WO2014198814A1 - Method and device for detecting undissolved particles in a fluid - Google Patents

Method and device for detecting undissolved particles in a fluid Download PDF

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WO2014198814A1
WO2014198814A1 PCT/EP2014/062201 EP2014062201W WO2014198814A1 WO 2014198814 A1 WO2014198814 A1 WO 2014198814A1 EP 2014062201 W EP2014062201 W EP 2014062201W WO 2014198814 A1 WO2014198814 A1 WO 2014198814A1
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particles
measuring
fluid
channel
measuring channel
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PCT/EP2014/062201
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Inventor
Michael Bassler
Christian Sommer
Stephan Quint
Peter Spang
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
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    • G01N15/00Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10Investigating individual particles
    • G01N15/14Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
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    • GPHYSICS
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    • G01N2015/1447Spatial selection

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for detecting undissolved particles in a flowing fluid, which fluid has the density p and the viscosity ⁇ .
  • the method provides that the fluid is conveyed with the particles through a measuring channel, wherein the fluid with the particles flows through an excitation zone, in which it is detected by a radiation source, and a measuring path, in the of the particles as a result of the excitation Emission and / or scattered light emanating from the particles is recorded by a detector, wherein a mask arranged in the region of the measuring path between the measuring channel and the detector modulates the emission or the scattered light, and wherein the modulated signal is evaluated by means of a correlation analysis in order to obtain the Prove particles.
  • the device comprises a measuring channel, through which the fluid can be conveyed with the particles and which comprises a measuring section, a pump device for conveying the fluid with the particles, a radiation source for electromagnetic radiation, which is aligned with an excitation zone in the measuring channel detector arranged on the measuring path and configured to detect emission emanating from the particles as a consequence of the electromagnetic radiation and / or scattered light emanating from the particles, a mask arranged in the region of the measuring path between the measuring channel and the detector for spatially modulating the Emission and / or scattered light and an evaluation device with means for correlation analysis for detecting the particles based on the modulated signal.
  • the invention has its origin in the field of flow cytometry.
  • this is a process in which the fluid with the particles, in this case biological cells, is pumped through a flow cell in which they are excited to emit fluorescence by means of incident light.
  • the cells are therefore usually previously labeled with fluorescent substances.
  • the emitted light is picked up by a detector as the particle passes through the flow cell.
  • a mask also shadow mask, with which the emitted light is modulated in time due to the relative movement of the particles to the mask.
  • Such a signal is recorded at a certain sampling rate. The result is called sampling.
  • the scanning sequence of the modulated signal or the successive translucent or transparent and opaque sections of the mask can be arranged periodically in the simplest case. Preferably, however, they are arranged as a so-called “pseudo random binary sequence", that is to say in an order with irregular distances and lengths in order to allow unambiguous identification, in particular when measuring a plurality of particles which overlap the measurement path in a time-overlapping manner.
  • the evaluation by means of the correlation analysis takes place by the evaluation device computationally forming a reference sequence from the known pattern of the mask. It is fixed in its absolute length (scaled) and compared or folded with the sampling, whereby it is shifted over the signal. The process is iteratively repeated at other scales until a match is found.
  • the correspondence is shown for each particle passing through the detection cell in the form of a correlation peak, by means of which the particles can be counted, for example.
  • this arrangement to measure the intensity of the emitted light and / or additionally a scattering signal emanating from the particle, from which further information about the particle can be obtained. For example, such a statement about its size can be made.
  • the present invention proposes an improved method of this type and an apparatus for its execution, with which particle properties can be detected in a flowing fluid in a shorter time or with less computational effort.
  • the inventive method for detecting undissolved particles in a flowing fluid of the type described above provides that the fluid is conveyed through the entire measuring channel with an average flow velocity v at which the channel Reynolds number
  • d hyd denotes the hydraulic diameter of the measuring channel and wherein the particles assume a velocity distribution whose half- width is less than 4% of the average particle velocity, preferably less than 2% and more preferably less than 1%.
  • the device of the aforementioned type has a pump device associated control device which is set to set a flow velocity v for the fluid through the entire measuring channel, in which the channel Reynolds number p ⁇ v ⁇ d hyd
  • d hyd denotes the hydraulic diameter of the measuring channel and wherein the particles assume a velocity distribution whose half- width is less than 4% of the average particle velocity, preferably less than 2% and more preferably less than 1%.
  • particles includes extended solids as well as droplets of a liquid, meaning that the fluid with particles may be a suspension or also an emulsion flowable medium are understood and in particular rewrite gases and liquids.
  • the finding underlying the invention is that identical particles have a significant flow behavior in the fluid only under the aforementioned conditions, as will be explained in more detail below with reference to FIGS. Namely, by observing the above experimental conditions, the particles in the flowing fluid arrange on certain flow paths in the measurement channel due to an interaction with the fluid, thereby entraining the fluid at a significantly narrower velocity distribution in the fluid than outside the aforementioned conditions is. This is attributed to the hydrodynamic properties of the particles, where as "hydrodynamic particle property" in the For the purposes of this specification, the particle size, the elasticity, the shape and the density of the particles are understood in particular.
  • a channel Reynolds number of more than 200 or even more than 50 to a very high pressure in the measuring channel or the entire line system of the device not every basically suitable material (eg plastic, glass or steel) can withstand.
  • the flow velocity in the measuring channel rises above values which require a considerable higher technical outlay for the detection of the particles or even a measurement of their velocity in the measuring channel. For these reasons, it is advantageous in some cases to limit the channel Reynolds number to 200 or even 50.
  • the evaluation by correlation analysis can be made considerably more targeted because the previously described scaling of the reference sequence only has to be iteratively changed within a narrow range around an average value corresponding to the mean velocity, which considerably shortens the entire evaluation process.
  • the mentioned "flow behavior" can as a generic term at least one of the parameters - average migration velocity of a particle population
  • the residence time of the particles in the measuring channel over the distance of the measuring section or directly the migration speed of the particles in the measuring section can be determined. Due to the narrow velocity distribution, discrete distribution maxima can form for particles with different hydrodynamic properties, which allow a differentiation of different particle populations or even allow a classification or a determination of the particles based on a specific average migration rate or its change as a result of a change in the flow conditions. At least for differentiation, not even a calibration is needed.
  • the differentiation, classification or determination of the particles is preferably carried out based on at least one of the above parameters.
  • the parameter or parameters are obtained from the data of the determined migration speed in an analysis step.
  • the device advantageously has an analysis device which is set up to analyze the flow behavior of the particles on the basis of the determined migration speed and to output them for differentiation, classification or determination of the particles.
  • the analysis also includes calibrating recorded sampling data, i. the conversion into concrete physical quantities.
  • the analyzing may include evaluating one or a plurality of events to determine, for example, a distribution or a mean.
  • the analysis device outputs the result of the analysis, ie the parameter (s) characterizing the flow behavior, depending on the user's preference for image representation, for expression, in tabular form, as graphic or as electronic data record.
  • Classification means, for example, if only one or more of the hydrodynamic properties of the particles, but not the particle itself clearly can be determined, the classification of the particle in a particle class with just those hydrodynamic properties.
  • the present invention finds application in so-called microfluidics in which minute volumes of liquid in the range of ⁇ are handled and analyzed.
  • the device according to the invention for miniaturization is suitable for a so-called microfluidic chip or lab-on-a-chip system with which, for example, blood samples or other organic cell material can be analyzed.
  • measuring path in the sense of the patent claims is the section of the measuring channel in which the migration speed of the particles takes place.Furthermore, the measuring channel comprises said "excitation zone” and can additionally comprise a "starting distance". While the start-up section and the measuring section are arranged spatially one behind the other in the flow direction, the excitation zone and the measuring section or the excitation zone and the start-up section may coincide spatially or overlap.
  • the method provides that the particles have a maximum particle diameter a p and that the fluid with the particles in the measuring channel in the flow direction in front of the measuring section a start-up path with a length L of at least
  • R K a denotes the channel Reynolds number in the start-up section and wherein the measuring channel has a height h at least in the region of the start-up section, but preferably in the entire measuring channel.
  • the device according to the invention preferably provides that the measuring channel in the flow direction upstream of the measuring section has a start-up section with this length L, wherein the measuring channel has a height h at least in the region of the starting section, but preferably in the entire measuring channel.
  • the particle diameter a p is assumed to be the largest extent in the case of non-spherical particles, that is to say the main axis in the case of a rotational ellipsoid.
  • the term "height h” is understood to mean the dimension of the lesser extent, for example, for a channel with a rectangular cross section, the length of the short side of the cross section width w.
  • height h and width w are the same each the diameter of the cross section. Any changes in the cross section should generally and in particular in the direction of the height h not abruptly but only continuously, so that the flow within the channel always remains laminar. In general, however, the height h and the width w are constant throughout the measurement channel to avoid accelerating forces which can disturb the arrangement of the particles on certain flow paths in the measurement channel and thus widen their velocity distribution.
  • Compliance with the above condition ensures that an equilibrium flow has formed at the end of the starting section L and thus at the beginning of the measuring section, in which the particles or individual particle populations with uniform hydrodynamic properties in the flowing fluid are arranged in their equilibrium configuration and therefore the velocity distribution of the Particle has the mentioned significance.
  • the cross section of the measuring channel in the second spatial direction, the width w a much greater extension than the height h and even preferably at least ten times the extent.
  • the inventors have found that a particularly narrow velocity distribution of the particles occurs when its height h or minimum elongation of 200 times, preferably 50 times, does not exceed the particle diameter.
  • the velocity distribution of the particles can be adjusted if, according to a further aspect of the invention, the particle Reynolds number
  • the velocity distribution and / or a mean velocity value is obtained from the determined migration speed and used for differentiation, for classifying or for determining the particles.
  • a distribution according to the experience of the inventors is understood to be sufficiently narrow if the half-width of the velocity distribution of a particle population is less than 4%, preferably less than 2%, of the mean particle velocity.
  • a preferred form of analysis therefore comprises, in particular, the determination of the average particle velocity and / or the distribution width, particularly preferably the half-width of the determined velocity distribution. This is useful in connection with a further development of the method in which a change in the measured migration speed and / or a change in the distribution of the migration rate as a result of the change in the flow velocity v is analyzed and used for differentiation, classification or determination of the particles.
  • the inventors have found that not only the absolute or relative particle velocity or the velocity distribution can be used to classify the particles, but also that the change of one of these two parameters allows a statement about the hydrodynamic properties of the particles. By a combination of both analyzes, under certain circumstances, a further degree of freedom or a further hydrodynamic particle property can be determined and thus the classification of the particles can be carried out more accurately or even a determination of the particles becomes possible.
  • determining the migration rate preferably involves measuring the time that the particles take to pass the measurement path.
  • the detector is set up to quantitatively detect the intensity of the emission emanating from the particles and / or the scattered light emanating from the particles.
  • the analysis device is set up to output the intensity for differentiation, for classification or for the determination of the particles.
  • Figure 1 is a schematic representation of the particle concentration in a cylindrical channel after Segre and Silberberg
  • Figure 2 shows four distributions of the particles in the cylindrical channel in the radial direction at different axial positions
  • FIG. 3 shows velocity distributions of the same particles in one
  • Figure 4 shows two velocity distributions of different particles in the same fluid at constant flow rate
  • Figure 5 is a schematic representation of the grouping different
  • FIG. 6 a schematic representation of a measuring channel with a time measuring device for a modulated fluorescence or scattered light signal
  • FIG. 7 shows the measuring channel according to FIG. 6 in plan view
  • FIG. 8 shows a schematic measurement signal of a single particle taken with that of a measuring device according to FIG. 6;
  • FIG. 9 the signal of a particle after correlation analysis
  • Figure 10 derivative of the correlation peak of Figure 9
  • Figure 1 1 shows a typical signal of several particles taken with a measuring device according to Figure 6;
  • FIG. 12 shows the measurement signal according to FIG. 11 after passing through the correlation analysis and derivation
  • Figure 13 is a graph of three velocity distributions of different particles measured at a first flow rate
  • Figure 14 is a graph of three velocity distributions of the same three particles measured at a second flow rate
  • FIG. 15 shows a two-dimensional intensity-velocity
  • FIG. 16 shows a projection of the diagram according to FIG.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through such a cylindrical tube 10 with the central axis 12 and the radius r, in which the fluid with the particles, ie the dispersion, flows in the direction of arrow 14. It is assumed that the particles in the dispersion at the beginning of the tube 10 at position a) are still homogeneous Distributed with the fluid distributed over the entire cross-sectional area.
  • the constant distribution at the position a) is shown schematically in the corresponding diagram a) in FIG. 2, the distribution from the center or symmetry axis 12 to the radius r being plotted there.
  • the behavior can also be read in FIG. 1 on the basis of the contour lines 16 and 18. These show that the constriction of the spatial particle distribution with the distance covered in the channel is continuous and parabolic.
  • the particle velocity is normalized to the mean flow velocity of the fluid so that the change in flow rate does not result in a shift in the (absolute) particle velocity and the results are easier to compare.
  • FIG. 4 shows in a two-dimensional diagram a velocity distribution in which a particle counting rate in the vertical direction against the particle velocity in the horizontal direction is plotted.
  • the two maxima are clearly separated and can each be clearly assigned to one of the two particle populations. This makes it obvious that different particles due to different hydrodynamic particle properties not only in their spatial but also in your velocity distribution in a flowing medium significantly different order and therefore differentiable, classifiable and can also be determined by appropriate behavior with a suitable calibration.
  • FIG. Shown is a cross section through a flat rectangular channel 30 which is formed symmetrically about the center line 32 and the height h, wherein the height h denotes the smallest extent of the rectangular channel.
  • the channel 30 is traversed by a fluid having two different particle populations in the direction of the arrow 34.
  • a parabolic-shaped flow profile 36 of the fluid is formed, which has a maximum velocity v max in the middle of the channel and decreases symmetrically towards the two edges of the channel 30.
  • two particle populations are present, of which the particles of a first population are schematized as small circles 37 and those of a second population as large triangles 38. It is assumed that the particles 37 of the first population have a smaller mean particle diameter than the particles 38 of the second population.
  • the inventors have also found that in addition to the size of the particles and their elasticity, shape and density as hydrodynamic properties have an influence on the arrangement in the velocity profile. These properties can cancel each other out so that particles with different hydrodynamic properties still quantitatively result in very similar or even average velocities and similar or equal velocity distribution profiles. Under these circumstances, no definite determination but only a classification of the particles is possible. For example, the hydrodynamic focusing of bacteria with a certain diameter and elastic deformability takes place even at a lower flow velocity than the rigid spherical particles of the same size. In other words, a bacterium may assume the same average velocity as a much larger but rigid sphere.
  • FIGS. 6 and 7 schematically show somewhat simplified an embodiment of the device according to the invention, in which the measuring channel 60 with a flat rectangular profile is incorporated into the substrate of a microfluidic chip 62.
  • the microfluidic chip is shown in Figure 6 in the side view in section and in Figure 7 in plan view.
  • the side view shows the measuring nal 60 in the height direction in which has an extension or height h. In the width direction, it has an extension or width w.
  • the measuring channel has a feed 64 and an outlet 66 for the fluid to be examined.
  • the feed 64 and / or the discharge 66 can be connected to a pumping device, not shown, for conveying the fluid with the particles (this time from right to left) through the measuring channel 60, with which a pressure difference can be generated by means of a control device associated with the pumping device it can be set that the fluid flows through the measuring channel at a flow velocity v at which the channel Reynolds number
  • the measuring channel 60 is further provided with two further terminals 68, 70, through which a sheath liquid viewed in the width direction can be supplied from both sides.
  • the flow of the fluid through the feed 64 into the measuring channel 60 with the particles is hydrodynamically focused in the flow direction v behind an intersection 71 with the connections 68, 70 for the sheath liquid, so that it flows through the measuring channel 60 in the width direction w substantially in the center while only the sheath liquid added through the openings 68, 70 has contact with the channel wall in the width direction w.
  • this causes the flow of the fluid with the particles to be adjusted to a desired width such that all the particles pass through the excitation zone described below. to run.
  • this ensures that a substantially constant flow profile is formed in the width direction of the measuring channel and the flow profile varies substantially only in its vertical direction according to the parabolic shape shown in FIG.
  • the microfluidic chip 62 has an entrance window 72 for a laser beam 74 which is arranged to the direction of the laser beam so that it completely or predominantly in the substrate medium of the microfluidic chip 62, which preferably consists of plastic and more preferably of PMMA, broken and is passed under total internal reflection between the two interfaces of the microfluidic chip 62 to the environment.
  • the laser beam passes through the measuring channel 60 and excites the particles in the fluid or irradiates them.
  • section 76 within the meaning of the claims forms an excitation zone in the measurement channel, to which the radiation source (not shown) for electromagnetic radiation 74 is aligned in the sense of this invention.
  • the particles flowing in the fluid have an opportunity to locate within the airfoil as shown in Figure 5 and assume a corresponding migration speed.
  • the measuring section 80 which is characterized in that a detector 82 is aligned thereon.
  • the region of the measuring section 80 is between see the measuring channel 60 and the detector 82 also has a mask 84.
  • This so-called shadow mask has in the flow direction v spatially consecutive transparent and non-transparent sections. These sections block emission emanating from the particles as a result of the excitation and / or scattered light emanating from the particles on their way to detection. gate 82 or let this happen. This is exemplified at wavy lines 86 and 88, respectively, for two of the sections.
  • This measuring arrangement generates the time-modulated detector signal shown in FIG. 8 when passing through an emitting or scattering particle.
  • the diagram of Figure 8 shows a schematically idealized representation and no real measurement.
  • the duty cycle of the signal represents the sequence of the transparent and non-transparent portions of the shadow mask 84.
  • the signal is recorded in a manner known per se with a sufficient sampling rate.
  • the modulated signal of a particle has a time length (residence time) which results from its velocity and the length of the measuring channel. Time duration and speed are equivalent. From the residence time and the sampling rate, ie the number of measurement points per time unit, the total number of measurement points that make up the signal results. Also, this total number of measurement points occupied by the modulated signal thus depends on the velocity of the particle.
  • the scanning sequence or the successive sections can in the simplest case exist in the form of a periodic sequence of transparent and non-transparent sections. Preferably, however, they are arranged as a so-called "pseudo random binary sequence", that is to say in an order with irregular distances and lengths in order to enable unambiguous identification, in particular when measuring a plurality of particles which overlap the measuring path 80 in a time-overlapping manner.
  • This evaluation is done using a correlation analysis.
  • the pattern of the shadow mask is known.
  • the evaluation device computationally forms a reference sequence. It is scaled in absolute length and compared to the sampled detector signal, shifting it over the entire sampling. Then the process is added iteratively repeats other scaling until a match is found.
  • This process can also be referred to as a query of velocity channels or filtering and takes place at discrete values, whereby here too attention must be paid to a sufficient resolution.
  • the correlation signal always grows approximately linearly from the two sides towards the middle, only exactly in the middle does a significant correlation peak form, which signals the agreement.
  • the correlation diagram according to FIG. 9 can be derived mathematically, from which the diagram according to FIG. 10 results.
  • the zero crossing between the maximum and the minimum of the derivative signal marks the exact value of the correlation signal.
  • the actual length of the measuring section is known. Therefore, by means of a calibration measurement with a known position of the correlation peak, i. the velocity of the particle is determined absolutely at the determined length of the reference sequence. Otherwise, the result is used for a relative comparison with the speed of other particles.
  • the particles in the previously described Can be exactly determined, as can be seen in the figure 12 on the basis of the derivations of the correlation peaks, because the use of an unperiodic shadow mask despite significant overlap of the residence time of the particles in the region of the measuring section ensures significant discrete correlation results.
  • the correlation analysis yields different scaling values for the reference sequence. This is preceded by a high computational effort, since the entire sampling must be correlated with a large number of scaled reference sequences, depending on the required resolution and width of the velocity interval to be scanned. To reduce this effort, the device according to the invention and the method according to the invention make it possible to select the velocity distribution so narrow that the scaling interval can be considerably reduced without loss of measurement data.
  • both velocity distributions of identical particles and velocities or their equivalents of particles of different populations can be determined. Both together is done by way of example in the diagram according to FIG.
  • the diagram shows the velocity distributions of three particle populations which were simultaneously conveyed through a measurement channel under the experimental conditions according to the invention at a channel Reynolds number R K of 14.
  • the velocity of these particles is distributed from about 340 mm / sec to about 620 mm / sec over a large interval and has approximately the curve shape of the second distribution curve 21 in the three-dimensional diagram according to FIG.
  • the curve is normalized to the maximum value of the right edge peak.
  • particles having an average particle diameter a p of 2.1 ⁇ are contained in the fluid. At the same channel Reynolds number, these have a very sharp distribution in the range of about 410-415 mm / sec, as can be seen from the dashed curve. Finally, even larger particles with a mean particle diameter a p of 6.42 ⁇ are contained in the fluid whose dotted-line distribution is narrower again and comprises a range of about 425 to about 428 mm / sec. The two latter curves are also normalized to the maximum value of the respective peaks. These both have the shape of the distribution according to curve 25 in the diagram in FIG.
  • FIG. 13 shows yet another effect which has not been described in detail above.
  • the fact that the smallest particles evidently have not yet reached their equilibrium position and therefore show a broad distribution in which a maximum value slowly begins to form at the left edge shows that the flow velocity and thus the parabolic distribution profile of the fluid velocity, cf. FIG 5, not yet steep enough, that the forces acting on the small particles are sufficient to move them completely into an equilibrium position.
  • FIG. 15 shows a two-dimensional diagram in which the signal intensity in the vertical direction is plotted against the velocity distribution in the horizontal direction. Again, this measurement contains two particle populations that are clearly separated from each other in both projection on the velocity axis and projection onto the intensity axis. If the measurement is thus carried out in such a way that the intensity of the emitted or scattered radiation is registered and coincidentally measured in addition to the velocity distribution, a further particle property can be determined in a measurement and the particles can therefore be classified or determined more precisely.
  • the projection on the velocity axis is shown in FIG. 4 described above.
  • the projection onto the intensity axis is shown in FIG. LIST OF REFERENCE NUMBERS
  • V mean flow velocity of the fluid

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Abstract

The invention relates to a method and a device for detecting undissolved particles in a flowing fluid, which fluid has the density p and the viscosity µ. The fluid with the particles is transported through a measuring channel (60) and flows through an excitation zone (76), in which it is recorded by a radiation source, and a measuring zone (80), in which an emission emanating from the particles as a result of the excitation and/or scattered light emanating from the particles is recorded by a detector (82). A mask (84) arranged between the measuring channel (60) and the detector (82) modulates the emission or the scattered light, and the modulated signal is evaluated by means of a correlation analysis. The fluid is transported through the measuring channel (60) at an average flow velocity (a) at which the channel Reynolds number (b) assumes values between 0.1 and 500, wherein the particles assume a velocity distribution of which the half width is less than 4% of the average particle velocity.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Nachweisen von ungelösten Teilchen in einem Fluid  Method and apparatus for detecting undissolved particles in a fluid
Beschreibung description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Nachweisen von in einem strömenden Fluid befindlichen ungelösten Teilchen, welches Fluid die Dichte p und die Viskosität μ aufweist. Das Verfahren sieht vor, dass das Fluid mit den Teilchen durch einen Messkanal gefördert wird, wobei das Fluid mit den Teilchen eine Anregungszone, in der es von einer Strahlungsquelle erfasst wird, und eine Messstrecke durchströmt, in der von den Teilchen in Folge der Anregung ausgehende Emission und/oder von den Teilchen ausgehendes Streulicht von einem Detektor aufgenommen wird, wobei eine im Bereich der Messstrecke zwischen dem Messkanal und dem Detektor angeordnete Maske die Emission bzw. das Streulicht moduliert, und wobei das modulierte Signal mittels einer Korrelationsanalyse ausgewertet wird, um die Teilchen nachzuweisen. The invention relates to a method and a device for detecting undissolved particles in a flowing fluid, which fluid has the density p and the viscosity μ. The method provides that the fluid is conveyed with the particles through a measuring channel, wherein the fluid with the particles flows through an excitation zone, in which it is detected by a radiation source, and a measuring path, in the of the particles as a result of the excitation Emission and / or scattered light emanating from the particles is recorded by a detector, wherein a mask arranged in the region of the measuring path between the measuring channel and the detector modulates the emission or the scattered light, and wherein the modulated signal is evaluated by means of a correlation analysis in order to obtain the Prove particles.
Dementsprechend weist die Vorrichtung einen Messkanal, durch den das Fluid mit den Teilchen förderbar ist und der eine Messstrecke umfasst, eine Pumpein- richtung zum Fördern des Fluids mit den Teilchen, eine Strahlungsquelle für elektromagnetische Strahlung, die auf eine Anregungszone im Messkanal ausgerichtet ist, einen auf die Messstrecke ausgerichteten Detektor, der eingerichtet ist, von den Teilchen in Folge der elektromagnetischen Einstrahlung ausgehende Emission und/oder von den Teilchen ausgehendes Streulicht zu detektie- ren, eine im Bereich der Messstrecke zwischen dem Messkanal und dem Detektor angeordnete Maske zur räumlichen Modulation der Emission und/oder des Streulichtes und eine Auswerteeinrichtung mit Mitteln zur Korrelationsanalyse zum Nachweisen der Teilchen anhand des modulierten Signals auf. Die Erfindung hat ihren Ursprung im Bereich der Durchflusszytometrie. Hierbei handelt es sich vereinfacht gesagt um ein Verfahren, bei dem das Fluid mit den Teilchen, hier biologische Zellen, durch eine Durchflusszelle gepumpt wird, in der diese mittels eingestrahlten Lichts zur fluoreszierenden Emission angeregt werden. Die Zellen werden deshalb zuvor meist mit fluoreszierenden Substanzen markiert. Das emittierte Licht wird von einem Detektor aufgenommen, während das Teilchen die Durchflusszelle passiert. Zwischen dem Messkanal der Durchflusszelle und dem Detektor befindet sich eine Maske, auch Schattenmaske, mit der das emittierte Licht aufgrund der Relativbewegung der Teilchen zu der Maske zeitlich moduliert wird. Ein solches Signal wird mit einer bestimmten Abtastrate aufgezeichnet. Das Ergebnis wird als Sampling bezeichnet. Accordingly, the device comprises a measuring channel, through which the fluid can be conveyed with the particles and which comprises a measuring section, a pump device for conveying the fluid with the particles, a radiation source for electromagnetic radiation, which is aligned with an excitation zone in the measuring channel detector arranged on the measuring path and configured to detect emission emanating from the particles as a consequence of the electromagnetic radiation and / or scattered light emanating from the particles, a mask arranged in the region of the measuring path between the measuring channel and the detector for spatially modulating the Emission and / or scattered light and an evaluation device with means for correlation analysis for detecting the particles based on the modulated signal. The invention has its origin in the field of flow cytometry. In simple terms, this is a process in which the fluid with the particles, in this case biological cells, is pumped through a flow cell in which they are excited to emit fluorescence by means of incident light. The cells are therefore usually previously labeled with fluorescent substances. The emitted light is picked up by a detector as the particle passes through the flow cell. Between the measuring channel of the flow cell and the detector is a mask, also shadow mask, with which the emitted light is modulated in time due to the relative movement of the particles to the mask. Such a signal is recorded at a certain sampling rate. The result is called sampling.
Die Tastfolge des modulierten Signals bzw. die aufeinanderfolgenden transluzenten oder transparenten und opaken Abschnitte der Maske können im einfachsten Fall periodisch angeordnet sein. Bevorzugt sind sie allerdings als sogenannte„pseudo random binary sequence" angeordnet, das heißt in einer Reihenfolge mit unregelmäßigen Abständen und Längen, um insbesondere beim Messen mehrerer Partikel, die zeitlich überlappend die Messstrecke passieren, eine eindeutige Identifikation zu ermöglichen. The scanning sequence of the modulated signal or the successive translucent or transparent and opaque sections of the mask can be arranged periodically in the simplest case. Preferably, however, they are arranged as a so-called "pseudo random binary sequence", that is to say in an order with irregular distances and lengths in order to allow unambiguous identification, in particular when measuring a plurality of particles which overlap the measurement path in a time-overlapping manner.
Die Auswertung mithilfe der Korrelationsanalyse erfolgt, indem die Auswerteeinrichtung aus dem bekannten Muster der Maske rechnerisch eine Referenzsequenz bildet. Diese wird in ihrer absoluten Länge festgelegt (skaliert) und mit dem Sampling verglichen bzw. gefaltet, wobei sie über das Signal hinweg ver- schoben wird. Anschließend wird der Vorgang iterativ bei anderen Skalierungen so lange wiederholt, bis eine Übereinstimmung gefunden ist. Die Übereinstimmung zeigt sich für jedes die Detektionszelle passierende Teilchen in Form eines Korrelationspeaks, anhand dessen die Teilchen beispielsweise gezählt werden können. Darüber hinaus ist es bekannt, diese Anordnung dazu zu nutzen, die Intensität des emittierten Lichtes und/oder zusätzlich ein Streusignal, das von dem Teilchen ausgeht zu messen, woraus weitere Informationen über das Teilchen gewonnen werden können. Beispielsweise kann so eine Aussage über dessen Größe getroffen werden. The evaluation by means of the correlation analysis takes place by the evaluation device computationally forming a reference sequence from the known pattern of the mask. It is fixed in its absolute length (scaled) and compared or folded with the sampling, whereby it is shifted over the signal. The process is iteratively repeated at other scales until a match is found. The correspondence is shown for each particle passing through the detection cell in the form of a correlation peak, by means of which the particles can be counted, for example. Moreover, it is known to use this arrangement to measure the intensity of the emitted light and / or additionally a scattering signal emanating from the particle, from which further information about the particle can be obtained. For example, such a statement about its size can be made.
Beispielhaft wird auf die Schriften US 8,373,860 B2, US 2013/0016335 A1 , US 2008/0181827 A1 , US 2008/0183418 A1 und US 7,763,856 B2 verwiesen, die sich mit jener Technologie befassen. Reference is made by way of example to the documents US Pat. No. 8,373,860 B2, US Pat. No. 2013/0016335 A1, US Pat. No. 2008/0181827 A1, US Pat. No. 2008/0183418 A1 and US Pat. No. 7,763,856 B2, which deal with this technology.
Die vorliegende Erfindung schlägt ein verbessertes Verfahren dieser Gattung und eine Vorrichtung zu dessen Ausführung vor, mit dem Teilcheneigenschaften in einem strömenden Fluid in kürzerer Zeit bzw. mit weniger Rechenaufwand nachgewiesen werden können. The present invention proposes an improved method of this type and an apparatus for its execution, with which particle properties can be detected in a flowing fluid in a shorter time or with less computational effort.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Nachweisen von in einem strömenden Fluid befindlichen ungelösten Teilchen der eingangs beschriebenen Art sieht vor, dass das Fluid durch den gesamten Messkanal mit einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit v gefördert wird, bei der die Kanal-Reynoldszahl The inventive method for detecting undissolved particles in a flowing fluid of the type described above provides that the fluid is conveyed through the entire measuring channel with an average flow velocity v at which the channel Reynolds number
_ p - v dhyd _ p - v d hyd
Werte zwischen 0,1 und 500 annimmt, wobei dhyd den hydraulischen Durchmesser des Messkanals bezeichnet und wobei die Teilchen eine Geschwindigkeitsverteilung annehmen, deren Halbwertsbreite weniger als 4% der mittleren Teilchengeschwindigkeit, bevorzugt weniger als 2% und besonders bevorzugt weniger als 1 % beträgt. Die Erfindung sieht weiterhin vor, dass die Vorrichtung der eingangs genannten Art eine der Pumpeinrichtung zugeordnete Steuereinrichtung aufweist, die eingerichtet ist eine Strömungsgeschwindigkeit v für das Fluid durch den gesamten Messkanal einzustellen, bei der die Kanal-Reynoldszahl p v d hyd Values between 0.1 and 500, where d hyd denotes the hydraulic diameter of the measuring channel and wherein the particles assume a velocity distribution whose half- width is less than 4% of the average particle velocity, preferably less than 2% and more preferably less than 1%. The invention further provides that the device of the aforementioned type has a pump device associated control device which is set to set a flow velocity v for the fluid through the entire measuring channel, in which the channel Reynolds number p v d hyd
μ  μ
Werte zwischen 0,1 und 500 annimmt, wobei dhyd den hydraulischen Durchmesser des Messkanals bezeichnet und wobei die Teilchen eine Geschwindigkeitsverteilung annehmen, deren Halbwertsbreite weniger als 4% der mittleren Teilchengeschwindigkeit, bevorzugt weniger als 2% und besonders bevorzugt weniger als 1 % beträgt. Values between 0.1 and 500, where d hyd denotes the hydraulic diameter of the measuring channel and wherein the particles assume a velocity distribution whose half- width is less than 4% of the average particle velocity, preferably less than 2% and more preferably less than 1%.
Der Begriff„Teilchen" schließt im Sinne dieser Schrift ausgedehnte Festkörper wie auch Tröpfchen einer Flüssigkeit ein. Es kann sich demnach bei dem Fluid mit Teilchen um eine Suspension oder auch um eine Emulsion handeln. Darüber hinaus soll der Begriff„Fluid" im weitesten Sinne als fließfähiges Medium verstanden werden und insbesondere Gase und Flüssigkeiten umschreiben. For the purposes of this document, the term "particles" includes extended solids as well as droplets of a liquid, meaning that the fluid with particles may be a suspension or also an emulsion flowable medium are understood and in particular rewrite gases and liquids.
Die der Erfindung zugrundeliegende Erkenntnis ist, dass gleiche Teilchen nur unter den vorgenannten Bedingungen ein signifikantes Strömungsverhalten in dem Fluid aufweisen, wie nachfolgend anhand der Figuren noch näher erläutert werden wird. Durch Einhaltung vorstehender experimenteller Bedingungen ordnen sich die Teilchen in dem strömenden Fluid nämlich aufgrund einer Wechselwirkung mit dem Fluid auf bestimmten Strömungsbahnen in dem Mess- kanal an, wodurch sie mit einer signifikant schmaleren Geschwindigkeitsverteilung in dem Fluid mitgeführt werden als dies außerhalb der genannten Bedingungen der Fall ist. Dies wird auf die hydrodynamischen Eigenschaften der Teilchen zurückgeführt, wobei als „hydrodynamische Teilcheneigenschaft" im Sinne dieser Schrift insbesondere die Teilchengröße, die Elastizität, die Form und die Dichte der Teilchen verstanden werden. Der Effekt tritt in Abhängigkeit von den hydrodynamischen Eigenschaften bei eben jener Kanal-Reynoldszahl zwischen 0,1 und 500, bevorzugt zwischen 0,5 und 200 und besonders bevor- zugt zwischen 1 ,0 und 50 auf, die bei gegebenem Fluid und hydraulischem Durchmesser durch die Strömungsgeschwindigkeit v eingestellt wird. Unterhalb von RK = 0,1 ist das Strömungsprofil des Fluids zu flach, so dass die in der Fluidströmung auf die Teilchen wirkenden Kräfte nicht ausreichen, diese in einer akzeptablen Zeitspanne anzuordnen. In Fällen einiger Teilchen mit besonderen hydrodynamischen Eigenschaften kann eine Untergrenze von RK = 1,0 bevorzugt sein. Oberhalb der Grenze von RK = 500 werden andererseits Turbulenzen am Partikel erwartet, so dass mit einem unkontrollierbaren Verhalten der Teilchen zu rechnen ist. In Abhängigkeit von der Form des Messkanals, genauer von dessen Querschnittsdimension, Querschnittsform, und Länge, kann bereits eine Kanal-Reynoldszahl von mehr als 200 oder auch schon von mehr als 50 zu einem sehr hohen Druck in dem Messkanal bzw. dem gesamten Leitungssystem der Vorrichtung führen, dem nicht jedes grundsätzlich geeignete Material (z.B. Kunststoff, Glas oder Stahl) standhält. Außerdem steigt, ebenfalls in Abhängigkeit von der Kanalform, die Strömungsgeschwindigkeit in dem Messkanal über Werte an, die einen erheblichen höheren technischen Aufwand für den Nachweis der Teilchen oder gar eine Messung deren Geschwindigkeit in dem Messkanal erforderlich machen. Aus diesen Gründen ist es vorteilhaft in einigen Fällen die Kanal-Reynoldszahl bei 200 oder auch bei 50 zu beschränken. Aufgrund der signifikant schmaleren Geschwindigkeitsverteilung der Teilchen kann die Auswertung mittels Korrelationsanalyse erheblich zielgerichteter erfolgen, weil die zuvor beschriebene Skalierung der Referenzsequenz nur noch in einem engen Bereich um einen der mittleren Geschwindigkeit entsprechenden Erwartungswert iterativ verändert werden muss, was den gesamten Auswerte- Vorgang erheblich verkürzt. Das angesprochene „Strömungsverhalten" kann als Oberbegriff wenigstens eines der Parameter - mittlere Migrationsgeschwindigkeit einer Teilchenpopulation The finding underlying the invention is that identical particles have a significant flow behavior in the fluid only under the aforementioned conditions, as will be explained in more detail below with reference to FIGS. Namely, by observing the above experimental conditions, the particles in the flowing fluid arrange on certain flow paths in the measurement channel due to an interaction with the fluid, thereby entraining the fluid at a significantly narrower velocity distribution in the fluid than outside the aforementioned conditions is. This is attributed to the hydrodynamic properties of the particles, where as "hydrodynamic particle property" in the For the purposes of this specification, the particle size, the elasticity, the shape and the density of the particles are understood in particular. The effect occurs depending on the hydrodynamic properties at just that channel Reynolds number between 0.1 and 500, preferably between 0.5 and 200, and more preferably between 1, 0 and 50, which at a given fluid and hydraulic diameter through the flow velocity v is adjusted. Below R K = 0.1, the flow profile of the fluid is too shallow, so that the forces acting on the particles in the fluid flow are insufficient to arrange them within an acceptable period of time. In cases of some particles having particular hydrodynamic properties, a lower limit of R K = 1.0 may be preferred. On the other hand, above the limit of R K = 500, turbulence is expected on the particle, so that an uncontrollable behavior of the particles is to be expected. Depending on the shape of the measuring channel, more precisely on its cross-sectional dimension, cross-sectional shape, and length, already a channel Reynolds number of more than 200 or even more than 50 to a very high pressure in the measuring channel or the entire line system of the device not every basically suitable material (eg plastic, glass or steel) can withstand. In addition, also depending on the channel shape, the flow velocity in the measuring channel rises above values which require a considerable higher technical outlay for the detection of the particles or even a measurement of their velocity in the measuring channel. For these reasons, it is advantageous in some cases to limit the channel Reynolds number to 200 or even 50. Due to the significantly narrower velocity distribution of the particles, the evaluation by correlation analysis can be made considerably more targeted because the previously described scaling of the reference sequence only has to be iteratively changed within a narrow range around an average value corresponding to the mean velocity, which considerably shortens the entire evaluation process. The mentioned "flow behavior" can as a generic term at least one of the parameters - average migration velocity of a particle population
- Geschwindigkeitsverteilung einer Teilchenpopulation  - Velocity distribution of a particle population
- Veränderung der Migrationsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von einer Veränderung der Strömungsbedingungen, d.h. insbesondere der Strömungsgeschwindigkeit und damit der Kanal-Reynoldszahl  Change in migration rate depending on a change in flow conditions, i. in particular the flow velocity and thus the channel Reynolds number
- Veränderung der Verteilung der Migrationsgeschwindigkeit der Teilchen in Change in the distribution of the migration speed of the particles in
Abhängigkeit von der Veränderung der Strömungsbedingungen verstanden werden, von denen sich nicht nur die insoweit genutzte Geschwindigkeitsverteilung, sondern typischerweise jeder Parameter in Abhängigkeit von den hydrodynamischen Teilcheneigenschaften bei Einhaltung der Strömungsbedingungen in signifikanter Weise verhält. Aufgrund der Signifikanz des Strömungsverhaltens ist es möglich den Effekt zum Nachweis von Einzelteilchen zu nutzen, weil deren Strömungsverhalten genauer prognostizierbar ist. Neben dem bloßen Nachweis der Teilchen kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung deshalb auch Informationen über die hydrodynamischen Eigenschaften der untersuchten Teilchen gewonnen werden und die Teilchen anhand dieser Information bestimmt oder, wenn verschiedene hydrodynamische Teilcheneigenschaften quantitativ zu demselben Effekt, also zu demselben Strömungsverhalten führen, zumindest klassifiziert werden. Dies ist ohne Einhaltung der experimentellen Bedingungen nicht möglich, weil eine breite Geschwindigkeitsverteilung eine Zuordnung der ermittelten Parameter zu den Teilchen nicht erlaubt. Dies soll im Folgenden anhand eines Beispiels verdeutlicht werden. Beispielweise kann aus der Skalierung des Referenzsignals bei einem kalibrierten Sampling die Verweildauer der Teilchen in dem Messkanal über die Distanz der Messstrecke oder direkt die Migrationsgeschwindigkeit der Teilchen in der Messstrecke ermittelt werden. Aufgrund der engen Geschwindigkeitsverteilung können sich diskrete Verteilungsmaxima für Teilchen mit unterschiedlichen hydrodynamischen Eigenschaften ausbilden, die eine Differenzierung unterschiedlicher Teilchenpopulationen ermöglichen oder anhand einer konkret ermittelten mittleren Migrationsgeschwindigkeit oder deren Veränderung in Folge einer Veränderung der Strömungsbedingungen sogar eine Klassifizierung oder eine Bestimmung der Teilchen erlauben. Zumindest zur Differenzierung bedarf es nicht einmal einer Kalibrierung. Depending on the change in the flow conditions are understood, of which not only the speed distribution used so far, but typically each parameter behaves in dependence on the hydrodynamic particle properties in compliance with the flow conditions in a significant manner. Due to the significance of the flow behavior, it is possible to use the effect for the detection of individual particles, because their flow behavior can be predicted more accurately. In addition to the mere detection of the particles, information about the hydrodynamic properties of the investigated particles can therefore be obtained with the method and the device according to the invention and the particles are determined on the basis of this information or if different hydrodynamic particle properties lead quantitatively to the same effect, ie to the same flow behavior , at least be classified. This is not possible without observing the experimental conditions, because a broad velocity distribution does not allow an assignment of the determined parameters to the particles. This will be clarified below by means of an example. For example, from the scaling of the reference signal in a calibrated sampling, the residence time of the particles in the measuring channel over the distance of the measuring section or directly the migration speed of the particles in the measuring section can be determined. Due to the narrow velocity distribution, discrete distribution maxima can form for particles with different hydrodynamic properties, which allow a differentiation of different particle populations or even allow a classification or a determination of the particles based on a specific average migration rate or its change as a result of a change in the flow conditions. At least for differentiation, not even a calibration is needed.
Die Differenzierung, Klassifizierung oder Bestimmung der Teilchen erfolgt vorzugsweise anhand wenigstens eines der oben genannten Parameter. Der oder die Parameter werden aus den Daten der ermittelten Migrationsgeschwindigkeit in einem Analyseschritt gewonnen. Zu diesem Zweck weist die Vorrichtung vorteilhafterweise eine Analyseeinrichtung auf, die eingerichtet ist, das Strömungsverhalten der Teilchen anhand der ermittelten Migrationsgeschwindigkeit zu analysieren und zur Differenzierung, zur Klassifizierung oder zur Bestimmung der Teilchen auszugeben. Zum Analysieren zählt beispielsweise auch das Kalibrieren aufgenommener Sampling-Daten, d.h. die Umrechnung in konkrete physikalische Größen. Das Analysieren kann eine Auswertung einzelner oder einer Vielzahl von Ereignissen bzw. Einzelmessungen umfassen, um beispielsweise eine Verteilung oder einen Mittelwert zu bestimmen. Am Ende der Analyse gibt die Analyseein- richtung das Ergebnis der Analyse, also den oder die das Strömungsverhalten charakterisierende Parameter je nach Nutzerwunsch zur Bilddarstellung, zum Ausdruck, in tabellarischer Form, als Grafik oder als elektronischer Datensatz aus. The differentiation, classification or determination of the particles is preferably carried out based on at least one of the above parameters. The parameter or parameters are obtained from the data of the determined migration speed in an analysis step. For this purpose, the device advantageously has an analysis device which is set up to analyze the flow behavior of the particles on the basis of the determined migration speed and to output them for differentiation, classification or determination of the particles. For example, the analysis also includes calibrating recorded sampling data, i. the conversion into concrete physical quantities. The analyzing may include evaluating one or a plurality of events to determine, for example, a distribution or a mean. At the end of the analysis, the analysis device outputs the result of the analysis, ie the parameter (s) characterizing the flow behavior, depending on the user's preference for image representation, for expression, in tabular form, as graphic or as electronic data record.
„Klassifizierung" meint, wenn beispielsweise nur einzelne oder mehrere der hydro- dynamischen Eigenschaften der Teilchen nicht aber das Teilchen selbst eindeutig bestimnnt werden können, das Einordnen des Teilchens in eine Teilchenklasse mit eben jenen hydrodynamischen Eigenschaften. "Classification" means, for example, if only one or more of the hydrodynamic properties of the particles, but not the particle itself clearly can be determined, the classification of the particle in a particle class with just those hydrodynamic properties.
Insbesondere findet die vorliegende Erfindung Anwendung in der so genannten Mikrofluidik, in der kleinste Volumina einer Flüssigkeit im Bereich von μΙ gehandhabt und analysiert werden. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Miniaturisierung auf einem so genannten Mikrofluidik-Chip oder Lab-on-a-chip- System geeignet, mit dem beispielsweise Blutproben oder anderes organisches Zellmaterial analysiert werden kann. In particular, the present invention finds application in so-called microfluidics in which minute volumes of liquid in the range of μΙ are handled and analyzed. In particular, the device according to the invention for miniaturization is suitable for a so-called microfluidic chip or lab-on-a-chip system with which, for example, blood samples or other organic cell material can be analyzed.
Der Begriff „Messstrecke" im Sinne der Patentansprüche ist der Abschnitt des Messkanals, in dem die Ermittlung der Migrationsgeschwindigkeit der Teilchen erfolgt. Darüber hinaus umfasst der Messkanal besagte „Anregungszone" und kann zudem eine„Anlaufstrecke" umfassen. Alle drei Begriffe Messstrecke, Anre- gungszone und Anlaufstrecke beschreiben funktionale Abschnitte des Messkanals. Während die Anlaufstrecke und die Messstrecke in dieser Reihenfolge in Strömungsrichtung räumlich hintereinander angeordnet sind, können die Anregungszone und die Messstrecke bzw. auch die Anregungszone und die Anlaufstrecke aber räumlich zusammenfallen oder sich überschneiden. The term "measuring path" in the sense of the patent claims is the section of the measuring channel in which the migration speed of the particles takes place.Furthermore, the measuring channel comprises said "excitation zone" and can additionally comprise a "starting distance". While the start-up section and the measuring section are arranged spatially one behind the other in the flow direction, the excitation zone and the measuring section or the excitation zone and the start-up section may coincide spatially or overlap.
Es ist zu beachten, dass die Einstellung des signifikanten Strömungsverhaltens aufgrund der hydrodynamischen Eigenschaften der Teilchen nicht zwingend einen konstanten Kanalquerschnitt erfordert. Zwingend erforderlich ist lediglich, dass in allen Teilstücken, also der Anlaufstrecke und der Messstrecke des Messkanals die Reynoldszahl RK in dem beanspruchten Bereich liegt. Gleichwohl ist ein durchgehend konstanter Kanalquerschnitt - und damit ist sowohl die Querschnittsgeometrie als auch die Querschnittsfläche angesprochen - aus Gründen der Einfachheit und der Prozesssicherheit zu bevorzugen, weil sich dann aufgrund gleichbleibender Strömungsverhältnisse über einen längeren Kanalab- schnitt ein Strömungsgleichgewicht innerhalb des strömenden Fluids ausbilden kann, welches die Messpräzision erhöht. It should be noted that the adjustment of the significant flow behavior due to the hydrodynamic properties of the particles does not necessarily require a constant channel cross-section. All that is required is that the Reynolds number R K lies in the claimed range in all sections, that is to say the start-up section and the measuring section of the measuring channel. Nevertheless, a consistently constant channel cross-section - and thus both the cross-sectional geometry and the cross-sectional area is addressed - for reasons of simplicity and process reliability to prefer, because then due to constant flow conditions over a longer Kanalab- cut can form a flow equilibrium within the flowing fluid, which increases the measurement precision.
Bevorzugt sieht das Verfahren vor, dass die Teilchen einen maximalen Partikeldurchmesser ap aufweisen und dass das Fluid mit den Teilchen im Messkanal in Strömungsrichtung vor der Messstrecke eine Anlaufstrecke mit einer Länge L von wenigstens Preferably, the method provides that the particles have a maximum particle diameter a p and that the fluid with the particles in the measuring channel in the flow direction in front of the measuring section a start-up path with a length L of at least
1 h4 1 h 4
L = 3π— g L = 3π- g
°K,a ap durchströmt, wobei RK a die Kanal-Reynoldszahl in der Anlaufstrecke bezeichnet und wobei der Messkanal wenigstens im Bereich der Anlaufstrecke, bevorzugt aber im gesamten Messkanal, eine Höhe h aufweist. ° K, a a p flows through, wherein R K a denotes the channel Reynolds number in the start-up section and wherein the measuring channel has a height h at least in the region of the start-up section, but preferably in the entire measuring channel.
In entsprechender Weise sieht die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise vor, dass der Messkanal in Strömungsrichtung vor der Messstrecke eine Anlaufstrecke mit dieser Länge L aufweist, wobei der Messkanal wenigstens im Bereich der Anlaufstrecke, bevorzugt aber im gesamten Messkanal, eine Höhe h aufweist. Als Partikeldurchmesser ap wird bei nicht sphärischen Teilchen deren größte Ausdehnung angenommen, bei einem Rotationsellipsoid also beispielsweise die Hauptachse. In a corresponding manner, the device according to the invention preferably provides that the measuring channel in the flow direction upstream of the measuring section has a start-up section with this length L, wherein the measuring channel has a height h at least in the region of the starting section, but preferably in the entire measuring channel. The particle diameter a p is assumed to be the largest extent in the case of non-spherical particles, that is to say the main axis in the case of a rotational ellipsoid.
Als„Höhe h" wird bei einem Messkanal mit ungleicher Ausdehnung des Quer- Schnittes in zwei Raumrichtungen das Maß der geringeren Ausdehnung verstanden. Dies ist beispielsweise bei einem Kanal mit Rechteckquerschnitt die Länge der kurzen Seite des Querschnittes. Bei einem Quadrat ist die Höhe h gleich der Breite w. Bei einem Kreis entspricht die Höhe h wie auch die Breite w jeweils dem Durchmesser des Querschnittes. Etwaige Änderungen des Querschnittes sollten generell und im Besonderen in Richtung der Höhe h nicht abrupt sondern nur stetig erfolgen, so dass die Strömung innerhalb des Kanals stets laminar bleibt. Im Allgemeinen aber sind die Höhe h und die Breite w im gesamten Messkanal konstant, um beschleunigende Kräfte zu vermeiden, die die Anordnung der Teilchen auf bestimmten Strömungsbahnen in dem Messkanal stören und somit deren Geschwindigkeitsverteilung verbreitern können. For a measuring channel with unequal extent of the cross section in two spatial directions, the term "height h" is understood to mean the dimension of the lesser extent, for example, for a channel with a rectangular cross section, the length of the short side of the cross section width w. For a circle, height h and width w are the same each the diameter of the cross section. Any changes in the cross section should generally and in particular in the direction of the height h not abruptly but only continuously, so that the flow within the channel always remains laminar. In general, however, the height h and the width w are constant throughout the measurement channel to avoid accelerating forces which can disturb the arrangement of the particles on certain flow paths in the measurement channel and thus widen their velocity distribution.
Die Einhaltung vorstehender Bedingung sorgt dafür, dass sich am Ende der Anlaufstrecke L und damit zu Beginn der Messstrecke eine Gleichgewichtsströmung ausgebildet hat, bei der die Teilchen oder einzelne Teilchenpopulationen mit einheitlichen hydrodynamischen Eigenschaften in dem strömenden Fluid in ihrer Gleichgewichtskonfiguration angeordnet sind und deshalb die Geschwindigkeitsverteilung der Teilchen die angesprochene Signifikanz aufweist. Compliance with the above condition ensures that an equilibrium flow has formed at the end of the starting section L and thus at the beginning of the measuring section, in which the particles or individual particle populations with uniform hydrodynamic properties in the flowing fluid are arranged in their equilibrium configuration and therefore the velocity distribution of the Particle has the mentioned significance.
Das Verfahren und die Vorrichtung sehen vorzugsweise weiterhin vor, dass der Messkanal wenigstens im Bereich der Messstrecke, vorzugsweise aber über die gesamte Länge des Messkanals, einen Querschnitt mit einer Breite w und einer Höhe h aufweist, wobei der Messkanal immer die Grenze für das Aspektverhältnis e = ^ < 0,1 einhält. The method and the apparatus preferably further provide that the measuring channel has a cross-section with a width w and a height h at least in the region of the measuring path, but preferably over the entire length of the measuring channel, the measuring channel always limiting the aspect ratio e = ^ <0.1.
Um eine hinreichend hohe Fluidmenge durchsetzen zu können, damit für besondere Fälle in einem vertretbarem Zeitrahmen eine ausreichende statistische Signifikanz erzielt werden kann,, muss der Querschnitt des Messkanals in der zweiten Raumrichtung, die Breite w, eine wesentlich größere Ausdehnung als die Höhe h und eben bevorzugt wenigstens die zehnfache Ausdehnung aufweisen. To be able to enforce a sufficiently high amount of fluid, so that in special cases in a reasonable time frame sufficient statistical significance can be achieved, the cross section of the measuring channel in the second spatial direction, the width w, a much greater extension than the height h and even preferably at least ten times the extent.
Die Erfinder haben gefunden, dass eine besonders enge Geschwindigkeitsver- teilung der Teilchen sich dann einstellt, wenn seine Höhe h oder geringste Aus- dehnung das 200-fache, bevorzugt das 50-fache, des Partikeldurchmessers nicht überschreitet. The inventors have found that a particularly narrow velocity distribution of the particles occurs when its height h or minimum elongation of 200 times, preferably 50 times, does not exceed the particle diameter.
Dementsprechend wird für das Verfahren wie auch für die Vorrichtung bevor- zugt, wenn die Höhe h des Messkanals wenigstens im Bereich der Messstrecke, bevorzugt aber über die gesamte Länge des Messkanals, das 200-fache, besonders bevorzugt das 50-fache, des maximalen Partikeldurchmessers ap nicht überschreitet. Von Vorteil ist es weiterhin, wenn wenigstens im Bereich der Messstrecke, bevorzugt aber über die gesamte Länge des Messkanals das Verhältnis γ = < 0,75, besonders bevorzugt γ = < 0,5 beträgt. Accordingly, it is preferred for the method as well as for the device if the height h of the measuring channel is at least in the region of the measuring section, but preferably over the entire length of the measuring channel, 200 times, particularly preferably 50 times, the maximum particle diameter does not exceed a p . It is furthermore advantageous if, at least in the region of the measuring path, but preferably over the entire length of the measuring channel, the ratio γ = <0.75, particularly preferably γ = <0.5.
Diese Forderung reflektiert den Umstand, dass Teilchen, die größer als der halbe minimale Kanalquerschnitt sind, nicht mehr ausreichend Spielraum haben, um sich in Richtung der Höhe h anzuordnen, was schließlich zu Zweideutigkeiten in der Geschwindigkeitsverteilung führen kann. Während das Verfahren bei verformbaren Teilchen noch bis zu einem γ von 0,75 eindeutige Messwerte liefert, ist dies für starre Teilchen nicht sichergestellt. Deshalb ist die Einhaltung eines γ von höchsten 0,5 zu bevorzugen. This requirement reflects the fact that particles larger than half the minimum channel cross-section no longer have sufficient headroom to position themselves in the height h direction, which can eventually lead to ambiguities in the velocity distribution. While the method yields deformable particles still up to a γ of 0.75 clear readings, this is not ensured for rigid particles. Therefore, the compliance with a γ of the highest 0.5 is to be preferred.
Auch lässt sich die Geschwindigkeitsverteilung der Teilchen einstellen, wenn gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung, die Partikel-Reynoldszahl Also, the velocity distribution of the particles can be adjusted if, according to a further aspect of the invention, the particle Reynolds number
RP = RK■(^) Werte zwischen 2,5- 10"6 und 0,1 annimmt, wobei ap wiederum den maximalen Partikeldurchmesser und h die Höhe des Messkanals wenigstens im Bereich der Messstrecke, bevorzugt aber über seine gesamte Länge, angeben. ln diese Forderung fließt die Erkenntnis ein, dass nicht nur ein vorgegebener Bereich der Kanal-Reynoldszahl und ein bestimmtes Verhältnis aus dem Partikeldurchmesser zur Höhe des Messkanals zu einer signifikanten Teilchenströmung führen, sondern überdies noch ein nicht-linearer Zusammenhang zwischen den Parametern besteht. R P = R K ■ (^) assumes values between 2.5 10 "6 and 0.1, where a p turn, the maximum particle diameter and the height h of the measuring channel at least in the area of the measurement section, but preferably over its entire length, specify. This requirement includes the insight that not only a given range of the channel Reynolds number and a specific ratio of the particle diameter to the height of the measurement channel lead to a significant particle flow, but also there is a non-linear relationship between the parameters.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird die Geschwindigkeitsverteilung und/oder ein Geschwindigkeitsmittelwert aus der ermittelten Migrationsgeschwindigkeit gewonnen und zur Differenzierung, zur Klassifizie- rung oder zur Bestimmung der Teilchen herangezogen. According to an advantageous development of the method, the velocity distribution and / or a mean velocity value is obtained from the determined migration speed and used for differentiation, for classifying or for determining the particles.
Werden beispielsweise zwei Teilchenpopulationen untersucht, wobei die Teilchenpopulationen aufgrund wenigstens einer unterschiedlichen hydrodynamischen Teilcheneigenschaft jeweils eine andere mittlere Gleichgewichtsge- schwindigkeit einnehmen, so zeigt sich dies in der Geschwindigkeitsverteilung beispielsweise durch zwei Maxima, welche zumindest eine Differenzierung, einer Klassifizierung oder bei einem sodann hinreichend bestimmten System (die Dispersion oder Emulsion bestehend aus Fluid und Teilchen wird auch als System bezeichnet) eben sogar auch einer Bestimmung der beiden Teilchenpo- pulationen zugrunde gelegt werden können. Dies setzt voraus, dass die Geschwindigkeitsverteilungen der Teilchen jeweils ausreichend eng und weit genug voneinander beabstandet sind, so dass die Maxima eindeutig identifizierbar sind, was insbesondere durch Einhaltung der erfindungsgemäßen Bedingungen sichergestellt wird. Als ausreichend eng wird eine Verteilung nach der Erfahrung der Erfinder dann verstanden, wenn die Halbwertsbreite der Geschwindigkeitsverteilung einer Teilchenpopulation weniger als 4%, bevorzugt weniger als 2% der mittleren Teilchengeschwindigkeit beträgt. Eine bevorzugte Form der Analyse umfasst deshalb insbesondere die Bestimmung der mittleren Teilchengeschwindigkeit und/oder der Verteilungsbreite, besonders bevorzugt der Halbwertsbreite der ermittelten Geschwindigkeitsverteilung. Dies ist in Verbindung mit einer Weiterbildung des Verfahrens nützlich, bei der eine Veränderung der gemessenen Migrationsgeschwindigkeit und/oder eine Veränderung der Verteilung der Migrationsgeschwindigkeit infolge der Verände- rung der Strömungsgeschwindigkeit v analysiert und zur Differenzierung, zur Klassifizierung oder zur Bestimmung der Teilchen herangezogen wird. If, for example, two particle populations are investigated, with the particle populations each assuming a different average equilibrium velocity owing to at least one different hydrodynamic particle property, this manifests itself in the velocity distribution, for example by two maxima, which at least one differentiation, one classification or in a system then sufficiently determined (The dispersion or emulsion consisting of fluid and particles is also referred to as a system) just even a determination of the two Teilchenpo- pulations can be based. This presupposes that the velocity distributions of the particles are respectively sufficiently narrow and far enough apart from each other so that the maxima can be unambiguously identified, which is ensured in particular by compliance with the conditions according to the invention. A distribution according to the experience of the inventors is understood to be sufficiently narrow if the half-width of the velocity distribution of a particle population is less than 4%, preferably less than 2%, of the mean particle velocity. A preferred form of analysis therefore comprises, in particular, the determination of the average particle velocity and / or the distribution width, particularly preferably the half-width of the determined velocity distribution. This is useful in connection with a further development of the method in which a change in the measured migration speed and / or a change in the distribution of the migration rate as a result of the change in the flow velocity v is analyzed and used for differentiation, classification or determination of the particles.
Die Erfinder haben nämlich festgestellt, dass nicht nur die absolute oder relative Teilchengeschwindigkeit oder die Geschwindigkeitsverteilung zur Klassifizierung der Teilchen herangezogen werden kann, sondern dass auch die Veränderung eines dieser beiden Parameter eine Aussage über die hydrodynamischen Eigenschaften der Teilchen erlaubt. Durch eine Kombination beider Analysen kann unter Umständen ein weiterer Freiheitsgrad bzw. eine weitere hydrodynamische Teilcheneigenschaft bestimmt werden und damit die Klassifizierung der Teilchen genauer erfolgen oder gar eine Bestimmung der Teilchen möglich werden. The inventors have found that not only the absolute or relative particle velocity or the velocity distribution can be used to classify the particles, but also that the change of one of these two parameters allows a statement about the hydrodynamic properties of the particles. By a combination of both analyzes, under certain circumstances, a further degree of freedom or a further hydrodynamic particle property can be determined and thus the classification of the particles can be carried out more accurately or even a determination of the particles becomes possible.
Wie schon diskutiert umfasst das Ermitteln der Migrationsgeschwindigkeit vorzugsweise das Messen der Zeit, die die Teilchen zum Passieren der Messstre- cke benötigen. As previously discussed, determining the migration rate preferably involves measuring the time that the particles take to pass the measurement path.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung ist der Detektor eingerichtet, die Intensität der von den Teilchen ausgehende Emission und/oder des von den Teilchen ausgehendes Streulicht quantitativ zu detektieren. Entspre- chend ist die Analyseeinrichtung eingerichtet, die Intensität zur Differenzierung, zur Klassifizierung oder zur Bestimmung der Teilchen auszugeben. According to an advantageous development of the device, the detector is set up to quantitatively detect the intensity of the emission emanating from the particles and / or the scattered light emanating from the particles. Correspondingly, the analysis device is set up to output the intensity for differentiation, for classification or for the determination of the particles.
Weitere Grundlagen, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen und Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Figuren zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung der Teilchenkonzentration in einem zylindrischen Kanal nach Segre und Silberberg; Figur 2 vier Verteilungen der Teilchen in dem zylindrischen Kanal in radialer Richtung an unterschiedlichen axialen Positionen; Further principles, features and advantages of the invention are explained in more detail below with reference to drawings and exemplary embodiments. In the figures show: Figure 1 is a schematic representation of the particle concentration in a cylindrical channel after Segre and Silberberg; Figure 2 shows four distributions of the particles in the cylindrical channel in the radial direction at different axial positions;
Figur 3 Geschwindigkeitsverteilungen gleicher Teilchen in einem FIG. 3 shows velocity distributions of the same particles in one
Fluid bei unterschiedlichen Flussraten;  Fluid at different flow rates;
Figur 4 zwei Geschwindigkeitsverteilungen unterschiedlicher Teilchen in demselben Fluid bei konstanter Flussrate; Figure 4 shows two velocity distributions of different particles in the same fluid at constant flow rate;
Figur 5 schematische Darstellung der Gruppierung unterschiedlicher Figure 5 is a schematic representation of the grouping different
Teilchen entlang des Geschwindigkeitsprofils eines Fluids in einem Kanal;  Particles along the velocity profile of a fluid in a channel;
Figur 6 schematische Darstellung eines Messkanals mit einer Zeitmesseinrichtung für ein moduliertes Fluoreszenz- oder Streulichtsignal; FIG. 6 a schematic representation of a measuring channel with a time measuring device for a modulated fluorescence or scattered light signal;
Figur 7 der Messkanal gemäß Figur 6 in der Draufsicht; FIG. 7 shows the measuring channel according to FIG. 6 in plan view;
Figur 8 ein schematisiertes Messsignal eines einzelnen Teilchens aufgenommen mit der einer Messeinrichtung nach Figur 6; FIG. 8 shows a schematic measurement signal of a single particle taken with that of a measuring device according to FIG. 6;
Figur 9 das Signal eines Teilchens nach erfolgter Korrelationsanalyse; Figur 10 Ableitung des Korrelationspeaks aus Figur 9; Figur 1 1 ein typisches Signal mehrerer Teilchen aufgenommen mit einer Messeinrichtung nach Figur 6; FIG. 9 the signal of a particle after correlation analysis; Figure 10 derivative of the correlation peak of Figure 9; Figure 1 1 shows a typical signal of several particles taken with a measuring device according to Figure 6;
Figur 12 das Messsignal gemäß Figur 1 1 nach Durchlaufen der Korrelationsanalyse und Ableitung; FIG. 12 shows the measurement signal according to FIG. 11 after passing through the correlation analysis and derivation;
Figur 13 ein Diagramm dreier Geschwindigkeitsverteilungen unterschiedlicher Teilchen, gemessen bei einer ersten Flussrate; Figure 13 is a graph of three velocity distributions of different particles measured at a first flow rate;
Figur 14 ein Diagramm dreier Geschwindigkeitsverteilungen derselben drei Teilchen, gemessen bei einer zweiten Flussrate; Figure 14 is a graph of three velocity distributions of the same three particles measured at a second flow rate;
Figur 15 ein zweidimensionales Intensitäts-Geschwindigkeits-FIG. 15 shows a two-dimensional intensity-velocity
Diagramm zweier Teilchenpopulationen; und Diagram of two particle populations; and
Figur 16 eine Projektion des Diagramms gemäß Figur 15 auf die FIG. 16 shows a projection of the diagram according to FIG
Intensitätsachse.  Intensity axis.
In einer grundlegenden wissenschaftlichen Arbeit von 1961 haben Segre und Silberberg gezeigt, dass Festkörperteilchen in einer eine zylindrische Röhre durchströmenden Dispersion nach einer gewissen Strecke eine inhomogene Verteilung annehmen, siehe G. Segre und A. Silberberg, „Radial particle displacement in poiseuille flow of suspensions", Nature, Vol. 189, 21 . Januar 1961 . Dieses Verhalten ist in den Figuren 1 und 2 schematisch dargestellt. In a fundamental scientific paper from 1961, Segre and Silberberg have shown that solid particles in a dispersion flowing through a cylindrical tube assume an inhomogeneous distribution after a certain distance, see G. Segre and A. Silberberg, "Radial particle displacement in poiseuille flow of suspensions" , Nature, Vol. 189, 21 January 1961. This behavior is shown schematically in FIGS.
Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine solchen zylindrischen Röhre 10 mit der Mittelachse 12 und dem Radius r , in der das Fluid mit den Teilchen, also der Dispersion, in Pfeilrichtung 14 strömt. Es wird angenommen, dass die Teilchen in der Dispersion eingangs der Röhre 10 an der Position a) noch homogen über die gesamte Querschnittfläche verteilt mit dem Fluid strömen. Die konstante Verteilung an der Position a) ist in dem entsprechenden Diagramm a) in Figur 2 schematisch gezeigt und zwar ist dort die Verteilung von der Mittel- oder Symmetrieachse 12 bis zum Radius r aufgetragen. 1 shows a longitudinal section through such a cylindrical tube 10 with the central axis 12 and the radius r, in which the fluid with the particles, ie the dispersion, flows in the direction of arrow 14. It is assumed that the particles in the dispersion at the beginning of the tube 10 at position a) are still homogeneous Distributed with the fluid distributed over the entire cross-sectional area. The constant distribution at the position a) is shown schematically in the corresponding diagram a) in FIG. 2, the distribution from the center or symmetry axis 12 to the radius r being plotted there.
Mit zunehmender Verweildauer oder auch mit zurückgelegter Strecke in dem Kanal treten Wechselwirkungen zwischen den Kanalwandungen, dem Fluid und den Teilchen auf, die eine Änderung der räumlichen Verteilung in dem Fluid bewirken. Die Verteilung wird demnach stromabwärts radial eingeschnürt, so dass die Partikelkonzentration nahe der Umfangswände rasch auf Null abnimmt. Zugleich treten aber auch Kräfte auf, die die Teilchen aus der Mitte des Kanals zum Rand hin verdrängen. Dieser Effekt ist nur etwas schwächer, so dass die Verteilung von der Mittel- oder Symmetrieachse„0" ausgehend zunächst geringfügig abnimmt. In Folge beider Prozesse bildet sich tendenziell näher zum Ka- nalrand hin orientiert ein Verteilungsmaximum aus. Diese Entwicklung nimmt mit fortschreitender Zeit bzw. Strecke in Strömungsrichtung zu, bis sich die Verteilung der Teilchen auf einen schmalen ringförmigen Abschnitt in dem Kanal beschränkt. Diese Entwicklung wird für drei weitere Positionen b), c) und d) durch die zugeordneten Diagramme in Figur 2 aufgezeigt. As the dwell time, or distance, in the channel increases, interactions between the channel walls, the fluid, and the particles cause a change in the spatial distribution in the fluid. Accordingly, the distribution is radially constricted downstream, so that the particle concentration near the peripheral walls rapidly decreases to zero. At the same time, however, forces also occur which displace the particles from the middle of the channel towards the edge. This effect is only slightly weaker so that the distribution first decreases slightly from the center or symmetry axis "0." As a result of both processes, a distribution maximum tends to form closer to the edge of the channel The distance in the direction of flow increases until the distribution of the particles is limited to a narrow annular section in the channel This development is shown for three further positions b), c) and d) by the associated diagrams in FIG.
Das Verhalten kann auch in Figur 1 anhand der Höhenlinien 16 und 18 abgelesen werden. Diese zeigen, dass die Einschnürung der räumlichen Partikelverteilung mit der zurückgelegten Strecke in dem Kanal stetig und para- belförmig von statten geht. The behavior can also be read in FIG. 1 on the basis of the contour lines 16 and 18. These show that the constriction of the spatial particle distribution with the distance covered in the channel is continuous and parabolic.
In einer jüngeren Arbeit haben Wissenschaftler festgestellt, dass der mittlere Radius der maximalen Teilchenkonzentration in einer eine Röhre durchströmenden Dispersion unter anderem von dem Durchmesser der Teilchen abhängt, vergl. Bhagat, Kuntaegowdanahalli, Papautsky,„Inertial microfluidics for contin- uous particle filtration and extraction", Microfluid Nanofluid, Vol. 7, 217 - 226, 2009. Sie führen zur Parametrisierung dieses Verhaltens die oben schon erwähnte Partikel-Reynoldszahl
Figure imgf000019_0001
ein, der bei einem rechteckigen Kanal h den kleinsten Kanaldurchmesser angibt. Die Wissenschaftler schlagen in Ihrer Arbeit vor, sich diesen Effekt zur Teilchenextraktion und -filtration zu Nutze zu machen. Diese Erkenntnisse haben die Erfinder veranlasst, die Geschwindigkeit zu untersuchen, mit der sich die Teilchen in einem fließenden Medium in einem Kanal fortbewegen. Ein erster Teil ihrer Erkenntnisse ist in Figur 3 illustriert. Diese zeigt ein dreidimensionales Diagramm, in dem die bei sechs verschiedenen Flussraten in demselben Kanal gemessene Geschwindigkeitsverteilung der Teilchen aufgetragen ist. Genauer ist darin die Teilchengeschwindigkeit in Richtung der x-Achse, die Flussrate in Richtung der y-Achse und die Partikelanzahl in Richtung der z-Achse aufgetragen. Die Teilchengeschwindigkeit ist auf die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Fluids normiert, damit die Veränderung der Flussrate keine Verschiebung der (absoluten) Teilchengeschwindigkeit zur Folge hat und die Ergebnisse einfacher vergleichbar sind.
In a more recent work, scientists have found that the average radius of maximum particle concentration in a dispersion flowing through a tube depends inter alia on the diameter of the particles, see Bhagat, Kuntaegowdanahalli, Papautsky, "Inertial Microfluidics for Continuous Particle Filtration and Extraction". , Microfluid Nanofluid, Vol. 7, 217-226, 2009. They lead to the parametrization of this behavior the already mentioned particle Reynolds number
Figure imgf000019_0001
a, which indicates the smallest channel diameter in a rectangular channel h. The scientists suggest in their work to take advantage of this effect for particle extraction and filtration. These findings have led the inventors to study the rate at which the particles travel in a fluid in a channel. A first part of their findings is illustrated in FIG. This shows a three-dimensional diagram in which the velocity distribution of the particles measured at six different flow rates in the same channel is plotted. Specifically, the particle velocity in the x-axis direction, the flow rate in the y-axis direction, and the particle number in the z-axis direction are plotted therein. The particle velocity is normalized to the mean flow velocity of the fluid so that the change in flow rate does not result in a shift in the (absolute) particle velocity and the results are easier to compare.
Es konnte so festgestellt werden, dass sich bei einer Flussrate von 10 //min eine Geschwindigkeitsverteilung mit einem Maximum einstellt, die nahe der maximalen Strömungsgeschwindigkeit des Fluids vmax eine steile Flanke und auf der anderen Seite einen kleinen Ausläufer zu einer geringeren Teilchengeschwindigkeit hin aufweist, vergl. Kurve 20. Mit zunehmender Flussrate und damit Strömungsgeschwindigkeit des Fluids nimmt dieses Maximum ab und verschiebt sich geringfügig hin zu einer geringeren Teilchengeschwindigkeit. Gleichzeitig nimmt der zunächst kleine Ausläufer langsamerer Teilchen zu, bis dieser bei einer Flussrate zwischen 40 und 50 //min die Höhe der schnelleren Partikel übersteigt, vergl. Kurven 21 und 22. Bei weiter ansteigender Flussrate verschiebt sich die Verteilung immer weiter hin zu langsameren Partikeln, wobei sich ein sehr schmales und hohes Verteilungsmaximum auszubilden beginnt, das sich gleichzeitig mit zunehmender Flussrate immer weiter zu langsameren relativen Geschwindigkeitswerten verschiebt, vergl. Kurven 23 und 24, bis schließlich bei einer Flussrate von 200 ////min , wie in Kurve 25 zu sehen ist, alle Partikel sehr stark innerhalb eines sehr schmalen, dominanten Geschwin- digkeitsverteilungspeaks fokussiert sind, der bei einer relativen Geschwindigkeit knapp oberhalb der mittleren Strömungsgeschwindigkeit v des Fluids liegt. Es ist bemerkenswert, dass die Verteilungsbreite aufgrund dieser Fokussierung signifikant gegenüber der anfänglichen Verteilungsbreite bei einer Flussrate von 10 / //min abnimmt. Die Erfinder machten ferner eine weitere Beobachtung, welche in Figur 4 illustriert ist. Während das Diagramm in Figur 3 das Verhalten einer einzelnen Teilchenpopulation in einem Fluid zeigt, haben die Erfinder in einem weiteren Experiment, dessen Ergebnis Figur 4 wiedergibt, das Verhalten zweier unterschiedlicher Teilchenpopulationen in einem Fluid bei gleichen experimentellen Bedin- gungen (konstanter Kanalquerschnitt und Flussrate/Strömungsgeschwindigkeit) untersucht. It could be established so that // set at a flow rate of 10 min, a velocity distribution having a maximum which has close to the maximum flow rate of the fluid v max a steep edge and on the other hand a small spur to a smaller particle out See graph 20. With increasing flow rate and thus flow velocity of the fluid, this maximum decreases and shifts slightly towards a lower particle velocity. At the same time, the initially small spur of slower particles increases until see above curves 21 and 22. As the flow rate continues to increase, the distribution shifts further and further towards slower particles, with a very narrow and high distribution maximum beginning to form as shown in curves 23 and 24 until, finally, at a flow rate of 200 //// min, as can be seen in curve 25, all particles are very much within a very high narrow, dominant velocity distribution peaks are focused, which is at a relative speed just above the average flow velocity v of the fluid. It is noteworthy that the distribution width decreases significantly over the initial distribution width at a flow rate of 10 / min. The inventors further made another observation, which is illustrated in FIG. While the diagram in FIG. 3 shows the behavior of a single particle population in a fluid, in a further experiment, whose result is shown in FIG. 4, the inventors have described the behavior of two different particle populations in a fluid under the same experimental conditions (constant channel cross-section and flow rate / Flow velocity).
Figur 4 zeigt in einem zweidimensionalen Diagramm eine Geschwindigkeitsverteilungen, in der eine Teilchenzählrate in vertikaler Richtung gegen die Teil- chengeschwindigkeit in horizontaler Richtung aufgetragen ist. Es bilden sich zwei deutlichen Maxima bei einer mittleren Teilchengeschwindigkeit von etwa 432 bzw. 446 mm / ssc aus, wobei das erste Maximum eine Halbwertbreite von etwa 5,1 mm / ssc und das zweite Maximum eine Halbwertbreite von etwa 1 ,9 mm / sQc aufweisen. Somit sind die beiden Maxima deutlich separiert und können jeweils eindeutig einer der beiden Teilchenpopulationen zugeordnet werden. Damit wird offenkundig, dass sich unterschiedliche Teilchen aufgrund unterschiedlicher hydrodynamischer Teilcheneigenschaften nicht nur in ihrer räumlichen sondern auch in Ihrer Geschwindigkeitsverteilung in einem strömenden Medium signifikant unterschiedlich anordnen und deshalb differenzierbar, klassi- fizierbar und bei geeigneter Kalibrierung anhand dieses Verhaltens auch bestimmbar sind. FIG. 4 shows in a two-dimensional diagram a velocity distribution in which a particle counting rate in the vertical direction against the particle velocity in the horizontal direction is plotted. There are two distinct maxima at an average particle velocity of about 432 and 446 mm / ssc, with the first maximum having a half width of about 5.1 mm / ssc and the second maximum having a half width of about 1.9 mm / sQc , Thus, the two maxima are clearly separated and can each be clearly assigned to one of the two particle populations. This makes it obvious that different particles due to different hydrodynamic particle properties not only in their spatial but also in your velocity distribution in a flowing medium significantly different order and therefore differentiable, classifiable and can also be determined by appropriate behavior with a suitable calibration.
Ein Erklärungsversuch für das unterschiedliche dynamische Verhalten der Teilchen wird anhand von Figur 5 unternommen. Dargestellt ist ein Querschnitt durch einen flachen Rechteckkanal 30, der um die Mittellinie 32 symmetrisch ausgebildet ist und die Höhe h aufweist, wobei die Höhe h die geringste Ausdehnung des Rechteckkanals bezeichnet. Der Kanal 30 wird von einem Fluid mit zwei unterschiedlichen Teilchenpopulationen in Richtung des Pfeils 34 durchströmt. Dabei bildet sich ein parabelförmiges Strömungsprofil 36 des Fluids aus, das in der Kanalmitte ein Geschwindigkeitsmaximum vmax aufweist und zu den beiden Rändern des Kanals 30 hin symmetrisch abfällt. An explanation of the different dynamic behavior of the particles is made with reference to FIG. Shown is a cross section through a flat rectangular channel 30 which is formed symmetrically about the center line 32 and the height h, wherein the height h denotes the smallest extent of the rectangular channel. The channel 30 is traversed by a fluid having two different particle populations in the direction of the arrow 34. In this case, a parabolic-shaped flow profile 36 of the fluid is formed, which has a maximum velocity v max in the middle of the channel and decreases symmetrically towards the two edges of the channel 30.
Weiterhin sind zwei Teilchenpopulationen vorhanden, von denen die Teilchen einer ersten Population als kleine Kreise 37 und die einer zweiten Population als große Dreiecke 38 schematisiert sind. Es wird angenommen, dass die Teilchen 37 der ersten Population einen kleineren mittleren Partikeldurchmesser aufweisen als die Teilchen 38 der zweiten Population. Furthermore, two particle populations are present, of which the particles of a first population are schematized as small circles 37 and those of a second population as large triangles 38. It is assumed that the particles 37 of the first population have a smaller mean particle diameter than the particles 38 of the second population.
Die anhand der Figuren 1 und 2 erläuterte räumliche Fokussierung der Teilchen bewirkt, dass diese sich auf unterschiedlichen Gleichgewichtsbahnen in dem Kanal anordnen, wobei die größeren Partikel 38 etwas näher zur der Mitte 32 des Kanals 30 hin orientiert sind als die kleineren Partikel 37. Daraus resultiert, dass die größeren Partikel 42 eine dem Strömungsprofil 36 entsprechende höhere Gleichgewichtsgeschwindigkeit v2 einnehmen als die kleineren Partikel 40, deren Gleichgewichtsgeschwindigkeit bei vl liegt. Somit ist erklärlich, dass Teilchen unterschiedlicher Größe auch anhand ihrer mittleren Geschwindigkeit differenzierbar sind, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids so hoch ist, dass die Geschwindigkeitsverteilung aller Teilchenpopulationen ausreichend fokussiert sind, vgl. Figur 3, und die Unterschiede der hydrodynamischen Ei- genschaften signifikant genug sind, damit die Geschwindigkeitsverteilungen Maxima aufweisen, die weit genug voneinander entfernt sind, vgl. Figur 4. The spatial focussing of the particles explained with reference to FIGS. 1 and 2 causes them to be arranged on different equilibrium paths in the channel, the larger particles 38 being oriented slightly closer to the middle 32 of the channel 30 than the smaller particles 37 in that the larger particles 42 occupy a higher equilibrium velocity v 2 corresponding to the flow profile 36 than the smaller particles 40 whose equilibrium velocity lies at v 1 . Thus, it is understandable that Particles of different sizes are differentiable based on their average speed, if the flow velocity of the fluid is so high that the velocity distribution of all particle populations are sufficiently focused, see. 3, and the differences in the hydrodynamic properties are significant enough for the velocity distributions to have maxima which are far enough apart from each other, cf. FIG. 4.
Die Erfinder haben darüber hinaus festgestellt, dass neben der Größe der Teilchen auch deren Elastizität, Form und Dichte als hydrodynamische Eigenschaf- ten einen Einfluss auf die Anordnung in dem Geschwindigkeitsprofil haben. Diese Eigenschaften können sich gegenseitig aufheben, so dass Teilchen mit unterschiedlichen hydrodynamischen Eigenschaften quantitativ dennoch zu sehr ähnlichen oder gleichen mittleren Geschwindigkeiten und ähnlichen oder gleichen Geschwindigkeitsverteilungsprofilen führen. Unter diesen Umständen ist keine eindeutige Bestimmung sondern nur eine Klassifizierung der Teilchen möglich. Beispielsweise findet die hydrodynamische Fokussierung von Bakterien mit einem bestimmten Durchmesser und einer einer elastischen Verformbarkeit schon bei einer kleineren Strömungsgeschwindigkeit statt als die starrer sphärischer Partikel gleicher Größe. Mit anderen Worten kann ein Bakterium die gleiche mittlere Geschwindigkeit annehmen, wie eine wesentlich größere, aber starre Sphäre. The inventors have also found that in addition to the size of the particles and their elasticity, shape and density as hydrodynamic properties have an influence on the arrangement in the velocity profile. These properties can cancel each other out so that particles with different hydrodynamic properties still quantitatively result in very similar or even average velocities and similar or equal velocity distribution profiles. Under these circumstances, no definite determination but only a classification of the particles is possible. For example, the hydrodynamic focusing of bacteria with a certain diameter and elastic deformability takes place even at a lower flow velocity than the rigid spherical particles of the same size. In other words, a bacterium may assume the same average velocity as a much larger but rigid sphere.
Wie die Erfindung die aufgefundenen Effekte ausnutzt, wird nachfolgend erläutert. How the invention utilizes the found effects will be explained below.
In den Figuren 6 und 7 ist schematisch etwas vereinfacht eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, bei der der Messkanal 60 mit einem flachen Rechteckprofil in das Substrat eines Mikrofluidik-Chips 62 eingearbeitet ist. Der Mikrofluidik-Chip ist in Figur 6 in der Seitenansicht im Schnitt und in Figur 7 in der Draufsicht dargestellt. Die Seitenansicht zeigt den Messka- nal 60 in der Höhenrichtung, in der eine Ausdehnung oder Höhe h aufweist. In der Breitenrichtung weist er eine Ausdehnung oder Breite w auf. Für dasFIGS. 6 and 7 schematically show somewhat simplified an embodiment of the device according to the invention, in which the measuring channel 60 with a flat rectangular profile is incorporated into the substrate of a microfluidic chip 62. The microfluidic chip is shown in Figure 6 in the side view in section and in Figure 7 in plan view. The side view shows the measuring nal 60 in the height direction in which has an extension or height h. In the width direction, it has an extension or width w. For the
Aspektverhältnis gilt bevorzugt e = ^ < 0,1. Eingangs weist der Messkanal eine Zuführung 64 und ausgangs eine Abführung 66 für das zu untersuchende Fluid auf. Die Zuführung 64 und/oder die Abführung 66 sind mit einer nicht dargestellten Pumpeinrichtung zum Fördern des Fluids mit den Teilchen (diesmal von rechts nach links) durch den Messkanal 60 verbindbar, mit der eine Druckdifferenz erzeugbar ist, die mittels einer der Pumpeinrichtung zugeordneten Steuereinrichtung so eingestellt werden kann, dass das Fluid durch den Messkanal mit einer Strömungsgeschwindigkeit v fließt, bei der die Kanal-Reynoldszahl Aspect ratio is preferably e = ^ <0.1. At the beginning, the measuring channel has a feed 64 and an outlet 66 for the fluid to be examined. The feed 64 and / or the discharge 66 can be connected to a pumping device, not shown, for conveying the fluid with the particles (this time from right to left) through the measuring channel 60, with which a pressure difference can be generated by means of a control device associated with the pumping device it can be set that the fluid flows through the measuring channel at a flow velocity v at which the channel Reynolds number
_ _ P V dhyd _ _ P V dhyd
κκκ κ -
μ Werte zwischen 0,1 und 500, vorzugsweise zwischen 0,1 und 200 und besonders bevorzugt zwischen 0,1 und 50 annimmt.  μ values between 0.1 and 500, preferably between 0.1 and 200 and particularly preferably between 0.1 and 50 assumes.
In Figur 7 ist zu sehen, dass der Messkanal 60 ferner mit zwei weiteren Anschlüssen 68, 70 versehen ist, durch die eine Hüllflüssigkeit in Breitenrichtung betrachtet von beiden Seiten zugeführt werden kann. Der durch die Zuführung 64 in den Messkanal 60 eingebrachte Strom des Fluids mit den Teilchen wird in Strömungsrichtung v hinter einer Kreuzung 71 mit den Anschlüssen 68, 70 für die Hüllflüssigkeit hydrodynamisch fokussiert, so dass er den Messkanal 60 in Breitenrichtung w im Wesentlichen im Zentrum durchströmt, während nur die durch die Öffnungen 68, 70 zugegebene Hüllflüssigkeit Kontakt mit der Kanalwandung in Breitenrichtung w aufweist. Hierdurch wird einerseits bewirkt, dass der Strom des Fluids mit den Teilchen auf eine gewünschte Breite so einstellbar ist, dass alle Teilchen den im Folgenden beschriebene Anregungszone durch- laufen. Andererseits stellt dies sicher, dass sich ein im Wesentlichen konstantes Strömungsprofil in Breitenrichtung des Messkanals ausbildet und das Strömungsprofil im Wesentlichen nur in seiner Höhenrichtung gemäß der in Figur 5 gezeigten Parabelform signifikant variiert. In Figure 7 it can be seen that the measuring channel 60 is further provided with two further terminals 68, 70, through which a sheath liquid viewed in the width direction can be supplied from both sides. The flow of the fluid through the feed 64 into the measuring channel 60 with the particles is hydrodynamically focused in the flow direction v behind an intersection 71 with the connections 68, 70 for the sheath liquid, so that it flows through the measuring channel 60 in the width direction w substantially in the center while only the sheath liquid added through the openings 68, 70 has contact with the channel wall in the width direction w. On the one hand, this causes the flow of the fluid with the particles to be adjusted to a desired width such that all the particles pass through the excitation zone described below. to run. On the other hand, this ensures that a substantially constant flow profile is formed in the width direction of the measuring channel and the flow profile varies substantially only in its vertical direction according to the parabolic shape shown in FIG.
Des Weiteren weist der Mikrofluidikchip 62 ein Eintrittsfenster 72 für einen Laserstrahl 74 auf, welches so zu der Richtung des Laserstrahls angeordnet ist, dass dieser vollständig oder überwiegend in das Substratmedium des Mikrofluidikchips 62, der vorzugsweise aus Kunststoff und besonders bevorzugt aus PMMA besteht, hineingebrochen und darin unter Totalreflexion zwischen den beiden Grenzflächen des Mikrofluidikchips 62 zu dessen Umgebung geleitet wird. Dabei passiert der Laserstrahl den Messkanal 60 und regt die Teilchen in dem Fluid an oder bestrahlt diese. Dementsprechend bildet der Abschnitt 76 im Sinne der Patentansprüche eine Anregungszone im Messkanal, auf die die nicht gezeigte Strahlungsquelle für elektromagnetische Strahlung 74 im Sinne dieser Erfindung ausgerichtet ist. Furthermore, the microfluidic chip 62 has an entrance window 72 for a laser beam 74 which is arranged to the direction of the laser beam so that it completely or predominantly in the substrate medium of the microfluidic chip 62, which preferably consists of plastic and more preferably of PMMA, broken and is passed under total internal reflection between the two interfaces of the microfluidic chip 62 to the environment. The laser beam passes through the measuring channel 60 and excites the particles in the fluid or irradiates them. Accordingly, section 76 within the meaning of the claims forms an excitation zone in the measurement channel, to which the radiation source (not shown) for electromagnetic radiation 74 is aligned in the sense of this invention.
In Strömungsrichtung v hinter der Kanalkreuzung 71 beginnt eine Anlaufstrecke 78 der Länge L . In diesem Abschnitt haben die in dem Fluid mitströmenden Teilchen Gelegenheit, sich innerhalb des Strömungsprofils gemäß der Illustration in Figur 5 anzuordnen und eine dementsprechende Migrationsgeschwindigkeit anzunehmen. In Strömungsrichtung v hinter der Anlaufstrecke 78 befindet sich die Messstrecke 80, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass hierauf ein Detektor 82 ausgerichtet ist. Im Bereich der Messstrecke 80 befindet sich zwi- sehen dem Messkanal 60 und dem Detektor 82 ferner eine Maske 84. Diese sogenannte Schattenmaske weist in Strömungsrichtung v räumlich aufeinanderfolgende transparente und intransparente Abschnitte auf. Diese Abschnitte blockieren von den Teilchen in Folge der Anregung ausgehende Emission und/oder von den Teilchen ausgehendes Streulicht auf dem Weg zu dem Detek- tor 82 bzw. lassen dieses passieren. Dies ist beispielhaft an den Wellenlinien 86 bzw. 88 für zwei der Abschnitte illustriert. In the flow direction v behind the channel intersection 71 starts a run-up path 78 of length L. In this section, the particles flowing in the fluid have an opportunity to locate within the airfoil as shown in Figure 5 and assume a corresponding migration speed. In the flow direction v behind the start-up section 78 is the measuring section 80, which is characterized in that a detector 82 is aligned thereon. In the region of the measuring section 80 is between see the measuring channel 60 and the detector 82 also has a mask 84. This so-called shadow mask has in the flow direction v spatially consecutive transparent and non-transparent sections. These sections block emission emanating from the particles as a result of the excitation and / or scattered light emanating from the particles on their way to detection. gate 82 or let this happen. This is exemplified at wavy lines 86 and 88, respectively, for two of the sections.
Diese Messanordnung erzeugt beim Passieren eines emittierenden oder streu- enden Teilchens das in Figur 8 gezeigte zeitmodulierte Detektorsignal. Hierzu ist zu sagen, dass das Diagramm aus Figur 8 eine schematisch idealisierte Darstellung und keine reale Messung wiedergibt. Das Tastverhältnis des Signals gibt die Folge der transparenten und intransparenten Abschnitte der Schattenmaske 84 wieder. Das Signal wird in an sich bekannter Weise mit einer ausrei- chenden Abtastrate aufgezeichnet. Das modulierte Signal eines Teilchens hat eine zeitliche Länge (Verweilzeit) die sich aus dessen Geschwindigkeit und der Länge des Messkanals ergibt. Zeitdauer und Geschwindigkeit sind äquivalent. Aus der Verweilzeit und der Abtastrate, also der Anzahl der Messpunkte pro Zeiteinheit, ergibt sich Gesamtzahl der Messpunkte aus denen das Signal be- steht. Auch diese Gesamtzahl der Messpunkte die das modulierte Signal einnimmt, hängt folglich von der Geschwindigkeit des Teilchens ab. This measuring arrangement generates the time-modulated detector signal shown in FIG. 8 when passing through an emitting or scattering particle. It should be noted that the diagram of Figure 8 shows a schematically idealized representation and no real measurement. The duty cycle of the signal represents the sequence of the transparent and non-transparent portions of the shadow mask 84. The signal is recorded in a manner known per se with a sufficient sampling rate. The modulated signal of a particle has a time length (residence time) which results from its velocity and the length of the measuring channel. Time duration and speed are equivalent. From the residence time and the sampling rate, ie the number of measurement points per time unit, the total number of measurement points that make up the signal results. Also, this total number of measurement points occupied by the modulated signal thus depends on the velocity of the particle.
Die Tastfolge bzw. die aufeinanderfolgenden Abschnitte können im einfachsten Fall in Form einer periodischen Sequenz von transparenten und nicht transpa- renten Abschnitten bestehen. Bevorzugt sind sie allerdings als sogenannte „pseudo random binary sequence" angeordnet, das heißt in einer Reihenfolge mit unregelmäßigen Abständen und Längen, um insbesondere beim Messen mehrerer Partikel, die zeitlich überlappend die Messstrecke 80 passieren, eine eindeutige Identifikation zu ermöglichen. The scanning sequence or the successive sections can in the simplest case exist in the form of a periodic sequence of transparent and non-transparent sections. Preferably, however, they are arranged as a so-called "pseudo random binary sequence", that is to say in an order with irregular distances and lengths in order to enable unambiguous identification, in particular when measuring a plurality of particles which overlap the measuring path 80 in a time-overlapping manner.
Diese Auswertung erfolgt mithilfe einer Korrelationsanalyse. Das Muster der Schattenmaske ist bekannt. Hieraus wird von der Auswerteeinrichtung rechnerisch eine Referenzsequenz gebildet. Diese wird in ihrer absoluten Länge skaliert und mit dem gesampelten Detektorsignal verglichen, wobei sie über das gesamte Sampling hinweg verschoben wird. Anschließend wird der Vorgang bei anderen Skalierungen iterativ wiederholt, bis eine Übereinstimmung gefunden ist. Dieser Prozess kann auch als Abfrage von Geschwindigkeitskanälen oder Filterung bezeichnet werden und erfolgt bei diskreten Werten, wobei auch hier auf eine ausreichende Auflösung zu achten ist. This evaluation is done using a correlation analysis. The pattern of the shadow mask is known. From this, the evaluation device computationally forms a reference sequence. It is scaled in absolute length and compared to the sampled detector signal, shifting it over the entire sampling. Then the process is added iteratively repeats other scaling until a match is found. This process can also be referred to as a query of velocity channels or filtering and takes place at discrete values, whereby here too attention must be paid to a sufficient resolution.
Das Ergebnis hiervon ist in Figur 9 gezeigt. Das Korrelationssignal wächst stets von beiden Seiten zur Mitte hin näherungsweise linear an, nur exakt in der Mitte bildet sich ein signifikanter Korrelationspeak aus, der die Übereinstimmung signalisiert. Zur exakten Bestimmung der Lage des Korrelationspeaks kann das Korrelationsdiagramm gemäß Figur 9 mathematisch abgeleitet werden, woraus das Diagramm gemäß Figur 10 resultiert. Darin markiert der Nulldurchgang zwischen dem Maximum und dem Minimum des Ableitungssignals den exakten Wert des Korrelationssignals. Die tatsächliche Länge der Messstrecke ist bekannt. Deshalb kann anhand einer Kalibrationsmessung bei bekannter Lage des Korrelationspeaks, d.h. bei der ermittelten Länge der Referenzsequenz die Geschwindigkeit des Partikels absolut bestimmt werden. Ansonsten wird das Ergebnis zu einem relativen Vergleich mit der Geschwindigkeit anderer Partikel herangezogen. The result thereof is shown in FIG. The correlation signal always grows approximately linearly from the two sides towards the middle, only exactly in the middle does a significant correlation peak form, which signals the agreement. For the exact determination of the position of the correlation peak, the correlation diagram according to FIG. 9 can be derived mathematically, from which the diagram according to FIG. 10 results. Therein, the zero crossing between the maximum and the minimum of the derivative signal marks the exact value of the correlation signal. The actual length of the measuring section is known. Therefore, by means of a calibration measurement with a known position of the correlation peak, i. the velocity of the particle is determined absolutely at the determined length of the reference sequence. Otherwise, the result is used for a relative comparison with the speed of other particles.
In der Realität werden mehrere Teilchen die Messstrecke 80 gleichzeitig oder zumindest nacheinander und teilweise in einem überlappenden Zeitintervall passieren, weshalb das zeitlich modulierte Messsignal auf den ersten Blick keine eindeutige Aussage über die Anzahl der Partikel und deren Verweilzeit innerhalb der Messstrecke 80 erlaubt. Eine solche Messung von acht teilweise zeitlich überlappend passierenden Partikeln ist in dem Sample der Figur 1 1 dargestellt. Gleichzeitig ist darin zu Illustrationszwecken für jedes identifizierte Teilchen die Schattenmaske 84 dargestellt, anhand der zu sehen ist, dass die Ereignisse passierender Teilchen sich in der rechten Hälfte des Diagramms teilweise überlappen. Dennoch können die Teilchen in der zuvor beschriebenen Weise exakt bestinnnnt werden, wie in der Figur 12 anhand der Ableitungen der Korrelationspeaks ersichtlich wird, weil die Verwendung einer unperiodischen Schattenmaske trotz teilweiser Überlappung der Verweildauern der Teilchen im Bereich der Messstrecke signifikante diskrete Korrelationsergebnisse sicher- stellt. In reality, several particles will pass the measurement path 80 at the same time or at least in succession and partly in an overlapping time interval, which is why the time-modulated measurement signal at first glance does not allow a clear statement about the number of particles and their residence time within the measurement path 80. Such a measurement of eight partially time overlapping particles is shown in the sample of Figure 11. At the same time, for illustrative purposes, for each identified particle, the shadow mask 84 is shown, from which it can be seen that the events of passing particles partially overlap in the right half of the diagram. Nevertheless, the particles in the previously described Can be exactly determined, as can be seen in the figure 12 on the basis of the derivations of the correlation peaks, because the use of an unperiodic shadow mask despite significant overlap of the residence time of the particles in the region of the measuring section ensures significant discrete correlation results.
Weisen die Teilchen keine identische Migrationsgeschwindigkeit auf, was in der Realität grundsätzlich der Fall ist, so liefert die Korrelationsanalyse unterschiedliche Skalierungswerte für die Referenzsequenz. Dem geht ein hoher Rechen- aufwand voraus, da das gesamte Sampling mit einer Vielzahl von skalierten Referenzsequenzen korreliert werden muss, je nach der geforderten Auflösung und Breite des abzutastenden Geschwindigkeitsintervalls. Diesen Aufwand zu verringern ermöglichen die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren, indem die Geschwindigkeitsverteilung so schmal gewählt wird, dass das Skalierungsintervall erheblich eingeschränkt werden kann, ohne dass Messdaten dadurch verloren gehen. If the particles do not have an identical migration speed, which is basically the case in reality, the correlation analysis yields different scaling values for the reference sequence. This is preceded by a high computational effort, since the entire sampling must be correlated with a large number of scaled reference sequences, depending on the required resolution and width of the velocity interval to be scanned. To reduce this effort, the device according to the invention and the method according to the invention make it possible to select the velocity distribution so narrow that the scaling interval can be considerably reduced without loss of measurement data.
Darüber hinaus können sowohl Geschwindigkeitsverteilungen identischer Teilchen als auch Geschwindigkeiten oder deren Äquivalente von Teilchen unter- schiedlicher Populationen ermittelt werden . Beides zusammen ist in dem Diagramm gemäß Figur 13 beispielhaft geschehen . In addition, both velocity distributions of identical particles and velocities or their equivalents of particles of different populations can be determined. Both together is done by way of example in the diagram according to FIG.
Das Diagramm zeigt die Geschwindigkeitsverteilungen dreier Teilchenpopulationen, die gleichzeitig durch einen Messkanal unter den erfindungsgemäßen experimentellen Bedingungen bei einer Kanal-Reynoldszahl RK von 14 gefördert wurden. Die durchgezogene Linie zeigt die Geschwindigkeitsverteilung der kleinsten Teilchen mit einem mittleren Partikeldurchmesser α = 0,84μ/« . Die Geschwindigkeit dieser Teilchen ist von etwa 340 mm/sec bis etwa 620 mm/sec über ein großes Intervall verteilt und weist in etwa die Kurvenform der zweiten Verteilungskurve 21 in dem dreidimensionalen Diagramm gemäß Figur 3 auf. Die Kurve ist auf den Maximalwert des am rechten Rand gelegenen Peaks normiert. The diagram shows the velocity distributions of three particle populations which were simultaneously conveyed through a measurement channel under the experimental conditions according to the invention at a channel Reynolds number R K of 14. The solid line shows the velocity distribution of the smallest particles with an average particle diameter α = 0.84μ / «. The velocity of these particles is distributed from about 340 mm / sec to about 620 mm / sec over a large interval and has approximately the curve shape of the second distribution curve 21 in the three-dimensional diagram according to FIG. The curve is normalized to the maximum value of the right edge peak.
Weiterhin sind Teilchen mit einem mittleren Partikeldurchmesser ap von 2,1 μ ι in dem Fluid enthalten. Diese weisen bei der gleichen Kanal-Reynoldszahl eine sehr scharfe Verteilung im Bereich von etwa 410 - 415 mm/sec auf, wie anhand der gestrichelten Kurve zu erkennen ist. Schließlich sind noch größere Teilchen mit einem mittleren Partikeldurchmesser ap von 6,42 μ ι in dem Fluid enthalten, deren punktiert eingezeichnete Verteilung nochmals enger ist und einen Bereich von etwa 425 bis etwa 428 mm/sec umfasst. Auch die beiden zuletzt genannten Kurven sind auf den Maximalwert der jeweiligen Peaks normiert. Diese weisen beide die Gestalt der Verteilung gemäß Kurve 25 in dem Diagramm in der Figur 3 auf. Das Diagramm bestätigt die vorstehend diskutierten Effekte, dass nämlich Teilchen unterschiedlicher Größe sich in dem Fluid bei unterschiedlichen Gleichgewichtsgeschwindigkeiten konzentrieren, wobei sie bei einer ausreichenden Strömungsgeschwindigkeit eine sehr enge Geschwindigkeitsverteilung aufweisen und somit einfach differenzierbar oder auch identifizierbar sind. Figur 13 zeigt jedoch noch einen weiteren Effekt, der vorstehend noch nicht näher beleuchtet wurde. Die Tatsache, dass die kleinsten Teilchen offenbar ihre Gleichgewichtslage noch nicht eingenommen haben und deshalb eine breite Verteilung zeigen, in der sich an linken Rand erst langsam ein Maximalwert auszubilden beginnt, zeigt, dass die Strömungsgeschwindigkeit und damit das parabelförmige Verteilungsprofil der Fluidgeschwindigkeit, vergl. Figur 5, noch nicht steil genug ist, dass die auf die kleinen Partikel wirkenden Kräfte ausreichen, diese vollständig in eine Gleichgewichtsposition zu bewegen. Dies zeigt, dass die Angabe einer Obergrenze für die Kanal-Reynoldszahl keine Allgemeingültigkeit für das Erreichen einer schmalen, signifikanten Geschwindigkeitsverteilung hat. Deshalb sieht die Erfindung gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung vor, dass bei einem System mit Teilchen mit einem maximalen Partikeldurchmesser ap und einem Messkanal, der wenigstens im Bereich der Messstrecke, vorzugsweise aber über seine gesamte Länge, eine im Wesentlichen konstante Höhe h aufweist, die Strömungsgeschwindigkeit so einzustellen ist, dass die Partikel-Reynoldszahl RP = RK größer ist als 2,5- 10"6.Furthermore, particles having an average particle diameter a p of 2.1 μιι are contained in the fluid. At the same channel Reynolds number, these have a very sharp distribution in the range of about 410-415 mm / sec, as can be seen from the dashed curve. Finally, even larger particles with a mean particle diameter a p of 6.42 μιι are contained in the fluid whose dotted-line distribution is narrower again and comprises a range of about 425 to about 428 mm / sec. The two latter curves are also normalized to the maximum value of the respective peaks. These both have the shape of the distribution according to curve 25 in the diagram in FIG. The diagram confirms the effects discussed above, namely that particles of different sizes concentrate in the fluid at different equilibrium velocities, having a very narrow velocity distribution at a sufficient flow velocity and thus being easily differentiable or identifiable. However, FIG. 13 shows yet another effect which has not been described in detail above. The fact that the smallest particles evidently have not yet reached their equilibrium position and therefore show a broad distribution in which a maximum value slowly begins to form at the left edge shows that the flow velocity and thus the parabolic distribution profile of the fluid velocity, cf. FIG 5, not yet steep enough, that the forces acting on the small particles are sufficient to move them completely into an equilibrium position. This shows that specifying an upper limit for the channel Reynolds number has no generality for achieving a narrow, significant velocity distribution. Therefore, the invention according to an advantageous embodiment, that in a system with particles having a maximum particle diameter a p and a measuring channel, at least in the region of Measuring section, but preferably over its entire length, has a substantially constant height h, the flow rate is adjusted so that the particle Reynolds number R P = R K ■ is greater than 2.5-10 "6th
Figure imgf000029_0001
Die Richtigkeit dieser Annahme bestätigt das Diagramm in Figur 14, welches die Geschwindigkeitsverteilungen derselben drei Partikel in demselben Fluid und in der selben Vorrichtung jedoch bei einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit v des Fluids zeigt, die einer Kanal-Reynoldszahl von 0,66 entspricht. Unter diesen Bedingungen ordnen sich weder Teilchen mit einem mittleren Partikeldurchmesser α = 0,84μ/« noch solche mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 2,1 μιτι und nicht einmal die größten Teilchen mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 6,42 μιτι in dem Fluid an.
Figure imgf000029_0001
The correctness of this assumption is confirmed by the diagram in Figure 14, which shows the velocity distributions of the same three particles in the same fluid and in the same device but at a mean flow velocity v of the fluid corresponding to a channel Reynolds number of 0.66. Under these conditions, neither particles with a mean particle diameter α = 0.84μ / "nor those with a mean particle diameter of 2.1 μιτι and not even the largest particles with a mean particle diameter of 6.42 μιτι arrange in the fluid.
In Figur 1 5 ist ein zweidimensionales Diagramm gezeigt, in dem die Signalinten- sität in vertikaler Richtung gegen die Geschwindigkeitsverteilung in horizontaler Richtung aufgetragen ist. Wiederum sind in dieser Messung zwei Teilchenpopulationen enthalten, die sowohl in Projektion auf die Geschwindigkeitsachse als auch Projektion auf die Intensitätsachse deutlich voneinander separiert sind. Wird die Messung also dergestalt ausgeführt, dass neben der Geschwindig- keitsverteilung als weitere Eigenschaft der Partikel die Intensität der emittierten oder gestreuten Strahlung registriert und koinzident gemessen wird, so kann in einer Messung eine weitere Teilcheneigenschaft ermittelt und die Teilchen deshalb genauer klassifiziert oder bestimmt werden. Die Projektion auf die Geschwindigkeitsachse ist in der zuvor beschriebenen Figur 4 gezeigt. Die Projektion auf die Intensitätsachse ist in der Figur 1 6 dargestellt. Bezugszeichenliste FIG. 15 shows a two-dimensional diagram in which the signal intensity in the vertical direction is plotted against the velocity distribution in the horizontal direction. Again, this measurement contains two particle populations that are clearly separated from each other in both projection on the velocity axis and projection onto the intensity axis. If the measurement is thus carried out in such a way that the intensity of the emitted or scattered radiation is registered and coincidentally measured in addition to the velocity distribution, a further particle property can be determined in a measurement and the particles can therefore be classified or determined more precisely. The projection on the velocity axis is shown in FIG. 4 described above. The projection onto the intensity axis is shown in FIG. LIST OF REFERENCE NUMBERS
10 zylindrischer Kanal 10 cylindrical channel
12 Mittellinie  12 midline
14 Strömungsrichtung 14 flow direction
16 Höhenlinie  16 contour line
18 Höhenlinie  18 contour line
20 Geschwindigkeitsverteilungskurve 20 speed distribution curve
21 Geschwindigkeitsverteilungskurve 21 Velocity distribution curve
22 Geschwindigkeitsverteilungskurve  22 Velocity distribution curve
23 Geschwindigkeitsverteilungskurve  23 Velocity distribution curve
24 Geschwindigkeitsverteilungskurve  24 Velocity distribution curve
25 Geschwindigkeitsverteilungskurve  25 Velocity distribution curve
30 Messkanal 30 measuring channel
32 Mittellinie  32 midline
34 Strömungsrichtung  34 flow direction
36 Strömungsprofil des Fluids  36 flow profile of the fluid
37 erste Partikelpopulation 37 first particle population
38 zweite Partikelpopulation  38 second particle population
60 Messkanal 60 measuring channel
62 Mikrofluidik-Chip  62 microfluidic chip
64 Zugang, Einlass 64 access, inlet
66 Ausgang, Auslass  66 outlet, outlet
68 Anschluss  68 connection
70 Anschluss 70 connection
71 Kanalkreuzung 72 Eintrittsfenster 71 channel intersection 72 entrance window
74 Laserstrahl  74 laser beam
76 Anregungszone  76 excitation zone
78 Anlaufstrecke  78 start-up route
c c
O  O
80 Messstrecke  80 measuring distance
82 Detektor  82 detector
84 Maske  84 mask
86 Lichtemission bzw. -Streuung 86 light emission or scattering
0 88 Lichtemission bzw. -Streuung b Breite des Messkanals 0 88 Light emission or dispersion b Width of the measuring channel
h Höhe des Messkanals  h Height of the measuring channel
L Länge der Anlaufstrecke L Length of the start-up route
5 r Radius bzw. halbe Höhe des Kanals 5 r radius or half height of the channel
V Strömungsgeschwindigkeit bzw. -richtung  V flow velocity or direction
V mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Fluids  V mean flow velocity of the fluid
V max maximale Strömungsgeschwindigkeit des Fluids  V max maximum flow velocity of the fluid
Vl Partikelgeschwindigkeit der ersten Teilchenpopulation0 V2 Partikelgeschwindigkeit der zweiten Teilchenpopulation V l Particle velocity of the first particle population 0 V 2 Particle velocity of the second particle population

Claims

Patentansprüche Verfahren zum Nachweisen von in einem strömenden Fluid befindlichen ungelösten Teilchen, welches Fluid die Dichte p und die Viskosität μ aufweist, bei dem Method for detecting undissolved particles in a flowing fluid, which fluid has the density p and the viscosity μ, in which
- das Fluid mit den Teilchen durch einen Messkanal (60) gefördert wird, the fluid with the particles is conveyed through a measuring channel (60),
- wobei das Fluid mit den Teilchen eine Anregungszone (76) durchströmt, in der es von einer Strahlungsquelle erfasst wird, - wherein the fluid with the particles flows through an excitation zone (76) in which it is detected by a radiation source,
- wobei das Fluid mit den Teilchen eine Messstrecke (80) durchströmt, in der von den Teilchen in Folge der Anregung ausgehende Emission und/oder von den Teilchen ausgehendes Streulicht von einem Detektor (82) aufgenommen wird, - wherein the fluid with the particles flows through a measuring path (80) in which the emission emanating from the particles as a result of the excitation and / or scattered light emanating from the particles is picked up by a detector (82),
- wobei eine im Bereich der Messstrecke (80) zwischen dem Messkanal (60) und dem Detektor (82) angeordnete Maske (84) die Emission bzw. das Streulicht moduliert, und - wherein a in the region of the measuring section (80) between the measuring channel (60) and the detector (82) arranged mask (84) modulates the emission or the scattered light, and
- wobei das modulierte Signal mittels einer Korrelationsanalyse ausgewertet wird, um die Teilchen nachzuweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid durch den Messkanal (60) mit einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit v gefördert wird, bei der die Kanal-Reynoldszahl - wherein the modulated signal is evaluated by means of a correlation analysis to detect the particles, characterized in that the fluid is conveyed through the measuring channel (60) at a mean flow velocity v, wherein the channel Reynolds number
_ P " v ' d-hyd _ P "v 'd-hyd
μ Werte zwischen 0,1 und 500 annimmt, wobei dhyd den hydraulischen Durchmesser des Messkanals (60) bezeichnet, wobei die Teilchen eine Geschwindigkeitsverteilung annehmen, deren Halbwertsbreite weniger als 4% der mittleren Teilchengeschwindigkeit beträgt. μ Assumes values between 0.1 and 500, where d hy denotes the hydraulic diameter of the measuring channel (60), the particles assuming a velocity distribution whose half-width is less than 4% of the mean particle velocity.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , 2. The method according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen einen maximalen Partikeldurchmesser ap aufweisen und dass das Fluid mit den Teilchen im Messkanal (60) in Strömungsrichtung vor der Messstrecke (80) eine Anlaufstrecke (78) mit einer Länge L von wenigstens h4 characterized in that the particles have a maximum particle diameter a p and that the fluid with the particles in the measuring channel (60) in the flow direction in front of the measuring section (80) has a start-up path (78) with a length L of at least h 4
L = 3π- 3  L = 3π- 3
durchströmt, wobei RK a die Kanal-Reynoldszahl in der Anlaufstrecke (78) bezeichnet und wobei der Messkanal (60) wenigstens im Bereich der Anlaufstrecke (78) eine im Wesentlichen konstante Höhe h aufweist. wherein R K a denotes the channel Reynolds number in the start-up section (78) and wherein the measuring channel (60) has a substantially constant height h at least in the region of the start-up section (78).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, Method according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Messkanal (60) wenigstens im Bereich der Messstrecke einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt mit einer Breite w und einer Höhe h aufweist und dass der Messkanal (60) ein  characterized in that the measuring channel (60) at least in the region of the measuring section has a substantially constant cross-section with a width w and a height h and that the measuring channel (60) a
Aspektverhältnis e = ^ < 0,1 aufweist. Aspect ratio e = ^ <0.1 has.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, Method according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen einen maximalen Partikeldurchmesser ap aufweisen und dass der Messkanal (60) wenigstens im Bereich der Messstrecke (80) eine im Wesentlichen konstante Höhe h aufweist, wobei das Verhältnis γ =— < 0,75 ist. Verfahren nach Anspruch 4, characterized in that the particles have a maximum particle diameter a p and that the measuring channel (60) at least in the region of the measuring section (80) has a substantially constant height h, wherein the ratio γ = - <0.75. Method according to claim 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe h des Messkanals (60) wenigstens im Bereich der Messstrecke (80) das 200-fache, bevorzugt 50-fache, des maximalen Partikeldurchmesser ap nicht überschreitet. characterized in that the height h of the measuring channel (60) at least in the region of the measuring section (80) does not exceed 200 times, preferably 50 times, the maximum particle diameter a p .
Vorrichtung zum Nachweisen von in einem strömenden Fluid befindlichen ungelösten Teilchen, welches Fluid die Dichte p und die Viskosität μ aufweist, mit Device for detecting undissolved particles in a flowing fluid, said fluid having the density p and the viscosity μ
einem Messkanal (60), durch den das Fluid mit den Teilchen förderbar ist und der eine Messstrecke (80) umfasst, a measuring channel (60) through which the fluid can be conveyed with the particles and which comprises a measuring section (80),
einer Pumpeinrichtung zum Fördern des Fluids mit den Teilchen, einer Strahlungsquelle für elektromagnetische Strahlung, die auf eine Anregungszone (76) im Messkanal (60) ausgerichtet ist, a pumping device for conveying the fluid with the particles, a radiation source for electromagnetic radiation, which is aligned with an excitation zone (76) in the measuring channel (60),
einem auf die Messstrecke (80) ausgerichteten Detektor (82), der eingerichtet ist, von den Teilchen in Folge der elektromagnetischen Einstrahlung ausgehende Emission und/oder von den Teilchen ausgehendes Streulicht zu detektieren, a detector (82) aligned with the measuring path (80) and arranged to detect emission from the particles as a consequence of the electromagnetic radiation and / or scattered light emanating from the particles,
einer im Bereich der Messstrecke (80) zwischen dem Messkanal (60) und dem Detektor (82) angeordneten Maske (84) zur räumlichen Modulation der Emission und/oder des Streulichtes und a mask (84) arranged in the region of the measuring path (80) between the measuring channel (60) and the detector (82) for spatially modulating the emission and / or the scattered light, and
einer Auswerteeinrichtung mit Mitteln zur Korrelationsanalyse zum Nachweisen der Teilchen anhand des modulierten Signals, gekennzeichnet durch eine der Pumpeinrichtung zugeordnete Steuereinrichtung, die eingerichtet ist, eine Strömungsgeschwindigkeit v für das Fluid durch den gesamten Messkanal (30, 40, 60) einzustellen, bei der die Kanal-Reynoldszahl _ p - v dhyd an evaluation device with correlation analysis means for detecting the particles on the basis of the modulated signal, characterized by a pumping means associated with the control device which is adapted to set a flow velocity v for the fluid through the entire measuring channel (30, 40, 60), wherein the channel -Reynoldszahl _ p - v d hyd
μ  μ
Werte zwischen 0,1 und 500 annimmt, wobei dhyd den hydraulischen Durchmesser des Messkanals (30, 40, 60) bezeichnet, wobei die Teilchen eine Geschwindigkeitsverteilung annehmen, deren Halbwertsbreite weniger als 4% der mittleren Teilchengeschwindigkeit beträgt. Assumes values between 0.1 and 500, where d hy denotes the hydraulic diameter of the measuring channel (30, 40, 60), the particles assuming a velocity distribution whose half-width is less than 4% of the mean particle velocity.
Vorrichtung nach Anspruch 6, Device according to claim 6,
dadurch gekennzeichnet, dass der Messkanal (60) in Strömungsrichtung vor der Messstrecke (80) eine Anlaufstrecke (78) mit einer Länge L von wenigstens characterized in that the measuring channel (60) in the flow direction in front of the measuring section (80) a start-up path (78) with a length L of at least
1 h4 1 h 4
L = 3π— g L = 3π- g
°K,a ap aufweist, wobei RK a die Kanal-Reynoldszahl in der Anlaufstrecke (78) bezeichnet und wobei der Messkanal (60) wenigstens im Bereich der Anlaufstrecke (78) eine im Wesentlichen konstante Höhe h aufweist. ° K, a a p, where R K a denotes the channel Reynolds number in the start-up section (78) and wherein the measuring channel (60) has a substantially constant height h at least in the region of the start-up section (78).
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, Apparatus according to claim 6 or 7,
dadurch gekennzeichnet, dass der Messkanal (60) wenigstens im Bereich der Messstrecke (80) einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt mit einer Breite w und einer Höhe h aufweist und dass der Messkanal (60) ein Aspektverhältnis e = - < 0,1 aufweist. characterized in that the measuring channel (60) at least in the region of the measuring section (80) has a substantially constant cross-section with a width w and a height h and that the measuring channel (60) has an aspect ratio e = - <0.1.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, Device according to one of claims 6 to 8,
dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (82) eingerichtet ist, die Intensität der von den Teilchen ausgehende Emission und/oder des von den Teilchen ausgehendes Streulichtes quantitativ zu detektieren und dass die Analyseeinrichtung eingerichtet ist, die Intensität zur Differenzierung, zur Klassifizierung oder zur Bestinnnnung der Teilchen auszugeben. characterized in that the detector (82) is arranged, the intensity of the emanating from the particles emission and / or of quantitatively detecting the scattered light emanating from the particles and that the analysis device is set up to output the intensity for differentiation, classification or comminution of the particles.
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