddpunktet ved omhyllingsfølerpunktet.