WO2015143467A1 - Vorrichtung zur messung von nanopartikeln und verfahren zur bestimmung der durchmesser von nanopartikeln in einer flüssigkeit - Google Patents

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channel
liquid
optical structure
images
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Christoph HAIDEN
Martin Jech
Michael Vellekoop
Thomas Wopelka
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Technische Universität Wien
Ac2T Research Gmbh
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    • G01N2015/1493—Particle size

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for measuring nanoparticles in a liquid, comprising a light source, a channel for receiving the liquid, the channel being at least partially separated from the liquid
  • Light source emitted light is permeable and a
  • the device further comprising an optical assembly and a two-dimensional detector for receiving a series of generated by the optical structure
  • the present invention also relates to a method for determining the diameters of nanoparticles in one
  • particle tracking methods are used to determine the trajectories of the particles, for example, in that the particles are imaged directly with a microscope and a series of images or a video from the
  • Microscope generated, two-dimensional image is recorded. In this way, however, only particles larger than the wavelength of light used can be measured.
  • a dark field array For smaller particles, such as nanoparticles, especially nanoparticles, whose diameters range from 10 nm to 200 nm, a dark field array can be used.
  • diffraction slices also referred to as Airy slices.
  • the trajectory of each particle corresponds to the trace of the moving center of gravity of the associated diffraction disk.
  • hydrodynamic diameter which generally can be slightly larger than the diameter of the free nanoparticle, since the nanoparticle in the liquid is e.g. may be surrounded by a solvation shell.
  • Diffraction pattern of the respective nanoparticle is typically sufficiently recognizable in a maximum of several ten consecutive images for evaluation.
  • the associated evaluable trajectory which can be used for the calculation of the mean displacement square, which in turn has a negative effect on the error of the determined diameter of the nanoparticle.
  • Observation volume for particles that perform in a dispersion at least partially stochastic movement known by single particle tracking (SPT).
  • SPT single particle tracking
  • NTA nanoparticle tracking analysis
  • DLS dynamic light scattering
  • the liquid is measured in a channel with a certain channel height.
  • the channel is transparent to at least light emitted from a light source.
  • the light is scattered at the nanoparticles, and only the scattered light is detected by means of an optical assembly and a downstream two-dimensional detector
  • the sensitive surface is divisible into pixels and can be designed in particular as an image sensor.
  • the optical structure can be a system comprising mirrors, lenses (in particular comprising a lens), filters, etc. In particular, the optical structure by a
  • a diffraction disk is.
  • light which comes directly from the light source or is reflected speculatively does not get into the optical structure or into the microscope and accordingly is not detected at the detector or image sensor.
  • magnification of the optical structure and the pixel density of the detector must be so be coordinated with each other that a clear determination of the position of each diffraction image is meaningfully possible.
  • Diffraction slices appear so large on the detector that it is at least 2 * 2 pixels imaged. That the pixels of the detector are arranged along two directions, in the following x and y, and thus cover an area, whereby the diffraction disks are enlarged so large by the optical structure or the pixels are so small that two pixels in the x-direction and two pixels in the y-direction at least in sections through the respective diffraction disc
  • Diffraction disk is then determinable with an accuracy of less than one pixel, according to each
  • the optical structure can dispense with magnifying elements and e.g. essentially consist of a hole through which the scattered light enters the detector.
  • Diffraction patterns / diffraction slices of the nanoparticles in each image are determined so that a position can be assigned to each diffraction image in each image.
  • Diffraction image / diffraction disk or its position remains is always determinable for the nanoparticle in the series of images as long as the nanoparticle does not move laterally out of the field of view, ie until either no more light is scattered on this nanoparticle or the light scattered on this nanoparticle is no longer in the optical field
  • Diffraction images especially their focus, still determine.
  • the depth of field DOF the depth of field
  • the diffraction images remain virtually completely sharp and the
  • Nanoparticles in a liquid comprising a
  • a light source a channel for receiving the liquid, wherein the channel is at least partially transparent to light emitted from the light source and having a channel height
  • the device further comprising an optical assembly and a two-dimensional detector for receiving a series of images generated by the optical structure, the light source, the channel and the optical assembly are in a dark field arrangement to receive light emitted from the light source and scattered on the nanoparticles through the optical assembly with the detector, wherein positions of
  • Diffraction images of the scattered at the nanoparticles light on the detector can be determined according to the invention provided that the channel height and the optical structure are designed so that the depth of field DOF of the optical structure is at least 10%, preferably at least 30% of the channel height.
  • the depth of field DOF of the optical structure can be influenced, in particular in the case of a microscope, by a suitable choice of a lens of the microscope, with
  • DOF ⁇ / (2 * NA 2 ), where ⁇ is the wavelength of the light used. That is, by decreasing the numerical aperture, the depth of field DOF can be increased. However, in this case, as described above, it should be noted that the magnification always remains so great that the positions, preferably the centroids, of the diffraction patterns of the nanoparticles are sufficiently good at
  • Detector can be determined.
  • the method comprises the following steps:
  • Initial range of MSD preferably on at least three of the first ten points of MSD (X), more preferably on the second, third, fourth and fifth points of MSD (X).
  • the function to be fitted is a straight line, wherein the increase in the
  • Nanoparticles with their environment affects the diffusion of nanoparticles. This can be done for example by a
  • MSD (X) 2 * dim * D * X, where 0C describes ⁇ 1 sub-diffusion, while 0C> 1 describes super diffusion.
  • MSD (X) 2 * dim * D * X + v 2 + X 2 .
  • Trajectories are taken into account in order to keep deliberately small the resulting error in the calculated diameters of the nanoparticles.
  • the length of the trajectories does not necessarily mean the absolute time duration over which the trajectories extend, but the number of support points or nanoparticle positions of the trajectories. That a trajectory, for example, from the
  • Determining the center of gravity of the diffraction disk of a nanoparticle in 567 consecutive images of a series of images is 567 images or (nanoparticle)
  • Embodiment of the method according to the invention provided that are used to determine the diffusion coefficient D trajectories with a length of at least 200 positions, preferably of at least 500 positions, more preferably of at least 1000 positions, wherein for determining the diffusion coefficient D preferably only trajectories with a length of at least 200 positions, preferably of at least 500 positions, more preferably of at least 1000 positions are used. It is understood that the Total number of images in the recorded series can be significantly larger than the length of the trajectories used.
  • the resulting high precision in the calculation of the diameter of the nanoparticles also makes it possible to determine a distribution of the diameter and also close
  • a distribution of the calculated diameter d is determined.
  • the channel heights can be selected to be correspondingly small in order to obtain a sufficiently large magnification
  • the channel height is less than or equal to 30 pm, preferably less than or equal to 20 pm,
  • the use of such low channel heights also has the advantage that
  • Liquids that are not transparent in principle e.g. Motor oil, can still be irradiated.
  • the light source is arranged on the same side of the channel as the optical structure.
  • the further optical structure and the further detector can be on the other side of the channel be arranged, ie the optical structure and the detector opposite.
  • At least one laser is provided as the light source.
  • the use of lasers also allows a very precise choice of the wavelength of light. Several different lasers also make it possible to use light
  • Laser sources come with 100 mW or more. When lasers are used, e.g. due to the finite roughness of the walls of the channel speckle pattern in scattered light, which is an undesirable for the diffraction patterns of nanoparticles
  • Light-emitting diodes in particular so-called high-power LEDs, can sometimes work more stably at very high intensities.
  • Light source is provided at least one light emitting diode.
  • Light emitting diodes also offer the possibility to select certain wavelengths relatively precisely, although this is not as precise as possible with lasers. Different wavelengths can in turn be realized with several different light-emitting diodes. Alternatively or additionally, it would also be possible to use light-emitting diodes which emit substantially white light.
  • the Device according to the invention provided that the light source emits light of multiple wavelengths.
  • each image is recorded with a specific wavelength.
  • a specific wavelength For example, can be at three different wavelengths
  • Nanoparticles are determined three trajectories, each trajectory only from images with each one of the three
  • Wavelengths is extracted.
  • the channel is formed in a microfluidic chip. Accordingly, the microfluidic chip must be at least partially transparent to the light emitted by the light source.
  • microfluidic components or a microfluidic chip offers an excellent possibility of integration and miniaturization of the entire system. This is i.a. with regard to an installation of a
  • inventive device in a motor interesting.
  • Detector are integrated in a structural unit.
  • this structural unit can be designed together with a microfluidic chip, which is also designed as a disposable chip can be, as well as with a light source and associated
  • microfluidic chips also allows them to be implemented as disposable elements, i. the microfluidic chip is replaced by a new one after a measurement. Alternatively and / or additionally, it is possible to transport the liquid out of the channel after a measurement and to bring new liquid into the channel. Therefore, it is at a preferred
  • Embodiment of the device according to the invention provided that means are provided to convey the liquid in and out of the channel.
  • a particularly simple means would be e.g. a syringe, but of course a pump would be a suitable means to pump liquid out of the channel and pump it into the channel.
  • a pump would be a suitable means to pump liquid out of the channel and pump it into the channel.
  • Automated diameter determination for example, by pumping motor oil into the channel and a measurement is carried out after each operation of the engine.
  • Embodiment of the method according to the invention provided that after taking the series of images at least once the liquid is removed from the channel, new liquid is introduced into the channel and another series of
  • the channel is in a microfluidic chip
  • the channel height as well as the optical axis is oriented horizontally. That is, the sedimentation that is due to gravity, is normal to
  • the device is designed such that a force with a directional component, which is normal to an optical axis of the optical structure, on the
  • Capacitor plates for application of an electric field or coils e.g. Helmholtz coils, for applying a magnetic field.
  • embossable physical variables are conceivable, for example one by one osmotic pressure related flow or otherwise generated velocity profile.
  • the viscosity of the liquid is highly relevant to the above-described calculation of the size of the nanoparticles from their Brownian motion. It is therefore provided in a preferred embodiment of the device according to the invention that a viscosity sensor for measuring the viscosity of the liquid is provided.
  • a viscosity sensor for measuring the viscosity of the liquid is provided.
  • the channel is formed in a microfluidic chip, can be
  • the viscosity sensor can also be formed separately from the microfluidic chip which contains the channel.
  • the viscosity of the liquid is determined by the
  • Embodiment of the device according to the invention provided that a heating element and / or a cooling element are provided to bring the channel to a desired temperature.
  • Examples would be a heating resistor, e.g. in the form of a plate or a heating wire, as a heating element and / or a Peltier element as a cooling element. It is understood that a temperature sensor is also provided if it is not already integrated in Hei zelement / cooling element.
  • heating element and / or cooling element can - as well as any existing pumps - be made small and compact, so that a device that these components
  • a device according to the invention for determining the size and / or size distribution of particles, preferably wear particles in a liquid lubricant,
  • the lubricants may be lubricants of a variety of machines, i. not necessarily lubricants for engines. For example, these may be lubricants for the lubrication of bearings. In particular, metallic nanoparticles are measured here.
  • Nanoparticles are investigated, which is another
  • Wear particles in lubricants it is important to take into account that in addition to the wear particles present as nanoparticles also larger wear particles -. in the sub-micrometer range or micrometer range - may be present in the lubricant. If the channel heights are too low, these larger wear particles can block the channel. In order to avoid clogging of the channel, it is therefore in a preferred embodiment of the invention
  • the channel height at least 1 pm, preferably at least 3 pm, more preferably at least 5 pm is. It is understood that at a special
  • not only the channel height, but generally a clear cross section of the channel is greater than / equal to the channel height, to effectively prevent clogging.
  • Nanoparticles the viscosity of the liquid must be known in principle. It can by means of the invention
  • Viscosity range can be examined, preferably in a range of 0.1 mPa s to 1000 mPa s. The reverse is true
  • the invention is the use of a
  • Fig. 1 is a schematic sketch of the structure of a
  • Fig. 2 is a detail of a sectional view of a channel of
  • Fig. 3 is a schematic sketch of the structure of another
  • Embodiment of the device according to the invention the suitable for observation of sedimentation effects
  • Fig. 4 is a schematic detail view of the liquid in
  • FIG. 3 shows a channel of the device of FIG. 3, illustrating trajectories of a larger, heavier and a smaller, lighter nanoparticle under the influence of gravity and a direction of flow
  • Fig. 5 is a schematic sketch of a detail of the structure of another embodiment of the device according to the invention, which is used to observe the diffusion of
  • Fig. 6 is a schematic sketch of a detail of the structure of another embodiment of the device according to the invention, which is used to observe the diffusion of
  • Fig. 7 is a schematic sketch of a detail of the structure of another embodiment of the device according to the invention with a heating element, a cooling element and with a viscosity sensor
  • FIG. 1 in conjunction with FIG. 2 shows an embodiment of the device according to the invention for measuring nanoparticles 1 in a liquid 2, such as water or oil, wherein the liquid 2 is located in a channel 4.
  • the channel 4 is formed in a microfluidic chip 9, which in turn is arranged on a microscope stage 19 of a microscope 6, which forms an optical structure.
  • the microscope 6, the channel 4 and a light source. 3 are in a dark field arrangement. That is, emitted from the light source 3 and onto the liquid 2
  • incident light 20 is scattered at the nanoparticles 1, and only scattered light 21 enters the microscope 6.
  • light does not enter the microscope 6 directly from the light source 3, nor does light that is reflected at the channel 4 or microfluidic chip 9.
  • the light source 3 is so to the channel 4 and
  • Microfluidic chip 9 and the microscope 6 arranged that the emitted light incident on the channel 4 and the microfluidic chip 9 at such an angle that no light can pass directly or by (specular) reflection in the microscope 6, but only by scattering at the nanoparticles 1.
  • the channel 4 or the microfluidic chip 9 is in this case at least partially transparent to the light. Im shown
  • this arrangement is achieved by an angle 8 between the incident light 20 and a
  • optical axis 7 of the microscope 6 is between 60 ° and 70 °, wherein the optical axis 7 is substantially normal to the channel 4 and the microfluidic chip 9.
  • the nanoparticles 1 are generally smaller - at least not significantly larger - than the wavelength ⁇ , so that with the microscope 6 the diffraction patterns of those nanoparticles 1
  • the investigated nanoparticles 1 have a diameter d in the range between 10 nm and 200 nm, so that each nanoparticle 1 is an im Essentially equal-sized diffraction disk produced.
  • Embodiment is part of a camera 16, which is the from
  • Microscope 6 enlarged image taken or a series of such images is taken. Such a series exists
  • magnification of the microscope 6 and the pixel density of the image sensor 17 are thus on each other
  • Diffraction slices so large on the image sensor 17 appears that it is mapped to at least 2 * 2 pixels. For this purpose is
  • an adapter increasing by a factor of 1.25 to 2.5 and an image sensor 17 with 1920 * 1080 pixels.
  • At 2.5x magnification of the adapter corresponds in the shown
  • Embodiment The area imaged on the image sensor 17 is 774 pm * 435 pm, i. 2.48 pixels per pm. Accordingly, the diffraction disks whose diameter in the focus several pm large, sufficiently resolved to their center of gravity
  • Two-dimensional trajectories of the nanoparticles 1 then result from the positions of the respective diffraction disk, ie in the present case from the coordinates of the center of gravity of the respective diffraction disk, as a function of the steps or of the successive images of the recorded series.
  • the channel 4 has a limited channel height 5, which is shown in FIG Embodiment 10 pm. The resulting from the wavelength ⁇ and the numerical aperture
  • Diffraction slices can not substantially move out of focus while taking the series of images. At e.g. 1000 recorded pictures, so can for the
  • Nanoparticles 1 are also included trajectories containing 1000 positions. That the length of the with
  • Trajectories recorded according to the invention can be at least two orders of magnitude larger than the length of trajectories that can be accommodated with devices known from the prior art.
  • the mean displacement square MSD (x) for each trajectory is calculated by means of a computer 18, where X is the time interval of two images viewed. Then a line in the starting area of MSD (X) is adjusted. The rise of matched straight line corresponds to 4 * D, where D is the
  • Histogram of the frequency distribution of d (frequency # versus diameter d). Maxima (also called peaks) can be adjusted by means of a suitable function, even if these maxima are relatively close together. Thus, in particular size distributions of polydispersed nanoparticles 1 can be accurately determined.
  • the distribution shown in Figure 1 shows the result of such measurement with 1000 images (or trajectories of that length), with the maxima for diameters d of 115 nm and 170 nm being determined, i. the peak resolution is approximately 1: 1.5 in the case shown.
  • Fig. 3 shows another embodiment of the
  • the microfluidic chip 9 is arranged "vertically" with the channel 4.
  • the structure in FIG. 1 the structure in FIG. 1
  • the channel 4 has normal dimensions to the channel height 5, ie in the embodiment of FIG. 3 in a vertical plane, substantially larger dimensions than the channel height 5, the sedimentation of nanoparticles 1 can be observed. That is, the random Brownian motion of the nanoparticles 1 is superimposed with a directed movement corresponding to the direction 23 of gravity. The sedimentation for larger, heavier nanoparticles 24 has a stronger effect than for
  • Fig. 4 is a schematic
  • Brownian motion for the larger, heavier nanoparticle 24 has a stronger effect than for the smaller, lighter nanoparticle 25, the trajectory 26 of the larger, heavier one
  • Nanoparticles 24 a strong downward orientation.
  • an upper microfluidic port 28 and a lower microfluidic port 29 are spaced apart.
  • the upper microfluidic port 28 essentially only liquid 2 with smaller, lighter nanoparticles 25 passes through the lower microfluidic port 29, especially liquid 2 with sunken larger, heavier nanoparticles 24 passes. Accordingly, have containers in which the liquid 2 from the upper microfluidic Port 28 and from the lower microfluidic port 29 is passed, each liquid 2 with predominantly smaller, lighter
  • Flow direction 22 caused preferential direction in the movement or in the trajectories of the nanoparticles 1 can be taken into account by means of known methods to conclude the pure Brownian motion. That the determination of the diameter d of the nanoparticles 1 is also superimposed in the case of
  • the syringe 15 can also be used to the liquid 2 in the channel 4 gradually
  • FIG. 5 shows schematically a detail of a structure of a
  • electric field electrodes 10 are provided, which are arranged at two opposite end portions of the channel 4 and to which an electrical voltage is applied. In this way, for example, in the case of charged nanoparticles 1, one of the diffusion superimposed
  • Drift speed of the nanoparticles 1 generate. In this way, e.g. a distinction between charged and uncharged nanoparticles 1 possible.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of the device according to the invention for measuring nanoparticles 1 under the additional influence of a magnetic field.
  • a coil 11 is provided, wherein magnetic
  • Field lines are indicated by dashed lines.
  • magnetic nanoparticles 1 a diffusion-superimposed particular drift behavior can be impressed, whereas non-magnetic nanoparticles 1 move purely diffusively, so that a distinction
  • the result for the obtained diameter d of the nanoparticles 1 is determined by the viscosity ⁇ of the
  • Viscosity sensor 14 is provided, as schematically illustrated in Fig. 7. Such viscosity sensors 14 are known per se and are based on channel networks or oscillating Microstructures. In the embodiment of FIG. 7, both the channel 4 and the viscosity sensor 14 as
  • microfluidic elements which are connected to each other via a line, so that liquid 2 can be measured from the channel 4 with the viscosity sensor 14.
  • the microfluidic chip 9 in FIG. 7 also has a heating wire 12.
  • the microfluidic chip 9 in FIG. 7 also has a heating wire 12.
  • Microfluidic chip 9 arranged on a Peltier element 13.
  • the channel 4 and thus also the liquid 2 by heating or cooling to the desired temperature
  • the Peltier element 13 could not only be used for cooling, but also by reversing for heating, so that the use of the heating wire 12 could also be dispensed with.

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Abstract

Vorrichtung zur Messung von Nanopartikeln (1) in einer Flüssigkeit (2), umfassend eine Lichtquelle (3), einen Kanal (4) zur Aufnahme der Flüssigkeit (2), wobei der Kanal (4) zumindest abschnittsweise für von der Lichtquelle (3) emittiertes Licht durchlässig ist und eine Kanalhöhe (5) aufweist, die Vorrichtung weiters umfassend einen optischen Aufbau (6) und einen zweidimensionalen Detektor (17) zur Aufnahme einer Serie von vom optischen Aufbau (6) erzeugten Bildern, wobei die Lichtquelle (3), der Kanal (4) und der optische Aufbau (6) in einer Dunkelfeldanordnung vorliegen, um Licht, das von der Lichtquelle (3) emittiert und an den Nanopartikeln (1) gestreut wird, durch den optischen Aufbau (6) mit dem Detektor (17) aufzunehmen, wobei Positionen von Beugungsbildern des an den Nanopartikeln (1) gestreuten Lichts (21) auf dem Detektor (17) bestimmbar sind. Um die Bestimmung langer Trajektorien (26, 27) der Nanopartikel (1) zu ermöglichen, die Kanalhöhe (5) und der optische Aufbau (6) so ausgelegt sind, dass die Schärfentiefe DOF des optischen Aufbaus (6) mindestens 10%, vorzugsweise mindestens 30% der Kanalhöhe (5) beträgt.

Description

VORRICHTUNG ZUR MESSUNG VON NANOPARTIKELN UND VERFAHREN BESTIMMUNG DER DURCHMESSER VON NANOPARTIKELN IN EINER
FLÜSSIGKEIT
GEBIET DER ERFINDUNG Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung von Nanopartikeln in einer Flüssigkeit, umfassend eine Lichtquelle, einen Kanal zur Aufnahme der Flüssigkeit, wobei der Kanal zumindest abschnittsweise für von der
Lichtquelle emittiertes Licht durchlässig ist und eine
Kanalhöhe aufweist, die Vorrichtung weiters umfassend einen optischen Aufbau und einen zweidimensionalen Detektor zur Aufnahme einer Serie von vom optischen Aufbau erzeugten
Bildern, wobei die Lichtquelle, der Kanal und der optische Aufbau in einer Dunkelfeldanordnung vorliegen, um Licht, das von der Lichtquelle emittiert und an den Nanopartikeln gestreut wird, durch den optischen Aufbau mit dem Detektor aufzunehmen, wobei Positionen von Beugungsbildern des an den Nanopartikeln gestreuten Lichts auf dem Detektor bestimmbar sind . Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Bestimmung der Durchmesser von Nanopartikeln in einer
Flüssigkeit .
Schließlich betrifft die Erfindung die Verwendung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung. STAND DER TECHNIK
Zur Bestimmung der Größe von in Flüssigkeiten suspendierten Teilchen ist es bekannt, deren Brownsche Bewegung zu messen. Hierbei werden mit sogenannten Particle Tracking-Verfahren die Trajektorien der Teilchen bestimmt, beispielsweise indem die Teilchen direkt mit einem Mikroskop vergrößert abgebildet werden und eine Serie von Bildern bzw. ein Video des vom
Mikroskop erzeugten, zweidimensionalen Bilds aufgenommen wird. Auf diese Weise lassen sich jedoch nur Teilchen messen, die größer als die verwendete Lichtwellenlänge sind.
Bei kleineren Teilchen wie Nanopartikeln, insbesondere bei Nanopartikeln, deren Durchmesser im Bereich von 10 nm bis 200 nm liegt, kann eine Dunkelfeldanordnung verwendet werden.
Hierbei wird nur Licht, das von einer Lichtquelle emittiert und an den Nanopartikeln gestreut wird, vom Mikroskop
eingefangen und vergrößert. D.h. statt den direkten Abbildern der Teilchen werden nur deren Beugungsbilder mit dem Mikroskop vergrößert abgebildet. Da die Teilchengröße wesentlich kleiner ist als die verwendete Lichtwellenlänge besteht das
Beugungsbild jedes Nanopartikels aus dessen Point Spread
Function (manchmal auch als Punktspreizfunktion bezeichnet), die im Wesentlichen als Beugungsscheibchen (u.a. auch als Airy-Scheibchen bezeichnet) erscheint. Die Trajektorie jedes Teilchens entspricht der Spur des wandernden Schwerpunkts des zugehörigen Beugungsscheibchens .
Somit lässt sich für jede Trajektorie das mittlere
Verschiebungsquadrat als Funktion des zeitlichen Abstands (auch als „time lag" bezeichnet) von zwei betrachteten
Nanopartikel-Positionen bzw. Bildern berechnen. Durch Anpassen einer Geraden erhält man den Diffusionskoeffizienten für die Diffusion des jeweiligen Nanopartikels in zwei Dimensionen. Kenntnis der Viskosität der Flüssigkeit erlaubt mittels der Stokes-Einstein-Gleichung die Berechnung eines Durchmessers des Nanopartikels . Dabei handelt es sich um dessen
hydrodynamischen Durchmesser, der im Allgemeinen etwas größer sein kann als der Durchmesser des freien Nanopartikels , da das Nanopartikel in der Flüssigkeit z.B. von einer Solvathülle umgeben sein kann.
Problematisch bei dem oben geschilderten Verfahren ist, dass die Länge der aufnehmbaren Trajektorien in der Praxis stark beschränkt ist, da die Diffusion der Nanopartikel tatsächlich nicht auf zwei Dimensionen beschränkt ist, sondern auch in einer dritten Dimension stattfindet. Dies hat zur Folge, dass sich jedes Nanopartikel nur eine beschränkte Zeit in jenem Bereich der Flüssigkeit aufhält, der im Mikroskop scharf gestellt ist. Verlässt das jeweilige Nanopartikel diesen
Bereich, erscheint sein Streubild unscharf und ausgewaschen und verschwimmt schließlich im Hintergrund, sodass eine
Positionsbestimmung bzw. eine Schwerpunktsbestimmung des
Beugungsbilds des Nanopartikels unmöglich ist. D.h. das
Beugungsbild des jeweiligen Nanoteilchens ist typischerweise in maximal einigen zehn aufeinander folgenden Bildern für eine Auswertung hinreichend gut erkennbar. Entsprechend kurz ist die zugehörige auswertbare Trajektorie, die für die Berechnung des mittleren Verschiebungsquadrates herangezogen werden kann, was sich wiederum negativ im Hinblick auf den Fehler des ermittelten Durchmessers des Nanoteilchens auswirkt. Aus der WO 2012004320 AI ist ein Verfahren zur Bestimmung der Größe oder formbezogener Parameter eines effektiven
Beobachtungsvolumens für Partikel, die in einer Dispersion zumindest teilweise eine stochastische Bewegung vollführen, mittels Single Particle Tracking (SPT) bekannt. Hierbei wird die zumindest teilweise stochastische Bewegung der Partikel modelliert. Eine Dunkelfeld-Messanordnung wird nicht
diskutiert . Aus A. Malloy et al . , Part. Part. Syst. Charact . 23, 197 (2006) sind SPT-Messungen mit einem kommerziellen System bekannt, wobei Laserlicht aufgenommen wird, das an den sich in einer Dispersion befindenden Partikeln gestreut worden ist. Das tatsächlich untersuchte Volumen ist viele Größenordnungen kleiner als das gesamte Probenvolumen. Auf die Problematik der nicht gemessenen Bewegung der Partikel in der z-Ebene wird lediglich hingewiesen.
Aus der CN 201984012 U ist statt eines Particle Tracking- Verfahrens eine spezielle Ausführungsform von dynamischer LichtStreuung zur Untersuchung von Nanopartikeln bekannt, wobei das gestreute Licht nicht Punkte, sondern Spuren auf dem Detektor erzeugt. Aus der Länge der Spuren wird auf die
Partikelgröße zurück gerechnet. Aus der GB 2493391 A ist eine Kombination von Nanoparticle Tracking Analysis (NTA) und dynamischer LichtStreuung (DLS) bekannt, wobei das DLS-Ergebnis durch zuvor mittels NTA gewonnener Information verbessert wird.
Aus der KR 20040088012 A ist statt eines Particle Tracking- Verfahrens ein System basierend auf dynamischer LichtStreuung zur Größenbestimmung von Partikeln bekannt.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine
Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, die den oben genannten Nachteil vermeiden und die Bestimmung langer Trajektorien ermöglichen, um den Durchmesser von
Nanopartikeln in Flüssigkeiten besonders genau bestimmen zu können . DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Um die genannte Aufgabe für die Bestimmung der Durchmesser von Nanopartikeln, insbesondere im Bereich von 10 nm bis 200 nm, in einer Flüssigkeit zu lösen, wird die Flüssigkeit in einem Kanal mit einer gewissen Kanalhöhe gemessen. Der Kanal ist zumindest für Licht, das von einer Lichtquelle emittiert wird, durchlässig. Das Licht wird an den Nanopartikeln gestreut, und nur das gestreute Licht wird mittels eines optischen Aufbaus und einem nachgeschalteten zweidimensionalen Detektor
aufgenommen, dessen sensitive Fläche in Pixel einteilbar ist und der insbesondere als Bildsensor ausgeführt sein kann. Beim optischen Aufbau kann es sich um ein System mit Spiegeln, Linsen (insbesondere umfassend ein Objektiv), Filtern etc. handeln. Insbesondere kann der optische Aufbau durch ein
Mikroskop realisiert sein.
D.h. der optische Aufbau bzw. das Mikroskop erzeugt im
Allgemeinen ein vergrößertes Bild, welches die Beugungsbilder der Nanopartikel enthält, wobei jedes Beugungsbild im
Wesentlichen ein Beugungsscheibchen ist. Licht, das direkt von der Lichtquelle kommt oder spekular reflektiert wird, gelangt hingegen nicht in den optischen Aufbau bzw. ins Mikroskop und wird entsprechend auch nicht am Detektor bzw. Bildsensor detektiert. Mit anderen Worten liegt eine Dunkelfeldanordnung der Lichtquelle, des Kanals bzw. der Flüssigkeit im Kanal und dem optischen Aufbau vor.
Um in der Folge Positionsveränderungen bzw. Trajektorien der Nanopartikel verfolgen zu können, ist es wichtig, dass die Position jedes Beugungsbilds bzw. jedes Beugungsscheibchens im aufgenommenen Bild eindeutig bestimmt werden kann,
beispielsweise indem sein Umriss und/oder sein Schwerpunkt bestimmt werden. Zu diesem Zweck müssen die Vergrößerung des optischen Aufbaus und die Pixeldichte des Detektors so aufeinander abgestimmt sein, dass eine eindeutige Bestimmung der Position jedes Beugungsbilds sinnvoll möglich ist.
Wenn der Schwerpunkt jedes Beugungsbilds bestimmt werden soll, ist es in der Praxis ausreichend, wenn jedes
Beugungsscheibchen so groß am Detektor erscheint, dass es zumindest auf 2*2 Pixeln abgebildet wird. D.h. die Pixeln des Detektors sind entlang von zwei Richtungen, im Folgenden x und y genannt, angeordnet und überdecken somit eine Fläche, wobei die Beugungsscheibchen durch den optischen Aufbau so groß vergrößert werden bzw. die Pixel so klein sind, dass zwei Pixel in x-Richtung und zwei Pixel in y-Richtung zumindest abschnittsweise durch das jeweilige Beugungsscheibchen
überdeckt werden. Die Position des Schwerpunkts jedes
Beugungsscheibchens ist dann mit einer Genauigkeit von weniger als einem Pixel bestimmbar, entsprechend können jedem
Schwerpunkt eine x- und eine y-Koordinate zugewiesen werden. Für den Fall, dass die Pixel des Detektors so klein sind, dass keine Vergrößerung benötigt wird, kann der optische Aufbau auf vergrößernde Element verzichten und z.B. im Wesentlich aus einem Loch bestehen, durch das das gestreute Licht auf den Detektor tritt.
Um nun Trajektorien der Nanopartikel zu ermitteln, wird eine Serie von Bildern aufgenommen und die Positionen der
Beugungsbilder/Beugungsscheibchen der Nanopartikel in jedem Bild bestimmt, sodass jedem Beugungsbild in jedem Bild eine Position zugeordnet werden kann. Die der Erfindung
zugrundeliegende Idee besteht darin, die Schärfentiefe DOF des optischen Aufbaus und die Kanalhöhe so aufeinander
abzustimmen, dass über die gesamte Kanalhöhe eine hinreichend scharfe Abbildung erfolgt. Entsprechend erscheint das
Streubild eines Nanopartikels stets hinreichend scharf, auch wenn das Nanopartikel in Richtung der Kanalhöhe diffundiert bzw. sich in Richtung der Kanalhöhe bewegt. D.h. das
Beugungsbilds/Beugungsscheibchens bzw. dessen Position bleibt für das Nanopartikel in der Serie von Bildern stets bestimmbar, solange das Nanopartikel sich nicht lateral aus dem Gesichtsfeld bewegt, d.h. solange bis entweder kein Licht mehr an diesem Nanopartikel gestreut wird oder das an diesem Nanopartikel gestreute Licht nicht mehr in den optischen
Aufbau gelangt.
In aufwendigen Versuchsreihen konnte festgestellt werden, dass eine hinreichende Schärfentiefe DOF gegeben ist, wenn diese zumindest 10% der Kanalhöhe beträgt. In diesem Fall kann es zwar zu einem leichten Verschwimmen der Beugungsbilder der Nanopartikel kommen, doch lassen sich die Positionen der
Beugungsbilder, insbesondere deren Schwerpunkte, immer noch bestimmen. Vorzugsweise sollte die Schärfentiefe DOF
mindestens 30% der Kanalhöhe betragen. In diesem Fall bleiben die Beugungsbilder praktisch vollständig scharf und die
Bestimmung der Positionen der Beugungsbilder, insbesondere von deren Schwerpunkten, ist sehr präzise möglich.
Daher ist es bei einer Vorrichtung zur Messung von
Nanopartikeln in einer Flüssigkeit, umfassend eine
Lichtquelle, einen Kanal zur Aufnahme der Flüssigkeit, wobei der Kanal zumindest abschnittsweise für von der Lichtquelle emittiertes Licht durchlässig ist und eine Kanalhöhe aufweist, die Vorrichtung weiters umfassend einen optischen Aufbau und einen zweidimensionalen Detektor zur Aufnahme einer Serie von vom optischen Aufbau erzeugten Bildern, wobei die Lichtquelle, der Kanal und der optische Aufbau in einer Dunkelfeldanordnung vorliegen, um Licht, das von der Lichtquelle emittiert und an den Nanopartikeln gestreut wird, durch den optischen Aufbau mit dem Detektor aufzunehmen, wobei Positionen von
Beugungsbildern des an den Nanopartikeln gestreuten Lichts auf dem Detektor bestimmbar sind, erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Kanalhöhe und der optische Aufbau so ausgelegt sind, dass die Schärfentiefe DOF des optischen Aufbaus mindestens 10%, vorzugsweise mindestens 30% der Kanalhöhe beträgt. Die Schärfentiefe DOF des optischen Aufbaus kann insbesondere im Falle eines Mikroskops durch geeignete Wahl eines Objektivs des Mikroskops beeinflusst werden, wobei sich für die
Schärfentiefe insbesondere die numerische Apertur NA auswirkt gemäß folgender Formel
DOF = λ / (2 * NA2) , mit λ der Wellenlänge des verwendeten Lichts. D.h. indem die numerische Apertur verkleinert wird, kann die Schärfentiefe DOF vergrößert werden. Allerdings ist hierbei, wie oben geschildert, zu beachten, dass die Vergrößerung stets so groß bleibt, dass die Positionen, vorzugsweise die Schwerpunkte, der Beugungsbilder der Nanopartikel hinreichend gut am
Detektor bestimmbar sind.
Entsprechend ist es bei einem Verfahren zur Bestimmung der Durchmesser von Nanopartikeln in einer Flüssigkeit,
erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- Aufnahme einer Serie von Bildern mittels einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- Bestimmung der Positionen der Beugungsbilder der
Nanopartikel in den Bildern;
- Bestimmung der Trajektorien der Nanopartikel entsprechend den Positionen der zugehörigen Beugungsbilder in den Bildern;
- Bestimmung von Diffusionskoeffizienten D der Nanopartikel aus deren Trajektorien;
- Berechnung des Durchmessers d jedes Nanopartikels (1) mittels der Stokes-Einstein-Gleichung
D = kB * T / (3 * d * 7T * r|),
mit kB der Bolt zmann-Konstante , T der Temperatur in Kelvin und η der Viskosität der Flüssigkeit.
Eine übliche Methode zur Bestimmung des
Diffusionskoeffizienten für ein Nanopartikel ist die Berechnung des mittleren Verschiebungsquadrats MSD(X) als Funktion des zeitlichen Abstands X zwischen den betrachteten Bildern für die Trajektorie des Nanopart ikels . D.h. in der Serie von Bildern haben zwei aufeinander folgende Bilder einen zeitlichen Abstand At . Wenn beispielsweise als Detektor der Bildsensor einer Kamera verwendet wird, deren Aufnahmerate 25 Bilder pro Sekunde ist, so gilt At = 0,04 s. Der zeitliche Abstand zwischen zwei betrachteten Bildern muss dann ein ganzzahliges Vielfaches n dieses Wertes sein, d.h. x = n * At . Praktischerweise berechnet man daher MSD(n) :
MSD(n) = l/(N-n) * ι=ιΣΝ~η [(x± - xi+n) 2 + (Yi - yi+n) 2 ] , mit Xi/yi der x/y-Koordinate des Schwerpunkts im i-ten Bild. MSD ( n = 1) entspricht dann MSD(X = 1 * At ) etc.
Sodann erfolgt die Anpassung einer Funktion in einem
Anfangsbereich von MSD(X), bevorzugt an mindestens drei der ersten zehn Punkte von MSD(X), besonders bevorzugt an den zweiten, dritten, vierten und fünften Punkt von MSD(X) . Im einfachsten Fall, bei Vorliegen ungestörter Diffusion ist die anzupassende Funktion eine Gerade, wobei der Anstieg der
Geraden
2 * dim * D
entspricht, mit dim der Dimensionalität und D dem
Diffusionskoeffizienten.
Andere Funktionen sind z.B. notwendig bei Vorliegen von anomaler Diffusion, etwa wenn eine Interaktion der
Nanopartikel mit ihrer Umgebung die Diffusion der Nanopartikel beeinflusst. Dies kann sich beispielsweise durch einen
Exponenten OC modellieren lassen mit
MSD(X) = 2 * dim * D * X , wobei 0C<1 Sub-Diffusion beschreibt, während 0C>1 SuperDiffusion beschreibt.
Ein weiteres Beispiel für ein Abweichen von MSD(X) von einer Geraden ergibt sich, wenn der normalen Diffusion ein Fluss mit Geschwindigkeit v überlagert ist. In diesem Fall ändert sich der Zusammenhang auf
MSD(X) = 2 * dim * D * X + v2 + X2.
Wie gesagt können auf diese Weise sehr lange Trajektorien bestimmt werden, womit die Präzision bei der Berechnung der Größe der Nanopartikel erhöht werden kann. Insbesondere können bei der Auswertung gezielt ausschließlich sehr lange
Trajektorien berücksichtigt werden, um den sich ergebenden Fehler bei den berechneten Durchmessern der Nanopartikel bewusst klein zu halten. Mit der Länge der Trajektorien ist dabei nicht notwendigerweise die absolute Zeitdauer gemeint, über die sich die Trajektorien erstrecken, sondern die Anzahl der Stützpunkte bzw. Nanopartikel-Positionen der Trajektorien. D.h. eine Trajektorie, die sich beispielsweise aus der
Bestimmung des Schwerpunkts des Beugungsscheibchens eines Nanopartikels in 567 aufeinanderfolgenden Bildern einer Serie von Bildern ergibt, ist 567 Bilder bzw. (Nanopartikel-)
Positionen lang - mit 566 Schritten. Die absolute zeitliche Länge der Trajektorie ergibt sich aus der Multiplikation der Schrittanzahl mit At . Daher ist es bei einer bevorzugten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass zur Bestimmung der Diffusionskoeffizienten D Trajektorien mit einer Länge von mindestens 200 Positionen, bevorzugt von mindestens 500 Positionen, besonders bevorzugt von mindestens 1000 Positionen verwendet werden, wobei zur Bestimmung der Diffusionskoeffizienten D vorzugsweise nur Trajektorien mit einer Länge von mindestens 200 Positionen, bevorzugt von mindestens 500 Positionen, besonders bevorzugt von mindestens 1000 Positionen verwendet werden. Es versteht sich, dass die Gesamtanzahl der Bilder der aufgenommenen Serie deutlich größer sein kann als die Länge der verwendeten Trajektorien .
Die somit erzielbare hohe Präzision bei der Berechnung der Durchmesser der Nanopartikel ermöglicht es außerdem, eine Verteilung der Durchmesser zu bestimmen und auch nahe
beieinander liegende Maxima in der Verteilung - auch als Peaks bezeichnet - hinreichend genau aufzulösen. Folglich sind z.B. in einer Histogrammdarstellung der Häufigkeitsverteilung der ermittelten Durchmesser der Nanopartikel sich ergebende Maxima deutlich voneinander unterscheid- und bestimmbar. Letzteres kann durch Anpassen einer geeigneten Funktion an den
jeweiligen Peak der Häufigkeitsverteilung erfolgen. Im
Vergleich zu existierenden Verfahren kann dadurch die Messung von polydispersen Nanopartikeln innerhalb einer Messung entscheidend verbessert werden. Entsprechend ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass eine Verteilung der berechneten Durchmesser d bestimmt wird.
Die oben geschilderte Auswertung, insbesondere die Bestimmung der Trajektorien, wird idealerweise automatisiert vorgenommen, weshalb es bei einer bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen ist, dass ein
Computer vorgesehen ist, um aus der Serie von Bildern
Trajektorien der Nanopartikel automatisiert zu bestimmen.
Für Nanopartikel mit einem Durchmesser 10 nm bis 200 nm können die Kanalhöhen entsprechend klein gewählt werden, um bei ausreichend großer Vergrößerung eine hinreichend große
Schärfentiefe zu erzielen und gleichzeitig starke
Wechselwirkungen mit Kanalwänden immer noch auszuschließen. Daher ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass die Kanalhöhe kleiner gleich 30 pm, bevorzugt kleiner gleich 20 pm,
besonders bevorzugt kleiner gleich 10 pm ist. Entsprechend beträgt die minimale Schärfentiefe DOF für diese
Ausführungsformen 3 pm, 2 pm bzw. 1 pm. Die Verwendung von so geringen Kanalhöhen hat außerdem den Vorteil, dass
Flüssigkeiten, die grundsätzlich nicht transparent sind, wie z.B. Motoröl, trotzdem durchstrahlt werden können.
Bei einem Kanal mit einer Kanalhöhe von 10 pm kann als
optischer Aufbau z.B. ein Mikroskop mit einem Objektiv mit numerischer Apertur NA = 0,45 verwendet werden, wobei sich bei einer Wellenlänge λ = 532 nm eine ausreichende Schärfentiefe DOF von ca. 1,3 pm ergibt. Noch genauere Ergebnisse werden bei gleicher Kanalhöhe und Licht gleicher Wellenlänge
beispielsweise mit einem Mikroskop mit einem Objektiv mit numerischer Apertur NA = 0,3 erzielt, wobei die Schärfentiefe DOF ca. 3 pm beträgt. Wenn die Kanalhöhe in Relation zur Größe der Nanopartikel so klein wird, dass eine Wechselwirkung der Nanopartikel mit den Kanalwänden zwangsweise gegeben ist, können die
erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das erfindungsgemäße
Verfahren grundsätzlich trotzdem verwendet werden. Bei der Auswertung wird dann in der Regel ein zu großer Durchmesser für die Nanopartikeldurchmesser erhalten, der jedoch durch Multiplikation mit einem geeigneten Korrekturfaktor korrigiert werden kann.
Um einen besonders einfachen Aufbau zu realisieren, ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung vorgesehen, dass die Lichtquelle auf derselben Seite des Kanals angeordnet ist wie der optische Aufbau.
Hierzu sei bemerkt, dass es auch vorstellbar ist, gleichzeitig zumindest einen weiteren optischen Aufbau und einen weiteren Detektor zu verwenden. Der weitere optische Aufbau und der weitere Detektor können dabei auf der anderen Seite des Kanals angeordnet sein, d.h. dem optischen Aufbau und dem Detektor gegenüberliegend .
Im Sinne einer optimalen Intensität werden beste Ergebnisse erzielt, wenn das Licht in einem relativ steilen Winkel auf den Kanal auftrifft, um Reflexionen am Kanal klein zu halten. Andererseits muss dem vorhandenen bzw. verfügbaren Abstand zwischen Kanal und dem optischem Aufbau Rechnung getragen werden. Entscheidend ist hierbei, dass der Winkel so gewählt ist, dass kein Licht direkt oder durch spekulare Reflexion in den optischen Aufbau gelangen kann, sondern nur durch Streuung an den Nanopartikeln . Gute Ergebnisse haben sich in der Praxis ergeben, wenn das von der Lichtquelle emittierte Licht mit einer optischen Achse des optischen Aufbaus einen Winkel von mindestens 60°, bevorzugt mindestens 70° einschließt. Dabei steht die optische Achse vorzugsweise normal auf eine
Oberfläche des Kanals.
Um einen sehr einfachen Aufbau zu realisieren, ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung vorgesehen, dass als Lichtquelle mindestens ein Laser vorgesehen ist. Die Verwendung von Lasern ermöglicht zudem eine sehr präzise Wahl der Lichtwellenlänge. Mehrere unterschiedliche Laser ermöglichen es zudem, Licht
unterschiedlicher Wellenlänge zur Verfügung zu stellen.
Da für die Detektion von Nanopartikeln hohe LichtIntensitäten notwendig sind, kann es mitunter zu Stabilitätsproblemen mit
Laserquellen mit 100 mW oder mehr kommen. Wenn Laser verwendet werden, treten z.B. aufgrund der endlichen Rauigkeit der Wände des Kanals Speckle-Muster im gestreuten Licht auf, die für die Beugungsbilder der Nanopartikel ein unerwünschtes
Hintergrundsignal darstellen. Wenn diese Speckle-Muster sich während der Aufnahme einer Serie von Bildern ändern, gestaltet es sich als schwierig, die Beugungsbilder der Nanopartikel vom sich ändernden Hintergrund zu unterscheiden. Sich ändernde Speckle-Muster können dabei z.B. von geringfügigen
Instabilitäten der Laser-Lichtquelle verursacht werden.
Leuchtdioden, insbesondere sogenannte High Power LEDs, können bei sehr hohen Intensitäten mitunter stabiler arbeiten.
Darüberhinaus treten bei der Verwendung von Leuchtdioden, die grundsätzlich kein kohärentes Licht emittieren, prinzipiell keine Speckle-Muster auf, was sich im Hinblick auf den
Hintergrund der Beugungsbilder der Nanopartikel vorteilhaft auswirkt. Daher ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass als
Lichtquelle mindestens eine Leuchtdiode vorgesehen ist. Auch Leuchtdioden bieten dabei die Möglichkeit gewisse Wellenlängen relativ präzise auszuwählen, wenngleich dies nicht so präzise wie mit Lasern möglich ist. Unterschiedliche Wellenlängen können wiederum mit mehreren unterschiedlichen Leuchtdioden realisiert werden. Alternativ oder zusätzlich wäre auch die Verwendung von Leuchtdioden, die im Wesentlichen weißes Licht ausstrahlen, möglich.
Die Verwendung von unterschiedlichen Lichtwellenlängen
ermöglicht im Prinzip spektroskopische Messungen.
Beispielsweise kann durch Messung der Streuintensität der Nanopartikel bei mehreren Wellenlängen und bereits bestimmten Durchmesser der Nanopartikel ein Vergleich mit dem
theoretischen Streuverhalten von Nanopartikeln durchgeführt und auf deren Material geschlossen werden, sofern eine
begrenzte Anzahl an möglichen Materialien vorliegt. Dabei wird für jedes Teilchen individuell dessen Durchmesser aus der Brownschen Bewegung bestimmt. Bei der Auswertung der
spektroskopischen Information kann somit das Streuverhalten berücksichtigt werde, dass sich für genau dieses Teilchen aufgrund von dessen Größe ergibt. Entsprechend können Aussagen über das Material des betrachteten Teilchens getroffen werden. Daher ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass die Lichtquelle Licht mehrerer Wellenlängen emittiert.
Eine Möglichkeit der Anwendung besteht darin, die
unterschiedlichen Wellenlängen gepulst einzusetzen, sodass jedes Bild mit einer bestimmten Wellenlänge aufgenommen wird. Z.B. können bei drei unterschiedlichen Wellenlängen
nacheinander ein Bild mit der ersten Wellenlänge, das nächste Bild mit der zweiten Wellenlänge und das darauf folgende Bild mit der dritten Wellenlänge aufgenommen werden, worauf wieder mit der ersten Wellenlänge begonnen wird etc. Nach Beendigung der Aufnahme der Serie von Bildern können für jedes
Nanopartikel drei Trajektorien bestimmt werden, wobei jede Trajektorie nur aus Bildern mit jeweils einer der drei
Wellenlängen extrahiert wird.
Um die erfindungsgemäße Vorrichtung mit minimalen Abmessungen zu realisieren, ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass der Kanal in einem Mikrofluidik-Chip ausgebildet ist. Entsprechend muss der Mikrofluidik-Chip zumindest abschnittsweise transparent für das von der Lichtquelle emittierte Licht sein.
Die Verwendung von mikrofluidischen Komponenten bzw. eines Mikrofluidik-Chips bietet eine exzellente Möglichkeit der Integration und Miniaturisierung des gesamten Systems. Dies ist u.a. im Hinblick auf eine Installation einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Motor interessant.
Dabei kann ein Detektor bzw. Bildsensor mit optischem System bzw. Mikroskop für eine einzige fixe Vergrößerung zur
Detektion des Streulichts dienen. Entsprechend ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung vorgesehen, dass der optische Aufbau und der
Detektor in einer strukturellen Einheit integriert sind. Diese strukturelle Einheit kann insbesondere zusammen mit einem Mikrofluidik-Chip, der außerdem als Einweg-Chip ausgeführt werden kann, sowie mit einer Lichtquelle und zugehöriger
Elektronik für die Auswertung klein und portabel gestaltet werden .
Die Verwendung von Mikrofluidik-Chips erlaubt es zudem, diese als Einweg-Elemente auszuführen, d.h. der Mikrofluidik-Chip wird nach einer Messung durch einen neuen ersetzt. Alternativ und/oder zusätzlich ist es möglich, die Flüssigkeit nach einer Messung aus dem Kanal zu befördern und neue Flüssigkeit in den Kanal zu bringen. Daher ist es bei einer bevorzugten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass Mittel vorgesehen sind, um die Flüssigkeit in den und aus dem Kanal zu befördern. Ein besonders einfaches Mittel wäre z.B. eine Spritze, aber natürlich wäre auch eine Pumpe ein geeignetes Mittel, um Flüssigkeit aus dem Kanal abzupumpen und in den Kanal hinein zu pumpen. Somit wäre es z.B. denkbar, die erfindungsgemäße Vorrichtung in einen Motor zu integrieren und regelmäßig die Abriebpartikel im Motoröl bzw. deren
Durchmesser automatisiert zu bestimmen, indem beispielsweise nach jedem Betrieb des Motors Motoröl in den Kanal gepumpt und eine Messung durchgeführt wird.
Ebenso kann es zur Verbesserung der Statistik gewünscht sein, mehrere Messungen mit unterschiedlichen Flüssigkeitsproben durchzuführen. Entsprechend ist es bei einer bevorzugten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass nach der Aufnahme der Serie von Bildern mindestens einmal die Flüssigkeit aus dem Kanal entfernt wird, neue Flüssigkeit in den Kanal eingebracht wird und eine weitere Serie von
Bildern aufgenommen wird.
Insbesondere wenn der Kanal in einem Mikrofluidik-Chip
ausgebildet ist, kann eine „vertikale" Anordnung leicht realisiert werden, um gezielt Sedimentationseffekte zu
beobachten. Hierbei ist die Kanalhöhe ebenso wie die optische Achse horizontal orientiert. D.h. die Sedimentation, die sich aufgrund der Schwerkraft einstellt, erfolgt normal zur
Beobachtungsrichtung. Neben der gezielten Beobachtung der Sedimentation von Nanopartikeln und der Bestimmung von deren Durchmessern können in einer solchen Anordnung größere, schwerere Partikel, welche prinzipiell die Messung kleinerer Partikel beeinflussen oder den Kanal verstopfen können, über Sedimentation vorab abgeschieden werden.
In ähnlicher Weise ist es möglich, eine zusätzliche auf die Nanopartikel wirkende Kraft, die vorzugsweise normal auf die Beobachtungsrichtung steht, zu erzeugen und damit Nanopartikel aufgrund der jeweils zusätzlichen Eigenschaft zu
charakterisieren oder abzuscheiden. Daher ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass die Vorrichtung derart ausgelegt ist, dass eine Kraft mit einer Richtungskomponente, die normal auf eine optische Achse des optischen Aufbaus steht, auf die
Nanopartikel wirkt.
Im Falle der Sedimentation ist die wirkende Kraft die
Gravitation. Darüberhinaus können insbesondere elektrische oder magnetische Kräfte den Nanopartikeln aufgeprägt werden. Daher ist es bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass Mittel zur Erzeugung eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes vorgesehen sind, um eine zusätzliche, auf die Nanopartikel wirkende Kraft zu erzeugen mit einer Richtungskomponente, die normal auf die optische Achse des optischen Aufbaus steht. Geeignete Mittel wären beispielsweise Elektroden oder
Kondensatorplatten für das Anlegen eines elektrischen Feldes oder Spulen, wie z.B. Helmholt z-Spulen, für das Anlegen eines magnetischen Feldes.
Alternativ oder zusätzlich sind auch andere aufprägbare physikalische Größen denkbar, beispielsweise eine durch einen osmotischen Druck bedingte Strömung oder ein anderweitig erzeugtes Geschwindigkeitsprofil .
Die Viskosität der Flüssigkeit ist für die oben geschilderte Berechnung der Größe der Nanopartikel aus deren Brownscher Bewegung höchst relevant. Daher ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass ein Viskositätssensor zur Messung der Viskosität der Flüssigkeit vorgesehen ist. Insbesondere wenn der Kanal in einem Mikrofluidik-Chip ausgebildet ist, lassen sich
verschiedenste miniaturisierte Viskositätssensoren
integrieren. So bieten sich beispielsweise bekannte
Viskositätssensoren basierend auf Kanalnetzwerken oder
schwingenden Mikrostrukturen an. Selbstverständlich kann der Viskositätssensor aber auch separat vom Mikrofluidik-Chip, welcher den Kanal enthält, ausgebildet sein.
Die Viskosität der Flüssigkeit wird maßgeblich durch die
Temperatur beeinflusst. Um die Viskosität der Flüssigkeit beeinflussen zu können, ist es bei einer bevorzugten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass ein Heizelement und/oder ein Kühlelement vorgesehen sind, um den Kanal auf eine gewünschte Temperatur zu bringen.
Beispiele wären ein Heizwiderstand, z.B. in Form einer Platte oder eines Heizdrahtes, als Heizelement und/oder ein Peltier- Element als Kühlelement. Es versteht sich, dass ebenso ein Temperatursensor vorgesehen ist, wenn dieser nicht ohnehin im Hei zelement /Kühlelement integriert ist.
Auch das Heizelement und/oder Kühlelement können - ebenso wie eventuell vorhandene Pumpen - klein und kompakt realisiert werden, sodass eine Vorrichtung, die diese Komponenten
zumindest teilweise aufweist, ebenfalls klein, kompakt und portabel gestaltet werden kann.
Wie bereits geschildert ist erfindungsgemäß die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Größe und/oder Größenverteilung von Partikeln, vorzugsweise Verschleißpartikeln in einem flüssigen Schmierstoff,
insbesondere in Motoröl vorgesehen. Bei den Schmierstoffen kann es sich dabei um Schmierstoffe verschiedenster Maschinen handeln, d.h. nicht notwendigerweise um Schmierstoffe für Motoren. Beispielsweise kann es sich um Schmierstoffe zur Schmierung von Lagern handeln. Hierbei werden insbesondere metallische Nanopartikel gemessen.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem
erfindungsgemäßen Verfahren können jedoch generell
Nanopartikel untersucht werden, die einen anderen
Brechungsindex als das Trägermedium bzw. die Flüssigkeit aufweisen. D.h. es können nicht nur metallische
Verschleißpartikel, sondern auch andere anorganische und auch organische Nanopartikel gemessen und deren Durchmesser
bestimmt werden. Dies ermöglicht u.a. interessante Anwendungen in der Pharmazie. Beispielsweise kann die Reinheit von
Präparaten bzw. flüssigen Arzneimitteln untersucht werden. Entsprechend ist erfindungsgemäß die Verwendung einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Größe
und/oder Größenverteilung von Fremdpartikeln in einem
flüssigen Arzneimittel vorgesehen.
Insbesondere im Hinblick auf die Verwendung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung von
Verschleißpartikeln in Schmierstoffen ist es wichtig zu berücksichtigen, dass neben den als Nanopartikel vorliegenden Verschleißpartikeln zusätzlich auch größere Verschleißpartikel - z.B. im Sub-Mikrometerbereich oder Mikrometerbereich - im Schmierstoff vorhanden sein können. Bei zu geringen Kanalhöhen können diese größeren Verschleißpartikel den Kanal verstopfen. Um ein Verstopfen des Kanals zu vermeiden, ist es daher bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung vorgesehen, dass die Kanalhöhe mindestens 1 pm, bevorzugt mindestens 3 pm, besonders bevorzugt mindestens 5 pm beträgt. Es versteht sich, dass bei einer besonders
bevorzugten Ausführungsform nicht nur die Kanalhöhe, sondern generell ein lichter Querschnitt des Kanals größer/ gleich als/wie die Kanalhöhe ist, um ein Verstopfen wirkungsvoll zu unterbinden .
Zur erfindungsgemäßen Bestimmung der Durchmesser der
Nanopartikel muss die Viskosität der Flüssigkeit grundsätzlich bekannt sein. Dabei können mittels der erfindungsgemäßen
Vorrichtung Flüssigkeiten in einem sehr breiten
Viskositätsbereich untersucht werden, vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 mPa s bis 1000 mPa s. Umgekehrt ist es
natürlich auch möglich, bei bekannter Größe der Nanopartikel auf die Viskosität der Flüssigkeit zu schließen. Daher ist erfindungsgemäß die Verwendung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Bestimmung der Viskosität einer Flüssigkeit, in der sich Nanopartikel bekannter Größe befinden, vorgesehen.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnungen sind beispielhaft und sollen den Erfindungsgedanken zwar darlegen, ihn aber keinesfalls
einengen oder gar abschließend wiedergeben.
Dabei zeigt :
Fig. 1 eine schematische Skizze des Aufbaus einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung
Fig. 2 ein Detail einer Schnittansicht eines Kanals der
Vorrichtung aus Fig. 1
Fig. 3 eine schematische Skizze des Aufbaus einer weiteren
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die zur Beobachtung von Sedimentationseffekten geeignet ist
Fig. 4 eine schematische Detailansicht der Flüssigkeit im
Kanal der Vorrichtung aus Fig. 3, wobei Trajektorien eines größeren, schwereren und eines kleineren, leichteren Nanopartikels unter Einfluss der Schwerkraft und einer Flussrichtung illustriert sind
Fig. 5 eine schematische Skizze eines Details des Aufbaus einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die zur Beobachtung der Diffusion von
Nanopartikeln unter zusätzlichem Einfluss eines elektrischen Feldes geeignet ist
Fig. 6 eine schematische Skizze eines Details des Aufbaus einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die zur Beobachtung der Diffusion von
Nanopartikeln unter zusätzlichem Einfluss eines magnetischen Feldes geeignet ist
Fig. 7 eine schematische Skizze eines Details des Aufbaus einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Heizelement, einem Kühlelement und mit einem Viskositätssensor
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Fig. 1 in Verbindung mit Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung von Nanopartikeln 1 in einer Flüssigkeit 2, wie z.B. Wasser oder Öl, wobei sich die Flüssigkeit 2 in einem Kanal 4 befindet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Kanal 4 in einem Mikrofluidik-Chip 9 ausgebildet, der wiederum auf einem Mikroskoptisch 19 eines Mikroskops 6, das einen optischen Aufbau bildet, angeordnet ist. Das Mikroskop 6, der Kanal 4 sowie eine Lichtquelle 3 liegen in einer Dunkelfeldanordnung vor. D.h. von der Lichtquelle 3 emittiertes und auf die Flüssigkeit 2
einfallendes Licht 20 wird an den Nanopartikeln 1 gestreut, und es tritt nur gestreutes Licht 21 in das Mikroskop 6 ein. Insbesondere tritt Licht nicht direkt aus der Lichtquelle 3 in das Mikroskop 6 ein, ebensowenig wie Licht, das am Kanal 4 bzw. Mikrofluidik-Chip 9 reflektiert wird.
Als Lichtquelle 3 kommt im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Laser zum Einsatz, beispielsweise mit einer Wellenlänge λ = 532 nm. Die Lichtquelle 3 ist so zum Kanal 4 bzw. zum
Mikrofluidik-Chip 9 und dem Mikroskop 6 angeordnet, dass das emittierte Licht unter einem derartigen Winkel auf den Kanal 4 bzw. den Mikrofluidik-Chip 9 einfällt, dass kein Licht direkt oder durch (spekulare) Reflexion in das Mikroskop 6 gelangen kann, sondern nur durch Streuung an den Nanopartikeln 1. Der Kanal 4 bzw. der Mikrofluidik-Chip 9 ist hierbei zumindest abschnittsweise für das Licht transparent. Im gezeigten
Ausführungsbeispiel wird diese Anordnung erreicht, indem ein Winkel 8 zwischen dem einfallenden Licht 20 und einer
optischen Achse 7 des Mikroskops 6 zwischen 60° und 70° groß ist, wobei die optische Achse 7 im Wesentlichen normal auf den Kanal 4 bzw. den Mikrofluidik-Chip 9 steht.
Die Nanopartikel 1 sind im Allgemeinen kleiner - jedenfalls nicht deutlich größer - als die Wellenlänge λ, sodass mit dem Mikroskop 6 die Beugungsbilder jener Nanopartikel 1
eingefangen und vergrößert werden, an denen das einfallende Licht 20 gestreut wird. Dabei besteht jedes dieser
Beugungsbilder aus der zugehörigen Point Spread Function
(manchmal auch als Punktspreizfunktion bezeichnet), die im Wesentlichen als Beugungsscheibchen (u.a. auch als Airy- Scheibchen bezeichnet) erscheint. Vorzugsweise weisen die untersuchten Nanopartikel 1 einen Durchmesser d im Bereich zwischen 10 nm und 200 nm, sodass jedes Nanopartikel 1 ein im Wesentlichen gleich groß erscheinendes Beugungsscheibchen produz iert .
Mittels eines zweidimensionalen Bildsensors 17, der einen zweidimensionalen Detektor darstellt und im gezeigten
Ausführungsbeispiel Teil einer Kamera 16 ist, wird das vom
Mikroskop 6 vergrößerte Bild aufgenommen bzw. wird eine Serie solcher Bilder aufgenommen. Eine solche Serie besteht
typischerweise aus zumindest 1000 Bildern, wobei zwischen jedem Bild ein gleicher zeitlicher Abstand liegt von
beispielsweise 40 ms. Die Vergrößerung des Mikroskops 6 und die Pixeldichte des Bildsensors 17 sind so aufeinander
abgestimmt, dass die Bestimmung des Schwerpunkts jedes
Beugungsscheibchens sinnvoll möglich ist, indem jedes
Beugungsscheibchen so groß am Bildsensor 17 erscheint, dass es zumindest auf 2*2 Pixel abgebildet wird. Hierzu wird
beispielsweise ein Objektiv mit 10-facher Vergrößerung und einer numerischen Apertur NA = 0,3 verwendet, in Kombination mit einem um einen Faktor 1,25 bis 2,5 vergrößernden Adapter und einem Bildsensor 17 mit 1920*1080 Pixeln. Bei 2,5-facher Vergrößerung des Adapters entspricht im gezeigten
Ausführungsbeispiel die am Bildsensor 17 abgebildete Fläche 774 pm * 435 pm, d.h. 2,48 Pixel pro pm. Entsprechend werden die Beugungsscheibchen, deren Durchmesser im Fokus mehrere pm groß ist, hinreichend aufgelöst, um deren Schwerpunkt
bestimmen zu können.
Zweidimensionale Trajektorien der Nanopartikel 1 ergeben sich sodann aus den Positionen des jeweiligen Beugungsscheibchens, d.h. im vorliegenden Fall aus den Koordinaten des Schwerpunkts des jeweiligen Beugungsscheibchens, als Funktion der Schritte bzw. der aufeinanderfolgenden Bilder der aufgenommenen Serie. Damit das Beugungsscheibchen jedes Nanopartikels 1 in jedem Bild der Serie so scharf abgebildet wird, dass die Bestimmung des Schwerpunkts problemlos möglich ist, weist der Kanal 4 eine begrenzte Kanalhöhe 5 auf, die im gezeigten Ausführungsbeispiel 10 pm beträgt. Die sich aus der Wellenlänge λ und der numerischen Apertur ergebende
Schärfentiefe DOF beträgt
DOF = λ / (2 * NA2) * 3 pm, also rund 30% der Kanalhöhe 5. D.h. die Kanalhöhe 5 und die Schärfentiefe DOF sind so aufeinander abgestimmt, dass das Beugungsscheibchen jedes Nanopartikels 1 stets hinreichend scharf abgebildet wird - unabhängig davon, wo sich das
jeweilige Nanopartikel 1 bezogen auf die Kanalhöhe 5 befindet. Entsprechend sind die aufnehmbaren Trajektorien praktisch beliebig lang, da die Nanopartikel 1 bzw. deren
Beugungsscheibchen während der Aufnahme der Serie von Bildern sich im Wesentlichen nicht aus dem Fokus bewegen können. Bei z.B. 1000 aufgenommenen Bildern, können also für die
Nanoteilchen 1 auch Trajektorien aufgenommen werden, die 1000 Positionen enthalten. D.h. die Länge der mit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgenommenen Trajektorien kann zumindest zwei Größenordnungen größer sein als die Länge von Trajektorien, die mit aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen aufgenommen werden können.
Versuche haben ergeben, dass ausreichend scharfe Abbildungen der Beugungsscheibchen erzielt werden können, solange die Schärfentiefe DOF zumindest 10% der Kanalhöhe 5 beträgt.
Entsprechend lieferten Versuche mit einem Objektiv mit 50- facher Vergrößerung, einer numerischen Apertur NA = 0,45 und einer sich ergebenden Schärfentiefe DOF von ca. 1,3 pm noch brauchbare Ergebnisse.
Zur Bestimmung der Durchmesser d der Nanopartikel 1 wird mittels eines Computers 18 das mittlere Verschiebungsquadrat MSD(x) für jede Trajektorie berechnet, wobei X der zeitliche Abstand von zwei betrachteten Bildern ist. Hierauf wird eine Gerade im Anfangsbereich von MSD( X ) angepasst. Der Anstieg der angepassten Geraden entspricht 4 * D, wobei D der
Diffusionskoeffizient des betrachteten Nanopartikels 1 für dessen Diffusion in den zwei betrachteten Dimensionen ist. Der Durchmesser d des jeweiligen Nanopartikels 1 ergibt sich aus der Stokes-Einstein-Gleichung :
D = kB * T / (3 * d * 7T * r|), mit kB der Bolt zmann-Konstante , T der Temperatur in Kelvin und η der Viskosität der Flüssigkeit 2. Da mit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung praktisch beliebig lange
Trajektorien aufgenommen werden können, z.B. mit einer Länge von 1000 Bildern, erfolgt die Bestimmung der Durchmesser d der einzelnen Nanopartikel 1 mit einer beispiellosen Genauigkeit.
Dies wiederum ermöglicht es, eine Größenverteilung der
Durchmesser d sehr präzise zu ermitteln. Wie in Fig. 1
schematisch dargestellt, kann die Größenverteilung als
Histogramm der Häufigkeitsverteilung von d dargestellt werden (Häufigkeit # versus Durchmesser d) . Maxima (auch Peaks genannt) können mittels einer passenden Funktion angepasst werden, selbst wenn diese Maxima relativ eng beieinander liegen. Somit können insbesondere Größenverteilungen von polydispersen Nanopartikeln 1 genau bestimmt werden. Die in Fig. 1 gezeigte Verteilung zeigt das Ergebnis einer solchen Messung mit 1000 Bildern (bzw. Trajektorien dieser Länge), wobei die Maxima für Durchmesser d von 115 nm und 170 nm ermittelt wurden, d.h. die Peak-Auflösung ist im gezeigten Fall ca. 1:1,5.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei der Mikrofluidik-Chip 9 mit dem Kanal 4 in diesem Fall „vertikal" angeordnet ist. D.h. gegenüber der Ausführungsform der Fig. 1 ist der Aufbau im
Wesentlichen um 90° gedreht und die Beobachtungsrichtung bzw. die optische Achse 7 sowie die Kanalhöhe 5 sind horizontal angeordnet. Da der Kanal 4 normal zur Kanalhöhe 5, also im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 in einer vertikalen Ebene, wesentlich größere Abmessungen als die Kanalhöhe 5 aufweist, kann die Sedimentation von Nanopartikeln 1 beobachtet werden. D.h. der zufälligen Brownschen Bewegung der Nanopartikel 1 ist eine gerichtete Bewegung entsprechend der Richtung 23 der Schwerkraft überlagert. Dabei wirkt sich die Sedimentation für größere, schwerere Nanopartikel 24 stärker aus als für
kleinere, leichtere Nanopartikel 25. Letzteres ist in Fig. 4 illustriert, die eine schematische
Detailansicht der Flüssigkeit im Kanal 4 der Vorrichtung aus Fig. 3 zeigt. Da sich die Schwerkraft im Verhältnis zur
Brownschen Bewegung für das größere, schwerere Nanopartikel 24 stärker auswirkt als für das kleinere, leichtere Nanopartikel 25, weist die Trajektorie 26 des größeren, schwereren
Nanopartikels 24 eine starke Ausrichtung nach unten auf.
Demgegenüber weist die Trajektorie 27 des kleineren,
leichteren Teilchens 25 keine solche Ausrichtung auf.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 und Fig. 4 ist der
zufälligen Brownschen Bewegung der Nanopartikel 1, 24, 25 außerdem eine weitere gerichtete Bewegung überlagert. Diese ergibt sich dadurch, dass die Flüssigkeit 2 im Kanal 4 nicht ruht, sondern sich entlang einer Flussrichtung 22 bewegt. Dies wird erreicht, indem mittels einer Spritze 15 kontinuierlich Flüssigkeit 2 durch den Kanal 4 befördert wird. Entsprechend weist in Fig. 4 sowohl die Trajektorie 26 des größeren, schwereren Nanopartikels 24 als auch die Trajektorie 27 des kleineren, leichteren Nanopartikels 25 eine Ausrichtung entlang der Flussrichtung 22 auf. Die Tatsache, dass sich gleichzeitig die Sedimentation bei den größeren, schwereren Nanopartikeln 24 stärker auswirkt als bei den kleineren, leichteren Nanopartikeln 25, kann zu einer Trennung der größeren, schwereren Nanopartikel 24 von den kleineren, leichteren Nanopartikeln 25 genutzt werden. Hierzu sind an einem Ende des Kanals 4 vertikal voneinander
beabstandet ein oberer mikrofluidischer Anschluss 28 und ein unterer mikrofluidischer Anschluss 29 angeordnet. Durch den oberen mikrofluidischen Anschluss 28 gelangt im Wesentlichen nur Flüssigkeit 2 mit kleineren, leichteren Nanopartikeln 25. Durch den unteren mikrofluidischen Anschluss 29 gelangt vor allem Flüssigkeit 2 mit abgesunkenen größeren, schwereren Nanopartikeln 24. Entsprechend weisen Behälter, in welche die Flüssigkeit 2 vom oberen mikrofluidischen Anschluss 28 und vom unteren mikrofluidischen Anschluss 29 geleitet wird, jeweils Flüssigkeit 2 mit überwiegend kleineren, leichteren
Nanopartikeln 25 oder überwiegend größeren, schwereren
Nanopartikeln 24 auf. Es sei bemerkt, dass sowohl die durch die Sedimentation verursachte Vorzugsrichtung in der Bewegung bzw. in den
Trajektorien der Nanopartikel 1 als auch die durch die
Flussrichtung 22 verursachte Vorzugsrichtung in der Bewegung bzw. in den Trajektorien der Nanopartikel 1 mittels bekannter Methoden berücksichtigt werden kann, um auf die rein Brownsche Bewegung zu schließen. D.h. die Bestimmung der Durchmesser d der Nanopartikel 1 ist auch im Falle von überlagerter
Sedimentation und/oder überlagerter Flussrichtung 22 - allgemeiner auch bei Vorhandensein einer überlagerten
Driftgeschwindigkeit - möglich.
Statt für einen permanenten, kontinuierlichen Wechsel der Flüssigkeit 2 im Kanal 4 kann die Spritze 15 auch dazu benutzt werden, die Flüssigkeit 2 im Kanal 4 schrittweise
auszutauschen, vorzugsweise nach Beendigung einer Messung und vor dem Start einer neuen Messung. Auf diese Weise kann die
Statistik der ermittelten Größenverteilung der Nanopartikel 1 verbessert werden. Zudem wird das Auftreten von überlagerten Driftgeschwindigkeiten vermieden . Neben der Schwerkraft können gezielt weitere zusätzliche
Kräfte den Nanopartikeln 1 aufgeprägt werden, um entsprechende Eigenschaften der Nanopartikel 1 zu untersuchen. So zeigt Fig. 5 schematisch ein Detail eines Aufbaus einer
Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung von Nanopartikeln 1 unter dem zusätzlichen Einfluss eines elektrischen Feldes. Zur Erzeugung eines solchen
elektrischen Feldes sind Elektroden 10 vorgesehen, die an zwei gegenüberliegenden Endbereichen des Kanals 4 angeordnet sind und an welche eine elektrische Spannung angelegt ist. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise im Falle von geladenen Nanopartikeln 1 eine der Diffusion überlagerte
Driftgeschwindigkeit der Nanopartikel 1 erzeugen. Auf diese Weise ist z.B. eine Unterscheidung zwischen geladenen und ungeladenen Nanopartikeln 1 möglich.
Analog zur Ausführungsform von Fig. 5 zeigt Fig. 6 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung von Nanopartikeln 1 unter dem zusätzlichen Einfluss eines Magnetfeldes. Zur Erzeugung eines solchen magnetischen Feldes ist eine Spule 11 vorgesehen, wobei magnetische
Feldlinien durch strichlierte Linien angedeutet sind. Auf diese Weise kann beispielsweise magnetischen Nanopartikeln 1 ein der Diffusion überlagertes bestimmtes Driftverhalten aufgeprägt werden, wohingegen nicht-magnetische Nanopartikel 1 sich rein diffusiv bewegen, sodass eine Unterscheidung
zwischen magnetischen und nicht-magnetischen Nanopartikeln 1 möglich ist .
Grundsätzlich wird das Ergebnis für die erhaltenen Durchmesser d der Nanopartikel 1 maßgeblich von der Viskosität η der
Flüssigkeit 2 beeinflusst. Daher ist bei einer weiteren
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein
Viskositätssensor 14 vorgesehen, wie in Fig. 7 schematisch illustriert. Solche Viskositätssensoren 14 sind an sich bekannt und basieren auf Kanalnetzwerken oder schwingenden Mikrostrukturen. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 7 sind sowohl der Kanal 4 als auch der Viskositätssensor 14 als
mikrofluidische Elemente ausgebildet, die über eine Leitung miteinander verbunden sind, sodass Flüssigkeit 2 aus dem Kanal 4 mit dem Viskositätssensor 14 gemessen werden kann.
Neben der genauen Kenntnis der Viskosität η der Flüssigkeit 2 kann es wünschenswert sein, die Viskosität η gezielt zu beeinflussen, um die Geschwindigkeit der Diffusion der
Nanopartikel 1 zu erhöhen oder zu erniedrigen und besser an die Bildwiederholrate der Aufnahme der Serie von Bildern anzupassen. Entsprechend weist der Mikrofluidik-Chip 9 in Fig. 7 außerdem einen Heizdraht 12 auf. Darüberhinaus ist der
Mikrofluidik-Chip 9 auf einem Peltier-element 13 angeordnet. Somit können der Kanal 4 und damit auch die Flüssigkeit 2 durch Heizen oder Kühlen auf die gewünschte Temperatur
gebracht werden. Alternativ könnte das Peltier-Element 13 nicht nur zum Kühlen, sondern durch Umpolung auch zum Heizen verwendet werden, sodass auf den Einsatz des Heizdrahts 12 auch verzichtet werden könnte.
BEZUGSZEICHENLISTE Nanopartikel
Flüssigkeit
Lichtquelle
Kanal
Kanalhöhe
Mikroskop
Optische Achse des Mikroskops Winkel
Mikrofluidik-Chip
Elektroden
Spulen
Heizdraht
Peltier-Element
Viskositätssensor
Spritze
Kamera
Bildsensor
Computer
Mikroskoptisch
Einfallendes Licht
Gestreutes Licht 22 Flussrichtung
23 Richtung der Schwerkraft
24 Großes, schweres Partikel
25 Kleines, leichtes Partikel
26 Trajektorie des großen, schweren Partikels
27 Trajektorie des kleinen, leichten Partikels
28 Oberer mikrofluidischer Anschluss
29 Unterer mikrofluidischer Anschluss
Schärfentiefe
λ Wellenlänge
X Zeitlicher Abstand
dim Dimensionalität
D Diffusionskoeffizient
d Durchmesser eines Nanopartikels
kB Bolt zmann-Konstante
T Temperatur
η Viskosität der Flüssigkeit

Claims

A N S P R Ü C H E
Vorrichtung zur Messung von Nanopartikeln (1) in einer Flüssigkeit (2), umfassend eine Lichtquelle (3), einen Kanal (4) zur Aufnahme der Flüssigkeit
(2), wobei der Kanal (4) zumindest abschnittsweise für von der
Lichtquelle (3) emittiertes Licht durchlässig ist und eine Kanalhöhe (5) aufweist, die Vorrichtung weiters umfassend einen optischen Aufbau (6) und einen zweidimensionalen Detektor (17) zur Aufnahme einer Serie von vom optischen Aufbau (6) erzeugten Bildern, wobei die Lichtquelle (3), der Kanal (4) und der optische Aufbau (6) in einer
Dunkelfeldanordnung vorliegen, um Licht, das von der Lichtquelle (3) emittiert und an den Nanopartikeln (1) gestreut wird, durch den optischen Aufbau (6) mit dem Detektor (17) aufzunehmen, wobei Positionen von
Beugungsbildern des an den Nanopartikeln (1) gestreuten Lichts (21) auf dem Detektor (17) bestimmbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalhöhe (5) und der optische Aufbau (6) so ausgelegt sind, dass die Schärfentiefe DOF des optischen Aufbaus (6) mindestens 10%, vorzugsweise mindestens 30% der Kanalhöhe (5) beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalhöhe (5) kleiner gleich 30 pm, bevorzugt kleiner gleich 20 pm, besonders bevorzugt kleiner gleich 10 pm ist .
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalhöhe (5) mindestens 1 pm, bevorzugt mindestens 3 pm, besonders bevorzugt mindestens 5 pm beträgt
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle
(3) auf derselben Seite des Kanals
(4) angeordnet ist wie der optische Aufbau ( 6 ) .
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle (3) mindestens ein Laser vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass als Lichtquelle (3) mindestens eine Leuchtdiode vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass der Kanal (4) in einem Mikrofluidik- Chip (9) ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (3) Licht mehrerer Wellenlängen (λ) emittiert.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass ein Computer (18) vorgesehen ist, um aus der Serie von Bildern Trajektorien (26, 27) der
Nanopartikel (1) automatisiert zu bestimmen.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung derart ausgelegt ist, dass eine Kraft mit einer Richtungskomponente, die normal auf eine optische Achse (7) des optischen Aufbaus (6) steht, auf die Nanopartikel (1) wirkt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (10, 11) zur Erzeugung eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes vorgesehen sind, um eine zusätzliche, auf die Nanopartikel (1) wirkende Kraft zu erzeugen mit einer Richtungskomponente, die normal auf die optische Achse (7) des optischen Aufbaus (6) steht.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Heizelement (12) und/oder ein Kühlelement (13) vorgesehen sind, um den Kanal (4) auf eine gewünschte Temperatur zu bringen.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Viskositätssensor (14) zur Messung der Viskosität der Flüssigkeit (2) vorgesehen ist .
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (15) vorgesehen sind, um die Flüssigkeit (2) in den und aus dem Kanal (4) zu befördern .
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass der optische Aufbau (6) und der Detektor (17) in einer strukturellen Einheit
integriert sind.
16. Verfahren zur Bestimmung der Durchmesser von
Nanopartikeln (1) in einer Flüssigkeit (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst :
- Aufnahme einer Serie von Bildern mittels einer
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15;
- Bestimmung der Positionen der Beugungsbilder der
Nanopartikel (1) in den Bildern;
- Bestimmung der Trajektorien (26, 27) der Nanopartikel (1) entsprechend den Positionen der zugehörigen
Beugungsbilder in den Bildern;
- Bestimmung von Diffusionskoeffizienten D der
Nanopartikel (1) aus deren Trajektorien (26, 27);
- Berechnung der Durchmesser d der Nanopartikel (1) mittels der Stokes-Einstein-Gleichung
D = kB * T / (3 * d * 7T * r|),
mit kB der Bolt zmann-Konstante , T der Temperatur in Kelvin und η der Viskosität der Flüssigkeit (2) .
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Aufnahme der Serie von Bildern mindestens einmal die Flüssigkeit (2) aus dem Kanal (4) entfernt wird, neue Flüssigkeit (2) in den Kanal (4) eingebracht wird und eine weitere Serie von Bildern aufgenommen wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der
Diffusionskoeffizienten D Trajektorien (26, 27) mit einer Länge von mindestens 200 Positionen, bevorzugt von
mindestens 500 Positionen, besonders bevorzugt von
mindestens 1000 Positionen verwendet werden, wobei zur Bestimmung der Diffusionskoeffizienten D vorzugsweise nur
Trajektorien (26, 27) mit einer Länge von mindestens 200 Positionen, bevorzugt von mindestens 500 Positionen, besonders bevorzugt von mindestens 1000 Positionen
verwendet werden.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verteilung der berechneten
Durchmesser d bestimmt wird.
20. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche
1 bis 15 zur Bestimmung der Größe und/oder
Größenverteilung von Partikeln (1), vorzugsweise
Verschleißpartikeln in einem flüssigen Schmierstoff (2), insbesondere in Motoröl.
21. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche
1 bis 15 zur Bestimmung der Größe und/oder
Größenverteilung von Fremdpartikeln (1) in einem flüssigen
Arzneimittel (2) .
22. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche
1 bis 15 zur Bestimmung der Viskosität einer Flüssigkeit (2), in der sich Nanopartikel (1) bekannter Größe
befinden.
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