DE2531882B2 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen des zeta-potentials von suspendierten partikeln in einer fluessigkeit - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum bestimmen des zeta-potentials von suspendierten partikeln in einer fluessigkeitInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen des Zeta-Potentials
von suspendierten Partikeln in einer Flüssigkeit, bei dem eine Probe der Suspension in eine Elektrophoresezelle
eingesetzt wird, längs der ein vorbestimmter Spannungsgradient angelegt wird, und die resultierende
Partikelbewegung auf einem Monotor wiedergegeben und ausgewertet wird.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung dieser Art sind aus der US-PS 37 23 712 bekannt, wobei aus einer
Fluidströmung extrahierte Proben auf die elektrophoretische Beweglichkeit der koloidal suspendierten Partikel
untersucht werden. Hierbei liefert ein elektro-optischer
■»5 Abtaster, etwa ein Photovervielfacher, Bewegungsdaten
der Partikel innnerhalb einer elektrophoretischen Zelle. Diese Daten werden dann durch einen Geschwindigkeitsmodul
gewandelt und gelangen zusammen mit der Spannung der Zelle und der Temperatur als
so Eingabedaten in einen Rechner, der das Zeta-Potential bestimmt. Hierbei kann eine Monitorüberwachung
vorgesehen sein, um eine vergrößerte Ansicht der in der Elektrophoresezelle suspendierten Partikel zu liefern.
Die Bestimmung des Zeta-Potentials ist jedoch unabhängig davon und erfordert eine aufwendige und
komplizierte Vorrichtung, die vollautomatisch ohne Beeinflussung durch eine Bedienungsperson arbeitet.
Ferner sind Zeta-Potential-Meßeinrichtungen, die ein
Mikroskop, eine Zelle und die dazugehörige Energie-
bo Versorgung für Lieferung der notwendigen Gleichstromspannungen
zur Elektrophoresezelle umfassen, bekannt, bei denen eine Zeta-Potentialbestimmung in
der Weise durchgeführt wird, daß die Elektrophoresezelle entweder von Hand oder mit Hilfe einer
<i5 automatischen Einspeisevorrichtung mit einer Probe
der zu messenden Flüssigkeit gefüllt, das Mikroskop auf einen geeigneten Ausschnitt der Elektrophoresezelle
eingestellt und dann mit Hilfe einer Stoppuhr, die Zeit
der Wanderung ausgewählter Partikel über eine abgemessene Distanz bestimmt wird. In einem derartigen
Meßsystem müssen die Partikel individuell zeitlich vermessen werden und die Durchschnittsgeschwindigkeit
muß durch Handmessung berechnet werden. Die Partikelbeweglichkeit und das Zeta-P^tential können
dann aus einer Kurve erhalten werden, die auf der Durchschnittsgeschwindigkeit und der Elektrophoresezellenspannung
basiert. Bei der Zeta-Potentialmessimg
ist die Temperatur der Probe kritisch und die erforderlichen Temperaturkorrekturen erfolgen manuell
aus Faktoren, die mit der Partikelbeweglichkeit und dem Zeta-Potential zusammenhängen. In diesen bekannten
Systemen gibt es keine direkte Anzeige des Zeta-Potentials und auch keine automatische Temperaturkompensation.
Außerdem ist weder die Zelle, noch die Lichtquelle, noch das Mikroskop an einem bestimmten Platz dauerhaft fixiert, weshalb es sich als
erforderlich erweist, alle drei Vorrichtungselemente jedesmal neu zu justieren, wenn eine fr'.jche Probe
gemessen und analysiert wird. Derartige Systeme haben ferner den Nachteil, daß die Ablesungen unterschiedlich
zu sein pflegen in Abhängigkeit vom demjenigen, der sie durchführt, da die erhaltenen Ergebnisse davon
abhängen, welcher Teil der Zelle beobachtet wird und welche Partikel gemessen werden.
Ferner ist aus der US-PS 37 64 512 eine Vorrichtung zum Bestimmen des Zeta-Potentials unter Verwendung
eines Helium-Neon-Lasers bekannt, wobei mittels eines Linsensystems ein Brandfleck des Laserstrahls innerhalb
der Elektrophoresezelle erzeugt wird, während ein von einem Galvanometer angetriebener Spiegel vorgesehen
ist, um den Laserstrahl aus dem Linsensystem in die Elektrophoresezelle zu reflektieren, wobei der
Winkelweg und die Winkelgeschwindigkeit des Spiegels durch eine Bedienungsperson gesteuert werden, bis der
fokussierte Laserlichtfleck bei Betrachtung durch ein Mikroskop den Partikeln in der Elektrophoresezelle
folgt. Hierbei ist eine direkte visuelle Beobachtung durch eine Bedienungsperson durch das Mikroskop und 4C
die gleichzeitige Nachregelung des Spiegels notwendig. Man erfaßt immer nur ein Partikel, so daß zur Erzielung
einer mittleren Partikelgeschwindigkeit für die Bestimmung des Zeta-Potentials eine mehrfache Spurverfolgung
notwendig ist. Eine Eliminierung von Partikeln mit zufälligen Bewegungen infolge spezifischer Schwere,
Konvektionsströmen usw. kann nicht erfolgen, da die Bedienungsperson selbst den Mittelwert über das Bild
durch Auswahl entsprechender Partikel bildet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten
Art zu schaffen, bei denen durch Beobachtung weniger Partikel eine für die durchschnittliche Partikelbewegung
repräsentative, von einem Rechner für die Berechnung des Zeta-Potentials verarbeitbare Größe in
einfacher Weise auch von mehreren Personen gewonnen werden kann.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet
ist, daß auf dem Monitor ein in der Bewegungsrate bo variables Bezugsmuster erzeugt wird, dessen Bewegungsrate
gemäß einer von der Probentemperatur und dem Spannungsgradienten abhängenden Funktion kompensiert
wird, daß das Bezugsmuster so eingestellt wird, daß seine Bewegungsrate gleich der der Partikel ist, und μ
daß aus der eingestellten Bewegungsrate des Bezugsmusters das Zeta Potential abgeleitet wird.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die gekennzeichnet
ist durch eine Einrichtung zur Überlagerung der wiedergegebenen Partikelbewegung mit einem in der
Bewegungsrate variablen Bezugsmuster, eine Einrichtung zum Einstellen der Bewegungsrate des Bezugsmusters
derart, daß diese mit derjenigen der Partikel übereinstimmt, eine Einrichtung zur Kompensation der
eingestellten Bewegungsrate des Bezugsmusters entsprechend einer von der Temperatur der Probe und dem
Spannungsgradienten längs der Elektrophoresezelle abhängigen Funktion, eine Einrichtung zum Erzeugen
eines Ausgangssignals, das die eingestellte und kompensierte Bewegungsrate des Bezugsmusters ergibt, und
eine Einrichtung zur Bestimmung des Zeta-Potentials der Partikel aus dem Ausgangssignal.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt in deren optischem System. In zahlreichen der
angegebenen Zcta-Potential-Meßvorrichtungen des Standes der Technik verläuft der optische Pfad des
Systems vom Auge des Bedienungsmannes über ein Mikroskop und die Elektrophoresezelle zu einem
Spiegel und dann zu einer Lichtquelle. Gemäß vorliegender Erfindung ist der optische Pfad: Auge des
Bedienungsmannes, TV-Bild, TV-Kamera, Linse. Zelle, faseroptischer Leiterund schließlich eine Lichtquelle.
Ein weiterer Vorteil aufgrund der Verwendung eines Bezugsmusters liegt darin begründet, daß mehr als eine
Bedienungsperson das Bild der in Bewegung be.'indlichen Partikel gleichzeitig beobachten kann. Ferner kann
das Bild ohne Verlust an Details durch Verwendung einer größeren TV-Bildröhre und höherer Auflöseapparaturen
vergrößert werden. Die Fernsehkamera, Linsen und die Elektrophoresezellen sind in geeigneten
Stellungen zueinander montiert und es können zahlreiche Ablesungen erfolgen, ohne daß sich Einstellungen
als erforderlich erweisen.
In den angegebenen bekannten Systemen beobachtet das Mikroskop die Zelle von oben und die Partikel
erscheinen für das Auge so, daß sie sich in geraden Linien zu der einen oder anderen Elektrode der
Elektrophoresezelle bewegen. Praktisch fallen jedoch Partikel aufgrund der Schwerkraft auch nach unten.
Dies wirft ein Problem auf mit rasch sinkenden Partikeln, d.h. daß diejenigen Partikel, welche eine
höhere Dichte oder ein größeres Gewicht haben, im Blickfeld nur eine kurze Zeit erscheinen und dann unter
die Ebene des Blickfelds auf den Boden der Elektrophoresezelle fallen. Ein Problem dieser Art kann durch eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ausgeschaltet werden, indem die Partikelbewegung von der Seite der
Zelle beobachtet wird. Hierbei liegt die Ebene des Blickfeldes in der Zelle parallel zu den Kräften, die eine
Bewegung sowohl in horizontalen als auch in vertikalen Richtungen bewirken, und jedes Partikel, das sich zu
Beginn der Messung im Fokus befindet, bleibt im Fokus, bis es aus dem Blickfeld entschwindet. Durch die
Beobachtung der Elektrophoresezelle in horizontaler Richtung wird daher die Genauigkeit der Beobachtung
der Partikelbewegung stark verbessert und erhöht.
Eine Aufschlämmung, die viele große, sich rasch absetzende Partikel enthält, wird sehr viel trüber am
Boden der Zelle kurz nachdem die Probe in der Zelle zur Ruhe kommt. Demzufolge wird die Lichttransmission
zunehmend schlechter nahe dem Boden der Zelle. Gemäß vorliegender Erfindung verbessert sich jedoch
praktisch die Lichttransmission der Elektrophoresezelle, da die schweren Partikel aus dem Bild herausfallen
und die beobachtete Probe klarer wird. Eine Aufscnlüm-
mung, die eine derartig hohe Dichte an Partikeln oder Aggregaten enthält, daß keine individuellen Merkmale
langer als einige Sekunden im Blickfeld sichtbar bleiben, kann dadurch auf ihr Zeta-Potential analysiert werden,
daß die Bezugsmuster-Abtastrate so eingestellt wird, daß sie mit der Bewegung der allgemeinen Massenwandung
über den TV-Monitor übereinstimmt.
Die Elektrophoresezelle kann mit einer kleinen Glühlampe von weniger als 10 Watt und einer
Fiberoptik-Lichtröhre, die unerwünschte Hitze ausfiltriert und ein konzentriertes Bündel von kaltem Licht
auf die Rückseite der Zelle schickt, beleuchtet werden, so daß die Einflüsse der Temperatur auf die Partikelbewegung
ausgeschaltet werden.
Im allgemeinen ist die Messung und Anzeige von Partikeln auf Durchmesser von etwa 5 Mikron oder
größer beschränkt. Die Bestimmung kann jedoch verbessert werden durch Verwendung einer TV-Kamera
mit höherer Auflösung.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer in den Figuren dargestellten Ausführungsform näher erläutert.
F i g. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Bestimmen des Zeta· Potentials in Form eines Blockdiagramms.
Fig. 2 zeigt auseinandergezogen eine zur Messung des Zeta-Potentials geeignete Elektrophoresezelle.
F i g. 3 zeigt die Führung einer Flüssigkeitsprobe zum Einspritzen in eine Elektrophoresezelle.
Fig.4 zeigt in Form eines Blockdiagramms einen
Bezugsmustergenerator mit zugehörigem Stromkreis.
Fig.5 zeigt eine Vorderansicht der Steuerungs- und
Anzeigetafel einer Vorrichtung zum Bestimmen des Zeta-Potentials.
Wie aus Fi g. 1 ersichtlich, enthält die Elektrophoresezelle
10 eine Flüssigkeitsprobe, die durch den Probevorratsbehälter und Pumpe 12 zugeführt wird,
und sie ist beleuchtet mit einer variable Lichtintensitäten liefernden Lichtquelle 14 über einen Lichtpfad 16,
der die Elektrophoresezelle 10 mit kaltem Licht bestrahlt, um die durch Temperaturänderungen bedingten
nachteiligen Effekte auf die Messung der elektrophoretischen Beweglichkeit innerhalb der Elcktrophoresezelle
10 zu vermeiden. Die elektrophoretische Beweglichkeit der Probe in der Elektrophoresezelle 10
wird über den optischen Pfad 17 vom Bildsensor 18 gemessen, der ein Mikroskop zur Vergrößerung des
Bildes der in der Elektrophoresezelle 10 befindlichen Partikel aufweisen kann, wie weiter unten ausführlicher
beschrieben wird.
Das Ausgangssignal des Bildsensors 18 ist das Eingangssignal zu TV-Monitor 20, der ein Bild der
Partikelbewegung innerhalb der Elektrophoresezelle 10 wiedergibt. Das Ausgangssignal des Bildsensors 18 ist
außerdem das Eingangssignal zum Datenauswerter 22, in dem die erforderlichen Berechnungen des Zeta-Potentials
gemacht werden. Angaben über die in Frage kommenden und hier verwendbaren Formeln zur
Berechnung des Zeta-Potentials finden sich in der angegebenen US-PS 37 23 712, weshalb hier nicht näher
darauf eingegangen wird. Die Temperatur der Probe innerhalb der Elcktrophoresezelle 10 wird abgefühlt
durch den Temperatursensor 24 und diese Information stellt das Eingangssignal zum Datenauswerter 22 dar.
Das Ausgangssignal des Datenauswerters 22 umfaßt das Zeta-Potential, die Temperatur und die spezifische
Leitfähigkeit der Probe in der Elektrophorese/eile 10. Jedes der angegebenen Ausgangssignalc kann in
ablesbarer Form angezeigt werden durch den Ablcseanzei«cr2f>.
Temperaturkompensationsdaten vom Datenauswerter 22 stellen das Ausgangssignal dar für den
Bezugsmustergenerator 28, der ein Eingangssignal zum TV-Monitor 20 liefert, und insbesondere ein Eingangssignal
zum TV-Monitor 20 liefert und insbesondere ein Signal zur Steuerung der Horizontaldurchlaufrate des
Bezugsmusters 30 über das Partikelbild auf dem Monitor 20. Bezugsmustersteuerung 32 liefert ein
Eingangssignal zum Datenauswerter 22 und zum
to Bezugsmustergenerator 28 für die Erzeugung der angegebenen Bezugsmusterdurchlaufrate. Die Energieversorgung
34 liefert die erforderliche Energie zu den Systemeinheiten. Der Datenauswerter 22 liefert außerdem
ein 4 bis 20 Milliampere-Ausgangssignal, das zur Einstellung einer automatischen Steuerungseinrichtung
verwendbar ist, wie dies in der angegebenen US-PS beschrieben wird. Eine veränderbare Zellenspannung
wird dem Bezugsmustergenerator 28 und der Elektrophoresezelle 10 vom Datenauswerter 22 zugeleitet, um
das notwendige elektrische Feld zur Ingangsetzung und Aufrechterhaltung der Partikelbewegung zu liefern
Die Lichtquelle mit variabler Lichtintensität 14 liefen die erforderliche Beleuchtung der Elektrophoresezelle
10, so daß das Bild der Partikel in der Probe vorr Bildsensor 18 festgestellt und vom Bedienungsmann am
TV-Monitor 20 beobachtet werden kann. Es ist vor Vorteil, daß nur Licht und wenig oder gar keine
Wärmeenergie der Elektrophoresezelle 10 zugeführl wird, da die elektrophoretische Beweglichkeit der
Partikel durch Temperaturänderungen beeinflußt wird Eine Hitzeübertragung jedweder Art in die Elektrophoresezelle
führt zur Erzeugung von Konvektionsströmen in der Probe, welche die elektrophoretische Wanderung
der in der Probe befindlichen Partikel beeinflussen. Eir durch Strahlung und Leitung bewirktes Erhitzen dei
Elektrophoresezelle 10 wird vermindert oder ausgeschaltet durch Verwendung einer Glasfaseroptik-Licht
röhre, die das Licht zum geeigneten Punkt in dei Elektrophoresezelle 10 befördert und gleichzeitig vor
der Lichtquelle emittierte Niederfrequenzenergie ausfil tert. Die Lichtencrgic wird durch Veränderung der
Spannung, die der Lichtquelle 14, z. B. einer Glühlampe zugeführt wird, gesteuert.
Die in F i g. 2 dargestellte Elektrophoresezelle K weist vor allem einen Polyacrylstab 40 von etwa 6,35 crr
(2,5 inch) Länge und 0,13 χ 0,13 cm (0,5 χ 0,5 inch lichter Weite auf. Ein zentral angeordnetes Loch 42 \s·
in Längsrichtung durch den Stab 40 gebohrt unc Leitungsanschlüsse 44, 46 sind mit jedem Ende dei
Stabes verbunden. Die Leitungsanschlüsse 44, 46 sine mit jedem Ende des Stabes verbunden. Die Leitungsan
Schlüsse 44, 46 dienen zweierlei Zwecken, nämlich sit verbinden die Elektrophoresezelle 10 mit einer (nich
gezeigten) Probenpumpe durch eine entsprechend!
Leitung, so daß frische Flüssigkeitsproben automatiscr
durch die Zelle gespült werden können, und sie diener außerdem als Zellelektroden. Reinigungsschraube 41
und Dichtungsring 50 an einem Ende der Elektrophore sezelle 10 ermöglichen eine zwischenzeitliche Reini
Wi gung der Zelle, ohne daß es sich als erforderlich erweist
die Anschlußstücke 44, 46 oder das Rohr 40 zi entfernen.
Der Bildsensor 18 beobachtet die Elektrophoresczel Ie 10 etwa in der Mitte des Stabes 40, wo ein \bschnit
<p'' des Stabes abgefräst und durch kleine Glasfenster 52,5'
ersetzt ist, und zwar eines auf jeder Seite des Glasstabes wie Fig. 2 erkennen läßt. Das Glas verbessert di<
Qualität des vom Bildsensor 18 festgestellten Partikel
bildes. Der Bildsensor 18 beobachtet die Probe durch das Glasfenster 54. Hinter dem Glasfenster 52 ist ein
kleines Loch 56 im Glasfaseroptikverbindungsstück 58 vorgesehen, durch welches die Glasfaseroptikbeleuchtung
in den Meßteil der Zelle eintritt.
Die Elektrophoresezelle 10 ist die kritischste Komponente des optischen Systems der Meßvorrichtung,
da sie das Flüssigkeit-Feststoffgemisch zwischen den Zellelektroden 44, 46 aufnimmt und hält, so daß es
vom Bildsensor 18 beobachtet werden kann. Die frische Probe wird in die Zelle gesaugt mit Hilfe der in F i g. 3
gezeigten Pumpe und Solenoidventile 104,106, die dann geschlossen werden, um die Probe innerhalb der Zelle
einzuschließen. Die Probe wird in die Zelle durch Einlaß 60 eingeführt und verläßt sie durch Auslaß 62. Sobald
die Solenoidventile geschlossen sind, wird eine Gleichstromspannung zwischen 10 bis 500 Volt angelegt
zwischen den Zellelektroden 44,46 über die Schnellverbindungsanschlüsse
64, 66. Die Gleichstromspannung führt dazu, daß sich jedes suspendierte Partikel der
Probe innerhalb der Elektrophoresezelle 10 aufgrund seiner eigenen Ladung gegen eine Elektrode mit
entgegengesetzter Polarität bewegt. Die Geschwindigkeit jedes Partikels ist proportional seiner eigenen
Oberflächenladung, der Zellspannung und der Temperatur der Probe. Die Bewegung des Partikels wird vom
Bildsensor 18 beobachtet und seine Bewegung wird in ein Zeta-Potential aufgelöst. Bewegt sich ein Partikel in
der Probe nicht, so hat es eine Oberflächenladung von Null und es wird ihm ein Zeta-Potential von Null
zugeordnet.
Die die eigentliche Zelle bildenden Komponenten selbst sind in einem Bakelitrahmen 68 und einer
Bakelitmontierplatte 70 eingeschlossen, wie aus F i g. 2 ersichtlich.
Der im Meßsystem verwendete Bildsensor umfaßt vorzugsweise eine Standard-TV-Vidiconröhre, die in
bezug auf Bildwiedergabequalität über dem Durchschnitt liegt. Das Bild wird auf die Frontseite der
Vidiconröhre fokussiert mit einer Standard-lOfach-Mikroskopobjektivlinse.
Der Zweck des Bildsensors ist einfach die Erzielung einer vernünftig guten Wiedergabe
der einzelnen Partikel und die Weitergabe dieser Information an einen TV-Monitor zur Beobachtung
durch den Operateur des Systems.
Es kann aber auch jeder andere Bildsensor, der die äquivalente Funktion einer Televisionskamera ausüben
kann, verwendet werden. Ein typisches Beispiel für einen anderen geeigneten Bildsensor ist eine Photoanordnung
mit einer großen Zahl von photelektrischen Zellen, die in einem eng beieinander liegenden
Verbundmuster arrangiert sind, so daß ein Bild unter ausreichender Bildauflösung auf sie fokussiert werden
kann. Die Auflösung des optischen Systems beträgt ungefähr 5 Mikron; diese Auflösung kann jedoch erhöht
werden durch Verwendung einer Vidiconröhre mit höherer Auflösung, wie sie gemäß dem Stand der
Technik zur Verfügung steht.
Beim TV-Monitor 20 kann es sich um jeden beliebigen Schwarz-Weiß- oder Farb-TV-Monitor handeln, der ein
CCTV-Systemsignal aufnimmt, wobei CCTV (closed
circiut TV) für »drahtgebundene Fernseh-Systeme« steht. Der Monitor gibt ein von der angegebenen
TV-Kamera erzeugtes Primärbild wieder zur Beobachtung der Flüssigkeitsprobe innerhalb der Elektrophoresezelle
10. Überlagert auf dem Primärbild befindet sich das Bezugsmuster 30, das vorzugsweise aus einer
Anzahl von in gleichem Abstand über den TV-Schirm verlaufenden Vertikallinien besteht. Die Vertikallinien
werden von einem Bezugsmustergenerator erzeugt, der weiter unten näher beschrieben wird. Die Vertikallinien
werden über das TV-Kamerabild mit von Hand einstellbaren Geschwindigkeiten, die durch einen Knopf
am Datenauswerter 22 steuerbar sind, laufen gelassen.
Der Datenauswerter 22 umfaßt die Schaltung zur Erzeugung der variablen Zellspannungen für die
Elektrophoresezelle 10, einen Zeitmesser zur Steuerung
ίο der automatischen Probezuführung aus dem Probevorratsgefäß
und der Pumpe 12, einen Analog-in-Digitalumwandler
zur Ablesung der Temperatur, der spezifischen Leitfähigkeit und des Zeta-Potentials, und einen
weiteren Umwandler zur Ausbildung eines 4 bis 20 Milliampere-Ausgangssignals, das zu Steuerzwecken in
der obenbeschriebenen Weise verwendet wird. Vorzugsweise ist der Datenauswerter 22 in einem Gehäuse
eingeschlossen, das auch den TV-Monitor 20, ein Verfahrensanzeige-Kontrollinstrument und eine Registrierblattaufzeichnungs-
oder andere Ablesevorrichtung enthält.
Wie bereits erwähnt, ist das aus Vertikallinien 30 auf dem Monitor 20 bestehende Bezugsmuster überlagert
dem TV-Kamerabild der in der Elektrophoresezelle beobachteten Partikel. Die Vertikallinien 30 bewegen
sich mit einer Geschwindigkeit, die gesteuert wird durch die manuelle Potentiometersteuerung 70, welche in
F i g. 4 dargestellt ist. Es ist bekannt, daß die elektrophoretische Beweglichkeit der Partikel eine
Funktion des Spannungsgradienten längs der Elektrophoresezelle sowie der Temperatur der Flüssigkeitsprobe
innerhalb der Zelle ist. Demzufolge muß die Geschwindigkeit der Vertikallinien 30 auch in Abhängigkeit
vom Spannungsgradienten längs der Elektrophoresezelle 10 und der Temperatur der darin
befindlichen Flüssigkeitsprobe gesteuert werden. Die Musterabtastratensteuerung 70 stellt das Ausgangssignal
des Spannungsteilers 72 ein, das das Eingangssignal für den Zellspannungs-Stromkreislaufseinsteller (cell
voltage scaling circiut) 74 bildet. Das Ausgangssignal des Zellspannungs-Stromkreislaufeinstellers 74 ist das
Eingangssignal für den Spannungssteuerung-Rampengenerator (volltage control ramp generator) 75 und
besteht aus einer Kombination des Ausgangssignals des Spannungsteilers 72 und einer Spannung, die proportional
der Zellspannung ist, welche mit dem Zellspannungsknopf eingestellt und an die Elektrophoresezelle
angelegt ist. Der Temperaturkompensationskreislauf 76 bildet Steuersignale aus den für spannungsgesteuerten
so Rampengenerator 75, so daß eine Temperaturkompensation
des Bezugsmusters für die Eleketrophoresezelle geschaffen wird, die proportional der Differenz
zwischen der Temperatur der Probe innerhalb der Zelle und einer Bezugstemperatur ist. Der Abfall des
Neigungsausgangssignals des Rampengenerators 75 wird daher variiert entsprechend der Zellspannung, der
Temperatur der Probe innerhalb der Zelle 10 und der manuell eingestellten Spannung des Spannungsteilers
72.
*>" Das Ausgangssignal des Rampengenerators 75 ist das
Eingangssignal für einen variablen Synchron-Verzögerungsspannungsstromkreis
78, der Synchronisationsimpulse von der TV-Kamera 80 empfängt. Das Ausgangssignal
des Synchron-Verzögerungsspannungsstromkrei-
br> ses 78 umfaßt eine Reihe von Impulsen, die zeitlich
verzögert von den Kamcraimpulsen sind, wobei die Verzögerung nur einen Bruchteil des Zeitintervalls
zwischen den Kamera-Synchronimpulsen darstellt
Gemäß der hier beschriebenen Ausführungsform variiert die Synchronisationsverzögerung zwischen
festgesetzten Grenzen von Null bis 1/5 bis 1/30 einer vollen Horizontalabtastlinie bei einer durch den
Rampengenerator 75 bestimmten Frequenz. Wenn das Verzögerungs-Ausgangssignal des Synchronverzögerers
78 seinen Maximalwert erreicht, wird es auf Null zurückgestellt und rezyklisiert. Der Liniengenerator 82
weist einen Oszillator für variable Frequenzen auf, welcher durch Impulse vom Synchronverzögerungsstromkreis
78 synchronisiert wird, so daß er eine Anzahl von im gleichen Abstand voneinander befindlichen
Impulsen zwischen jedem Synchronimpuls erzeugt. Diese Impulse erzeugen das Bezugsmuster auf dem
TV-Monitor 20, das sich mit einer Geschwindigkeit bewegt, die proportional zum Ausgangssignal des
Rampengenerators 75 ist, welcher wiederum proportional der Spannung vom Spannungsteiler 72, vom
Zeilspannungsgradienten und von der Probetemperatur ist.
Die Temperatur in der Elektrophoresezelle 10 wird abgefühlt vom Temperatursensor 84 und eingegeben
zum Temperaturkompensationsstromkreis 76, welcher das angegebene Signal ausbildet proportional zur
Temperatur innerhalb der Zelle und einer Bezugstemperatur. Das Ausgangssignal des Temperatursensors 84
wird auch dem Schalter 86 zugeführt. Der Schalter 87 empfängt das Ausgangssignal vom Sensor für die
spezifische Leitfähigkeit 88, der die spezifische Leitfähigkeit der Flüssigkeitsprobe innerhalb der Elektrophoresezelle
IO abfühlt. Die beweglichen Kontakte der Schalter 86 und 87 werden in den spannungsgesteuerten
Oszillator 90 eingegeben. Das andere Eingangssignal zum spannungsgesteuerten Oszillator 90 ist das
Ausgangssignal des Spannungsteilers 72. Sind die Schalter 86 und 87 offen, so erzeugt der spannungsgesteuerte
Oszillator 90 eine Ausgangsfrequenz, die proportional dem Ausgangssignal des Spannungsteilers
72 ist und deshalb proportional der manuell eingestellten Bezugsabtastrate. Aufgrund der Tatsache, daß das
Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Rampengenerators 75 so eingestellt wurde, daß es proportional
der Partikelgeschwindigkeit ist, und weil es bezüglich der Temperatur der Flüssigkeitsprobe in der Elektrophoresezelle
und des Spannungsgradienten längs derselben kompensiert wurde, handelt es sich beim
Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators 90 um eine Frequenz, die direkt proportional der
Partikelbewegung in der Elektrophoresezelle ist.
Der Digitalablesungsstromkreis 92 ist kalibriert, so daß er eine direkte digitale Ablesung des Zeta-Potentials
der Flüssigkeitsprobe ermöglicht, wie sie sich aus der Differenz zwischen dem Ausgangssignal des
spannungsgesteuerten Oszillators 90 und dem Ausgangssignal des fixierten Bezugsoszillators 94 ergibt.
Das Ausgangssignal des Digitalablesestromkreises 92 stellt ein Zeta-Potential dar aufgrund der Tatsache, daß
das Ausgangssignal des Spannungsteilers 72 proportional ist der manuell eingestellten Bezugsmusterabtastrate,
die kompensiert wurde durch den Zellspannungseinstcllstromkreis 74 und den Temperaturkompensationsstromkreis
76. Es ist bekannt, daß die Geschwindigkeit der Partikel in einem elektrischen Feld abhängig ist von
drei Variablen, nämlich dem Spannungsgradienten der Elektrophoresezelle, der Temperatur der in der Zelle
befindlichen Flüssigkeitsprobe und dem Zeta-Potential der in der Zelle befindlichen Partikel. Somit wurde allen
drei Variablen in zufriedenstellender Weise Rechnung getragen, so daß der in Fig.4 dargestellte Bezugsmustergenerator
eine direkte Ablesung des Zeta-Potentials bei offener Schalterstellung der Schalter 86 und 87
liefert. Der spannungsgesteuerte Oszillator 90 liefert eine direkte Anzeige der Temperatur oder der
spezifisichen Leitfähigkeit der Flüssigkeit innerhalb der Elektrophoresezelle, wenn der Schalter 86 bzw. 87
verbunden ist mit den Schalterkontakten für die Temperatur bzw. spezifische Leitfähigkeit, wie in F i g. 4
ίο veranschaulicht.
Das die Kompenenten der Fig. 4 umfassende Schaltsystem ist dem Fachmann bekannt, so daß eine
detaillierte Beschreibung jeder der Komponenten nicht für notwendig erachtet wird, um vorliegende Erfindung
zu verstehen und in die Praxis umzusetzen. Der Spannungssteuerungs-Rampengenerator 75 kann aus
einem Integratorstromkreis bestehen, der einen operativen Verstärker umfaßt, in welchem die Aufladerate des
Kondensators in der Rückkupplung des operativen Verstärkers spannungsabhängig variiert wird. Der
variable Synchron-Spannungsverzögerer 78 kann auch aus einem operativen Verstärker mit einer Integratorrückkopplung
bestehen, so daß sich der Stromkreis auf einen bestimmten Wert erneut einstellt. Der Temperaturkompensationsstromkreis
76 kann aus einem Verstärker bestehen, der einen Ausgangswert aufweist, der
proportional ist der Änderung in der Beweglichkeit der Partikeln mit der Temperatur. Der spannungsgesteuerte
Oszillator 90, die Digitalableseeinrichtung 92 und der
jo Festwert-Bezugsoszillator 94 weisen ein bekanntes
Digitalvoltmeter auf, in dem das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators 90 die Intervalle
steuert, während welcher das Ausgangssignal des Festwert-Bezugsoszillators 94 gezählt und berechnet
wird.
Damit die Meßvorrichtung ordentlich funktioniert, muß die Elektrophoresezelle 10 mit einer kontinuierlich
frische Proben liefernden Quelle ausgestattet sein, die in die Zelle rasch und leicht eingespritzt werden können.
Außerdem muß die frische Probe, wenn sie sich innerhalb der Elektrophoresezelle 10 befindet, isoliert
sein von Störungen, die von außen kommen und Irrtümer bei der Bestimmung des Zeta-Potentials
verursachen können. Um den aufgezeigten Erfordernissen gerecht zu werden, wird das in F i g. 3 dargestellte
Probenzuleitungssystem verwendet. Eine Probe von der Probenlieferquelle 100 wird unter Saugen von der
Pumpe 102 durch die Solenoidventile 104, 106, von denen jedes ein Dreiwegventil ist, dessen dritter
Anschluß mit Hilfe eines Rohrs oder Schlauchs mit den Enden der Elektrophoresezelle 10 verbunden ist,
gepumpt. Wird eine frische Probe gewünscht, hört die Probe auf, durch die Ventile 104, 106 zu fließen und
fließt stattdessen vom Solenoidventil 104 zur Zelle 10 und aus dieser heraus über Ventil 106. Während einer
Zeta-Potential-Bestimmung schließen die Ventile 104,
106 und der Probefluß erfolgt direkt vom Ventil 104 durch Ventil 106. Druckschwankungen werden aufgehoben
und gedämpft mit Hilfe der Luftöffnung 108.
Fig. 5 veranschaulicht eine typische Schalttafel, in
welcher die Polarität der Spannung über die Elektrophoresezelle 10 umgekehrt werden kann mit Hilfe des
Polaritätsschalters 110. Die Schalter 86 bzw. 87 verändern die Digitalanzeige 114 auf die Probcntempe-
b5 ratur oder die spezifische Leitfähigkeit ausgehend vom
normalen Zeta-Potential. Die Steuerung 116 ermöglicht
eine manuelle Einstellung des Zcta-Potentialbereichs des Instruments, so daß die Empfindlichkeit der
Ablesung verbessert werden kann. Die Steuerung 118 ermöglicht die Einstellung der Zellspannung innerhalb
eines Bereichs von Null bis 50 Volt/cm. Die Meßbeginnsteuerung 120 ermöglicht entweder automatische oder
manuelle Probezuführung der Flüssigkeit in die Elektrophoresezelle 10 und aus dieser heraus. Die
Bezugsmusterbewegungsrate wird mit Hilfe des Potentiometers 70 eingestellt, welches im Zusammenhang mit
Fig.4 beschrieben wurde. Schließlich ist auch die Lichtintensität verstellbar mit Hilfe des Potentiometers
122 und die Energiezufuhr wird gesteuert durch den Energie-Ein/Aus-Schalter 124.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (12)
1. Verfahren zum Bestimmen des Zeta-Potentials von suspendierten Partikeln in einer Flüssigkeit, bei
dem eine Probe der Suspension in eine Elektrophoresezelle eingesetzt wird, längs der ein vorbestimmter
Spannungsgradient angelegt wird und die resultierende Partikelbewegung auf einem Monitor
wiedergegeben und ausgewertet wird, dadurch
gekennzeichnet, daß auf dem Monitor ein in der Bewegungsrate variables Bezugsmuster erzeugt
wird, dessen Bewegungsrate gemäß einer von der Probentemperatur und dem Spannungsgradienten
abhängenden Funktion kompensiert wird, daß das Bezugsmuster so eingestellt wird, daß seine Bewegungsrate
gleich der der Partikel ist, und daß aus der eingestellten Bewegungsrate des Bezugsmusters das
Zeta-Potential abgeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe mit einer Lichtquelle für
kaltes Licht bestrahlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Partikelbewegung
vergrößert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe mit der Lichtquelle für kaltes
Licht durch eine Ebene bestrahlt wird, die praktisch senkrecht zum Schwerefeld liegt, wobei der
vergrößerte Teil der Partikelbewegung in einer Ebene entnommen wird, die praktisch parallel zum
Schwerefeld verläuft.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als von der Temperatur
der Probe abhängige Funktion die Differenz der Temperatur der Flüssigkeitsprobe und einer Bezugstemperatur verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das gemessene Zeta-Potential
sichtbar dargestellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die spezifische Leitfähigkeit der Probe
gemessen und das gemessene Zeta-Potential zusammen mit der Temperatur und der spezifischen
Leitfähigkeit sichtbar dargestellt wird.
8. Vorrichtung zum Bestimmen des Zeta-Potentials von suspendierten Partikeln in einer Flüssigkeit
mit einer Elektrophoresezelle, einer Einrichtung zum Einführen der Flüssigkeitsprobe in die Zelle,
einer Einrichtung zum Anlegen eines vorbestimmten Spannungsgradienten längs der Elektrophoresezelle,
sowie einem Monitor zur Wiedergabe und Auswertung der resultierenden Partikelbewegung
zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine
Einrichtung (28) zur Überlagerung der wiedergegebenen Partikelbewegung mit einem in der Bewegungsrate
variablen Bezugsmuster, eine Einrichtung (32) zum Einstellen der Bewegungsrate des Bezugsmusters derart, daß diese mit derjenigen der Partikel
übereinstimmt, eine Einrichtung (22) zur Kompensation der eingestellten Bewegungsrate des Bezugsmusters entsprechend einer von der Temperatur der
Probe und dem Spannungsgradienten längs der Elektrophoresezelle (10) abhängigen Funktion, eine
Einrichtung (24) zum Erzeugen eines Ausgangssignals, das die eingestellte und kompensierte Bewegungsrate
des Bezugsmusters ergibt, und eine Einrichtung (22) zur Bestimmung des Zeta-Potentials
der Partikel aus dem Ausgangssignal.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (14) zum Bestrahlen der
Probe mit kaltem Licht durch eine praktisch senkrecht zum Schwerefeld verlaufende Ebene
sowie eine Einrichtung zum Vergrößern der Probe zu einer praktisch parallel zum Schwerefeld
verlaufenden Ebene.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ίο gekennzeichnet, daß die Einrichtung (24) zur
Erzeugung eines Ausgangssignals, das die eingestellte und kompensierte Bewegungsrate des Bezugsmusters
ergibt, eine Einrichtung zum Abfühlen der Temperatur der Probe und zur Erzeugung eines
Signals ist, das zur Differenz zwischen der Temperatur der Probe und einer Bezugstemperatur
in Beziehung steht.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis
10, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (26) zur sichtbaren Darstellung des Zeta-Potentials der
Probe und gegebenenfalls der Temperatur und der spezifischen Leitfähigkeit der Probe.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis
11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (32)
zum Einstellen der Bewegungsrate des Bezugsmusters ein manuell einstellbares Potentiometer (70)
aufweist.
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