DE2619675A1

DE2619675A1 - Optische kammer fuer teilchenuntersuchungsgeraete

Info

Publication number: DE2619675A1
Application number: DE19762619675
Authority: DE
Inventors: Mack J Fulwyler
Original assignee: Particle Technology Inc
Current assignee: Particle Technology Inc
Priority date: 1975-05-05
Filing date: 1976-05-04
Publication date: 1976-11-18
Also published as: FR2325038A1; JPS51136475A; US3989381A; FR2325038B3

Description

»München

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Partiole Technology, Inc., Los Alamos, Hew Mexioo/USA

Optisobe Kammer für !Deilobenuntersuobungsgeräte

Die Erfindung bezieht sich auf Photoanalysegeräte, die die beim Surobgang von in einer Fluidprobe suspendierten Teilchen durob einen Lichtstrabi erzeugte resultierende Lichtmenge messen.

Bei den bekannten Photoanalysegeräten passiert eine Fluidprobe» die die zu untersuchenden Teilchen enthält, eine

ORIGiNAL INSPECTED

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optische Kammer in einer sobmalen Strömung, so daß die Teilchen die Kammer nacheinander passieren. Senkreobt zum Durchtritt der fluidprobe gebt ein Lichtstrahl durob die Kammer. Wenn der Lichtstrahl auf ein Teilchen der fluidprobe trifft, wird zerstreutes und/oder fluoreszierendes Liobt erzeugt« Dieses Licht, das im folgenden als resultierendes Licht bezeichnet wird, läßt sich durob Pbotodetektoren erfassen, die außerhalb der Achse des durob das fluid gebenden Lichtstrahles und senkreobt zur Strömungaricbtung des fluids angeordnet sind. Die Lichtquelle und die optisoben Detektoren liegen somit getrennt(durch Winkel von mehr als O⁰ getrennt) in einer gemeinsamen Ebene.

Sei einem solchen Gerät steht normalerweise nur eine ganz geringe Menge resultierenden Lichtes zur Verfügung, da die zu untersuchenden, sebr kleinen Teilchen wiederum nur von einer sehr kleinen Licbtmenge des Strahles getroffen werden· Zur Erfassung des resultierenden Lichtes benötigt K*n deshalb entweder eine äußerst starke Lichtquelle, die mehr resultierendes Liebt ergibt, oder aber äußerst empfindliche Pbotodetektoren· Häufig arbeitet man mit einer sehr intensiven Lichtquelle, beispielsweise einem Laser, und sebr empfindlichen Pbotodetektoren.

Solche intensiven Strablungsquellen sind aber kostspielig und außerdem ist ihre Lebensdauer meist sebr kurz· Die hochempfindlichen Pbotodetektoren wiederum sprechen nicht nur auf sebr geringe Liobt mengen an, sondern können leicht durch die Umgebungsbedingungen gestört werden. Das bedeutet, daß sie auf viele fremd- oder Rauscbsignale ebenso ansprechen, wie auf sebr kleine Lichtmengen. Man benötigt deshalb für diese hochempfindlichen Photodetektoren sebr

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komplizierte und entsprechend kostspielige Schaltungen, um zwischen störenden Rausch Signalen und den Signalen unterscheiden 2SU können, die von der geringen Lichtmenge erzeugt werden·

Man bat deshalb Anordnungen entwickelt, die ohne extrem starke Lichtquellen und obne boobempfindlioben Photodetector en auskommen· Bei einer dieser Anordnungen befindet eiob ein Spiegel auf einer Seite der optisoben Kammer und außerhalb von dieser, mit der optisoben Aobse der Photodetektoren ausgerichtet. Sin Seil des beim Durchgang eines Teilchens durch die optische Kammer erzeugten, resultierenden Lichtes wird vom Spiegel auf die Pbotodetektoren reflektiert, wodurch die Menge und/ oder die Intensität des von ihnen aufgenommenen resultierenden Lichtes größer wird· Bei einer anderen Anordnung ist eine Anzahl von Spiegeln außen um die Kammer angeordnet, mit Ausnahme eines Bereiches, durob den der einfallende lichtstrahl gebt« Diese Spiegel reflektieren praktisob das gesamte resultierende Liobt, das beim Durohgang eines Teilchens durob den Liobtstrahl erzeugt wird. Die Spiegel sind so geformt, daß sie fast das gesamte aufgenommene Liobt in einem sobmaien Strabl auf die Pbotodetektoren reflektieren.

Solobe Spiegelanordnungen, die die erforderliche Intensität der Lichtquellen und/oder die erforderliche Empfindlichkeit der Pbotodetektoren reduzieren sollen, haben jedoob versobiedene Naohteile. H9n Hauptnaobteil bilden die vorhandenen Gtrenzfläoben, die die Lichtintensität herabsetzen, das aeultierende Liobt verzerren und/oder das im Sfstern erzeugte Rauschen erhöben. Beispiele für eolohe Grenzflächen sind die Grenzfläche zwischen dem Fluid in der optieohen Kammer und dem die Kammer bildenden Material, die Grenzfläohe zwischen dem Material der optisoben Kammer und dar Luft zwischen der

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Kammer und dem Spiegel und die Grenzfläche zwischen dem Fluid» dem Material der optiacben Kammer und der Luft einerseits und der Kammer und dem Spiegel andererseits.

Die erfindungsgemäße optisobe Kammer für Heßgeräte zur Untersuchung von in einer Flüssigkeit suspendierten kleinen Teilchen vermeidet diese Nachteile. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Einlaß und einen Auslaß für die Suspensionaflüssigkeit im Gehäuse der optischen Kammer, die die Teilchen in einer schmalen Flüssigkeitsströmung nacheinander paseieren, durch einen lichtdurchlässigen Gebäuaeabachnitt, durch den ein Lichtstrahl in die Kammer eintritt, die scbeale Flüssigkeitsströmung mit den darin suspendierten Teilchen schneidet und beim Auftreffen auf die Teilchen resultierendes Liobt erzeugt, und durob einen auf der Innenseite des Gehäuses kugeligen Absobnitt, dessen Zentrum im Schnittpunkt des Lichtstrahles mit dem Strömungszentrum der aobmalen Flüssigkeitsströmung liegt, wobei die konkave Oberfläche des kugelförmigen Abschnitts in der Kammer das resultierende Liobt reflektiert und wobei das Zentrum und der Krümmungaradiua des kugelförmigen Absobnittes ao gewählt sind, daß das resultierende Liobt aenkreobt auf die reflektierende Oberfläche trifft und zum Sohnittpunkt des LiobtatrabIea mit dem StrömungsZentrum der Suspensionöflüssigkeit zurückgeworfen wird.

Die ausführlichere Erläuterung der Erfindung erfolgt unter Bezugnahme auf das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel. In der Zeichnung zeigt:

fig. 1 eine teilweise geschnittene Draufsicht mit einem BiookaobaItbild des Pbototnalysegerätee und dex optischen Kammer gemäß der Erfindung und

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Pig· 2 einen perspektivischen !Ceilsohnitt und ein Blockachaltbild von Teilen der Einrichtung nach Fig· 1·

Man erkennt in der Zeichnung ein Gehäuse 10 mit einer optiacben Kammer 12. Gehäuse 10 und Kammer 12 können beispielsweise zylindrisch» quadratisch oder rechteckig sein. Im Auaführungabeiapiel sind daa Gehäuse 10 und dieoptisohe Kammer 12 zylindrisch dargestellt. Daa Gehäuse 10 besteht aus Glas oder einem für Chemikalien undurchlässigen Material· So kann daa Gehäuse 10 beispielsweise auch aus rostfreiem Stahl beateben· Bei Verwendung von Glas für das Gehäuse läßt die Gehäusewand Licht durch· Bei Verwendung von rostfreiem Stahl für das Gehäuse 10 muß der gestrichelt dargestellte Teil H und der ibn umgebende Seil des Gehäuses aus lichtdurchlässigem Material bestehen.

Duroh eine Einlaßöffnung 16 an der Oberseite 18 des Gehäuses 10 führt ein Probenflüaaigkeitaeinlaßröhrcben 20 eine gewisse Strecke in die optische Kammer 12. Sie Seitenwand 24 des Gehäuses 10 weist eine zweite Einlaßöffnung 22 auf. Konzentrisch zur Aobae des Probenflüaaigkeitaröbrcbena 20 ist ein Mantelatrömungsröhrcben 26 in der optischen Kammer angebracht· Saa Einlaßende 28 daa Mantelströmungsröhrchens 26 steht mit der Öffnung 22 in Verbindung« Saa Auslaßende 30 ist etwas hinter dem Auslaßende 32 dea Probenflüaaigkeitaröhrchena 20 im Innern des Kammer 12 angeordnet. Sine dritte Einlaßöffnung 34 in der Seitenwand 24 dea Gehäuses 10 steht mit der optischen lammer 12 direkt in Verbindung.

In einer öffnung 38 im Boden 40 des Gehäuses 10 ist ein Probenflüsaigkeitaaualaßxöhroben 36 festgemacht, das in die optische Kammer 12 führt und dessen Achse mit der Aohse dea Probenflüasigkeitaröhrchens 20 fluchtet. Das Binlaßende

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des Probenflüssigkeitsauslaßröbrchens 60 liegt diobt am Auslaßende 30 des Mantelströmungsröbrcbens 26_β Ein im Boden 40 des Gehäuses 10 in einer Auslaßöffnung 46 festgemachtes Mantelströmungsauslaßröhrchen 44 gestattet den Austritt des in der optischen Kammer 12 sich ansammelnden Mantelströmungsfluids.

In einer Öffnung 50 der Seitenwand 24 des Gehäuses 10 ist ein kugelförmiger Abschnitt 52 festgemacht, der auf der Seite der optischen Kammer 12 konkav ist, wobei der Kugelmittelpunkt des Abschnittes 52 an dem Schnittpunkt bzw· Verbindungspunkt 54 in der Kammer 12 liegt. Die konkave Oberfläche 56 des kugelförmigen Absobnitts 52 reflektiert das auftreffende Lichte Im gezeigten .Ausführungsbeispiel ist der kugelförmige Abschnitt 52 aus Glas hergestellt und auf der Oberfläche 56 verspiegelt· Alternativ kann man den kugelförmigen Abschnitt 52 auch aus rostfreiem Stafal anfertigen und auf der Oberfläche 56 gut reflektierend bearbeiten«» Der Kugelmittelpunkt bzw· das Zentrum des Abschnittes 52 und der Krümmungsradius der Oberfläche 56 des Abschnittes 52 werden so gewählt, daß vom Schnittpunkt 54 ausgeh end ob, resultierendes Licht senkrecht auf die Oberfläche 56 auftrifft. Dadurch wird das Licht von der Oberfläche 56 ebenfalls senkrecht zur Fläche zurückreflektiert, so daß es duroh den Schnittpunkg 54 und durch den mieden Linien 58 dargestellten Kegel geht·

Dem kugelförmigen Abschnitt 52 gegenüber ist in der Seitenwand 24 eine weitere Öffnung 62 vorgesehen, in der eine Sammellinse 6% angebracht ist. Diese Sammellinse 64 ist so ausgeführt und angeordnet, daß ihr Brennpunkt mit dem Schnittpunkt 54 des kugelförmigen Abschnittes 52 zusammenfällt® Sie Sammellinse 64 ist kreisförmig* so clai der Kegel 58 des von der

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Oberfläche 56 durch den Schnittpunkt 54 von der Oberfläche 56 reflektierten Lichtes auf die Innenseite der Linse 64 trifft, so daß das gesamte von der Oberfläche 56 kommende, resultierende Lioht aufgenommen und gesammelt wird. Die Linse 64 ist so geschliffen, daß das gesamte, vom Schnittpunkt 54 kommende und auf die Oberfläche 56 treffende Licht so gebrochen wird, daß es die Sammellinse 64 an der Oberfläche 68 in parallelen Lichtstrahlen 70 verläßt·

Fig. 1 zeigt ein Gerät zur Messung der Eigenschaften kleiner Teilchen, etwa von Blutkörperchen, wobei die Teilchen in einer Flüssigkeit suspendiert sind« Das Gerät umfaßt ein Gehäuse 10 mit einer optischen lammer 12· Die flüssige Suspension der Teilchen 74 befindet sieb in einem Probengefäß 76 und steht unter dem Druck einer Druckluft quelle 78 und eines Druckreglers 80· Die flüssige Teilchensuspension 1st mit dem Probenflüssigkeitseinlaßröbrchen 20 über eine Leitung 82 verbunden.

Eine Umbüllungs- oder Mantelflüssigkeit.84 ohne Teilchen befindet sloh in einem Mantelflüssigkeitsgefäß 86 und steht über den Druckregler 90 unter dem Druck einer Druokluftquelle 88. Die Mantelflüssigkeit des Gefäßes 86 steht über Leitungen in Verbindung mit der zweiten Einlaßöffnung 22 und einem Strömungsregler 92, der die Menge des Mantelströmungafluids und seine Zuführgeschwindigkeit regelt· Das Mantelströmungsfluid gebt durch die zweite Einlaßöffnung 22 in das Mantelströmungsröhroben 26· Außerdem steht das fluid im Gefäß 86 über Leitungen in Verbindung mit einer dritten Einlaßöffnung 34 und mit einem Strömungsregler 94» der entsprechend dem Regler 92 arbeitet. Das durob die dritte öffnung 34 gebende Manteletrömungafluid dient zur Füllung der optisoben Kamer 12.

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Nach dem Durchgang durch die optiaohe Kammer 12 gelangt die Teilchensuspension in einen Abfallbehälter 96, der mit dem Probenflüssigkeitsauslaßröbrcben 36 über eine Leitung und mit dem Hantelfluidauslaßröbrcben 84 über eine Leitung 100 in Verbindung atebt. Der Abfallbehälter 96 ist über einen Vakuumregler 103 mit einer Vakuumquelle 102 verbunden, so daß die Teilchen und die Mantelströmung in den Abfallbehälter gesaugt werden.

In Fig. 2 ist als Lichtquelle 104 ein Laser vorgesehen· Der Strahl 106 der Laserliobtquelle 104 ist in Fig. 2 von der Seite zu sehen (Fig. 1 zeigt eine Ansicht in Richtung des Strahles 106). Die Lichtquelle 104 und der Strahl sind so angeordnet, daß der Strahl 106 durob den optisch duroblässigen Abschnitt 14 der Seitenwand 24 des Gehäuses in die optische Kammer 12 gelangt. Der Strahl 106 passiert zwischen dem Auslaßende 30 des Röhrobens 26 und dem Einlaßende 42 des Auslaßröbrohens 36, so daß er durch den Schnittpunkt 54 geht· Zwiacben der Lichtquelle 104 und dem Gehäuse können zur weiteren Verringerung des Durchmessers des Strahles 106 eine oder mehrere Linsen 108 angeordnet werden, die den Strahl bündeln und im Schnittpunkt 54 sammeln.

Auf der optischen Aobse der Sammellinse 68 liegt eine Kombination aus licbtaammler und Pbotodetektor 110· Der Liobtsammler und Pbotodetektor 110 enthält eine Sammellinse 112 und einen Pbotodetektor 110a (nicht dargestellt)· Der Lichtstrahl 70 der Linse 64 wird durch die Linse gesammelt auf den Photodetektor 110a gegeben, der auf das Liebt anspricht und einem Meßgerät 114 ein elektrisches Signal zuführt· Das Heßgerät 114, ein Zähler oder ein anderes

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Gerät, bewirkt eine Anzeige und Speicherung der erfaßten Teilohen·

Während des Betriebes ist die optische Kammer 12 mit einem Mantelströmungsfluid gefüllt, das vom Mantelströmungsgefäß 86 zum Abfallbehälter 96 fließt. Die Teilchen in der I¹U₁Us sigkeitssuspensi on kommen vom Probengefäß 76 durob das Probenflüssigkeitseinlaßröhrohen 20 am Auslaß 34 dicht beim Schnittpunkt 54 in die optisohe Kammer 12. Aus dem Röhrchen 26 kommt vom Mantelströmungsreservoir 86 eine kontinuierliche Mantelströmung, die konzentrisch um das Röhrchen 20 strömt· Die Strömungsgeschwindigkeit der Mantelströmung ist erheblich größer als diejenige der flüssigen Probensuspension· Die Geschwindigkeit der Probenflüssigkeitssuspension wird beim Austritt aus dem Röhrchen 20 und beim Kontakt mit der Mantelströmung 84 auf deren Geschwindigkeit erhöht und dadurch im Durchmesser verringert· Man erhält dadurch eine sehr schmale Strömung der Teilchensuspension, die durch den Schnittpunkt 54 zum Auslaßröbrchen 36 strömt. In dieser schmalen Strömung passieren die Teilchen den Schnittpunkt 54 nacheinander. Beim Durchgang eines Teilchens im Schnittpunkt 54 durch den Laserstrahl 106 wird ein Teil des Laserstrahles zerstreut und/oder die Teilohen fluoreszieren, wenn eine fluoreszierende Verfärbung oder Marke vorhanden ist. Ein Teil des zerstreuten Lichtes und/oder des fluoreszierenden Lichtes, das das resultierende Licht bildet, geht vom Schnittpunkt 54 zur Oberfläche 56 des kugelförmigen Abschnittes 52. Dieses resultierende Licht wird von der Oberfläche 56 wieder durch den Schnittpunkt 54 zurückreflektiert und geht mit dem übrigen resultierenden Licht in einen Lichtkegel 58 zur Sammellinse 64. Da der Brennpunkt der Sammellinse 64 im Schnittpunkt 54 liegt, gebt das gesamte Licht aua dem Punkt 54 als paralleles Licht 70 zum Licbtsammler und Photodetektor 110, der ein elektrisches Signal auf das Meßgerät

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gibt. Daa Meßgerät 114 registriert und mißt die Teilchen und kann bei Erfassung fluoreszierender Signale auch bestimmte Eigenschaften der leuchen angeben·

Da die verspiegelte Oberfläche des kugelförmigen Abschnitts 52 das Hantelströmungsfluid in der optischen Kammer 12 direkt berührt, in der das resultierende Liebt erzeugt wird, befinden sioh keine Wasser-Glas-, Glas-Luft- oder Wasser-G-Iaa-Luft-Grenzflachen dazwischen, die das resultierende Licht vor der Sammlung durch einen Reflektor passieren müßte, so daß der Intensitätsverlust, die Verzerrung und das resultierende Rauschen erbeblich geringer werden« Außerdem berührt auch die Oberfläche 66 der Sammellinse 64 das Mantelstömungsfluid in der optischen Kammer 12, so daß das resultierende Licht vor der Sammellinse keine Grenzflächen passieren muß. Dadurch werden der Lichtintensitätsverlust, die Verzerrung und/der das Systemrauschen ebenfalls reduziert· Da außerdem das resultierende Licht vom Brennpunkt einer Srechungslinse 64 ausgeht, liefert die Sammellinse parallele und geriohtete Lichtstrahlen. Wenn das zu erfassende Licht aber von der Quelle, in diesem Fall der Sammellinse 64, als paralleler Lichtstrahl ausgeht, wird ferner die Ausrichtung von filtern, Linsen und Blenden oder Nadellöchern für den Lichtsammler und Detektor 110 und das Heßgerät 114 ganz beträchtlich vereinfacht.

Patentanwälte

DFpI.-ing. E. Eder

Dlpl.-Ing. K. Schieschke

8 München 40, ElisabeihstraS»34

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Claims

Patentanwälte -■. &^Ί <<■

.ing. E. Eder
K. ScWeschke

eMüUen40.ElisabethstraB_e34 2619 6 7

-AA-

Patentansprüche

iJ Optische Kammer für Meßgeräte zur Untersuchung von m einer flüssigkeit suspendierten kleinen Teilchen, insbesondere Blutkörperchen, gekennzeichnet durch einen Einlaß (16) und einen Auslaß (38) für die Suspensionsflüssigkeit im Gehäuse (10) der optisohen Kammer (12), die die Teilchen nacheinander in einer schmalen Flüssigkeitsströmung passieren, durch einen lichtdurchlässigen Gehäuseabschnitt (14), durch den ein Lichtstrahl in die Kammer eintritt, die schmale Flüssigkeitsströmung mit den darin suspendierten Teilchen schneidet und beim Auftreffen auf Teilchen resultierendes Licht erzeugt, und durch einen auf der Innenseite des Gehäuses kugeligen Abschnitt (52), dessen Zentrum im Schnittpunkt (54) des Lichtstrahles mit dem Strömungszentrum der sohmalen Flüssigkeitsströmung liegt, wobei die konkave Oberfläche des kugelförmigen Abschnittes in der Kammer das resultierende Licht reflektiert und wobei das Zentrum und der Krümmungsradius des kugelförmigen Absobnittes so gewählt ist, daß das Lioht senkrecht auf die reflektierende Oberfläche trifft und zum Sobnittpunkt des Liobtstrables mit dem Strömungszentrum der Suspensionsflüssigkeit zurückgeworfen wird·

2· Optische Kammer naob Anspruoh 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sammellinse ^64) einen Teil des Kammergehäuses bildet, daß die Sammellinse so angeordnet ist, daß ihr Brennpunkt im Sobnittpunkt des Strömungszentrums der Teilchensuspension mit dem Lichtstrahl liegt, so daß der größte Teil des zerstreuten Liobtes erfaßt und von der Reflektionsfläche reflektiert wird, und daß die Sammellinse so ausgeführt und angeordnet ist» daß das gesammelte Liebt außerhalb des Gehäuses •inen parallelen Lichtstrahl bildet«

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3. Optische Kammer naoh Anspruch 1 oder 2, daduroh gekennzeichnet, daß der kugelförmige Abschnitt aus einem chemisch möglichst undurchlässigen Material besteht und daß die reflektierende Oberfläche verspiegelt ist.

4· Optische Kammer nach Anspruob 3» dadurch gekennzeichnet, daß das chemisch undurchlässige Material Glas, Kunststoff oder ein ähnliches Material ist.

5· Optische Kammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, daduroh gekennzeichnet, daß die das Licht reflektierende Oberfläche in den kugelförmigen Abschnitt eingearbeitet ist.

Patentanwälte

Dipl.-infc. E. Eder

Dipl. - Ing. y&^ 8 München

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