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Vorrichtung zur Messung bestimmter Eigenschaften
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von in einem Medium suspendierten Partikeln Die Erfindung betrifft
eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruchs 1. Derartige
Vorrichtungen sind bekannt (DT-PS 20 13 799). Die sich dabei ergebende und der Erfindung
zugrundeliegende Aufgabenstellung sei im folgenden an hand der Fig. 1 und 2 der
beigefügten Zeichnungen erläutert. Es stellen dar: Fig. la und lb bekannte Vorrichtungen
der eingangs genannten Art; Fig. 2 die Fluoreszenz-Messung bei einer Vorrichtung
nach Fig. la.
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Die in Fig. la schematisch dargestellte Vorrichtung weist eine erste
Kammer 2 auf, die über eine Meßöffnung 3 mit einer zweiten Kammer 4 in Verbindung
steht. Der ersten Kammer wird über eine Zuflußöffnung 5 partikelfreier Elektrolyt
zugeführt; die zweite Kammer 4 weist eine Abflußöffnung 6 auf. In kurzem Abstand,
z.B. 4 mm vor der Meßöffnung 3, befindet sich die Austrittsöffnung 7 einer Kapillare
8, über die Partikelsuspension 9 zugeführt wird Ist nun durch Unterdruck an der
Abflußöffnung 6 der Druck in-der zweiten Kammer 4 niedriger als in der ersten Kammer
2, so ergibt sich eine Strömung des Elektrolyten durch die Meßöffnung 3. Diese Strömung
erfährt in der ersten Kammer 2 vor der Meßöffnung 3 eine Konzentration.
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Der Druck in der Kapillare 8 ist so eingestellt, daß er etwas höher
als der Druck in der ersten Kammer 2 ist. Daraus folgt, daß die Partikelsuspension
9 aus der Austrittsöffnung 7 austritt. Sie wird durch die sich vor der Meßöffnung
3 verengende Strömung des Elektrolyten ebenfalls, wie durch die Hüll-Linie 10 verdeutlicht,
in Richtung auf die Meßöffnung 3 hin verengt (hydrodynamische Fokussierung) und
derart durch die Meßöffnung transportiert. In den beiden Kammern 2 und 4 sind ferner
Elektroden 11 bzw. 12 angeordnet, zwischen denen ein bestimmter elektrischer Strom
fließt. Tritt nun ein Partikel durch die Meßöffnung 3 hindurch, so findet in der
Ateßöffnung eine Feldverdrängung und damit eine Widerstandserhöhang
statt,
die bei eingeprägtem Strom zu einelll Spannungsimpuls zwischen den Elektroden 11,
12 führt. Die Höhe des Spannungsimpulses ist ein Maß für das Volumen des durch die
Meßöffnung hindurchtretenden Partikel. Derartige Meßeinrichtungen sind bekannt.
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er dabei erzielte Lauf der Partikel entlang einer definierten bahn
kann dazu ausgenützt werden, daß zusätzlich zur erwähnten Volumenmessung oder aber
ohne diese die Fluoreszenz der i>artiKel bei Anregung durch eine Anregullgsstrahlung
gemessen wird. Vie aus Fig. 2 zu ersehen, weist zu diesem Zweck die VorricJitung
Sichtfenster 40 in der IWand der Kammer 2~auf, durch die die hindurchtretenden Partikel
bzw. jeweils ein Partikel mit einer Anregungsstrahlung, z.B. der Strahlung eines
Lasers, ausgehend von einer Strahlungsquelle 14, angestrahlt wird; die von einem
Partikel P, der in Fig. 2 extrem vergrößert dargestellt ist, bei Anregung abgegebene
fluoreszente Strahlung wird dann durch das Sichtfenster 30 mit einer Meßvorrichtung
16 gemessen. Dabei fließt der Partikel P in z-Kichtung (vgl. Fig. 1); die z-Achse
steht senkrecht nach unten (in die Zeichenebene nach Fig. 2 hinein) auf der in Fig.
2 gezeigten x/y-Ebene. Die Anstrahlung mit der Laser-Strahlung erfolgt in Richtung
des Pfeils 13, die Ab strahlung fluoreszenten Lichtes vom Partikel P in Richtung
des Pfeils 15.
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Derartige Einrichtungen sind ebenfalls bekannt (Steinkamp u.a.,
Rev.
Sci. Instrum., Bd. 44, No. 9(September 1973), S. 1302; US-PS 3 710 933). Eine etwas
andere bekannte Vorrichtung der eingangs genannten Art tHerzenberg u.a., Rev. Scientific
American, März 1976, S. 108 ff (112) ) ist schematischen in Fig. Ib dargestellt.
Die Zufuhr von Partikelsuslzension erfolgt über eine Kapillare 8', die Zufuhr einer
Hüllflüssigkeit durch das sich zur Öffnung 3' hin gleichmäßig konisch verjüngende
Rohr 2'. Nach Austritt der Partikel in einem von der Hüllflüssigkeit umgebenen Partikels
tromfaden erfolgt die Fluoreszenzmessung durch Anregung mit einer Anregungsstrahlung
in Richtung des Pfeils 13' von einer Stralllenquelle und Messung der Fluoreszenz
mit einer Meßeinrichtung 16'.
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Bei Partikeln, die, wie z.B. Hühnererythrozyten, bezüglich der Strömungseinrichtung
z nicht rotations symmetrisch sind, ergibt sich nun folgendes Problem: Sie orientieren
sich zwar mit ihrer längsten Achse in Strömungsrichtung, also in z-Richtung. Jedoch
erfolgt keine definierte Orientierung in der x/y-Ebene. Die Lage eines Partikels
P in der x/y-Ebene (Fig. 2) ist vielmehr mehr oder weniger zufällig.
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ts ist aber andererseits leicht ersichtlich, daß die Intensität der
mit der Meßeinrichtung 16 gemessenen fluoreszentcn Strahlung in Richtung des Pfeils
15 sehr stark von dieser Orientierung in der x/y-Ebene abhängt. Mangels einer definierten
Orientierung entstehen also beachtliche Meßfehler
der fluoreszenten
Strahlung (vgl. z.ß. auch Gledllill u.a., J. Cell. Physiol. Bd.37, S. 367, 374).
Meßfehler mangels definierter Orientierung der Partikel bei Durchtritt durch eine
Meßebene oder bei Passieren einer Meßstelle können auch in anderem Zusammenhang
auftreten, so bei der an Hand von Fig. la beschriebenen Volumenmessung nach dem
Coulter-Verfahren, wenn der elektrische Strom in der Meßöffnung eine radiale Komponente
aufweist (vgl. z.B. DT-PS 9U 810, Fig.lO) oder bei der an Hand von Fig. lb dargestellten
Vorriciitung bei der Streulichtmessung.
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Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, eine Meßeinrichtung der eingangs
genannten Art zu schaffen, bei der in besonders einfacher Weise eine definierte
und stets gleiche Orientierung nicht rotationssymmetrischer Partikel entlang ihrer
Strömungsbahn erfolgen kann, um Meßfehler, die auf nicht stets gleicher Orientierung
der Partikel beruhen, insbesondere bei Fluoreszenz-Messungen auszuschalten. Diese
Aufgabe besteht allgemein bei in einem Medium, also auch z.B. in einem Luftstrom
transportierten Partikeln. Zwar sind die Nachteile der bekannten Vorrichtungen bereits
erkannt worden (vgl.
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Gledhill, aaO.). Es wird darauf hingewiesen, man könne sie entweder
durch eine "planare Strömung" oder aber durch Messung der Orientierung der Partikel
ausschalten. Jedocii
ist nicht ersichtlich, welcher Art die "planare"
Strömung beschaffen sein müßte, um diese Nachteile zu vermeiden.
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Ferner ist offensichtlich, daß die Messung der Orientierung eines
Partikels und eine entsprechende, wohl daraus zu folgernde Berücksichtigung bei
der Auswertung der Meßergebnisse ein äußerst kompliziertes meßtechnisches Problem
darstellen und eine sehr aufwendige elektronische und/oder optische Mesß- und/oder
Korrektureinrichtung erfordern würde.
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Andererseits hat sich bei nachträglicher Prüfung bekannter Vorrichtungen
der eingangs genannten Art im Hinblick auf diese Aufgabenstellung ergeben, daß gelegentlich
früher bereits unbeabsichtigt definierte Partikelorientierungen gegeben waren. So
bei einer Vorrichtung des Erfinders der vorliegenden Anmeldung (vgl. Kachel, 'bIethoden
zur Analyse und Korrektur apparativ bedingter Meßfehler beim elektronischen Verfahren
zur Teilchengrößenbestimmung nach Coulter', Diss. Berlin, 1972, S. 32, Abb. 2.23
(b) ). Doch ist dabei weder die o.g. Aufgabenstellung, noch deren Lösung als solche
bekannt geworden.
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Erfindungsgemäß wird die gesamte Aufgabe durch die im Kennzeichen
des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Die Erfindung betrifft ferner mehrere
vorteilhafte Weiterbildungen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihrer vorteilhaften Weiterbildungen
werden im folgenden an Hand der Fig. 3 bis 12 beschrieben. Es stellen dar: Fig.
3a einen Querschnitt entlang der Linie IIIa-IIIa in Fig. 1, Fig. 3b einen Partikel
P in der Ebene von Fig. 3a, Fig. 4a u. 4b schematische Darstellung weiterer Vorrichtungen,
bei denen dieselben Nachteile auftreten, Fig. 5 eine schematische Darstellung der
an einem Partikel P gemäß der Erfindung angreifenden Strömungskräfte, Fig. 6 ein
Schema zur Erläuterung der Erfindung, Fig. 7 ein erstes Ausführungsbeispiel, Fig.
8 einen Schnitt entlang der Linie VIII-VIII in Fig. 7, Fig. 9 die schematische Darstellung
einer photographischen Aufnahme der Strömung von Partikeln durch die Meßöffnung
beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 7, 8, Fig. 10 ein zweites Ausführungsbeispiel,
Fig. 11 einen Schnitt entlang der Linie XI-XI in Fig.lO,
Fig. 12
die schematische Darstellung einer photographischen Aufnahme der Strömung von Partikeln
durch die Meßöffnung beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 10, 11.
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Vor Beschreibung der Ausführungsbeispiele sei zunächst die Strömung
der Partikel P durch die Vorrichtung nach Fig. 1 noch einmal betrachtet. Wie aus
Fig. 3a ersichtlich, ergibt sich bei kreisförmigem Querschnitt der ersten Kammer
2 und der Meßöffnung 3, daß die Strömungsverengung entlang der z-Achse rotationssymetrisch
ist, wie durch die jeweils gleich langen Pfeile angedeutet. In Fig. 3b ist stark
vergrößert ein einziger Partikel P in Draufsicht in der x/y-Ebene gezeigt. Es ist
ersichtlich, daß an jedem Punkt, so an den Punkten P1 und P2, Strömungskräfte f
bzw. fy angreifen, die gleich groß sind.
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und fy sind jeweils die resultierenden Kräfte der durch den Index
angegebenen Richtung. Es ist also fx = fy Bezüglich der z-Achse, die senkrecht in
die Bildebene nach Fig. 3b hineingeht (x/y-Ebene), ergibt sich kein resultierendes
Drehmoment5 Der Partikel P befindet sich also in jeder Lage im Gleichgewicht. Die
Orientierung ist somit nicht einheitlich und zufällig.
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Wie aus Fig. 4a und 4b hervorgeht, können sich dieselben Verhältnisse
auch bei nicht rotationssymetrischen Querschnitten
ergeben, so
z.B. bei zwei zueinander senkrecht stehenden Symetrieebenen, wenn in ihnen die Strömungskonzentration
entlang der z-Achse gleich groß ist. Bei der Kammer nach Fig. 4a folgt das daraus,
daß die Kammer 2 und die Meßöffnung 3 jeweils quadratischen Querschnitt haben. Sowohl
in x- als auch in y-Richtung ergibt sich eine Strömungsverengung im Verhältnis von
ca. 1:6. Bei der Kammer 2 bzw. der Meßöffnung 3 nach Fig. 4b erfolgt sowohl in x-,
als auch in der y-Richtung eine Strömungsverengung entlang der z-Achse im Verhältnis
von ca. 1:4. Auch hier sind die Strömungskräfte in beiden Richtungen gleich.
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Fig. 5 erläutert nun das Prinzip der Erfindung. Durch entsprechende
Gestaltung der Strömungsverhältnisse ist dafür zu sorgen, daß die in x- und y-Richtung
auf einen Partikel P bezüglich seiner Drehachse (die im Beispiel in der z-Achse
liegt) einwirkenden resultierenden Kräfte f und fy nicht mehr gleich groß sind.
Dann ergibt sich an jeder Stelle des Partikels P, z.B. an den Stellen P1 und P2,
ein resultierendes Drehmoment M. Diese Drehmomente üben eine Orientierungskraft
auf die Partikel P aus. Sie werden nach Fig. 5 nur dann gleich Null, wenn der Partikel
so orientiert ist, daß seine längere Querschnittsachse senkrecht zu derjenigen Koordinatenachse
liegt, in deren Richtung die größeren Strömungskräfte auf
den Partikel
einwirken. Das ist z.B. in Fig. 5, in der fy> fx ist, die längere Querschnittsachse,
in der die x-Achse liegt.
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Fig. 6 zeigt im Prinzip, wie eine Kammer 2 bzw. eine Meßöffnung 3
oder, genauer gesagt, ihre Größenverhältnisse zueinander ausgebildet sein müssen,
damit sich die in Fig. 5 angegebenen Strömungskräfte ausbilden. In y-Richtung erfährt
die Strömung eine Verengung von A auf a, also im Verhältnis A/a, das im Ausführungsbeispiel
nach Fig. 3 ca. 12 ist; in Richtung erfährt sie eine Verengung von B auf b, also
ba Verhältnis B/b, das im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ca. 2,6 ist. Da also A/a>B/b
ist, ist auch fy >fx, so daß sich im Lauf der Strömung in z-Richtung die in Fig.
6 gezeigte waagerechte Orientierung des Partikels P einstellt.
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Die Fig. 7 und 8 zeigen nun ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine
horizontale Orientierung der Partikel erfolgt. In einem Block 100, der mit einem
Deckglas 101 abgedeckt ist, ist in Form eines Prismas die erste Kammer 102 eingeschnitten.
isrie aus der Draufsicht nach Fig. 7 zu ersehen, verjüngt sich die Kammer 102 in
Richtung auf die Meßöffnung 103, die mit der zweiten Kammer 104 in Verbindung steht.
Die Meßöffnung 103 hat folgende Abmessungen: Länge 4OOft , Breite 150 , Tiefe 75/Ä.
In der Draufsicht verjüngt sich die erste Kammer 102
mit einem
Winkel 2 ; o( ist gleich 60. In vertikaler Richtung verjüngt sich die erste Kammer
um den Winkel ß , der ca. 260 ist. Die Partikelsuspension tritt durch die Eapillare
108 ein, die Zufuhr von Elekrolyt erfolgt über die Zuflußöffnung 107. Die für die
Strömungsverengung in Strömungsrichtung maßgebenden Zahlen sind A/a u 6 und B/b
was27. Entsprechend verhalten sich die Strömungskräfte in horizintaler bzw. vertikaler
Richtung, die auf die Partikel in der Partikelströmung einwirken. Erwartungsgemäß
ergibt sich dabei eine horizontale Orientierung der Partikel P an der Stelle, an
der das Objektiv 111 angeordnet ist. Durch das Objektiv 111 können die Verhältnisse
in der Meßöffnung beobachtet werden oder auch die Fluoreszenz bei Anregung durch
eine (nicht gezeigte) Strahlungsquelle gemessen werden. Dies ist also beim Ausführungsbeispiel
die "bleßstelle", die natürlich auch anders, z.B. vor oder hinter der Meßöffnung
angeordnet sein kann. Fig. 9 zeigt schematisiert eine Aufnahme von Partikeln P in
der Meßöffnung 103, die das erwähnte Ergebnis eindeutig bestätigt. Eine entsprechende
Photographie liegt dieser Anmeldung bei.
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Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 und 11 führt zu vertikaler Orientierung
der hindurchströmenden Partikel, da die Strömungskonzentration in Strömungsrichtung
in horizontaler Richtung sehr viel größer als in vertikaler Richtung ist.
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Es ist A/a ç 55 und B/b w 8. Die Meßeinrichtung weist eine erste Kammer
202 auf, die mit einem Deckglas 201 abgedeckt ist, und über eine Meßöffnung 203
in einer zweiten Kammer 204 verbunden ist. Der Zufluß von Partikelsuspension erfolgt
über die Kapillare 208, der Zufluß von Elektrolyt über die Zuflußöffnung 205, der
Abfluß aus der Kammer 204 über die Abflußöffnung 206. Die gesamte Anordnung befindet
sich in einem Block 200. Über der Meßöffnung befindet sich ein Objektiv 211, über
das die Verhältnisse in der Meßöffnung beobachtet werden können, insbesondere auch
die Fluoreszenz bei Anregung durch eine (nicht gezeigte) Strahlungsquelle gemessen
werden kann. Der Winkel c des die erste Kammer 202 bildenden Einschnittes im Block
200 in horizontaler Richtung beträgt 900, der Winkel ve des vertikalen Einschnittes
250.
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Infolge der oben angegebenen Werte für A/a und B/b, also einer sehr
viel stärkeren Strömungskonzentration in horizontaler Richtung als in vertikaler
Richtung, ergibt sich eine vertikale Orientierung des Partikels. Schematisiert ist
die Strömung von Partikeln P durch die Meßöffnung 203 in Fig. 12 dargestellt. Eine
entsprechende Photographie, die diesen Verhältnissen entspricht, liegt dieser Anmeldung
bei.
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Die Erfindung läßt sich auch mit einer Anordnung realisieren, wie
sie in den Fig. 13 bis 17 gezeigt ist und etwa als
Weiterbildung
der in Fig. lb gezeigten Anordnung Verwendung finden kann. Wesentlich ist dabei
die Querschnittveränderung, die zu unterschiedlichen Strömungskräften in verschiedenen
Ebenen führt. Fig. 13 zeigt ein Rohr 41 in Draufsicht mit elliptischem Einlauf 42,
zylindrischem Auslauf 4o und einer Kapillare 50; danach folgt in Strömungsrichtung
(in die Ebene der Zeichnung hinein) eine (nicht gezeigte) Aleßanordnung (wie in
Fig. 2). Fig. 14 zeigt ein Rohr 44 mit zylindrischem Einlauf 45, elliptischem Auslauf
46 und einer Kapillare 52.
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Schließlich ist in den Fig. 15 bis 17 eine Anordnung gezeigt, wie
sie durch Quetschung eines zylindrischen Rohres 47 über einen bestimmten Bereich
in ein nicht zylindrisches Rohrteil 48 entstehen kann. Im Übergangsbereich 49 entstehen
die in zwei verschiedenen Ebenen unterschiedlichen Strömungskräfte, die hindurchfließende
Partikel orientieren. Das ist bei Durchfluß von Partikeln in beiden Richtungen (von
links nach rechts, von rechts nach links) der Fall. Ergänzend ist zu diesem Ausführungsbeispiel
zu bemerken, daß die zur hydrodynamischen Fokussierung erforderliche Verengung des
gesamten Querschnitts vor oder hinter dem gezeigten Stück Rohr stattfinden muß.
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Mit Hilfe der Erfindung kann demnach eine einwandfreie Orientierung
der Partikel erreicht werden. Bei Messungen,
deren Meßergebnisse
von der Orientierung abhängen, können Fehler, die auf nicht eindeutig definierten
Orientierungen beruhen, ausgeschaltet werden. Dabei kann selbstverständlich die
Meßstelle für eine Messung der Fluoreszenz auch hinter der Meßöffnung 7 angeordnet
sein. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine Partikelorientierung dadurch
erreicht werden kann, daß die Strömungsverhältnisse des die Partikelsuspension umgebenden
Elektrolytstroms so gestaltet werden, daß sich in zwei voneinander unterschiedlichen
Symetrieebenen entlang der Strömungsrichtung unterschiedlich starke Strömungskräfte,
die auf einen Partikel einwirken, ergeben. Das führt in allen'Drehlagen bzw. Orientierungen
eines Partikels außer in einer bestimmten stabilen Lage dann zu einem resultierenden
Drehmoment, das hier definierte Orientierung herbeiführt.
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Patentansprüche:
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