DE2531882B2 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen des zeta-potentials von suspendierten partikeln in einer fluessigkeit - Google Patents

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-

b^r> 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)

Patentansprüche:

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.