WO2010012644A2 - Optischer partikeldetektor sowie detektionsverfahren - Google Patents

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WO2010012644A2
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Ulrich Martin
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    • G01N2001/2217—Devices for withdrawing samples in the gaseous state involving separation of sample components during sampling by sorption using a liquid

Definitions

  • the present invention relates to a particle detection device for optically detecting a number of particles arranged on a surface, in particular a particle filter.
  • the invention further relates to a particle detection method for the optical determination of a number of particles arranged on a surface, in particular of a particle filter.
  • the particle detector device is intended to be used to quantify the loading of fluids with certain particles, in particular microbiological particles, for example with bacteria.
  • the fluid to be analyzed is to be pressed through a particle filter in which the particles are mechanically held.
  • marking substances which cause the particles to be analyzed to be optically distinguishable from the particle filter and from other particles.
  • the invention is based on the object to propose a particle detection device of the type mentioned, which is easier to handle than known particle detection devices and their accuracy is increased. Furthermore, a particle detection method of the type mentioned should be developed so that its accuracy is increased.
  • a particle detector device of the type mentioned above which is provided with a spatially resolving light detector, a light source, an optical focusing device and an evaluation device and in which the spatially resolving light detector has light sensors which measure brightness values, the light detector generating digital image data is formed from the brightness values supplied by the light sensors.
  • the particle detector device has the advantage that individual particles can be imaged by a spatially resolving light detector. Thus, it is possible to count the actual number of particles from the digital image data. Influences of size and brightness of the particles are neutralized.
  • the light sensors can be embodied as an integrated circuit-in particular on one or more chips-and / or as CCD 1 as CMOS or as diode arrays. These types of light sensors can be read quickly and still provide a good brightness resolution.
  • the light source may include an LED providing a low cost and reliable light source.
  • the light source may advantageously have a laser. This makes it possible to stimulate a precisely defined reaction of the particles to be analyzed with monochromatic light.
  • the light source or the focusing device on an optical filter With such a filter influences of ambient light or even reflections on the filter can be attenuated in a simple manner.
  • a particle detector device for exchanging the optical filter is provided. This makes it possible to view the particles to be analyzed in different color spaces and / or with light of different polarization and wavelength and thus to further improve the accuracy of the detection.
  • the light source can advantageously be arranged to be movable. This makes it possible to obtain information about their topology by different irradiation of the particles. Also, portions of the surface on which the particles to be detected are located could be sequentially scanned with a beam of the light source so as to obtain a scan of the surface.
  • Several light sensor units can be arranged in a grid, wherein a beam splitter for splitting the image of the surface is provided on the light sensor units and the evaluation is designed to create an overall image of the image data of the light sensor units. This initially has the advantage that larger surfaces can be observed.
  • the light sensor units used are generally more complicated with increasing size, more expensive to handle and less available.
  • the particle detection device may include a positioning device to which at least one of the light sensor units is mounted for positioning relative to the surface. This makes it possible to further reduce the cost of the light sensor units. Thus, a large area can be scanned with a relatively small, easy-to-use light sensor unit.
  • a deflection device When using a CCD line as a light sensor, a deflection device may be provided which images different sections of the surface onto the CCD lines. This allows a very simple, yet reliable construction.
  • the surface with the particles is illuminated with the light source, preferably by means of a particle detector device according to the invention, and an image of the surface is taken by the detector device.
  • the image data are transmitted to the evaluation device. Finally the particles counted and evaluated on the basis of the image data by the evaluation.
  • the particle detection method according to the invention allows the count of the actual number of particles. This improves the accuracy of the measurement over the measurement of a summary signal because the result is independent of the size of the individual particles and their possibly different ability to pick up the markers.
  • a reference image of the surface can be taken without particles.
  • these particle detection methods e.g. Check the cleaning condition on the particle filter.
  • multiple images of the surface are recorded and changed between the images, the position of the light source.
  • the particles are irradiated from different directions and, for example, hidden particles can be detected. Furthermore, it is thereby possible to obtain information about the size of the recorded particles.
  • the surface for the detection of fluorescent particles is first irradiated by a light pulse of the light source and after decay of the light pulse, an image of the surface with the particles taken.
  • the fluorescent particles can be seen with a clearer contrast than during the irradiation with light.
  • the evaluation device advantageously evaluates the images together and calculates therefrom a particle number.
  • the information of all images can be used to increase the accuracy.
  • the particle detection device is particularly suitable as a detection unit in an (analysis) device and an (analysis) method for the detection of particles in a particle-fluid mixture that are fully automatic operable or universally applicable and in a compact and simple design , preferably mobile system can be implemented.
  • microorganisms e.g., bacteria, protozoa, fungi, viruses
  • biological particles e.g., spores
  • the enrichment, extraction and detection can be carried out both from gases, in particular the air, as well as from liquids.
  • an enrichment, extraction and detection of non-biological or synthetic materials is possible, in particular explosives, liquid explosives and drugs.
  • paramagnetic beads in particular the use of paramagnetic beads (so-called beads) in connection with a collecting device, in particular an airsampler.
  • the beads are coated with antibodies, which in turn can bind molecules or particles of biological or non-biological origin.
  • the extreme concentration and immobilization of the thus loaded beads is achieved.
  • a fully automatic extraction and detection of the bound molecules or particles following the concentration is proposed.
  • the high concentration allows a highly sensitive detection of the analytes.
  • the particle detection device according to the invention is particularly suitable.
  • the particle detection device is particularly suitable for detecting the number of particles on a particulate filter.
  • a mechanical particle filter is preferably provided with a membrane having a plurality of pores.
  • Such particulate filters are used to filter particles, such as bacteria, from a fluid.
  • the filtered particles can be analyzed to determine the load of the fluid with certain particles.
  • the particle detection device is preferably used universally for the measurement of particles in different fluid-particle mixtures. It is also advantageous if the particle filter is exchangeable, transportable and reusable in an automated system. Therefore, the use of a particular mechanical particle filter is preferred, which has a high mechanical and chemical stability. Therefore, in a particularly preferred embodiment of the invention, a particle filter is provided in which at least one portion of a surface of the membrane which is accessible for a medium to be filtered is made of a carbon material with a diamond structure and / or coated.
  • Such a particle filter has the advantage that the carbon material with diamond structure is chemically almost completely inert. This makes it easy to accomplish a simple cleaning, that is to say a removal of the particles enriched by the filter, since the particles hardly make firm connections with the membrane. Furthermore, a carbon material with diamond structure is mechanically very stable, so that when using the filter, a high differential pressure between both sides of the membrane can be used. This increases the flow rate through the filter.
  • the membrane can be made entirely of the carbon material. Because the carbon material is transparent due to its diamond structure, a membrane constructed in this way makes it easy to detect residual contamination after cleaning or structural defects in the membrane simply by illuminating the membrane.
  • the membrane can be made entirely of diamond.
  • the membrane is supported by a carrier to which it is attached.
  • the carrier can be formed from a material that can be structured by lithography. This makes it possible to use the frame material during the production of the membrane as a support and then gently remove it from the porous region of the membrane.
  • the material of the carrier has, in an advantageous embodiment, a crystal structure which predetermines the direction of an anisotropic etching process. In such a material, the shape of the carrier can be reliably determined.
  • the carrier may be formed of silicon. Silicon has the advantage that it is available inexpensively, lithographable in industrially known processes and mechanically stable.
  • the silicon has a (1 10) orientation.
  • this orientation almost completely planar side walls of the carrier, which are perpendicular to the surface of the membrane, are achieved during etching after lithography.
  • FIG. 1 shows an overall construction of a particle detection apparatus for measuring a particle number
  • Fig. 2 is a detail view of the structure of Fig. 1; 3 shows a detailed view with an example of an optical focusing device;
  • Fig. 4 is a view as in Fig. 2 with various arrangements of light sources
  • FIG. 5 shows a plan view of an exemplary embodiment of a particle filter used in the particle detection apparatus of FIG. 1;
  • FIG. 6 shows a cross section through the particle filter along the line H-II in FIG. 5;
  • FIG. 7 shows a cross section through the particle filter as in FIG. 6 in a production step for the particle filter
  • FIG. 8 shows a section through a further embodiment of the particle filter as in FIG. 6 with an alternative orientation of the grid structure of a carrier;
  • FIG. 9 shows a section as in FIG. 6 through a diamond-coated particle filter
  • Fig. 1 1 is a plan view of the overall system
  • a particle detector device 210 shown in FIG. 1 for measuring a number of particles has as filter element 212 a microfilter or particle filter 214.
  • the particulate filter 214 has pores of a diameter in which particles 222 to be counted stick to the particulate filter 214.
  • a holding device 216 is provided to fix tion and / or positioning of the particulate filter 214.
  • a two-dimensionally spatially resolving light detector 218 is disposed opposite to the particulate filter 214 so that the light detector 218 can detect a surface 220 of the particulate filter 214 with the particulates 222 disposed thereon.
  • the light detector 218 converts the captured image of the surface 220 into digital image data and transmits it via a communication device 224 to an evaluation device 226.
  • the light detector 218 shown in FIG. 2 has light sensors 228, here in the form of a CCD array 230.
  • an optical focusing device 232 is provided for imaging the image of the surface 220 of the particulate filter 214.
  • the particle detector device 210 includes a light source 234.
  • a glass ceiling 236 separates the particulate filter 214 from the light detector 218.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of the focusing device 232.
  • the optical focusing device 232 has a first lens system 238, a second lens system 240, and a third lens system 242.
  • the lens systems 238, 240, 242 each have at least one lens or an array of multiple lenses.
  • light from the light source 234 is passed through the third lens system 242 and through a first optical filter 244.
  • the light then strikes a beam splitter 248, which deflects a portion of the light toward the surface 220, thereby illuminating the surface 220.
  • the light reflected or fluoresced by the surface 220 and / or the particles 222 passes through the second lens system 240 and the beam splitter 248 to a second optical filter 246 and is focused onto the CCD array 230 via the first lens system 238.
  • the lens systems 238, 240, 242 may be movably arranged to make adjustments.
  • optical filters 244, 246 are automatically interchangeable.
  • color filters and / or polarizing filters are provided interchangeably.
  • automated recordings in different color spectrums or with different polarizations can be created.
  • the light source 234 can also be designed to illuminate the surface directly at different positions 234a, 234b, 234c at different angles.
  • the light source 234 is mounted positionable for this purpose.
  • multiple light sources e.g. one light source per position as shown at 234a, 234b and 234c.
  • the particle detection device 210 is intended to detect particles 222, for example molecules, macromolecules or microorganisms, on or in the vicinity of a surface 220.
  • the sample to be analyzed can be pumped through a filter element 212, in particular a micromechanical particle filter 214.
  • the particles 222 to be detected are located on the surface 220. They may be marked by dyes, in particular fluorescent dyes. In particular, bacteria, viruses or toxins can be detected by fluorescently labeled antibodies.
  • the emitted light is not measured as the total intensity. Rather, a picture of the surface 220 so that the light emitting particles 222 can be counted by suitable software.
  • light sensors 228 are provided on a CCD chip with a CCD array 230.
  • the lower limit of the optical resolution at the surface 220 should be approximately 100 to 500 nm, if possible, because of the typical size of bacteria.
  • the image of the surface is enlarged by means of a suitable optical focusing device 232.
  • a resolution on the CCD array 230 for example, 5 microns, an enlargement by at least a factor of ten is provided.
  • a CCD area of at least about 5cm x 5cm provided.
  • CMOS complementary metal-oxide-semiconductor
  • diode array or an intensified CCD may also be used to provide the light sensors 228. It is also possible to scan the surface line by line.
  • the required CCD area exceeds the available area of a CCD chip, it is possible to arrange a plurality of smaller CCD chips in an array to again obtain an image of the entire surface 220.
  • the CCD chips are not arranged edge to edge since the sensitive area of the individual chips generally does not extend to the edge thereof. Rather, a portion of the surface 220 is projected onto each chip by means of a beam splitter 248 and further optical components. This can lead to an overlap. In order to safely obtain the entire image, it is more advantageous to allow for some overlap everywhere to compensate for inaccuracies than to lose some of the images due to such inaccuracies.
  • suitable In the case of data processing such an overlap in the evaluation unit 226 is automatically removed in order to avoid errors in the automatic counting of the particles 222.
  • the light sensors 228 are implemented as parts of a CCD line which scans the surface 220 line by line.
  • the scanning direction orthogonal to the CCD line can be done by imaging by means of a tilting mirror or by a precise shift of the CCD line.
  • An overall image can also be created from multiple shots with shifted CCD array 230.
  • the CCD line represents only a special form of the CCD array 230.
  • FIG. 4 shows an embodiment of the particle detector device 210, by means of which a spatially and temporally-resolved illumination is possible. This means that different pictures are taken one after the other. The examined object does not change, but the type of lighting, resulting in different images. These changes are also called synthetic optical aperture.
  • the resolution can be improved significantly.
  • the improvement that can be achieved is the higher, the more the images differ with different lighting. It is advantageous if the particles 222 to be detected are not round and if the dyes are distributed inhomogeneously in or on the particles 222, for example fluorescent dyes in bacteria.
  • the method of spatially and temporally resolved illumination is also used to detect if particles 222 are agglomerated. It can be advantageous if the lighting is very flat.
  • a transparent particulate filter 214 itself may be used as the light guide. In such transparent particulate filters 214, filtration and detection may also occur in the pores via antibody / antigen interaction or DNA hybridization. In particular, this is a possibility for the detection of small molecules such as toxins or viruses.
  • Another possibility of the location and time-resolved illumination is to move the light source 234, in particular in a plane perpendicular to the beam path. Multiple illumination results in addition to the higher dynamic range in the detection and additional information from the topography, which increase the information content of the images by additional degrees of freedom.
  • reference images are taken to see if individual light sensors 228 (CCD pixels) are defective. This can be compensated by software to avoid errors due to pixel failure. In addition, a warning message can be generated to avoid incorrect measurements; if necessary, it is possible to react by replacing the light sensors or the CCD device.
  • Optical filters 244, 246 (edge and / or bandpass filters) allow confinement of the wavelengths.
  • the optical filters 244, 246 can be automatically changed by a mechanical filter changer to perform measurements at different wavelengths.
  • an immediate optical image can be taken to distinguish dust, dirt and other foreign particles from the particles 222 to be detected. This can be combined with the local and time-resolution lighting.
  • a significant improvement of the signal-to-noise ratio is to be expected when the light from the light source 234 is pulsed.
  • the fluorescent light is detected only when the excitation pulse has decayed.
  • the particulate filter 214 When the particulate filter 214 is made of transparent material, it may be illuminated from the other side so that the light travels through the particulate filter 214. Such images can also be used without particles 222 to detect structural defects in the particulate filter 214 or inadequate cleaning. This information can be evaluated so that a warning is given or the particulate filter 214 is replaced.
  • the particulate filter 214 shown in FIGS. 5 and 6 has a diaphragm 312 and a carrier 314.
  • pores 316 are introduced, which are arranged in a grid.
  • the pores 316 have a round or square cross-section.
  • the carrier 314 supports the membrane 312 in an edge region 318. In the area of the pores 316, a flow area 320 is provided.
  • a silicon wafer 322 having (1 10) crystal orientation is provided as a starting material for the production of the particulate filter 214.
  • the silicon is thermally oxidized, so that, for example, SiO 2 324 is produced with a thickness of approximately 500 nm.
  • the formed SiC> 2 324 is removed from the front side 330.
  • the SiO 2 324 on the back 332 is patterned to later serve as the etch mask 326.
  • diamond 328 or DLC diamond like carbon
  • a chromium layer (not shown) is coated in the thickness of e.g. applied and structured about 100nm. It serves as an etching mask for the subsequent structuring of the diamond 328.
  • the diamond 328 is preferably patterned by plasma etching, and then the chromium mask is removed.
  • Fig. 7 shows the particulate filter after this step.
  • the front side 330 is now protected in an etch holder (not shown) and the silicon etched from the back 332 anisotropically beginning wet-chemically. Suitable etchants are, for example, TMAH or potassium hydroxide.
  • Suitable etchants are, for example, TMAH or potassium hydroxide.
  • the SiO 2 324 on the back side 332 serves as an etching mask 326. After completion of the etching process, this layer is removed.
  • the particle filter 214 looks like in FIG. 6.
  • the membrane is thus made of diamond 328 in the exemplary embodiment according to FIGS. 5 to 9, while the carrier 314 is formed of the silicon 323 of the silicon wafer 322.
  • the complete particle filter 214 can be coated with a diamond layer 334, whereby an extremely stable, both chemically and mechanically resistant, particulate filter 214 is formed. Even the silicon 323 is protected and the entire particulate filter 214 is sheathed with diamond 328. The only exception to this is any external surfaces that are used when unraveling several of them. on a utility (silicon wafer 322) shared particulate filters 214 are exposed. However, the outer surfaces are usually separated in any case by sealing rings of the fluid to be filtered.
  • the individual chips or particle filters 214 may be coated with a diamond layer 334 after the wafer has been separated.
  • the additional diamond layer 334 reduces the diameter of the pores 316. This should already be taken into account in structuring the chromium mask, in particular if a nominal diameter of the pores of, for example, approximately 450 nm is to be obtained.
  • the particle filter 214 shown in FIG. 9 thus receives a diamond layer 334, which protects it against chemical and mechanical influences.
  • the silicon 323 may be completely removed, thereby obtaining individual thin filter membranes.
  • the silicon wafer 322 can also consist of silicon with (IOO) orientation.
  • silicon with (IOO) orientation In the wet-chemical anisotropic etching of such a silicon wafer 322, however, no vertical, but oblique edges are produced, whereby the packing density is reduced.
  • thermally oxidized silicon SiÜ 2 3214
  • SOI wafers it is also possible to use other etching masks, for example differently deposited SiO 2 324 or Si 3 N 4 . It is also conceivable to use SOI wafers or to use further methods.
  • a particulate filter 214 using SOI wafers with (IOO) orientation is shown in FIG.
  • the particulate filter 214 completed by such an alternative process can then be provided with a diamond layer 334, which in turn creates a particulate filter 214 that is completely protected by diamond 328.
  • This process is more complex in the processing, but has the advantage that the diamond layer 334 does not have to be structured.
  • supports 314 for the membrane 312 made of diamond 328 may also be used as supports 314 for the membrane 312 made of diamond 328.
  • hard metal titanium or refractory metals such as W, Ta, Mo and their carbides in question.
  • SiC and SJ 3 N 4 are also particularly suitable.
  • the diamond deposition takes place in particular by means of CVD (Chemical Vapor Deposition) in a methane-hydrogen atmosphere.
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • the energy required for the dissociation of the gases is advantageously provided by a hot filament.
  • microwave plasma or shock discharge excitation (Are-Jet) possible.
  • the particles 222 may be labeled with fluorescent dyes. These dyes are excited with a laser and measured the emitted light with the detector described in detail above. Because diamond is transparent, the use of particulate filters 214 described herein allows the illumination and detection to be made from different sides.
  • the particle filters 214 with a membrane 312 made of diamond 328 are particularly suitable for the determination and measurement of viruses in media such as blood and saliva.
  • finer pores 316 are used, for example, with 50nm diameter. Pores 316 of very small diameter beyond the resolution limit of conventional exposure and patterning processes can be made reproducible by coating a finished particle filter or one in which at least diamond 328 is already patterned with another diamond layer 334. As a result, pores 316 narrow.
  • the hole diameter may be 450nm.
  • the membrane thickness is approximately 1 ⁇ m.
  • the pores 316 should have a high verticality to the surface of the membrane 12.
  • the roughness of the perforation on the inside of the pores 316 is rms ⁇ 2 ⁇ m, preferably rms ⁇ 100 nm and particularly preferably ⁇ 50 nm.
  • the grain size of the diamond layer should be less than 1 ⁇ m, preferably less than 50 nm and particularly preferably less than 20 nm.
  • the bending fracture stress of the diamond layer should be more than 1 GPa, preferably more than 4 GPa, and more preferably more than 7 GPa.
  • the modulus of elasticity should be above 500 GPa, preferably above 700 GPa and particularly preferably above 1000 GPa.
  • the particulate filter 214 allows bacterial accumulation in water or air through a micromechanical surface filter, for example, to improve a detection limit of an analyzer. By using diamond 328 in the membrane 312, the particulate filter 214 has high chemical and mechanical robustness. This requires a high degree of recycling and thus a high degree of automation.
  • the particle filter can be used in a detection method in which the medium is detected by thin particles to detect certain particles in media (eg bacteria in drinking water) Filter is pumped.
  • the particulate filter 214 has pores 316 of a diameter adapted so that the particles to be detected and any particles as large or larger remain on the filter surface, i. be enriched there.
  • the high mechanical stability enables the generation of a high differential pressure between both sides of the membranes, whereby the flow rate through the filter can be increased.
  • the pore density can be increased to increase the percentage of pore area over the entire area of the filter. This is of particular interest in terms of miniaturization of the overall system.
  • FIGS. 5 and 6 show a plan view and a cross section through the particle filter used as filter element.
  • the pores are preferably round, but may also have a different shape.
  • a fluidic system of the detection system and in particular the filter is cleaned after each sample examined.
  • all previously eg sample to be examined, markers, auxiliary reagents, dirt and impurities
  • aggressive chemicals such as acids, alkalis or solvents for cleaning.
  • the overall system shown in greater detail in FIGS. 10 and 11 forms an analyzer device 70 for the automatic detection of, in particular, biological particles 222, 13 and has as components a collecting device 72, a transfer unit 74, a metering unit 41, a magnet 44 , a group 76 of reservoirs, a drive unit 78, a disruption device 80, possibly with tempering unit 82, a detection unit 84 and a control unit 86.
  • An air sampler 30, in particular an air sampler 30 from the company SKC (see patents US Pat. No. 5,902,385 and US Pat. No. 5,904,752) or the company Bertin is preferably used as collecting device 72.
  • the air sampler 30 transfers particles 13, in particular microorganisms (bacteria, viruses) and toxins from a gas phase into a collecting liquid 40.
  • the transfer unit 74 preferably has a lifting pivot unit 66. Since the preferred air sampler 30 is modular, and in particular of at least two components - nozzle attachment 64 and reservoir 36 - consists, the nozzle attachment 64 can be separated and the collection container 36 are transferred to the enrichment position. For example, paramagnetic beads 16 for docking to particles 13 to be detected can be deposited here. taken and enriched with the docked particles. Another vessel 62 may optionally be used as an additional collecting container.
  • the metering unit 41 is preferably designed as a syringe 42. With the dosing unit 41 z. B. collecting liquid 40 wound.
  • the magnet 44 serves as a separator to concentrate the paramagnetic beads 16 in or on the dosing unit 41.
  • the beads 16 are magnetically held in the metering unit, even if it emits liquid. Thus, the beads 16 can be separated from the liquid surrounding them.
  • the group 76 has multiple reservoirs (vessels) 91-98 with different liquids needed to process the particles 13. In addition, a rest position 99 is provided. In particular, the following liquid reservoirs are provided: "Solution with paramagnetic beads (first reservoir 91)
  • the reservoirs 91-98 are preferably aligned - along with the rest position 99 and the collector 72 - on a line.
  • the dosing unit 41 between the reservoirs 91-98, possibly the rest position 99 and the collecting device 72 can be moved linearly by means of a linear drive 100 of simple construction.
  • the entire system can be easily extended or reduced (depending on the application).
  • the drive unit 78 has the drives explained below under F) to I):
  • first movement unit for moving the dosing unit 41 (preferably for moving the syringe 42) in the Z direction - first movement 112 -;
  • a second movement unit for liquid metering (preferably for moving a syringe plunger 50) - second movement 114 - and
  • a third movement unit for approaching or removing the magnet 44 (e.g., in the Z direction) - third movement 116.
  • the disruption device 80 preferably has an ultrasound device 56, in particular in the form of an ultrasound bath 110, for the mechanical disruption of the particles, in particular microorganisms.
  • the ultrasonic bath 110 is filled with liquid and the dosing unit 41 can dip into this liquid.
  • the ultrasonic bath 110 may be used, at low power, to resuspend the paramagnetic beads 16.
  • the disruption device 86 further has a tempering unit 82, which can be operated jointly or separately with the ultrasonic bath 110.
  • the temperature control unit 82 serves to support biochemical processes for the digestion of the particles 13, in particular microorganisms (eg enzymatic digestion). Also thermal Digestion processes close to the boiling point are possible with the temperature control unit.
  • a temperature control of the entire system is provided.
  • the reagent reservoirs 91 - 97, the waste vessel 98 and the collecting container 36 are tempered by means of a second temperature control unit 119, here indicated as an example as a heating coil.
  • the detection unit 84 is provided at the end of the process chain and has the particle detection device 210 with the particle filter 214.
  • a holding device 216 rotatable disc is provided in which a plurality of particulate filter 214 between a receiving position for filtering the particles 13, 222 and (a shown in Fig. 1) detection position are movable.
  • control unit 86 is used to control and monitor the entire system.
  • a control unit 86 for example, a computer or data processing device is provided, in which the individual control steps for the fully automatic implementation of the detection method in the form of control commands are stored as software.
  • a data transfer for example via the Internet (online) possible.
  • the data transfer is used to synchronize the results via a database or to alarm. It is also possible to control the entire system online, so that the system can be operated over greater distances.
  • the transfer of the beads 16 into or onto the detection unit 84 is applied to the membrane 312 of the particle filter 214, whose surface 220 can then be used in the particle detection device 210 as a detection platform.
  • the beads 16 are selected such that they have a greater extent than the size of the pores 316.
  • the above-mentioned particle detection method for measuring the number of particles 13 is then performed.
  • a use of non-paramagnetic beads 16 is conceivable in the overall system.
  • An enrichment of the beads after the "air sampling” could instead of a magnetic field via a porous membrane, preferably a micromechanical filter, take place.
  • the device 70 of the particulate filter 214 is used as a separator.
  • This particulate filter 214 retains the beads 16 due to the size of the pores 316, but allows liquids to pass through. Accordingly, all wash and detection solutions required for analysis, detection of particulate matter, or digestion, such as all wash and detection solutions necessary for immunodetection (ELISA), could be pumped through these micromechanical particulate filters 214.
  • ELISA immunodetection
  • Particles in particular microorganism
  • Dosing unit Syringe Magnet Syringe plunger Further vessel Jet attachment Stroke swivel unit Device (total system) Collection device Transfer unit Reservoir group Drive unit Digestion unit Tempering unit Detection unit Control unit first reservoir (beads; solution with paramagnetic beads) second reservoir (equilibration solution ) third reservoir (first digestion solution) fourth reservoir (second digestion solution) fifth reservoir (collecting liquid, for example water, H 2 O) sixth reservoir (cleaning solution) 97 seventh reservoir (preservation solution)

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Partikeldetektorvorrichtung zur optischen Ermittlung einer Anzahl von an einer Oberfläche (20), insbesondere eines Partikelfilters (14), angeordneten Partikeln (22), mit einem ortsauflösenden Lichtdetektor (18), einer Lichtquelle (34), einer optischen Fokussierungseinrichtung (32) und einer Auswerteeinrichtung (26), die einfacher handhabbar ist als bekannte Partikeldetektorvorrichtungen und deren Genauigkeit erhöht ist. Hier wird vorgeschlagen, dass der ortsauflösende Lichtdetektor (18) Lichtsensoren (28) aufweist, die Helligkeitswerte messen und vorzugsweise als wenigstens eine integrierte Schaltung ausgeführt sind, wobei der Lichtdetektor (18) zur Erzeugung von digitalen Bilddaten aus den von den Lichtsensoren (28) gelieferten Helligkeitswerten ausgebildet ist. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Partikeldetektionsverfahren zur optischen Ermittlung einer Anzahl von an einer Oberfläche (20) eines Partikelfilters (14) angeordneten Partikeln.

Description

Optischer Partikeldetektor sowie Detektionsverfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Partikeldetektorvorrichtung zur optischen Ermittlung einer Anzahl von an einer Oberfläche, insbesondere eines Partikelfilters, angeordneten Partikeln. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Partikeldetektionsverfahren zur optischen Ermittlung einer Anzahl von an einer Oberfläche, insbesondere eines Partikelfilters angeordneten Partikeln.
Die Partikeldetektorvorrichtung soll dazu verwendet werden, die Belastung von Fluiden mit bestimmten Partikeln, insbesondere mikrobiologischen Partikeln, beispielsweise mit Bakterien, zu quantifizieren. Insbesondere soll hierzu das zu analysierende Fluid durch einen Partikelfilter gepresst werden, in dem die Partikel mechanisch festgehalten werden. Je nach Art der zu detektie- renden Partikel sollen Markierungsstoffe eingesetzt werden, die bewirken, dass die zu analysierenden Partikeln von dem Partikelfilter und von anderen Partikeln optisch unterscheidbar sind.
Im Stand der Technik ist es beispielsweise bekannt, Bakterien mit fluoreszierenden Stoffen zu behandeln, die je nach einfallendem Licht in bestimmten Farben leuchten und somit einfach von der Umgebung zu unterscheiden sind. Bei dem bekannten Partikeldetektionsverfahren wird in der Regel die Gesamtintensität des emittierten Lichtes gemessen, um die Partikeldichte zu bestimmen. Andere Partikeldetektionsverfahren nutzen komplizierte und teuere Elektronenmikroskope zur Bestimmung der Partikelanzahl.
Solche Detektionsverfahren erfordern eine große Anzahl von Bedienerhandlungen zur Positionierung der Detektoren sowie der Partikelfilter. Ebenso ist eine Kalibrierung der Messergebnisse nahezu unmöglich. Es gibt keine automatisierten Geräte, die ein solches Partikeldetektionsverfahren durchführen können. Wird ein Fotomultiplier verwendet, so wird ein summarisches Signal gemessen, durch das nur bedingt auf die Anzahl der vorhandenen Partikel geschlossen werden kann.
Die Erfindung geht auf die Aufgabe zurück, eine Partikeldetektorvorrichtung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, die einfacher handhabbar ist als bekannte Partikeldetektorvorrichtungen und deren Genauigkeit erhöht ist. Des weiteren soll ein Partikeldetektionsverfahren der eingangs genannten Art so weitergebildet werden, dass seine Genauigkeit erhöht ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Partikeldetektorvorrichtung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, die mit einem ortsauflösenden Lichtdetektor, einer Lichtquelle, einer optischen Fokussierungseinrichtung und einer Auswerteeinrichtung versehen ist und bei welcher der ortsauflösende Lichtdetektor Lichtsensoren aufweist, die Helligkeitswerte messen, wobei der Lichtdetektor zur Erzeugung digitaler Bilddaten aus den von den Lichtsensoren gelieferten Helligkeitswerten ausgebildet ist.
Ein vorteilhaftes, damit durchführbares Detektionsverfahren sowie bevorzugte Verwendungen der Partikeldetektionsvorrichtung sind Gegenstand des Nebenanspruches.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Partikeldetektorvorrichtung hat den Vorteil, dass durch einen ortsauflösenden Lichtdetektor einzelne Partikel abgebildet werden können. Somit ist es möglich, anhand der digitalen Bilddaten die tatsächliche Anzahl der Partikel zu zählen. Einflüsse aus Größe und Helligkeit der Partikel werden neutralisiert. Die Lichtsensoren können als integrierte Schaltung - insbesondere auf einen oder mehrere Chips - und/oder als CCD1 als CMOS oder als Diodenarrays ausgeführt sein. Diese Arten von Lichtsensoren können zügig ausgelesen werden und trotzdem eine gute Helligkeitsauflösung liefern.
Die Lichtquelle kann eine LED aufweisen, mit der eine preisgünstige und zuverlässige Lichtquelle bereitgestellt wird.
Die Lichtquelle kann vorteilhaft einen Laser aufweisen. Dadurch ist es möglich, mit monochromatischen Licht eine genau definierte Reaktion der zu analysierenden Partikel anzuregen.
Vorteilhaft weisen die Lichtquelle oder die Fokussierungseinrichtung einen optischen Filter auf. Mit einem solchen Filter lassen sich Einflüsse von Umgebungslicht oder auch von Reflexionen an dem Filter auf einfache Weise abschwächen.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist eine Partikeldetektorvorrichtung zum Austausch des optischen Filter vorgesehen. Dadurch ist es möglich, die zu analysierenden Partikel in unterschiedlichen Farbräumen und/oder mit Licht unterschiedlicher Polarisation und Wellenlänge zu betrachten und so die Genauigkeit der Detektion weiter zu verbessern.
Die Lichtquelle kann vorteilhaft beweglich angeordnet sein. Dadurch ist es möglich, durch unterschiedliche Bestrahlung der Partikel Informationen über deren Topologie zu gewinnen. Auch könnten Teilbereiche der Oberfläche, an der die zu detektierenden Partikeln angeordnet sind, nacheinander mit einem Strahl der Lichtquelle abgetastet werden, um so einen Scan der Oberfläche zu erhalten. Es können mehrere Lichtsensoreinheiten in einem Raster angeordnet sein, wobei ein Strahlteiler zur Aufteilung des Bildes der Oberfläche auf die Lichtsensoreinheiten vorgesehen ist und die Auswerteeinrichtung zur Erstellung eines Gesamtbildes aus den Bilddaten der Lichtsensoreinheiten ausgebildet ist. Dies hat zunächst den Vorteil, dass größere Oberflächen beobachtet werden können. Die verwendeten Lichtsensoreinheiten sind allgemein mit steigender Größe komplizierter, in der Handhabung teurer und weniger verfügbar. Die Möglichkeit, mehrere kleinere Lichtsensoreinheiten in einem Raster anzuordnen und das aufzunehmende Bild in kleinere Abschnitte zu unterteilen, eröffnet die Möglichkeit, vergleichsweise preiswerte Bauteile bei erhöhter Genauigkeit der Abbildung zu verwenden. Außerdem kann eine Vorverarbeitung der Daten pro Sensoreinheit vorgenommen werden, um die Verarbeitungsgeschwindigkeiten der Auswerteeinheit zu erhöhen.
Die Partikeldetektorvorrichtung kann eine Positioniereinrichtung aufweisen, an der wenigstens eine der Lichtsensoreinheiten zur Positionierung relativ zu der Oberfläche befestigt ist. Dadurch ist es möglich, die Kosten für die Lichtsensoreinheiten weiter zu reduzieren. So kann mit einer relativ kleinen, leicht zu handhabenden Lichtsensoreinheit eine große Fläche abgetastet werden.
Bei Verwendung einer CCD-Zeile als Lichtsensor kann eine Ablenkungsvorrichtung vorgesehen sein, die unterschiedliche Abschnitte der Oberfläche auf die CCD-Zeilen abbildet. Dies ermöglicht einen sehr einfachen und trotzdem zuverlässigen Aufbau.
Bei dem vorteilhaften Partikeldetektionsverfahren zur optischen Ermittlung einer Anzahl von an einer Oberfläche eines Partikelfilters angeordneten Partikeln wird, vorzugsweise mittels einer erfindungsgemäßen Partikeldetektorvorrichtung, die Oberfläche mit den Partikeln mit der Lichtquelle beleuchtet und ein Bild der Oberfläche durch die Detektoreinrichtung aufgenommen. Die Bilddaten werden an die Auswerteeinrichtung übermittelt. Schließlich werden die Partikel anhand der Bilddaten durch die Auswerteeinrichtung gezählt und ausgewertet.
Das erfindungsgemäße Partikeldetektionsverfahren erlaubt die Zählung der tatsächlichen Anzahl der Partikel. Dies verbessert die Genauigkeit der Messung gegenüber der Messung eines summarischen Signals, da das Ergebnis unabhängig von der Größe der einzelnen Partikel und deren möglicherweise unterschiedlichen Fähigkeit zur Aufnahme der Markierungsstoffe ist.
Vor der Zählung der Partikel kann ein Referenzbild der Oberfläche ohne Partikel aufgenommen werden. Somit ist es möglich, störende Einflüsse, die sich durch die Struktur des Partikelfilters oder beispielsweise durch Fehler in den Lichtsensoren ergeben, aus dem Endergebnis herauszurechnen. Mit diesen Partikeldetektionsverfahren lässt sich z.B. der Reinigungszustand am Partikelfilter überprüfen.
Vorteilhaft werden mehrere Bilder der Oberfläche aufgenommen und zwischen den Aufnahmen die Position der Lichtquelle verändert. Dadurch werden die Partikel von unterschiedlichen Richtungen angestrahlt und es können beispielsweise verdeckte Partikel erkannt werden. Des weiteren ist es dadurch möglich, eine Information über die Größe der aufgenommenen Partikel zu erhalten.
Es können mehrere Bilder der Oberfläche aufgenommen werden und zwischen den Aufnahmen die Art und/oder die Anzahl der verwendeten optischen Filter verändert werden. Wenn die Partikel nur in einem bestimmten Spektrum leuchten, kann so der Kontrast zu der Umgebung der Partikel erhöht werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Oberfläche zur Detektion fluoreszierender Partikel zunächst von einem Lichtpuls der Lichtquelle bestrahlt und nach Abklingen des Lichtpulses ein Bild der Oberfläche mit den Partikeln aufgenommen. In dem sich ergebenden Bild sind die fluoreszierenden Partikel mit deutlicherem Kontrast zu erkennen als während der Bestrahlung mit Licht.
Die Auswerteeinrichtung wertet vorteilhaft die Bilder gemeinsam aus und berechnet daraus eine Partikelanzahl. Somit können die Informationen sämtlicher Aufnahmen zur Erhöhung der Genauigkeit verwendet werden.
Die Partikeldetektionsvorrichtung ist besonders als Detektionseinheit in einer (Analyse-)Vorrichtung und einem (Analyse-)Verfahren zur Detektion von Partikeln in einem Partikel-Fluid-Gemisch geeignet, die vollautomatisch betreibbar bzw. durchführbar sind, universell einsetzbar und in einem kompakten und einfach aufgebauten, vorzugsweise mobilen System implementiert werden können.
Mit einem besonders bevorzugten hier vorgestellten Gesamtsystem ist eine schnelle und vollautomatische Anreicherung, Extraktion und Detektion von Mikroorganismen (z.B. Bakterien, Protozoen, Pilze, Viren) und biologischen Partikeln (z.B. Sporen) möglich. Die Anreicherung, Extraktion und Detektion kann sowohl aus Gasen, insbesondere der Luft, als auch aus Flüssigkeiten erfolgen. Neben der Detektion biologischer Materialien ist auch eine Anreicherung, Extraktion und Detektion nicht-biologischer bzw. synthetischer Materialien möglich, insbesondere Sprengstoffe, Flüssigsprengstoffe und Drogen.
Mit der dabei eingesetzten neuen Technik wird insbesondere der Einsatz paramagnetischer Kügelchen (sog. Beads) in Verbindung mit einer Sammeleinrichtung, insbesondere einem Airsampier, vorgeschlagen. Die Beads sind mit Antikörpern beschichtet, welche wiederum Moleküle oder Partikel biologischen oder nicht biologischen Ursprungs binden können. Durch die Entwick- lung spezieller Anreicherungstechniken wird die extreme Aufkonzentrierung und Immobilisierung der so beladenen Beads erreicht. Außerdem wird eine auf die Aufkonzentrierung folgende vollautomatische Extraktion und Detekti- on der gebundenen Moleküle oder Partikel vorgeschlagen. Die hohe Aufkonzentrierung ermöglicht einen hochempfindlichen Nachweis der Analyten. Zum automatisierten Nachweis ist die erfindungsgemäße Partikeldetektions- vorrichtung besonders geeignet.
Insbesondere werden folgende Vorteile durch ein solches Gesamtsystem oder dessen vorteilhaften Ausgestaltungen erreicht:
» schneller und empfindlicher Nachweis von Mikroorganismen und anderen gefährlichen Substanzen (insbesondere biologische Toxine) sowie von Sprengstoffen aus einer gasförmigen Phase, insbesondere Luft; β schnelle Detektion von Mikroorganismen und anderen gefährlichen Substanzen aus Flüssigkeiten und flüssigen Lebensmitteln aller Art; β Zusammenfassung und Automatisierung der drei Bereiche Anreicherung, Extraktion und Detektion in einem einheitlichen, kompakten und mobilen System und/oder β schneller Nachweis von Krankheitserregern aus Körperflüssigkeiten, insbesondere Blut, Speichel, Tränenflüssigkeit und Urin (medizinische Diagnostik).
Die Partikeldetektionsvorrichtung ist besonders zum Nachweis der Anzahl von Partikeln auf einem Partikelfilter geeignet. Hierzu ist vorzugsweise ein mechanischer Partikelfilter mit einer Membran vorgesehen, die eine Vielzahl an Poren aufweist. Derartige Partikelfilter werden dazu benutzt, Partikel, beispielsweise Bakterien, aus einem Fluid zu filtern. Die ausgefilterten Partikel können zur Feststellung der Belastung des Fluids mit bestimmten Partikeln analysiert werden. Die Partikeldetektionsvorrichtung ist bevorzugt universell für die Messung von Partikeln bei unterschiedlichen Fluid-Partikel-Gemischen verwendbar. Weiter ist vorteilhaft, wenn der Partikelfilter in einem automatisierten System auswechselbar, transportierbar und mehrfach verwendbar ist. Deswegen ist der Einsatz eines insbesondere mechanischen Partikelfilter bevorzugt, der eine hohe mechanische und chemische Stabilität aufweist. Deswegen ist bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ein Partikelfilter vorgesehen, bei dem wenigstens ein für ein zu filterndes Medium zugänglicher Teilbereich einer Oberfläche der Membran aus einem Kohlenstoff mate- rial mit Diamantstruktur gefertigt und/oder beschichtet ist.
Ein solcher Partikelfilter hat den Vorteil, dass das Kohlenstoffmaterial mit Diamantstruktur chemisch nahezu vollständig inert ist. Dadurch ist eine einfache Reinigung, also eine Entfernung der von dem Filter angereichten Partikel, einfach zu bewerkstelligen, da die Partikel kaum feste Verbindungen mit der Membran eingehen. Des weiteren ist ein Kohlenstoffmaterial mit Diamantstruktur mechanisch sehr stabil, so dass bei Einsatz des Filters ein hoher Differenzdruck zwischen beiden Seiten der Membran verwendet werden kann. Dadurch wird die Flussrate durch den Filter erhöht.
Die Membran kann vollständig aus dem Kohlenstoffmaterial gefertigt sein. Da das Kohlenstoffmaterial aufgrund seiner Diamantstruktur durchsichtig ist, ermöglicht es eine derart aufgebaute Membran, durch einfaches Durchleuchten der Membran Restverschmutzungen nach der Reinigung oder strukturelle Fehler in der Membran auf einfache Art und Weise zu erkennen.
Die Membran kann vollständig aus Diamant gefertigt sein.
Vorteilhaft wird die Membran von einem Träger, an dem sie befestigt ist, abgestützt. Dies erhöht weiter die Belastbarkeit der Partikelfilters. Der Träger kann aus einem durch Lithographieverfahren strukturierbaren Material gebildet sein. Dies ermöglicht es, das Rahmenmaterial während der Herstellung der Membran als Abstützung zu verwenden und es anschließend schonend aus dem porösen Bereich der Membran zu entfernen.
Das Material des Trägers weist in vorteilhafter Ausgestaltung eine Kristallstruktur auf, die die Richtung eines anisotropen Ätzvorganges vorgibt. In einem solchen Material kann die Form des Trägers zuverlässig bestimmt werden.
Der Träger kann aus Silizium gebildet sein. Silizium hat den Vorteil, dass es preiswert erhältlich, in industriell bekannten Verfahren lithographierbar und mechanisch stabil ist.
Vorteilhaft weist das Silizium eine (1 10)-Orientierung auf. Durch diese Orientierung werden beim Ätzen nach dem Lithographieren nahezu vollständig ebene und zur Fläche der Membran senkrechte Seitenwände des Trägers erreicht.
Einzelheiten und weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Partikeldetektorvorrichtung und des erfindungsgemäßen Partikeldetektionsverfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen. In den die Ausführungsbeispiele lediglich schematisch darstellenden Zeichnungen veranschaulichen im einzelnen:
Fig. 1 einen Gesamtaufbau einer Partikeldetektionsvorrichtung zur Messung einer Partikelzahl;
Fig. 2 eine Detailansicht des Aufbaus aus Fig. 1 ; Fig. 3 eine Detailansicht mit einem Beispiel für eine optische Fokussie- rungseinrichtung;
Fig. 4 eine Ansicht wie in Fig. 2 mit verschiedenen Anordnungen von Lichtquellen;
Fig. 5 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel für einen in der Parti- keldetektionsvorrichtung von Fig. 1 verwendeten Partikelfilter;
Fig. 6 einen Querschnitt durch den Partikelfilter entlang der Linie H-Il in Fig. 5;
Fig. 7 einen Querschnitt durch den Partikelfilter wie in Fig. 6 bei einem Produktionsschritt für den Partikelfilter;
Fig. 8 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des Partikelfilters wie in Fig. 6 mit einer alternativen Ausrichtung der Gitterstruktur eines Trägers;
Fig. 9 einen Schnitt wie in Fig. 6 durch einen diamantbeschichteten Partikelfilter;
Fig. 10 eine Seitenansicht eines Gesamtsystems einer vollautomatischen Vorrichtung zur Detektion von Partikeln; und
Fig. 1 1 eine Draufsicht auf das Gesamtsystem;
Eine in Fig. 1 gezeigte Partikeldetektorvorrichtung 210 zur Messung einer Partikelanzahl weist als Filterelement 212 einen Mikrofilter oder Partikelfilter 214 auf. Der Partikelfilter 214 weist Poren eines Durchmessers auf, bei dem zu zählende Partikel 222 an dem Partikelfilter 214 hängen bleiben. Zur Fixie- rung und/oder Positionierung des Partikelfilters 214 ist eine Haltevorrichtung 216 vorgesehen.
Ein zweidimensional ortsauflösender Lichtdetektor 218 ist gegenüber dem Partikelfilter 214 so angeordnet, dass der Lichtdetektor 218 eine Oberfläche 220 des Partikelfilters 214 mit den darauf angeordneten Partikeln 222 erfassen kann. Der Lichtdetektor 218 wandelt das erfasste Bild der Oberfläche 220 in digitale Bilddaten um und übermittelt diese über eine Kommunikationseinrichtung 224 an eine Auswerteeinrichtung 226.
In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel für den Lichtdetektor 218 dargestellt. Der Lichtdetektor 218, der in Fig. 2 gezeigt ist, weist Lichtsensoren 228, hier in Form eines CCD-Arrays 230 auf. Zur Abbildung des Bildes der Oberfläche 220 des Partikelfilters 214 ist eine optische Fokussierungseinrichtung 232 vorgesehen. Um die Oberfläche 220 zu beleuchten, weist die Partikeldetektorvorrichtung 210 eine Lichtquelle 234 auf. Eine Glasdecke 236 trennt den Partikelfilter 214 von dem Lichtdetektor 218.
In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel für die Fokussiereinrichtung 232 dargestellt. Die optische Fokussierungseinrichtung 232 weist, wie in Fig. 3 gezeigt, ein erstes Linsensystem 238, ein zweites Linsensystem 240 und ein drittes Linsensystem 242 auf. Die Linsensysteme 238, 240, 242 weisen jeweils wenigstens eine Linse oder eine Anordnung von mehreren Linsen auf.
Um die Oberfläche 220 des Partikelfilters 214 beleuchten zu können, wird Licht von der Lichtquelle 234 durch das dritte Linsensystem 242 und durch ein erstes optisches Filter 244 geführt. Das Licht trifft danach auf einen Strahlteiler 248, der einen Anteil des Lichts in Richtung der Oberfläche 220 ablenkt, wodurch die Oberfläche 220 beleuchtet wird. Das von der Oberfläche 220 und/oder den Partikeln 222 reflektierte bzw. fluoreszierte Licht gelangt durch das zweite Linsensystem 240 und den Strahlteiler 248 zu einem zweiten optischen Filter 246 und wird über das erste Linsensystem 238 auf das CCD-Array 230 fokussiert.
Die Linsensysteme 238, 240, 242 können beweglich angeordnet sein, um Anpassungen vornehmen zu können.
Die optischen Filter 244, 246 sind automatisiert austauschbar. Beispielsweise sind Farbfilter und/oder Polarisationsfilter austauschbar vorgesehen. Somit können automatisiert Aufnahmen in unterschiedlichen Farbspektren oder mit unterschiedlichen Polarisationen erstellt werden.
Die Lichtquelle 234 kann auch zur unmittelbaren Beleuchtung der Oberfläche an unterschiedlichen Positionen 234a, 234b, 234c unter unterschiedlichen Winkeln ausgebildet sein. Bei einer Ausführungsform ist die Lichtquelle 234 hierzu positionierbar gelagert. Bei einer anderen Ausführungsform sind mehrere Lichtquellen, z.B. je eine Lichtquelle pro Position, wie bei 234a, 234b und 234c dargestellt, vorgesehen.
Mit der Partikeldetektorvorrichtung 210 sollen Partikel 222, beispielsweise Moleküle, Makromoleküle oder Mikroorganismen auf oder in der Nähe einer Oberfläche 220 detektiert werden. Insbesondere kann die zu analysierende Probe durch ein Filterelement 212, insbesondere einen mikromechanischen Partikelfilter 214, gepumpt werden. Die zu detektierenden Partikel 222 befinden sich auf der Oberfläche 220. Sie können durch Farbstoffe, insbesondere Fluoreszenzfarbstoffe markiert sein. Insbesondere können Bakterien, Vieren oder Toxine durch fluoreszenzmarkierte Antikörper detektiert werden.
Nach Bestrahlung der Oberfläche 220 durch die Lichtquelle 234 wird das e- mittierte Licht nicht als Gesamtintensität gemessen. Vielmehr wird ein Bild der Oberfläche 220 gemacht, damit die Licht emittierenden Partikel 222 mittels geeigneter Software gezählt werden können. Bei einer Ausführungsform der Partikeldetektorvorrichtung 210 sind Lichtsensoren 228 auf einem CCD- Chip mit einem CCD-Array 230 vorgesehen.
Um Bakterien zählen zu können, soll wegen der typischen Größe von Bakterien die untere Grenze der optischen Auflösung an der Oberfläche 220 möglichst ca. 100 bis 500nm betragen. Beispielsweise wird hierzu das Bild der Oberfläche mittels einer geeigneten optischen Fokussierungseinrichtung 232 vergrößert. Bei einer Auflösung auf dem CCD-Array 230 von beispielsweise 5 μm wird eine Vergrößerung um wenigstens den Faktor zehn vorgesehen. Um eine Oberfläche 220 von beispielsweise 5mm x 5mm abzubilden, wird dann z.B. eine CCD-Fläche von wenigstens ca. 5cm x 5cm vorgesehen. Mit einem entsprechend großen CCD-Array 230 ist es somit möglich, unmittelbar eine Aufnahme der gesamten Oberfläche 220 anzufertigen.
Statt eines CCD-Arrays 230 kann auch ein CMOS, ein Diodenarray oder ein intensified CCD verwendet werden, um die Lichtsensoren 228 bereit zu stellen. Es ist auch möglich, die Oberfläche zeilenweise abzutasten.
Übersteigt die erforderliche CCD-Fläche die verfügbare Fläche eines CCD- Chips, ist es möglich, mehrere kleinere CCD-Chips in einem Array anzuordnen, um wiederum ein Bild der gesamten Oberfläche 220 zu gewinnen. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die CCD-Chips jedoch nicht Kante an Kante angeordnet, da der sensitive Bereich der einzelnen Chips im allgemeinen nicht bis an deren Kante reicht. Vielmehr wird mittels eines Strahlteilers 248 und weiteren optischen Komponenten auf jeden Chip ein Teil der Oberfläche 220 projiziert. Dabei kann es zu einer Überlappung kommen. Um sicher das gesamte Bild zu erhalten ist es vorteilhafter, überall eine gewisse Überlappung zuzulassen, um Ungenauigkeiten auszugleichen, als ein Teil der Bilder durch solche Ungenauigkeiten zu verlieren. Mittels geeig- neter Datenverarbeitung wird eine solche Überlappung in der Auswerteein- heit 226 automatisch entfernt, um Fehler beim automatischen Zählen der Partikel 222 zu vermeiden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Partikeldetektorvorrichtung 210 werden die Lichtsensoren 228 als Teile einer CCD-Zeile ausgeführt, welche die Oberfläche 220 Zeile für Zeile abtastet. Die Scanrichtung orthogonal zur CCD-Zeile kann durch eine Abbildung mittels eines Kippspiegels oder durch eine präzise Verschiebung der CCD-Zeile erfolgen. Ein Gesamtbild kann auch aus mehreren Aufnahmen mit verschobenem CCD-Array 230 erstellt werden. Insofern stellt die CCD-Zeile nur eine Sonderform des CCD- Arrays 230 dar.
In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel der Partikeldetektorvorrichtung 210 gezeigt, mittels der eine orts- und zeitaufgelöste Beleuchtung möglich ist. Das bedeutet, dass nacheinander verschiedene Bilder aufgenommen werden. Das untersuchte Objekt ändert sich nicht, aber die Art der Beleuchtung, wodurch sich unterschiedliche Bilder ergeben. Diese Veränderungen werden auch synthetische optische Apertur genannt.
Mit geeigneter Datenverarbeitung lässt sich dadurch die Auflösung deutlich verbessern. Die erzielbare Verbesserung ist um so höher, je mehr sich die Bilder bei unterschiedlicher Beleuchtung unterscheiden. Vorteilhaft ist es, wenn die zu detektierenden Partikel 222 nicht rund sind und wenn sich die Farbstoffe inhomogen in den oder auf den Partikeln 222 verteilen, wie beispielsweise Fluoreszenzfarbstoffe in Bakterien.
Das Verfahren der orts- und zeitaufgelösten Beleuchtung wird auch dazu verwendet, um zu erkennen, ob Partikel 222 agglomeriert sind. Es kann dazu vorteilhaft sein, wenn die Beleuchtung sehr flach erfolgt. Darüber hinaus kann ein durchsichtiger Partikelfilter 214 selbst als Lichtleiter verwendet werden. Bei solchen durchsichtigen Partikelfiltern 214 kann die Filtration und der Nachweis auch in den Poren über Antikörper/Antigen- Wechselwirkung oder DNA-Hybridisierung erfolgen. Insbesondere ist dies eine Möglichkeit für den Nachweis kleiner Moleküle wie Toxine oder Viren.
Eine weitere Möglichkeit der orts- und zeitaufgelösten Beleuchtung besteht darin, die Lichtquelle 234 zu bewegen, insbesondere in einer Ebene senkrecht zum Strahlengang. Durch mehrfache Beleuchtung ergeben sich neben dem höheren Dynamikbereich bei der Detektion auch zusätzliche Informationen aus der Topographie, welche den Informationsgehalt der Aufnahmen um zusätzliche Freiheitsgrade erhöhen.
Bei einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Partikeldetektorvorrichtung 210 sowie des damit durchführbaren Partikeldetektionsverfahrens werden zwischen verschiedenen Messzyklen, d.h. ohne Partikel 222 auf dem Partikelfilter 214, Referenzbilder gemacht, um zu erkennen, ob einzelne Lichtsensoren 228 (CCD-Pixel) defekt sind. Dies kann durch Software kompensiert werden, um Fehler aufgrund eines Pixelausfalls zu vermeiden. Außerdem kann eine Warnmeldung generiert werden, um Fehlmessungen zu vermeiden; gegebenenfalls kann durch Austausch der Lichtsensoren oder der CCD-Vorrichtung reagiert werden.
Als Lichtquelle 234 können LEDs oder Laser verwendet werden. Optische Filter 244, 246 (Kanten- und/oder Bandpassfilter) ermöglichen eine Eingrenzung der Wellenlängen. Die optischen Filter 244, 246 können durch eine mechanische Filterwechseleinrichtung automatisch gewechselt werden, um mit verschiedenen Wellenlängen Messungen durchzuführen. Zusätzlich kann neben der Fluoreszenzdetektion eine unmittelbare optische Aufnahme gemacht werden, um Staub, Schmutz und andere Fremdpartikel von den zu detektierenden Partikeln 222 zu unterscheiden. Dies lässt sich mit der orts- und zeitauflösenden Beleuchtung kombinieren.
Eine deutliche Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisses ist zu erwarten, wenn das Licht der Lichtquelle 234 gepulst wird. Zum Beispiel wird das Fluoreszenzlicht erst dann detektiert, wenn der Anregungsimpuls abgeklungen ist.
Wenn der Partikelfilter 214 aus transparentem Material hergestellt ist, so kann er von der anderen Seite beleuchtet werden, so dass das Licht den Weg durch den Partikelfilter 214 hindurch nimmt. Solche Aufnahmen können ohne Partikel 222 auch dazu verwendet werden, um strukturelle Defekte in der Partikelfilter 214 oder unzureichende Reinigung erkennen zu können. Diese Information kann so ausgewertet werden, dass ein Warnhinweis gegeben wird oder der Partikelfilter 214 ausgetauscht wird.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele für den Partikelfilter 214 anhand der Fig. 5 bis 9 näher erläutert.
Der in Fig. 5 und Fig. 6 gezeigte Partikelfilter 214 weist eine Membran 312 und einen Träger 314 auf. In die Membran 312 sind Poren 316 eingebracht, die in einem Raster angeordnet sind. Die Poren 316 haben einen runden o- der quadratischen Querschnitt.
Der Träger 314 stützt die Membran 312 in einem Randbereich 318 ab. Im Bereich der Poren 316 ist ein Durchflussbereich 320 vorgesehen.
Wie in Fig. 7 gezeigt, ist als Ausgangsmaterial für die Herstellung des Partikelfilters 214 ein Siliziumwafer 322 mit (1 10)-Kristallorientierung vorgesehen. Das Silizium wird thermisch oxidiert, so dass beispielsweise SiO2324 mit ca. 500nm Dicke erzeugt wird. Anschließend wird das gebildete SiC>2 324 von der Vorderseite 330 entfernt. Das SiO2 324 auf der Rückseite 332 wird strukturiert, um später als Ätzmaske 326 zu dienen.
Auf der Vorderseite 330 wird Diamant 328 bzw. DLC (diamond like carbon) beispielsweise in einer Dicke von ca. 1 μm abgeschieden. Eine Chromschicht (nicht dargestellt) wird in der Dicke von z.B. etwa 100nm aufgebracht und strukturiert. Sie dient als Ätzmaske für das nun folgende Strukturieren des Diamants 328.
Der Diamant 328 wird vorzugsweise durch Plasmaätzen strukturiert, und anschließend wird die Chrommaske entfernt. Fig. 7 zeigt den Partikelfilter nach diesem Schritt.
Die Vorderseite 330 wird nun in einem Ätzhalter (nicht dargestellt) geschützt und das Silizium von der Rückseite 332 beginnend nasschemisch anisotrop geätzt. Als Ätzmittel kommen beispielsweise TMAH oder Kaliumhydroxid in Frage. Das SiO2324 auf der Rückseite 332 dient dabei als Ätzmaske 326. Nach Abschluss des Ätzvorgang wird diese Schicht entfernt. Der Partikelfilter 214 sieht dann aus wie in Fig. 6. Die Membran ist somit bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 5 bis 9 aus Diamant 328 gebildet, während der Träger 314 aus dem Silizium 323 des Siliziumwafers 322 gebildet ist.
Wie in Fig. 9 dargestellt, kann zum Abschluss der komplette Partikelfilter 214 mit einer Diamantschicht 334 überzogen werden, wodurch ein äußerst stabiler, sowohl chemisch als auch mechanisch wiederstandsfähiger, Partikelfilter 214 entsteht. Selbst das Silizium 323 ist geschützt, und der gesamte Partikelfilter 214 ist mit Diamant 328 eingehüllt. Die einzige Ausnahme davon bilden etwaige Außenflächen, die beim Auseinandersägen (Separieren) von mehre- ren auf einem Nutzen (Siliziumwafer 322) gemeinsam hergestellten Partikelfiltern 214 freigelegt werden. Allerdings sind die Außenflächen in der Regel ohnehin durch Dichtungsringe von dem zu filternden Fluid separiert.
Sollen auch solche Außenflächen geschützt sein, können die einzelnen Chips oder Partikelfilter 214 nach Separieren des Wafers mit einer Diamantschicht 334 überzogen werden.
Durch die zusätzliche Diamantschicht 334 verkleinert sich der Durchmesser der Poren 316. Dies sollte bei der Strukturierung der Chrommaske bereits beachtet werden, insbesondere wenn ein Soll-Durchmesser der Poren von beispielsweise ca. 450nm erhalten werden soll.
Der in Fig. 9 dargestellte Partikelfilter 214 erhält somit eine Diamantschicht 334, die ihn gegen chemische und mechanische Einflüsse schützt.
Alternativ kann das Silizium 323 vollständig entfernt werden, wodurch einzelne dünne Filtermembranen erhalten werden.
Die Verwendung von Silizium mit (110)-Orientierung hat den Vorteil, dass beim Ätzen senkrechte Wände entstehen, wodurch eine hohe Packungsdichte von Partikelfiltern 214 auf einem Siliziumwafer 322 erreicht wird. Dies lässt sich auch durch Trockenätzen des Siliziums erzielen, allerdings ist dieser Prozess kostenaufwändiger. Zusätzlich sollte dabei gewährleistet werden, dass der Ätzprozess beim Erreichen des Diamants 328 beendet wird.
Der Siliziumwafer 322 kann aber auch aus Silizium mit (IOO)-Orientierung bestehen. Bei dem nasschemischen anisotropen Ätzen eines solchen Silizi- umwafers 322 werden jedoch keine senkrechten, sondern schräge Kanten erzeugt, wodurch die Packungsdichte verringert wird. Alternativ zu thermisch oxidiertem Silizium (SiÜ2 324) lassen sich auch andere Ätzmasken verwenden, beispielsweise anders abgeschiedenes SiO2 324 oder Si3N4. Ebenfalls ist eine Verwendung von SOI-Wafern oder die Nutzung weiterer Verfahren denkbar. Ein Partikelfilter 214 bei Verwendung von SOI- Wafern mit (IOO)-Orientierung ist in Fig. 8 gezeigt.
Die durch einen solchen alternativen Prozess fertiggestellten Partikelfilter 214 können anschließend mit einer Diamantschicht 334 versehen werden, wodurch wiederum ein Partikelfilter 214 entsteht, der vollständig durch Diamant 328 geschützt ist. Dieses Verfahren ist aufwändiger in der Prozessierung, bietet aber den Vorteil, dass die Diamantschicht 334 nicht strukturiert werden muss.
Anstelle von Silizium können auch andere Materialien als Träger 314 für die Membran 312 aus Diamant 328 verwendet werden. Hierbei kommen insbesondere Hartmetall, Titan oder Refraktäre Metalle wie beispielsweise W, Ta, Mo sowie deren Carbide in Frage. Besonders geeignet sind ebenfalls SiC und SJ3N4.
Die Diamantabscheidung findet insbesondere mittels CVD (Chemical Vapor Deposition) in einer Methan-Wasserstoffatmosphäre statt. Die für die Dissoziation der Gase notwendige Energie wird vorteilhafterweise durch einen Heißdraht (Hot filament) zur Verfügung gestellt. Es sind aber auch Mikrowellenplasma oder Stoßentladungsanregung (Are-Jet) möglich.
Wie oben beschrieben können zur Detektion der Partikel 222 diese mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert werden. Diese Farbstoffe werden mit einem Laser angeregt und das emittierte Licht mit dem oben näher beschriebenen Detektor gemessen. Da Diamant transparent ist, ermöglicht die Verwendung der hier beschriebenen Partikelfilter 214, die Beleuchtung und die Detektion von unterschiedlichen Seiten erfolgen zu lassen.
Die Partikelfilter 214 mit einer Membran 312 aus Diamant 328 sind insbesondere zur Bestimmung und Messung von Viren in Medien wie Blut und Speichel besonders geeignet. Dazu werden feinere Poren 316, beispielsweise mit 50nm Durchmesser verwendet. Poren 316 mit sehr geringem Durchmesserjenseits der Auflösungsgrenze konventioneller Belichtungs- und Strukturierungsverfahren können reproduzierbar hergestellt werden, indem ein fertiger Partikelfilter oder einer, bei dem zumindest der Diamant 328 schon strukturiert ist, mit einer weiteren Diamantschicht 334 beschichtet wird. Dadurch verengen sich Poren 316.
Zur Detektion von Bakterien im Trinkwasser kann der Lochdurchmesser 450nm betragen. Die Membrandicke liegt dabei bei ungefähr 1 μm.
Die Poren 316 sollen eine hohe Vertikalität zur Oberfläche der Membran 12 aufweisen.
Die Rauheit der Perforation an der Innenseite der Poren 316 ist rms < 2μm, bevorzugt rms < 100nm und besonders bevorzugt < 50nm.
Die Korngröße der Diamantschicht soll kleiner als 1 μm, bevorzugt kleiner als 50nm und besonders bevorzugt kleiner als 20nm sein.
Die Biegebruchspannung der Diamantschicht soll mehr als 1 GPa, bevorzugt mehr als 4 GPa und besonders bevorzugt mehr als 7 GPa betragen. Der E- Modul soll über 500 GPa, bevorzugt über 700 GPa und besonders bevorzugt über 1000GPa liegen. Der Partikelfilter 214 erlaubt eine Bakterienanreicherung in Wasser oder Luft durch einen mikromechanischen Oberflächenfilter, beispielsweise, um ein Detektionslimit einer Analyseeinrichtung zu verbessern. Durch die Verwendung von Diamant 328 in der Membran 312 besitzt der Partikelfilter 214 eine hohe chemische und mechanische Robustheit. Dies bedingt einen hohen Widerverwertungsgrad und damit einen hohen Automatisierungsgrad.
Wie dies genauer in der DE 10 2006 026 559 A1 , auf die für weitere Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird, beschrieben ist, ist der Partikelfilter in einem Detektionsverfahren verwendbar, bei dem zur Detektion bestimmter Partikel in Medien (z.B. Bakterien im Trinkwasser) das Medium durch dünne Filter gepumpt wird. Der Partikelfilter 214 hat Poren 316 mit einem so ange- passten Durchmesser, dass die zu detektierenden Partikel und alle Partikel, die eben so groß oder größer sind, auf der Filteroberfläche zurückbleiben, d.h. dort angereichert werden.
Die hohe mechanische Stabilität ermöglicht die Erzeugung eines hohen Differenzdruckes zwischen beiden Seiten der Membranen, wodurch die Flussrate durch den Filter erhöht werden kann. Alternativ oder zusätzlich lässt sich die Porendichte vergrößern, um den prozentualen Anteil der Porenfläche an der gesamten Fläche des Filters zu erhöhen. Dies ist insbesondere im Hinblick auf eine Miniaturisierung des Gesamtsystems von Interesse.
Als zu filternde Medien können sowohl Flüssigkeiten als auch Gase in Frage kommen. Die Figuren 5 und 6 zeigen eine Aufsicht und ein Querschnitt durch den als Filterelement eingesetzten Partikelfilter. Die Poren sind vorzugsweise rund, können aber auch eine andere Form haben.
Um einen vollautomatischen Betrieb in einem Detektionssystem zu ermöglichen, wird ein Fluidiksystem des Detektionsystems und insbesondere das Filter nach jeder untersuchten Probe gereinigt. Dabei werden alle zuvor zu- gefügten Stoffe (zu untersuchende Probe, Markierungsstoffe, Hilfsreagen- zien, Schmutz und Verunreinigungen) entfernt, indem aggressive Chemikalien wie z.B. Säuren, Laugen oder Lösungsmittel zum Reinigen verwendet werden.
Im folgenden wird ein solches vollautomatisches Detektionssystem als bevorzugte Verwendung der Partikeldetektionsvorrichtung 210 anhand der Figuren 10 und 11 näher erläutert.
Das in den Fig. 10 und 1 1 näher dargestellte Gesamtsystem bildet eine Ana- lyse-)Vorrichtung 70 zur automatischen Detektion von insbesondere biologischen Partikeln 222, 13 und weist als Komponenten eine Sammeleinrichtung 72, eine Transferiereinheit 74, eine Dosiereinheit 41 , einen Magneten 44, eine Gruppe 76 von Reservoiren, eine Antriebseinheit 78, eine Aufschlusseinrichtung 80, eventuell mit Temperierungseinheit 82, eine Detektionseinheit 84 und eine Steuerungseinheit 86 auf.
Diese möglichen Komponenten werden im folgenden näher erläutert.
Als Sammeleinrichtung 72 ist bevorzugt ein Airsampier 30, insbesondere ein Airsampier 30 von der Firma SKC (siehe Patente US 5,902,385 und US 5,904,752) oder der Firma Bertin eingesetzt. Der Airsampier 30 transferiert Partikel 13, insbesondere Mikroorganismen (Bakterien, Viren) und Toxine aus einer Gasphase in eine Sammelflüssigkeit 40.
Die Transferiereinheit 74 weist bevorzugt eine Hub-Schwenkeinheit 66 auf. Da der bevorzugte Airsampier 30 modular aufgebaut ist, und insbesondere aus wenigstens zwei Bauteilen - Düsenaufsatz 64 und Sammelbehälter 36 - besteht, kann der Düsenaufsatz 64 abgetrennt und der Sammelbehälter 36 zur Anreicherungsposition transferiert werden. Hier können zum Beispiel paramagnetische Beads 16 zum Andocken an zu detektierende Partikel 13 auf- genommen und mit den angedockten Partikeln angereichert werden. Ein weiteres Gefäß 62 kann wahlweise als zusätzlicher Sammelbehälter eingesetzt werden.
Die Dosiereinheit 41 ist bevorzugt als Spritze 42 ausgebildet. Mit der Dosiereinheit 41 wird z. B. Sammelflüssigkeit 40 aufgezogen.
Der Magnet 44 dient als Trenneinrichtung dazu, die paramagnetischen Beads 16 in oder an der Dosiereinheit 41 zu konzentrieren. Bei Einschalten oder Annähern des Magneten 44 werden die Beads 16 magnetisch in der Dosiereinheit festgehalten, auch wenn diese Flüssigkeit abgibt. Damit lassen sich die Beads 16 von der sie umgebenden Flüssigkeit separieren.
Die Gruppe 76 hat mehrere Reservoire (Gefäße) 91-98 mit unterschiedlichen Flüssigkeiten, die zur Prozessierung der Partikel 13 benötigt werden. Außerdem ist eine Ruheposition 99 vorgesehen. Insbesondere sind folgende Flüssigkeitsreservoire vorgesehen: « Lösung mit paramagnetischen Beads (erstes Reservoir 91 )
• Äquilibrierungslösung (zweites Reservoir 92) « erste Aufschlusslösung (drittes Reservoir 93) β zweite Aufschlusslösung (viertes Reservoir 94)
» Sammelflüssigkeit, z.B. Wasser (fünftes Reservoir 95)
« Reinigungslösung (sechstes Reservoir 96)
® Konservierungslösung (siebtes Reservoir 97)
* Abfallgefäß (achtes Reservoir 98)
Die Reservoire 91-98 sind bevorzugt - zusammen mit der Ruheposition 99 sowie der Sammeleinrichtung 72 - auf einer Linie ausgerichtet. Dadurch lässt sich die Dosiereinheit 41 zwischen den Reservoiren 91-98, eventuell der Ruheposition 99 und der Sammeleinrichtung 72 linear mittels eines einfach aufgebauten Linearantriebes 100 bewegen. Außerdem kann dann das Gesamtsystem einfach erweitert oder verkleinert werden (je nach Einsatzzweck).
Die Antriebseinheit 78 weist die im folgenden unter F) bis I) erläuterten Antriebe auf:
F) einen Linearantrieb 100 mit Einheit 102 zur Aufnahme der Dosiereinheit 41 zur Ansteuerung aller Positionen (bevorzugt in nur einer Dimension, hier in X-Richtung);
G) eine erste Bewegungseinheit (erster Motor 104) zur Bewegung der Dosiereinheit 41 (bevorzugt zum Bewegen der Spritze 42) in Z- Richtung - erste Bewegung 112 -;
H) eine zweite Bewegungseinheit (zweiter Motor 106) zur Flüssigkeitsdosierung (bevorzugt zur Bewegung eines Spritzenkolbens 50) - zweite Bewegung 114 - und
I) eine dritte Bewegungseinheit (dritter Motor 108) zum Annähern oder Entfernen des Magneten 44 (z.B. in Z-Richtung) - dritte Bewegung 116.
Die Aufschlusseinrichtung 80 weist bevorzugt ein Ultraschallgerät 56, insbesondere in Form eines Ultraschallbads 1 10, für den mechanischen Auf- schluss der Partikel, insbesondere Mikroorganismen, auf. Das Ultraschallbad 110 ist mit Flüssigkeit gefüllt, und die Dosierungseinheit 41 kann in diese Flüssigkeit eintauchen. In einer zweiten Funktion kann das Ultraschallbad 1 10, bei geringer Leistung, zur Resuspendierung der paramagnetischen Beads 16 verwendet werden.
Die Aufschlusseinrichtung 86 weist in dem dargestellten Beispiel weiter eine Temperierungseinheit 82 auf, die gemeinsam oder separat mit dem Ultraschallbad 110 betrieben werden kann. Die Temperierungseinheit 82 dient zur Unterstützung biochemischer Verfahren zum Aufschluss der Partikel 13, insbesondere Mikroorganismen (z.B. enzymatischer Verdau). Auch thermische Aufschlussverfahren nahe des Siedepunkts sind mit der Temperierungseinheit möglich.
Für einen Betrieb des Gesamtsystems bei extremen Temperaturen ist eine Temperierung des Gesamtsystems vorgesehen. Insbesondere werden die Reagenzienreservoire 91 -97, das Abfallgefäß 98 und der Sammelbehälter 36 mittels einer hier als beispielhaft als Heizspule angedeuteten zweiten Temperiereinheit 119 temperiert.
Die Detektionseinheit 84 ist am Ende der Prozesskette vorgesehen und weist die Partikeldetektionsvorrichtung 210 mit dem Partikelfilter 214 auf. Hierzu ist als Haltevorrichtung 216 drehbare Scheibe vorgesehen, in der mehrere Partikelfilter 214 zwischen einer Aufnahmeposition zum Ausfiltern der Partikel 13, 222 und (einer in Fig. 1 dargestellten) Detektionsposition bewegbar sind.
Die in Fig. 1 1 angedeutete Steuerungseinheit 86 dient zur Steuerung und Überwachung des Gesamtsystems. Als Steuerungseinheit 86 ist beispielsweise ein Computer oder Datenverarbeitungsgerät vorgesehen, in dem die einzelnen Steuerungsschritte zur vollautomatischen Durchführung des De- tektionsverfahrens in Form von Steuerungsbefehlen als Software gespeichert sind.
Gleichzeitig ist über die Steuerungseinheit 86 ein Datentransfer beispielsweise über das Internet (online) möglich. Der Datentransfer wird zum Abgleichen der Resultate über eine Datenbank oder zur Alarmgebung benutzt. Auch eine Steuerung des Gesamtsystems ist online möglich, so dass das System über größere Distanzen betrieben werden kann.
Am Ende eines jeweiligen mit dem vorstehenden Gesamtsystem - Vorrichtung 70 - durchgeführten Samplings ist die Übergabe der Beads 16 in oder auf die Detektionseinheit 84. Hierzu werden die Beads 16 auf die Membran 312 des Partikelfilters 214 aufgebracht, dessen Oberfläche 220 dann in der Partikeldetektionsvorrich- tung 210 als Detektionsplattform genutzt werden kann. Hierzu sind insbesondere die Beads 16 derart ausgewählt, dass sie eine größere Ausdehnung als die Größe der Poren 316 haben. In der Partikeldetektionsvorrichtung 210 wird dann das oben erwähnte Partikeldetektionsverfahren zur Messung der Anzahl der Partikel 13 durchgeführt.
Auch eine Verwendung nicht paramagnetischer Beads 16 ist in dem Gesamtsystem denkbar. Eine Anreicherung der Beads nach dem „Air-Sampling" könnte anstatt mittels eines magnetischen Feldes über eine poröse Membran, bevorzugt einem mikromechanischen Filter, erfolgen.
Hierzu wird bei einer nicht näher dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung 70 der Partikelfilter 214 als Trenneinrichtung eingesetzt. Dieser Partikelfilter 214 hält aufgrund der Größe der Poren 316 die Beads 16 zurück, lässt aber Flüssigkeiten passieren lassen. Demzufolge könnten sämtliche Wasch- und Detektionslösungen, die für eine Analyse, eine Detektion spezieller Partikel oder einen Aufschluss erforderlich sind, beispielsweise sämtliche Wasch- und Detektionslösungen, die für eine Immunodetektion (ELISA) notwendig sind, über diese mikromechanische Partikelfilter 214 gepumpt werden. Hierzu ist es für die chemische Stabilität sehr hilfreich, dass die Membran 312 aus Diamant 328 besteht oder damit überzogen ist.
Die auf der Oberfläche 220 des Partikelfilters 214 insbesondere mittels der Beads 16 entsprechend zurückgehaltenen und eventuell aufbereiteten Partikel 13, 222 werden dann mittels der Partikeldetektionsvorrichtung 210 gezählt. Sämtliche oben mit Bezug zu einzelnen Ausführungsformen erläuterte Merkmale und Verfahrensschritte können beliebig miteinander kombiniert werden; sie können kumuliert an einer Partikeldetektorvorrichtung 10 oder einem Verfahren oder einzeln an unterschiedlichen Ausführungen vorhanden sein.
Bezugszeichenliste
Partikel (insbesondere Mikroorganismus) Bead Airsampier Sammelbehälter Sammelflüssigkeit (Anreicherungsflüssigkeit) Dosiereinheit Spritze Magnet Spritzenkolben weiteres Gefäß Düsenaufsatz Hub-Schwenkeinheit Vorrichtung (Gesamtsystem) Sammeleinrichtung Transferiereinheit Gruppe von Reservoiren Antriebseinheit Aufschlusseinrichtung Temperiereinheit Detektionseinheit Steuerungseinheit erstes Reservoir (Beads; Lösung mit paramagnetischen Beads) zweites Reservoir (Äquilibrierungslösung) drittes Reservoir (erste Aufschlusslösung) viertes Reservoir (zweite Aufschlusslösung) fünftes Reservoir (Sammelflüssigkeit, zum Beispiel Wasser, H2O) sechstes Reservoir (Reinigungslösung) 97 siebtes Reservoir (Konservierungslösung)
98 Abfallgefäß
99 Ruheposition
100 Linearantrieb
102 Einheit zur Aufnahme der Dosiereinheit
104 erster Motor
106 zweiter Motor
108 dritter Motor
1 10 Ultraschallbad
112, Z1 erste Bewegung (Spritze in Z-Richtung)
114, Z2 zweite Bewegung (Spritzenkolben in Z-Richtung)
1 16, Z3 dritte Bewegung (Magnet in Z-Richtung)
1 18 Rückstrom zur Pumpe
1 19 zweite Temperiereinheit
210 Partikeldetektorvorrichtung
212 Filterelement
214 Partikelfilter
216 Haltevorrichtung
218 Lichtdetektor
220 Oberfläche
222 Partikel
224 Kommunikationseinrichtung
226 Auswerteeinrichtung
228 Lichtsensor
230 CCD-Array
232 optische Fokussierungseinrichtung
234 Lichtquelle
234a Alternativposition
234b Altemativposition
234c Alternativposition
236 Glasdecke 238 erstes Linsensystem
240 zweites Linsensystem
242 drittes Linsensystem
244 erster Filter
246 zweiter Filter
248 Strahlteiler
312 Membran
314 Träger
316 Pore
318 Randbereich
320 Durchflussbereich
322 Siliziumwafer
323 Silizium
324 SiO2
326 Ätzmaske
328 Diamant
330 Vorderseite
332 Rückseite
334 Diamantschicht

Claims

Patentansprüche
1. Partikeldetektorvorrichtung (210) zur optischen Ermittlung einer Anzahl von an einer Oberfläche (220), insbesondere eines Partikelfilters (214), angeordneten Partikeln (222, 13), mit einem ortsauflösenden Lichtdetektor (218), einer Lichtquelle (234), einer optischen Fokussierungseinrichtung (232) und einer Auswerteeinrichtung (226), wobei der ortsauflösende Lichtdetektor (218) Lichtsensoren (228) aufweist, die Helligkeitswerte messen, wobei der Lichtdetektor (218) zur Erzeugung von digitalen Bilddaten aus den von den Lichtsensoren (228) gelieferten Helligkeitswerten ausgebildet ist.
2. Partikeldetektorvorrichtung (210) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtsensoren (228) als wenigstens eine integrierte Schaltung und/oder als CCD, als CMOS oder als Diodenarray ausgeführt sind.
3. Partikeldetektorvorrichtung (210) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (234) eine LED aufweist.
4. Partikeldetektorvorrichtung (210) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (234) einen LASER aufweist.
5. Partikeldetektorvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (234) und/oder die Fokussierungseinrichtung (232) einen optischen Filter (244, 246) aufweisen.
6. Partikeldetektorvorrichtung (210) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Filterwechseleinrichtung zum Austausch des optischen Filters (244, 246) vorgesehen ist.
7. Partikeldetektorvorrichtung (210) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (234) beweglich angeordnet ist.
8. Partikeldetektorvorrichtung (210) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Lichtsensoren (228) oder Lichtsensoreinheiten in einem Raster angeordnet sind, wobei ein Strahlteiler (248) zur Aufteilung des Bildes der Oberfläche (220) auf die Lichtsensoreinheiten vorgesehen ist und die Auswerteeinrichtung zur Erstellung eines Gesamtbildes aus den Bilddaten der Lichtsensoreinheiten ausgebildet ist.
9. Partikeldetektorvorrichtung (210) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikeldetektorvorrichtung eine Positioniereinrichtung aufweist, an der wenigstens einer der Lichtsensoren (228) zur Positionierung relativ zu der Oberfläche (220) befestigt ist.
10. Partikeldetektorvorrichtung (210) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung einer CCD-Zeile zum Bilden der Lichtsensoren (228) eine Ablenkungsvorrichtung vorgesehen ist, die unterschiedliche Abschnitte des Bildes der Oberfläche (20) auf die CCD-Zeile abbildet.
11. Partikeldetektorvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (214) mit einer Membran (312) vorgesehen ist, die eine Vielzahl an Poren (316) zum Filtern der Partikel (222, 13) aus einem Medium aufweist, wobei wenigstens ein für das zu filternde Medium zugänglicher Teilbereich einer Oberfläche der Membran (312) aus einem Kohlenstoffmaterial mit Diamantstruktur gefertigt oder damit beschichtet ist.
12. Partikeldetektorvorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (312) vollständig aus dem Kohlenstoffmaterial gefertigt ist.
13. Partikeldetektorvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (312) aus Diamant (328) gefertigt ist.
14. Partikeldetektorvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (214) zumindest an dem die Oberfläche (220) bildenden Teilbereich aus transparentem Material gebildet ist.
15. Vorrichtung (70) zur automatischen Detektion von Partikeln (13), insbesondere biologischen Partikeln wie Mikroorganismen, mit einer Einrichtung zum Verbinden der Partikel (13) mit selektiv an die Partikel anbindbaren Trennpartikelkörpern, einer Einrichtung zum Extrahieren der Trennpartikel körpern (16) mit angebundenen Partikeln (13) aus einer Sammelflüssigkeit (40) und einer Partikeldetektionsvorrichtung (214) nach einem der voranstehenden Ansprüche als Detektionseinheit (84) zum Erfassen einer Anzahl und/oder Konzentration der derart getrennten Partikel (13), wobei die Einrichtung zum Verbinden der Partikel (13) mit den Trennpartikel körpern eine Sammeleinrichtung (72) zum Sammeln der Partikel (13) aus einem zu untersuchenden Partikel-Fluidgemisch ist, die durch das Partikel-Fluidgemisch durchströmbar ist und automatisch mit einer mit den Trennpartikeln (16) versetzten Sammelflüssigkeit (40) befüllbar ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Dosiereinheit (41 ), die automatisch gesteuert mit vorbestimmten Volumen befüllbar ist und die zum Befüllen der Sammeleinrichtung (72) mit Sammelflüssigkeit (40) ausgebildet ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinheit (41 ) die Trenneinrichtung aufweist, welche derart automatisch schaltbar ausgebildet ist, dass Trennpartikelkörper (16) wahlweise in der Dosiereinheit festgehalten werden oder mit dem dosierten Volumen ausgeschieden werden.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinheit (41 ) eine Spritze (42) oder Pipette aufweist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinheit (41 ) mittels einer Antriebseinheit (78) zwischen der Sammeleinrichtung und der Detektionseinheit automatisch gesteuert bewegbar ist.
20. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Gruppe (76) von Reservoiren für unterschiedliche Mittel zur Durchführung unterschiedlicher Schritte des Detektionsvorganges.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppe von Reservoiren eine Mehrzahl von Mittel enthält, die aus der folgenden Gruppe von Mitteln ausgewählt sind: Trennpartikelkörperlösung (91 ), Äquilibrierungslösung (92), Aufschlusslösung (93, 94), Sammelflüssigkeit (40; 95), Reinigungslösung (96) und/oder Konservierungslösung (97).
22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der Gruppe (76) von Reservoiren eine Einrichtung zum Entsorgen von Abfällen, insbesondere ein Abfallgefäß (98) zugeordnet ist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 16 und nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinheit (41 ) mittels der Antriebseinheit (78) wählbar zu unterschiedlichen Reservoiren (91-99) der Gruppe (76) von Reservoiren bewegbar ist, um Mittel aufzunehmen oder abzugeben.
24. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens einen steuerbaren Motor (104, 106, 108) zum Antreiben einer Dosiereinheit (41 ) zur dosierten Aufnahme und Abgabe von Flüssigkeiten.
25. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung zum Zusammenwirken mit paramagnetischen Beads (16) als Trennpartikelkörper einen automatisch gesteuert schalt- oder bewegbaren Magneten (44) aufweist.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (44) an einer Wandung einer Dosierkammer der Dosiereinheit (41 ) und/oder an einem Kolbenboden eines Kolbens (50) der Dosiereinheit (41 ) angeordnet ist.
27. Vorrichtung nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (44) ein Permanentmagnet ist, der durch einen automatisch gesteuerten Motor wahlweise in eine erste Position zum Festhalten der Beads (16) und in eine zweite Position zum Loslassen der Beads (16) bewegbar ist.
28. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung einen mikromechanischen Filter (214) mit Poren (316) aufweist, deren Durchmesser größer als der Durchmesser der Partikel (13), aber kleiner als der Durchmesser der einzusetzenden Trennpartikelkörper (16) ist.
29. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammeleinrichtung (72) eine insbesondere durch einen Airsampier (30) gebildete Gassammeieinrichtung zum Überführen der Partikel (13) aus einem mit den Partikeln beladenen Gas in eine Sammelflüssigkeit (40) aufweist, wobei die Sammelflüssigkeit (40) mit den Trennpartikel körpern (16) beladen ist.
30. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammeleinrichtung (72) einen separaten Sammelbehälter (36) zur Aufnahme der mit Trennpartikelkörpern (16) beladenen Sammelflüssigkeit hat, der mittels einer Transferiereinheit (74) automatisch zwischen einer Sammelposition, in der das Partikel-Fludigemisch (39) durch die Sammelflüssigkeit (40) leitbar ist, und einer Be-/Entladeposition zwecks Aufnahme der Sammelflüssigkeit (40) und/oder Entnahme von Proben bewegbar ist.
31. Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Transferiereinheit (74) eine Hub-Schwenkeinheit (66) zum Anheben und Senken und zum Verschwenken zwischen den wählbaren Positionen für den Sammelbehälter (36) aufweist.
32. Partikeldetektionsverfahren zur optischen Ermittlung einer Anzahl von an einer Oberfläche (220), insbesondere eines Partikelfilters (214), angeordneten Partikeln (222, 13) mittels einer Partikeldetektorvorrichtung (210) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mit den folgenden Schritten: a) Beleuchtung der Oberfläche (220) mit der Lichtquelle (234); b) Aufnahme eines Bildes der Oberfläche (220) durch die Detektoreinrichtung und Übermittlung der Bilddaten und c) Zählung der Partikel (222, 13) anhand der Bilddaten durch die Auswerteeinrichtung.
33. Partikeldetektionsverfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Zählung der Partikel (222, 13) ein Referenzbild der Oberfläche (220) ohne Partikel (222, 13) aufgenommen wird.
34. Partikeldetektionsverfahren nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Bilder der Oberfläche (220) aufgenommen werden und zwischen den Aufnahmen die Position der Lichtquelle (234) verändert wird.
35. Partikeldetektionsverfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Bilder der Oberfläche (220) aufgenommen werden und zwischen den Aufnahmen die Art und/oder die Anzahl der verwendeten optischen Filter verändert wird.
36. Partikeldetektionsverfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (220) zur Detektion fluoreszierender Partikel (222, 13) zunächst von einem Lichtpuls der Lichtquelle (234) bestrahlt wird und nach Abklingen des Lichtpulses ein Bild der Oberfläche (220) aufgenommen wird.
37. Partikeldetektionsverfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung die Bilder gemeinsam auswertet und daraus eine Partikelanzahl berechnet.
38. Verfahren zum automatischen Detektieren von insbesondere biologischen Partikeln in einem Partikel-Fluidgemisch, durchführbar mit einer Vorrichtung (70) nach einem der Ansprüche 15 bis 33, mit:
- einem Sammel- und Reaktionsschritt, in dem die biologischen Partikel (13) in einer Sammelflüssigkeit (40) gesammelt werden, die mit sich an bestimmte zu detektierende Partikel (13) anbindende Trennpartikelkörpern (16) beladen ist, so dass sich die Trennpartikelkörper simultan zum Sammeln der Partikel an die Partikel (13) anbinden,
- einem Extraktions- und Anreicherungsschritt, in dem die Trennpartikelkörper (16) mit den daran angebundenen zu detektierenden Partikeln (13) von der Sammelflüssigkeit (40) getrennt und in einem wesentlich kleinerem Volumen angereichert werden, und
- einem Detektionsschritt zum Erfassen der Anzahl und/oder der Konzentration der separierten Partikel (13), wobei der Detektionsschritt Durchführen eines Partikeldetektionsverfahrens nach einem der Ansprüche 34 bis 39 umfasst.
39. Verfahren nach Anspruch 38, gekennzeichnet durch Durchführen des Extraktions- und Anreicherungsschritt in einer Dosiereinheit, die dosiert mit der mit den Partikeltrennkörpern und den daran gebundenen zu detektierenden Partilkeln (13) beladenen Sammelflüssigkeit (40) und mit flüssigen Mitteln zum Extrahieren und Anreichern der Partikeltrennkörper (16) befüllt wird.
40. Verfahren nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass in der Dosiereinheit (41 ) die Partikeltrennkörper (16) mittels Schalten einer Trenneinrichtung (44) festgehalten werden, während Flüssigkeit aus der Dosiereinheit (41 ) abgegeben wird.
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