DE69737255T2

DE69737255T2 - Vorrichtung zur Messung der Teilchengrösse

Info

Publication number: DE69737255T2
Application number: DE69737255T
Authority: DE
Inventors: Michael Anthony Leamington Spa Wood
Original assignee: Microbial Systems Ltd
Current assignee: Cellfacts Instruments Ltd Coventry Gb
Priority date: 1996-11-20
Filing date: 1997-11-20
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2017-11-21
Also published as: GB2319618B; DK0844475T3; EP0844475A2; DE69737255D1; ATE352031T1; GB9624096D0; EP0844475A3; GB9724611D0; EP0844475B1; US6389912B1; GB2319618A; ES2284178T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der Größe und Anzahl von Zellen sowie Verfahren zur Anwendung derselben. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, die mit einem Verfahren zur Messung der Impedanz an einer Blendenöffnung zur Bestimmung des Volumens der durch die Blendenöffnung hindurch tretenden Teilchen.
Aus der EP 0 162 607 ist bekannt, die Größe eines Teilchens aus der Änderung der Impedanz zwischen einem Elektrodenpaar in einem Elektrolyt in Folge des Partikelstroms durch eine Blendenöffnung in einer Drosselstelle zwischen den Elektroden zu bestimmen. Ein Problem dieses Systems ist jedoch, dass beim Messen die Öffnung teilweise oder vollständig sich zusetzen kann, so dass der die Öffnung enthaltende Drosselkörper herausgenommen werden muss, um gereinigt zu werden und weitere Messungen zuzulassen. Ein nur partielles Zusetzen beeinträchtigt die beobachtete Teilchengrößenverteilung, da dann der Durchgang größerer Teilchen durch die Blendenöffnung verhindert ist. Dieses Problem ist besonders nachhaltig, wenn man mit einer Öffnung mit kleinem Durchmesser bspw. dem Fünffachen der mittleren Teilchengröße arbeiten will, um gute Ergebnisse der Teilchengrößen zu erhalten.
Die GB 1 371 432 offenbart eine Vorrichtung zum Bestimmen der Größe von Teilchen in einem Fluid auf Grund einer Änderung der Impedanz, die man zwischen zwei Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten einer Blendenöffnung misst, durch die das Fluid fließt, wobei ein Zusetzen der Blendenöffnung bestimmt wird durch einen Vergleich einer gemessenen Häufigkeit des Auftretens von in Folge durch die Blende hindurch tretenden Teilchen verursachten Signalimpulsen mit einer normalerweise erwarteten Häufigkeit.
Die Erfindung will die Probleme des Standes Technik vermeiden oder mindestens abschwächen u. a. durch Bereitstellen einer Vorrichtung, die ein Zusetzen erfasst und bei partiellem oder vollständigem Zusetzen die Blendenöffnung freimacht.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung bereitgestellt, wie sie im Anspruch 1 angegeben ist.
Bevorzugte Merkmale sind in den Unteransprüchen angegeben.
Es werden nun Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft und an Hand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine schaubildliche Perspektive eines Probenstabs und eines Probenkammergehäuses als Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 zeigt einen schaubildlichen Frontal-Aufriss der Probenstab-Ausrichtführung der 1;
3 ist ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Fluidsteuerung;
4 ist ein Schnitt durch eine erfindungsgemäße Probenkammer;
5 ist eine Endansicht der Probenkammer der 4 aus dem Inneren der Vorrichtung;
6 ist ein Teilschnitt durch die Probenkammer der 4 und 5;
7 ist eine schaubildliche Perspektive einer Blendenöffnung in einem Drosselkörper;
8 ist eine schaubildliche Perspektive eines zweiten erfindungsgemäßen Drosselkörpers;
9a, b & c sind schaubildliche Seitenansichten der Drosselkörpers der 8 in drei unterschiedlichen Betriebsarten;
10 ist ein Blockschaltbild von Teilen der Elektronik für die erfindungsgemäße Vorrichtung;
11a, b sind Stromläufe für einen Teil der Verstärkerschaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
12 zeigt schaubildlich einen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung detektierten und analysierten Signalimpuls.
Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zum Bestimmen von Teilchengrößen mit einem Hauptgehäuse 12, aus dem ein Probenkammergehäuse 14 hervorragt, durch dessen Zulauf 16 eine Probe in die erste Kammer 52 läuft, die die 4 zeigt. Zusätzlich steht vom Gehäuse 12 eine Stabführung 18 ab. Die Stabführung 18 enthält eine vertikale Nut 20, die ein Ausrichten der Düse 24 des mit der Hand zu haltenden Stabs 26 mit dem Zulauf 16 ermöglicht. Der Stab 26 weist weiterhin eine Wechselspitze 28, einen Taster 30, ein Fluidzulaufrohr 32 und einen elektrischen Anschluss 34 auf. Wie die 2 zeigt, weist die Stabführung 18 ein Paar – bspw. optischer – Detektoren 22 auf, mit denen bestimmbar ist, ob die Stabdüse 24 sich in der Solllage in der Nut 20 befindet.
Die 3 zeigt ein Blockdiagramm einer in der Vorrichtung 10 eingesetzten Fluidsteuerung 36. In der Fluidsteuerung 36 ist ein Verdünnungsmittel-Reservoir 38, das bspw. 3 Liter Elektrolyt aufnehmen kann, an einen Pfad eines 3-Wege-Ventils 40 angeschlossen, das mit einem Ablauf mit einem Spritzenantrieb 42, der bspw. einen 12V-Schrittschaltmotor aufweisen kann, verbunden und mit einem anderen Ablauf über das Fluidzulaufrohr 32 mit dem Stab 26 verbindbar ist.
Das Reservoir 38 ist auch über ein T-Stück 44 mit einem – bspw. optischen – Verdünnungsmittel-Sensor 41 verbunden, mit dem bestimmbar ist, ob Verdünnungsmittel vorliegt. Eine Pumpe 46 wie eine 12Volt Gleichstrom Peristaltikpumpe treibt das Verdünnungsmittel über das Y-Stück 48 zum Probenkammergehäuse 14.
Ein Auslass des Y-Verbinders 48 ist mit der Leitung 50 verbunden, in der ein Ventil 51 wie bspw. ein elektrisch betätigtes Quetschventil die Strömung des Verdünnungsmittel in der Leitung 50 zu einer ersten Kammer 52 steuert, die Teil des Probenkammergehäuses 14 ist. Der andere Auslass des Y-Verbinders 48 führt über die Leitung 54 mit dem Ventil 56 (ebenfalls bspw. einem elektrisch betätigten Quetschventil), das die Fluidströmung in der Leitung 54 steuert, zur zweiten Kammer 58 des Probenkammergehäuses 14. Die erste und die zweite Kammer 52 bzw. 58 sind von einem Drosselkörper 60 mit ei ner Blendenöffnung bzw. Messblende 63 (vergl. 7, 8 und 9) getrennt. Die Probenkammer 14 ist ausführlicher in den 4 bis 6 gezeigt.
Das System 36 enthält weiterhin ein Saugsystem mit einem Paar Saugpumpen 62, die jeweils über ein Ventil 66 – bspw. ein elektrisch betätigtes Quetschventil – an ein Unterdruckreservoir 64 angeschlossen sind. Spülleitungen 68 verlaufen fast bis zum Boden des Reservoirs 64 und ermöglichen daher das Austreiben aller Flüssigkeit aus dem Reservoir 64 über mindestens eines der Ventile 66, die Pumpe 62 und den Auslass 70 zur Entsorgung.
Das Reservoir 64 ist weiterhin über die Leitung 72 mit der zweiten Kammer 58 des Gehäuses 14 verbunden. Die Leitung 72 enthält ein Ventil 74 wie bspw. ein Quetschventil und einen Druckwandler 76 bspw. des Typs Honeywell Controls 141PC05G. Das Reservoir 64 ist weiterhin über die Leitung 78, die ein Ventil 80 enthält, mit der ersten Probenkammer 52 verbunden.
Die 4 bis 6 zeigen das Probenkammergehäuse 14, das bevorzugt eine äußere Abschirmung 15 gegen elektromagnetische Strahlung – bspw. ein Metallgehäuse – aufweist. Der Zulauf 16 führt zur ersten Kammer 52, die von der zweiten Kammer 58 durch den Drosselkörper 60 getrennt ist. Die Kammern können in einem Körper aus inertem Werkstoff wie Acrylharz oder einem anderen Kunststoff ausgebildet sein. Der Drosselkörper kann aus kristallinem Werkstoff wie Rubin, Saphir oder Aluminiumoxid oder einem Polymerisat mit einer Blendenöffnung 63 bestehen. In einer bevorzugten Form besteht der Drosselkörper aus einem piezoelektrischen Werkstoff. Wie die 7 zeigt, hat die Öffnung 63 eine Länge L und einen Durchmesser D; für bestimmte Größen bzw. Vo lumen der Teilchen P, die bei der Messung in der Richtung F die Öffnung 63 durchlaufen, sind 80 μm Länge und 30 μm Durchmesser bevorzugt. Blendenöffnungen anderer Größe sind jedoch möglich. Die Verdünnungsmittelleitung 50 ermöglicht dem Verdünnungsmittel, in die erste Kammer 52 zu gelangen, welche sich durch die Leitung 78 entleeren lässt.
Entsprechend lässt die Leitung 54 Verdünnungsmittel in die zweite Kammer 58 gelangen, die sich mit der Leitung 72 entleeren lässt. In der Praxis kann es sich bei den Leitungen um unterschiedlich geartete Durchgänge, Kanäle oder Verbinder handeln, wie jeweils geeignet. Vorzugsweise sind die Leitungen 50, 54 so angeordnet, dass sie Flüssigkeit zum Drosselkörper 60 leiten. Die 5 zeigt Zuläufe zum Probenkammergehäuse 14.
Die 6 zeigt, dass eine Vertiefung 61 vorgesehen sein, um den Drosselkörper 60 zu halten und so die Kammern 62, 58 zu trennen. Mit O-Ringen lassen sich die Kanten des Drosselkörpers 60 dicht abschließen. Zusätzlich sind die Elektroden 82, 84 auf gegenüberliegenden Seiten des Drosselkörpers 60 gezeigt, d.h. jeweils eine in den Kammern 52, 58. Die Elektroden können bspw. aus Platin gefertigt und über den Verbinder 86 an eine Steuerelektronik anschließbar sein.
Als besonders nützlich hat sich erwiesen, die Elektroden 84, 82 mit einer 2-stufigen Dicht- und Klebeverbindung an das Gehäuse 14 anzusetzen, um ein Entweichen von Fluid aus den Kammern 51, 58 zu verhindern und die Elektroden trotz eines Abnehmens und Ansetzens des Kammergehäuses 14 vom bzw. an das Hauptgehäuse 12 in der Solllage zu halten. Vorzugsweise sind die Elektroden in eine Vertiefung im Gehäuse 14 eingesetzt, das aus Acrylharz oder einem anderen Polymerisat gefertigt sein kann. Der an die Fluidkammer angrenzende obere Vertiefungsteil wird mit einer wasserfesten Unterdruckdichtmasse wie einem Dichtmittel auf Silikon-Basis – bspw. RTV-Silikongummi – abgedichtet. Eine zweite Stufe aus Klebstoff ist unter das Dichtmittel gelegt, um die Elektrode an der Wand der Vertiefung festzulegen. Ein geeigneter Klebstoff ist ein Struktur-Acrylharzkleber. In einer bevorzugten Form ist das Kammergehäuse 14 aus Acrylharz gefertigt, sind die Elektroden platiniert oder aus Platin gefertigt und weist die 2-stufige Abdichtung und Befestigung RTV-Silikongummi und einen Struktur-Acrylharzkleber auf.
Bevorzugt ist das Kammergehäuse 14 vom Hauptgehäuse 12 leicht abnehmbar gestaltet. Entsprechend ist der elektrische Verbinder 86 bevorzugt eine einfache Bajonett-Verbindung mit einem Stecker, der bspw. in eine Buchse im Gehäuse 12 steckbar ist. Wie in den 4 und 5 gezeigt, ermöglichen zusätzlich die Leitungen 72, 54, 78 ein einfaches Anbringen am Gehäuse 12; es kann sich um den Buchsenteil einer Steckverbindung handeln. Dann lässt das Kammergehäuse 14 sich durch einfaches Abziehen und Einstecken vom Hauptgehäuse 12 abnehmen bzw. an es ansetzen.
Die 8 und 9 zeigen eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drosselkörpers 60, deren Blendenöffnung 63 verjüngt ist. Bspw. könnte die Öffnung auf einer Seite des Drosselkörpers 32 einen Durchmesser von 32 μm bis 38 μm und auf der anderen Seite von 30 μm aufweisen. Folglich erhält man eine Verjüngung von 2 μm bis 8 μm der Öffnung über ihre Länge von bspw. 80 μm. Vorzugsweise ist die kleinere Seite der Öffnung der zweiten Kammer 58 zugewandt, wie in 9a gezeigt, und wölbt sich der Drosselkörper 60, der aus einem fe derelastischen Werkstoff gefertigt ist, aus, so dass im Einsatz eine Öffnung 63 mit angenähert parallelen Seitenwandflächen entsteht, die eine laminare Strömung in der Drosselstelle bewirkt. Die Ruheposition ist in der 9b gezeigt, eine Rückblas- bzw. Freimachposition in der 9c. Das Freiblasen bzw. Freimachen ist unten ausführlicher beschrieben. Bevorzugt ist der Drosselkörper aus einem Polymerisat wie einem fluoridfreien Polycarbonat wie PET oder Polystyrol gefertigt.
Um das Reinigen einer blockierten Öffnung 63 zu unterstützen, weist bevorzugt die zweite Kammer 58 einen verjüngten Bereich 59 auf, der zum Drosselkörper 60 hin schmaler wird (vergl. 4). Zusätzlich fluchtet bevorzugt der Leitungszulauf 54 zur Kammer 58 axial mit der Öffnung 63, so dass in die Kammer 58 zuströmendes Fluid am Drosselkörper 60 turbulent wird und u. U. sogar eine Rückströmung des Verdünnungsmittels durch die erste Kammer 52 bewirkt. Die Verjüngung der Kammer 58 unterstützt diese Rückströmung und weiterhin einen Verdünnungsmittel-Umlauf in der Kammer 58, der das Reinigen derselben weiter unterstützt. Weiterhin erhält man mit einem biegsamen Drosselkörper 60 die in der 9c gezeigte verbesserte Reinigungskonfiguration.
Die 10 zeigt ein Blockschaltbild einer Steuerelektronik 88 für die erfindungsgemäße Vorrichtung. Das System 88 weist eine Verstärkerstufe 92 auf, mit der ein Signal aus den Elektroden 82, 84 erfassbar ist und verstärkt wird.
Eine Signalspannungsversorgung 94 erzeugt eine positive oder negative Spannung von bevorzugt 150 Volt zum Anlegen an die Elektroden 82, 84; dieser Wert kann auch niedriger – bis etwa 30 Volt – sein. Die Verstärkerplatine 92 weist eine Erdverbindung zur Abschirmung 15 des Probenkammergehäuses 14 auf und ist weiterhin mit dem Unterdruckwandler 76 und einer Bimetall- oder Temperatursonde 95 wie bspw. des Typs LM35CAH der Fa. National Semiconductor, die zur Messung der Temperatur des Verdünnungsmittels in der zweiten Kammer 58 angeordnet werden kann.
Vom Verstärker 92 geht auf der Leitung 98 ein verstärktes Probensignal auf ein 3%-stelliges variables Potentiometer 96. Das Potentiometer ist Teil einer Dämpfungsplatine 100, mit der die Signalverstärkung auf die gewählte Größe der Blendenöffnung und die jeweilige Anwendung einstellbar ist. Das Ausgangssignal der Dämpfungsplatine 100 geht auf einen 14-Bit-A/D-Wandler auf der Messplatine 102. Der Elektrodenstrom sowie das Unterdruck- und das Temperatursignal gehen auf den Leitungen 104, 106, 108 von der Verstärkerplatine 92 auf einen 8-Bit-A/D-Wandler auf der Messplatine 102. Die Messplatine 102 weist einen 14-Bit-Kanal mit 500-kHz- oder 1-MHz-Wandlungen, Speicher für einen 14-Bit-Datenkanal, acht (langsame) 8-Bit-100μs-A/D-Wandler-Kanäle, Steuerstatusregister für diese Bausteine, digitale 16-Bit-Steueraus- sowie digitale 16-Bit-Steuereingänge auf.
Die Leitungen 110, 112 zwischen der Mess- und der Verstärkerplatine 102, 92 ermöglichen eine Polaritätsumkehr an den Elektroden 82, 84 sowie den Beginn und das Abbrechen einer Elektroden-Abgleichsequenz, die unten beschrieben ist.
Eine Reihe digitaler Eingangs/Ausgangsanschlüsse ist an der Messplatine 102 vorgesehen. Diese sind auf den Leitungen 114 bis 120 mit einem Schrittmotor-Treiber 43 verbunden, der seinerseits mit einem Spritzen-Schrittschaltmotor 42 verbunden ist. Ein vom Spritzen antrieb kommendes Opto-Signal auf der Leitung 114 zeigt den Ruhezustand der Spritze an. Takt-, Freischalt- und Richtungssignale gehen auf den Leitungen 116, 118 bzw. 120 an den Schrittmotor-Treiber 43.
Die anderen Eingangs/Ausgangsanschlüsse der Messplatine 102 sind mit einer Treiberplatine 122 verbunden. Diese Platine steuert bspw. das Öffnen und Schließen der Ventile 51, 56, 66, 74 und 80 sowie die Verdünnungsmittelpumpe 46 und die Saugpumpen 62. Der Verdünnungsmittel-Sensor 41 und der Nutzerstab-Taster 30 sind ebenfalls an die Treiberplatine 122 angeschlossen.
Eine Stromversorgung 90 beliefert das System mit den erforderlichen Arbeitsspannungen. Ein programmierbarer Baustein wie ein Computer 103 ist vorgesehen, der die Platinen 100, 102 (nach Bedarf auch andere Baugruppen) ansteuert und mit ihnen kommuniziert. Peripherie wie eine Sichteinheit und/oder ein Drucker 124 ist ebenfalls vorgesehen.
Die 11a, 11b zeigen einen Stromlauf für einen Teil der Verstärkerplatine 92. Ein Teilchensignal-Verstärkungspfad weist vier rauscharme Operationsverstärker IC10, IC11, IC12 und IC13 mit einer Bandpassbeschaltung auf, die das Signal filtert, um den Gleichanteil und hochfrequentes Rauschen zu beseitigen. Der Verstärker IC11 hat ein Potentiometer zur Verstärkungseinstellung, das bei der Fertigung eingestellt und versiegelt wird. Der Verstärker IC13 stellt mit dem Widerstands- und Potentiometernetz R35, R36, VR3 und R37 der Verstärkerplatine 92 eine GS-Offset-Einstellung (bspw. –3,2 V) bereit. Eine Elektrode (82 oder 84) ist an CN1 angeschlossen und über den Kondensator C38 mit dem Operationsverstärker IC10 wechselstromgekoppelt. Eine Signalerzeugungs-Spannungsquelle 94 von bspw. 150 V in die sem Beispiel ist an den Signalpfad bei PL5 angeschlossen und wird vom Reed-Relais RL1 gesteuert. Die Widerstände R23 und R22 bilden einen im Vergleich zum Elektrolyt-Verdünnungsmittel in der Blendenöffnung hochohmigen Pfad, so dass die Quelle 94 als Konstantstromquelle wirkt.
Das verstärkte Ausgangssignal geht ab CN2 auf der Leitung 98 zur Dämpfungsplatine 100 (vergl. 10). Aus dem Gleichstrom, der über die Kette VR4, RL1, R23, R22, R21, R47 und die Öffnung 63 über CN1 fließt, lässt sich ein Öffnungsstromsignal ableiten. Die Elektrodenspannungsquelle 94 ist an PL5 gelegt; eine dem Öffnungsstrom proportionale Spannung, die über VR4 und R47 ansteht, wird von IC14a verstärkt. Im Verstärker IC14b weiter aufbereitet, wird sie mit der Leitung 104 – vergl. 10 – zur Messplatine 102 geführt.
Das System arbeitet wie folgt. Das System wird für eine gegebene Elektrodenspannung, den Durchmesser der Blendenöffnung und das Verdünnungsmittel mit anorganischen Teilchen, die auf eine bekannte Größe bzw. ein bekanntes Volumen bearbeitet sind, formal abgeglichen bzw. kalibriert. Nach dem Abgleich in der Fertigung lässt sich der Abgleich im Einsatz des Systems verifizieren, wie unten beschrieben. Sowohl die erste als auch die zweite Kammer 52, 58 der Probenkammer 14 werden gewaschen, indem man die Ventile 51, 56 bzw. die Ventile 80, 74 abwechselnd öffnet und mit der Pumpe 46 Verdünnungsmittel durchpumpt. Beispielsweise lassen die Kammern 52, 58 sich füllen und entleeren, indem man das Unterdrucksystem mit der Pumpe 62 und den Leitungen 72 und 78 dreimal in Folge füllt und entleert, bevor man die Kammern 62 und 58 wieder füllt, um einen elektrischen Abgleichtest zu ermöglichen. Mit IC9 (vergl. 11a, 11b), bei dem es sich um einen CMOS Zeitgeberbaustein des Typs 555 handeln kann, wird eine Folge von Abgleichimpulsen auf eine der Elektroden 82 oder 84 an CN1 gegeben. Die Ausgangsspannung an CN1 lässt sich bspw. auf 12Vss einstellen, so dass eine Impedanzmessung über der Blendenöffnung mit einem Signal möglich wird, das für eine Blendenöffnung von 30 μm Nenngröße bspw. in der Größenordnung von 1 mV liegt. Die Impulsbreite kann für Frequenzen im Bereich von 15 kHz bis 20 kHz in der Größenordnung von 20 μs bis 40 μs liegen und bei 10 kHz etwa 100 μs betragen. Die mittlere Impulshöhe und die Impulsanzahl werden als Teil der Abgleichverifizierung überwacht; insgesamt drei wiederholte Abgleichmessungen lassen sich versuchen, bis die Sequenz abgebrochen wird und an eine VDU-Sichteinheit oder eine ähnliche Ausgangseinrichtung 124, die mit der Platine 102 verbunden ist, ein Fehlersignal abgegeben wird. Der Fluidinhalt des Verdünnungsmittelreservoirs 38 wird dann bspw. mit einem Sensor 41 geprüft, der an die Platine 122 angeschlossen ist; vergl. 10.
Dann wird die (Kolben-)Spritze 42 geladen, indem man mit dem 3-Wege-Ventil 40 Fluid aus dem Reservoir 38 in die Spritze 42 lädt und den Schrittschaltmotor 43 mit einer kalibrierten Anzahl von Schritten ansteuert, um die Spritze mit einem bekannten Volumen – bspw. 1 Milliliter – des Verdünnungsmittels zu laden. Der Benutzer wird dann aufgefordert, eine sterilisierte Wegwerfspitze 28 auf das Ende der Düse 24 des Stabs 26 aufzusetzen und zur Bestätigung den Taster 30 zu drücken. Der Benutzer führt die Wegwerfspitze in das Probenfluid ein und drückt den Taster 30 erneut; die Spritze 42 wird um eine vorprogrammierte Strecke abwärts getrieben, um Probenfluid in die Wegwerfspitze 28 zu saugen.
Der Benutzer setzt den Probenstab mit ausgerichteter Düse 24 in die Nut 20 so ein, dass die Spitze 28 in die erste Kammer 52 ragt. Die erste Kammer 52 wird durch Öffnen der Ventils 80 und Einsatz der Pumpe 62 entleert. Der Benutzer drückt den Taster 30, um eine Ausgabesequenz einzuleiten, in der die Spritze 42 angetrieben wird, wobei das Ventil 40 das Fluid so durch die Leitung 32 drückt, dass die Probe und das Verdünnungsmittel aus dem Stab 26 in die erste Kammer 52 ausgegeben werden. Erkennen dabei die Detektoren 22, dass die Düse sich nicht in der Solllage befindet bzw. die Solllage im Kanal 20 verlassen hat, wartet das System, bis ihre Lage korrigiert worden ist. Sind das Ansaugen, das Verdünnen und das Einbringen der Probe in die Kammer 52 nicht innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne – bspw. 2 Minuten – abgeschlossen, wird die Messung abgebrochen, die Probenkammer gereinigt und der Vorgang erneut eingeleitet.
Es ist einzusehen, dass sich der Spritzenhub in beiden Richtungen und damit mit dem Schrittschaltmotor 43 die Probenmenge, die durch die Spitze 28 angesaugt wurde, sowie die Menge an Verdünnungsmittel, die in die Spritze 42 gesaugt wurde, um mit der Probe gemischt zu werden, und damit auch die Konzentration der Probe im Verdünnungsmittel genau bestimmen lassen.
Die zweite Kammer 58 wird über die Leitung 54 durch Öffnen des Ventils 56 und Betätigen der Pumpe 46 mit frischem Verdünnungsmittel im Wesentlichen gefüllt. Die Menge des Verdünnungsmittels sollte ausreichen, um zwischen den Elektroden 82, 84 und über die Drosselstelle 60 einen elektrisch leitfähigen Pfad zu legen. Vorzugsweise erfolgt ein anfängliches Ansaugen der zweiten Kammer 58, indem man Verdünnungsmittel durch die Lei tung 54 schickt, wie beschrieben, und dabei in der Kammer 58 Turbulenzen erzeugt. Dadurch lässt sich die Wahrscheinlichkeit eines Blockierens bzw. Zusetzens der Blendenöffnung 63 abschwächen.
Das Unterdruckreservoir 64 wird mittels der Pumpen 62 evakuiert, so dass, wenn die Ventile 80, 74 schließen, im Reservoir 64 ein Unterdruck in der Größenordnung von 130 mm Hg (vom Wandler 76 gelesen) verbleibt. Bspw. lässt sich eine der Pumpen 62 abschalten oder das zugehörige Ventil 66 schließen, sobald 90 % des vorbestimmten Unterdrucks erreicht ist, und nur eine der Pumpen 62 verwenden, um das vorbestimmte Unterdruckniveau zu erreichen.
Das Ventil 74 wird bei geschlossenem Ventil 56 geöffnet und folglich eine gewisse Menge Probe und Verdünnungsmittel durch die Öffnung 63 des Drosselkörpers 61, also zwischen den Kammern 52, 58 hindurch gezogen. Die bekannte Spannung wird an die Elektrode 82 (oder 84) gelegt. Nach einer stabilisierenden Verzögerung von bspw. 2 Sekunden wird der durch die Öffnung, d.h. zwischen den Elektroden 82, 84 fließende Strom auf der Leitung 104 geprüft (vergl. 10). Der Anfangswert des Stroms wird zur Verwendung in späteren Vergleichsprüfungen abgespeichert.
Vorzugsweise wird die hohe Gleichspannung abgenommen und an die Elektrode 82 (oder 84) ein Abgleichs-Bezugssignal gelegt, wie bereits beschrieben.
Die bekannte Gleichspannung wird an die Elektrode 82 gelegt und das resultierende Signal zwischen CN1 und CN2 (11a, 11b) verstärkt und von der Verstärkerplatine 92 auf der Leitung 98 (8) ausgegeben. Die 12 zeigt ein Beispiel für die Impulsart, die man beobachtet, wenn ein Teilchen die Öffnung 63 durchläuft. das Impulssignal S hat eine Höhe bzw. Spannung, die vom Teilchenvolumen bestimmt wird. Die Impulsbreite W wird von der Dauer bestimmt, die das Teilchen zum Durchgang durch die Öffnung benötigt, d.h. von der Strömungsstärke und der axialen Länge L der Öffnung. Das Signal weist auch ein charakteristisches Hintergrundrauschen auf.
In einem Beispiel für die Arbeitsweise des Systems sendet der programmierbare Baustein 103 ein Signal an die Messplatine 102, um alle 2 μs insgesamt 16384 14-Bit-Datenumwandlungen durchzuführen. Der Verstärkungsfaktor auf der Dämpfungsplatine 100 lässt sich dann einstellen, wie erforderlich, um das Signal in einen geeigneten Bereich zu bringen. Die aufgenommenen Daten lassen sich von der Messplatine 102 ausgehend versenden – bspw. zur Speicherung in einem Computer-RAM-Speicher, der Teil des Bausteins 103 ist. Das Signal, wie es bspw. in der 10 gezeigt ist, wird analysiert, indem man auf die Rohdaten bspw. einen Glättungsalgorithmus anwendet, um hochfrequentes Rauschen zu beseitigen.
Innerhalb einer gegebenen Menge aufgenommener Daten erfasst das System ein Impulssignal S an Hand einer zeitlich ansteigenden Vorderflanke. Eine Mindestanzahl positiver bzw. ansteigender Probenwerte ist erforderlich, um die Suche nach einer entsprechenden negativen bzw. abfallenden Flanke auszulösen und so ein Impulssignal S zu ermitteln. Ein potenzieller Impuls wird abgewiesen, wenn nach dem Durchlaufen eines Spitzenwerts keine Mindestanzahl abfallender Probenwerte erfasst wird. Das System misst die Signalbreite als den Punkt auf halbem Weg auf der steigenden Flanke zu einem Punkt auf einer fallenden Flanke, wo die Spannung geringer als der Aus gangspunkt auf der Vorderkante wird. Da die erwarteten Teilchen-Strömungsstärken bekannt sind, ist eine abnehmende Strömung in der Drosselblende an Hand der zunehmenden Impulsbreite erfassbar. Dies kann auf eine teilweise zugesetzte Blendenöffnung 63 hinweisen. Ist jedoch die Impulsbreite zu schmal, werden die entsprechenden Daten als Rauschen, nicht als Signal bewertet und verworfen. Die Impulshöhe des Signals S lässt sich zwischen einer Grundlinie im Rauschen N, einem nachfolgenden Signal und dem mittleren bzw. Durchschnitts-Spitzenwert des Signals messen. Alternativ lässt sich die Spitzenhöhe einfach aus dem Wert des ersten ansteigenden Punkts in einem erfassten Impulssignal und Bestimmen der Differenz zwischen diesem Wert und dem des Impulsmaximums ermitteln. Die Impulsfläche folgt aus der Integration des Signals S und wird sowohl für einen Datensatz als auch als kumulatives Histogramm der Probe gespeichert.
Gelegentlich durchlaufen zwei Teilchen die Blendenöffnung 63 gleichzeitig. Dadurch kann sich ein einzelner Impuls ergeben, der dem Volumen beider Teilchen entspricht; jedoch sind zuweilen beide Impulse auflösbar, da ein erster Spitzenwert erfasst wird, bevor in Folge des zweiten Teilchens ein zweiter ansteigender Impuls auftritt. Diese Fälle lassen sich als primäre bzw. sekundäre Koinzidenz bezeichnen. Vorzugsweise ist die Probenkonzentration – bspw. eine Million Teilchen pro Milliliter – derart, dass diese Koinzidenzen sehr selten auftreten. Impulse aus einer sekundären Koinzidenz können jedoch dennoch analysiert werden und bilden einen Teil der Daten durch Extrapolieren entlang der fallenden Flanke des ersten Impulses, um die Impulsbreite zu bestimmen, und auch durch Extrapolieren der ansteigenden Flanke des zweiten Impulses, um ebenfalls die Impulsbreite zu bestimmen. Der Anfangswert an der Vorderkante des ersten Impulses lässt sich bei der Bestimmung der Höhe des zweiten verwenden.
Für jedes in einem Satz erfasste Signal werden die Impulsbreite und -höhe gespeichert und dem Datensatz hinzugefügt. Ergibt sich, dass der Datensatz "gut" ist (die durchgeführten Prüfungen sind unten beschrieben), wird der Satz dem kumulativen Histogramm der Impulshöhen, das die Teilchenvolumenverteilung für die Probe anzeigt, und dem kumulativen Histogramm der Impulsbreiten hinzugefügt. In diesem Beispiel stellt jeder Datensatz die Signale über 32 ms der Datenaufnahme dar. Auch die Anzahl der detektierten Impulse wird als aktueller Satzwert und als Gesamtwert für alle Sätze für eine gegebene Probe (d.h. Serie von Messwerten) gespeichert. Eine weitere Speicherung von Rauschen lässt sich ebenfalls bspw. von jedem Rauschbereich durchführen, der für einen gegebenen Satz aufgenommener Daten kein Signal S enthält. Ein aktueller Wert, der hiervon vor und nach der Speicherung des Datensatzes als Mittelwert der beiden Messungen abgeleitet wird, wird in der Schaltung in 9 bei PCRT oder auf der Leitung 104 der Verstärkerplatine 92 in 10 ausgegeben. Auch das Unterdruckniveau im Reservoir 76 wird für jeden Satz gemessen. Die Satzdaten werden den Gesamt-Probendaten hinzugefügt, um kumulative Probenhistogramme zu erstellen.
Typischerweise erfolgen Messungen einer Probe über ein 20 s bis 30 s langes Intervall, während dessen die Probe – bevorzugt teilchenweise – durch die Blendenöffnung 63 geschickt wird. Die Strömung lässt sich durch wiederholtes Evakuieren des Unterdruckreservoirs 64 mit der Pumpe 62 erzeugen, um im Reservoir einen Unterdruck aufrecht zu erhalten, der Probenflüssigkeit aus der Kammer 62 durch die Kammer 58 zieht, d.h. in Folge des atmosphärischen Überdrucks am Zulauf 16 der Kammer 52. Bspw. können in einem 30-Sekunden-Messintervall drei aufeinander folgende Evakuierungen der Kammer 64 auf ein voreingestelltes Druckniveau erforderlich sein, abhängig davon, wie oft eine Freimachsequenz – unten beschrieben – erfolgt.
Unter Zusetzbedingungen variiert die Impedanz zwischen den Elektroden 82, 84 signifikant; dadurch wird beeinträchtigt, was sich als "Durchgangsverstärkung" der Blendenöffnung 63 oder der Verstärkerstufe IC10 usw. betrachten lässt. Unter diesen Bedingungen kann ein Impulssignal S einem Rechtecksignal nahe kommen. Dieser Zustand lässt sich überwachen, indem man ein detektiertes Impulssignal S an Hand der zeitlichen Differenz zwischen der Signalzunahme über zwei bestimmte vorgegebene Spannungs-Schwellenwert über dem GS-Offset und der Dauer analysiert, die das Signal zur Rückkehr über die beiden vorbestimmten Spannungspegel benötigt. Ist die zeitliche Differenz zwischen dem Durchlauf der niedrigeren und der oberen Niveaus im Wesentlichen gleich und ungleich null, zeigt dies eine Blockierung der Blendenöffnung 63 an. Folgt weiterhin einem Rechtecksignal eine Ausschwingkurve, deren charakteristische Ausschwingrate von der Elektronik bestimmt wird, und die im Sinn des Signals S in 12 ansteigt, zeigt dieses Signal ein sehr großes Teilchen in der Nähe der Blendenöffnung 63 an. Der Impuls wird dann als verworfen bezeichnet.
Auch das Hintergrundrauschen N wird überwacht. Durch Analysieren des Rauschens im Frequenzbereich nach einer Fourier-Transformation lässt sich ein partielles Zusetzen erfassen, da die Durchgangsverstärkung des Verstär kers beeinträchtigt wird und eine anomale Frequenzverstärkung erkennbar wird. Ergibt sich eine Amplitudendifferenz einer beliebigen Frequenzkomponente bspw. um den Faktor 2, können die Daten verworfen werden. Daher kann der Vergleich des Hintergrund- mit dem mittleren Hintergrundrauschen ein partielles oder vollständiges Zusetzen der Blendenöffnung 63 anzeigen.
Um zu prüfen, ob ein gegebener Satz akzeptabel ist, kann eine erste Prüfung die Anzahl der Impulse betreffen, die im Datenaufnahmeintervall beobachtet werden. Variiert die Impulsanzahl signifikant im Vergleich zur mittleren Impulsanzahl pro Satz (bspw. um mehr oder weniger als 50 % oder alternativ eine Standardabweichung vom Mittelwert oder geringfügig mehr), können die Daten verworfen werden. Ebenfalls möglich ist ein Vergleich des aktuellen Mittelwerts zu Beginn und am Ende der Datensatzaufnahme mit dem aktuellen Anfangswert. Ist die Differenz größer als bspw. ±20 %, können die Daten des Satzes verworfen werden. Weiterhin lässt sich der aktuelle Mittelwert mit dem aktuellen Mittelwert des vorgehenden Datensatzes prüfen. Ist die Differenz größer als bspw. 10 % Zunahme oder 5 % Abnahme, kann der zweite Datensatz verworfen werden. Zusätzlich ist ein Vergleich des Rauschens mit statischen Grenzwerten möglich. Erfolgt bspw. eine Fourier-Analyse und variiert eine gegebene Frequenzkomponente um mehr als einen Faktor 2 im Vergleich mit dem Mittelwert, lässt dieser Zustand sich als fehlerhafte Daten auslegen. Ein Vergleich der individuellen oder mittleren Impulsbreite für einen Datensatz mit der kumulativen mittleren Impulsbreite wird durchgeführt. Ist die Abweichung größer als bspw. 10 %, lässt sich der Datensatz verwerfen, sofern eine signifikante Anzahl Impulse pro Satz – bspw. mindestens 30, bevorzugt 100 – erfasst wird. Ebenfalls überwacht wird die Anzahl der verworfenen bzw. Rechteckimpulse; Daten lassen sich verwerfen, wenn in einem gegebenen Satz entweder ein oder mehr verworfene Impulse auftreten. Tritt einer dieser Zustände auf, die zum Verwerfen von Daten führen, wird bevorzugt eine Freimachsequenz eingeleitet.
Vorzugsweise wird die Freimachsequenz eingeleitet, indem man die Gleichspannung von der Elektrode 82 abnimmt und eine Impulssequenz anlegt, die die Abgleichimpulsfolge sein kann. So wird im Elektrolyt eine hochfrequente Schwingung im Frequenzbereich von bspw. 5 kHz bis 20 kHz ausgelöst. Desgl. wird mit der Pumpe 46 über das Ventil 56 bei offenem Ventil 74 die Kammer 58 gefüllt. Nach kurzer Zeit – bspw. 100 ms – wird die Ansaugsequenz abgeschlossen und werden die Abgleich- bzw. Ultraschallimpulse ebenfalls abgeschaltet. Man legt die hohe Gleichspannung wieder an die Elektrode 84 und lässt eine Verzögerung von etwa 1 s zu, während der die Strömung sich stabilisieren kann. Dann wird durch neues Initiieren der Messplatine, Einstellen der Dämpfungsplatine und Aufnahme eines Anfangsstromwerts die Datenmesssequenz erneut begonnen.
Vorzugsweise werden unmittelbar vor einer Freimachsequenz empfangene Daten von den kumulativen Daten subtrahiert und als inkonsistent verworfen.
Die Messsequenz wird wiederholt, bis die erforderliche Fluidmenge die Messblende durchlaufen hat, was sich aus der bekannten Größe der Blendenöffnung 63, der Strömungsrate (aus den Impulsbreiten) und der Messdauer ergibt. Die Messung einer Probe kann auch abgebrochen werden, wenn die erforderliche Teilchenanzahl in einem eingestellten Bereich erfasst worden ist oder ein fataler Fehler auftritt und nicht korrigiert wird – bspw. eine Änderung des Öffnungsstroms ohne Rückkehr zum Anfangswert, ein Leerfallen des Verdünnungsmittelreservoirs, eine Inkonsistenz sich wiederholender Daten oder ein Anstieg des Grundrauschens über ein akzeptables statisches Niveau hinaus.
Bei Abschluss einer Messsequenz wird durch Öffnen des Ventils 80 die Probe aus der Kammer 52 entfernt. Die Probenseite der Kammer 52 lässt sich dann mit einer Folge von Spülzyklen durch Öffnen des Ventils 51 und Betätigen der Pumpe 46 reinigen.
Vorzugsweise wird eine intelligente Waschsequenz durchgeführt, bei der die Konzentration der Probenteilchen einer vorgehenden Probe überwacht wird, d.h. aus der Anzahl der Teilchensignale in einem bekannten Messvolumen. Die Vorrichtung lässt sich auf eine Bestimmung abgleichen, wie viele Spülungen nach einer gegebenen Probenkonzentration zum Reinigen der Kammern erforderlich sind.

Claims

Vorrichtung zum Bestimmen der Größe eines Teilchens oder einer Zelle in einem Fluid mit einer Probenkammer (14) für das Fluid, einer Drosselstelle (160), die eine Öffnung (63), ein Paar Elektroden (82, 84) beiderseits der Öffnung (63) sowie einer Einrichtung (102) zum Messen eines Signals aufweist, das die Änderung der Impedanz zwischen den Elektroden (82, 84) wiedergibt, um so die Größe der Teilchen oder Zellen im durch die Öffnung (63) strömenden Fluid zu bestimmen, und weiterhin mit einer Einrichtung zur Erfassen einer teilweisen oder vollständigen Blockierung des Öffnung (63), die eine Einrichtung zum Überwachen des Signals aufweist und konfiguriert ist, das Auftreten einer vorbestimmten Signaländerung zu erfassen, die ein Blockieren der Öffnung (63) anzeigt, wobei die Messeinrichtung konfiguriert ist, Signalimpulse zu messen, die vom Durchgang von Teilchen oder Zellen durch die Öffnung verursacht werden, die Überwachungseinrichtung konfiguriert ist, eine Breite des Signalimpulses für jedes erfasste Signal in einem Satz zu bestimmen, wobei die Impulsbreite gespeichert und zu diesem Satz gehörenden Daten hinzugefügt wird, und die individuelle oder die mittlere Impulsbreite für einen Satz mit einem vorbestimmten Wert zu vergleichen, wobei weiterhin die Vorrichtung so konfiguriert ist, dass, falls sich aus dem Vergleich ergibt, dass der Satz "gut" ist, die Daten für diesen Satz einer gespeicherten kumulativen mittleren Impulsbreite hinzugefügt wird, während wenn der Vergleich zu große Abweichungen vom vorbestimmten Wert ausweist, die Vorrichtung die Daten für diesen Satz zurückweisen und so ein teilweises oder vollständiges Blockieren der Öffnung ermitteln kann, und wobei der vorbestimmte Impulsbreitewert die kumulative mittlere Impulsbreite ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Überwachungseinrichtung den mittleren Grundlinienwert des Signals überwacht, um zu bestimmen, ob in ihm eine signifikante Drift auftritt, die auf eine teilweise oder vollständig blockierte Öffnung hinweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Überwachungseinrichtung die Höhe eines einzelnen Signalimpulses mit einem bekannten Wert vergleicht, der einer Teilchengröße entspricht, die in der Größenordnung einer vorbestimmten Größe wie bspw. des Durchmessers der Öffnung liegt oder größer ist als diese.
Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei der die Überwachungseinrichtung einen Sättigungs- oder Rechteckimpulsdetektor aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der der Rechteckimpulsdetektor die Zeit vergleicht, die ein Impulssignal zum Durchlaufen eines ersten und eines zweiten vorbestimmten Werts und dann zum Rücklauf über den vorbestimmten ersten und zweiten Wert benötigt.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei der der Rechtweckimpulsdetektor so eingerichtet ist, dass er eine charakteristische Erholungskurve erfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, deren Überwachungseinrichtung die Häufigkeit von Signalimpulsen misst und diese mit einer vorbestimmten Häufigkeit vergleicht.
Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, deren Überwachungseinrichtung das Hintergrundrauschen des Signals auf eine vorbestimmte Änderung wie bspw. Amplitudenänderung innerhalb eines Frequenzbereichs analysiert.
Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, deren Erfassungseinrichtung einen Öffnungsstromdetektor aufweist, mit dem der elektrische Stromfluss zwischen den Elektroden erfassbar ist, so dass die Überwachungseinrichtung den Öffnungsstrom mit vorbestimmten Werten vergleichen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 9, deren Erfassungseinrichtung den Öffnungsstromwert vor oder nach dem Messen eines Signals oder den Mittelwert beider mit einem vor der Signalmessung gemessenen Anfangswert vergleicht.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, deren Erfassungseinrichtung ermittelt, ob die Differenz zwischen dem Öffnungsstromwert und dem Wert, mit dem er verglichen wurde, größer ist als eine 10 %-ige Zu- oder eine 5%-ige Abnahme.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der ermittelt wird, ob die Differenz größer als 20 % ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, deren Messeinrichtung einen 14-Bit-Detektor oder einen Analog/Digital-Wandler mit 14-Bit-Auflösung aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche mit einer Einrichtung, mit der ein Kalibriersignal an eine der Elektroden legbar ist, um das Signal über beiden Elektroden zu überwachen, wobei mit der Überwachungseinrichtung das erfasste Kalibriersignal mit einem vorbestimmten Signal vergleichbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der das Kalibriersignal eine Impulsfolge aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, die so konfiguriert ist, dass ein Alarm nur dann an den Benutzer geht, nachdem das Kalibriersignal vorbestimmt oft wiederholt worden ist, um mit dem vorbestimmten Signal ein akzeptables Ergebnis zu erreichen.
Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche mit einer Einrichtung zum Freimachen der Öffnung durch Entfernen eines mindestens zeitweilig in der Öffnung festgehaltenen Teilchens.
Vorrichtung nach Anspruch 17, deren Freimacheinrichtung betrieblich im Fluid im Bereich der Öffnung Ultraschallschwingungen erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, deren Freimacheinrichtung eine Folge elektrischer Impulse an eine Elektrode des Elektrodenpaars legen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der die Impulsfrequenz höher als fünf kHz ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, bei der die Impulsfrequenz höher als zehn kHz ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der die Impulsfrequenz im Bereich von zehn kHz bis fünfzehn kHz liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 21, bei der die Impulsfrequenz bis zu etwa zwanzig kHz beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 17 bis 23, bei der die Drosselstelle ein Material aufweist, das den piezoelektrischen Effekt zeigt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 24, deren Freimacheinrichtung eine Fluidvortriebseinrichtung aufweist, mit der an der Drosselstelle eine Fluidströmung erzeugbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 25, deren Fluidvortriebseinrichtung ein Fluid im Wesentlichen entgegen der bei den Signalmessungen herrschenden Fluidströmung richtet.
Vorrichtung nach Anspruch 25 oder 26 weiterhin mit einer in der Kammer befindlichen Einrichtung, mit der Fluid aus der Fluidvortriebsrichtung zur Drosselstelle richtbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 27, deren Freimacheinrichtung periodisch – bspw. nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne, nach einer Anzahl von Signalmessungen oder, wo periodische Signalmesswerte zeitweilig in einem Übergangsspeicher abgelegt werden, nach jeder Messperiode – betätigt wird, so dass die Vorrichtung eine Einrichtung aufweist, mit der die Freimacheinrichtung periodisch betätigbar ist.