DE3718407A1 - Anordnung fuer die optische analyse von partikelpopulationen in gasen und fluessigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Analyse von Partikelpopulationen nach dem Durchströ­ mungsprinzip.

Die Erfindung geht aus von einem Stand der Technik, wie er z.B. in DE-PS 19 19 628, DE-AS 25 21 236 und der DE-OS 27 09 399 veröffentlicht ist.

Den dort beschriebenen und allen weiteren bekannten Anordnungen der einschlägigen Art ist gemeinsam, daß die optische Achse des Objektivs im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids bzw. Gases orientiert ist. Dies trifft auch dann zu, wenn relativ hohe Öffnungswinkel für die Beleuchtung des Meßfeldes (der Meßstrecke) und für die Aufnahme des Meßlichtes (z.B. Fluoreszenz oder Streulicht) benutzt werden. Diese hohen Öffnungswinkel sind jedoch dann erforder­ lich, wenn hohe Leuchtdichten auf engstem Raum am Ort der Meßstrecke im Passagebereich der Partikel erzeugt werden müssen, und wenn ganz allgemein dieser Raum durch die Abbildung einer Leuchtfeldblende in den Passagebereich der Teilchen möglichst eng und scharf begrenzt werden soll.

Diese enge und scharfe Begrenzung des dreidimensionalen beleuchteten Meßraumes im Durchströmungsbereich der Teilchen ist jedoch für die Erzielung eines möglichst hohen Signal/Rausch-Abstandes von entscheidender Bedeutung, außerdem jedoch - in Durchströmungsrichtung - auch für die Reduzierung der Koinzidenzrate.

Diese Zusammenhänge zwingen gleichzeitig zu einer strengen hydrodynamischen Fokussierung des Teilchen­ stromes mittels eines Hüllstromes nicht nur für eine Aufreihung der Teilchen in einem schmalen Strömungs­ faden sondern auch für eine räumlich und zeitlich stabile Anordnung dieses Strömungsfadens im Passage­ bereich der Teilchen im Meßfeld. Diese hydrodyna­ mische Fokussierung ist (bei den Anordnungen nach dem Stand der Technik) nur durch die Einspeisung eines Hüllstromes erreichbar. Aber sowohl die Einspeisung des Hüllstromes an sich als auch Maßnahmen für die weitere hydrodynamische - und im Falle gasgetragener Teilchen aerodynamische - Fokussierung bedeuten jedoch einen relativ hohen konstruktiven Aufwand. Sie bergen auch die Gefahr von Meßfehlern durch einen unreinen Hüllstrom. Außerdem wird die Wiedergewinnung der Teilchenpopulation nach der Messung für weitere Meß- und Analysezwecke erschwert.

Die Anordnung der optischen Achse von Beleuchtungs- und Meßbündel senkrecht zur Strömungsrichtung ist außerdem bei runden Querschnitten der strömungsfüh­ renden Glaskanäle nachteilig, wenn es sich darum handelt, höchste Leuchtdichten im zentralen Strömungs­ faden und vor allem eine saubere Abbildung der leucht­ feldbegrenzenden Blenden im Passagebereicht der Teilchen zu erreichen.

Diese Nachteile werden teilweise überwunden durch die Verwendung eines einseitig offenen Strömungskanals, wie er z.B. aus der DE-OS 30 62 330 (Steen) bekannt ist. Bei dieser Anordnung wird der Hüllstrom unter einem Winkel von 15-20° mit dem partikeltragenden Strömungsfaden auf eine senkrecht zur optischen Achse der (mikroskopischen) Meßanordnung orientierte Glas­ platte (Deckglas) aufgeschossen und dadurch selbst annährend planar. Die laminaren Strömungsbedingungen des in der Scharfstellungsebene des umgekehrten Mikroskops eingestellten zentralen Strömungsfadens können jedoch durch die Turbulenzzone im Bereich der erzwungenen Richtungsänderung des Hüllstromes leicht gestört werden. Darüberhinaus gelten für diese Systeme ohnehin die oben erwähnten grundsätzlichen Nachteile der Anwendung von Hüllströmen zur hydrodynamischen Fokussierung. Für gasgetragene Teilchen sind diese Anordnungen ohnehin kaum anwendbar.

Es sind daher auch relativ frühzeitig Anordnungen (nach Dittrich und Göhde) entwickelt worden, bei denen die Suspension der zu messenden Partikel bzw. Zellen der Scharfstellungsebene eines Auflichtmikroskops in Richtung seiner optischen Achse zugeführt wird. Siehe hierzu z.B. Fig. 1 in der DE-PS 19 19 628. Die Umlenkung des Partikelsuspensionsstromes (A) um 90° unmittelbar nach axialem Durchtritt der Teilchen durch die Scharfstellungsebene mittels eines partikelfreien Stromes (C) in eine Richtung senkrecht zur optischen Achse hat jedoch folgende Nachteile:

• - die Partikelsuspension wird nach der Messung ähnlich stark verdünnt, wie bei der Anwendung des Hüllstrom­ prinzips und erschwert damit die Wiedergewinnung der gemessenen Teilchen-Population;
• - die durch die einseitige Umlenkung des Teilchenstromes bewirkte Asymetrie des Strömungsprofiles im Umlenk­ bereich kann bereits auf die Meß-Zone im Bereich der Scharfstellungsebene durchgreifen;
• - die Erfassung der von den einzelnen Teilchen erzeugten Streulicht-Impulse (z.B. simultan mit den von denselben Teilchen emittierten Fluoreszenz-Impulsen) ist praktisch nur für das rückgestreute Streulicht (in Richtung der vom Objektiv auf die Meß-Zone fokussierten Anregungsstrahlung) möglich.
• Die einwandfreie meßtechnische Erfassung der für viele Messungen außerordentlich wichtigen "Vorwärts- Streuung" ist ohne Verlassen wesentlicher Elemente des erfindungsgemäßen Prinzips nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zurgrunde, eine Anordnung für die optische Analyse von Partikelpo­ pulationen in Gasen und Flüssigkeiten anzugeben, welche die erwähnten Nachteile der Geräte nach dem Stand der Technik nicht aufweist, und die darüber­ hinaus mit geringem Aufwand aufgebaut und mit deutlich geringerer Störanfälligkeit des Strömungssystems betrieben werden kann.

Diese Aufgabe ist durch eine Anordnung gelöst, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.

Das erfindungswesentlichste Merkmal ist dabei die durchgehende Anordnung der Kapillare in der optischen Achse des Objektivs und der Beleuchtungsmittel. In der Kapillare passieren die Partikel eine durch ge­ eignete beleuchtungsseitige Eingriffe über den Strö­ mungsquerschnitt streng gleichmäßig ausgeleuchtete Zone, während sie in Strömungsrichtung eine Beleuch­ tungszone mit zunächst ansteigender und dann wieder abfallender Intensität durchlaufen.

Auf diese Weise wird eine hydro- bzw. aerodynamische Fokussierung unnötig, damit entfällt im Prinzip auch die Notwendigkeit eines Hüllstromes, obwohl ein solcher durchaus auch weiterhin anwendbar wäre. Die Partikel in wandnahen und achsennahen Bereichen werden mit gleicher Intensität beleuchtet und ergeben bei iden­ tischer Größe, Form und optischen Eigenschaften identische Streulichtsignale bzw. Fluoreszenssignale. Die besonderen technischen Vorteile der erfindungs­ gemäßen Anordnung bestehen darin, daß zum einen kein aero- bzw. hydrodynamischer Hüllstrom erforderlich ist, wobei die hierfür notwendige Bewegung des Partikel­ stromes in der optischen Achse nicht mit seiner nach­ teiligen Umlenkung um 90° direkt hinter der Meßebene gekoppelt ist. Zum anderen liegt der Vorteil in der hohen Effektivität der optischen Signalerfassung, und zwar gleichermaßen bei Fluoreszenz- und Streu­ lichtmessungen. Ferner in der leichten Ausbaufähigkeit zu einer Anordnung für einander nachgeschaltete Messungen unter unveränderten Strömungsbedingungen; im kompakten Aufbau bei hoher Variabilität der Beleuchtungs- und optischen Meßbedingungen.

Gegenüber Hüllstrom-Anordnungen wird bei gleicher Durchflußgeschwindigkeit eine ca. hundertfach höhere Gas- oder Flüssigkeitsförderrate erzielt bzw. bei gleicher Förderrate ergibt sich eine ca. hundertfach geringere Durchflußgeschwindigkeit der das Meßfeld passierenden Partikel und demzufolge ein entsprechend besserer Signal/Rausch-Abstand.

Schließlich kann die gleiche erfindungsgemäße Anordnung für die Partikelanalyse in Flüssigkeiten und in Luft bzw. Gasen verwendet werden.

In der Zeichnung ist die Erfindung in mehreren Ausführungsbeispielen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1a schematisch die Anordnung von Kapillare, Beleuchtungsmittel und Objektiv im Quer­ schnitt für Streulichtmessungen,

Fig. 1b die Anordnung wie in Fig. 1a, jedoch für Streulicht- und Fluoreszenzmessungen,

Fig. 2 schematisch die erfindungsgemäße Anordnung ausgebaut für einander nachgeschaltete Mehr­ fachmessungen.

In Fig. 1a ist mit 1 die Kapillare bezeichnet, die von dem partikeltragenden Medium A in Pfeilrichtung durchströmt wird. Als Beleuchtungsmittel ist beispiels­ weise ein Dunkelfeldkondensor 2 angeordnet, der von der Kapillare 1 durchsetzt ist. Über dem Dunkelfeldkon­ densor 2 ist das Objektiv 3 positioniert, durch das ebenfalls zentrisch die Kapillare 1 hindurchtritt. Darüber steht noch der Spiegel 4 unter 45° im Strahlen­ gang, der die Strahlen zu einem Photovervielfacher 5 umlenkt.

Zwischen dem Dunkelfeldkondensor 2 und dem Objektiv 3 ist die Meßebene 6 durch die Schnittweite des Objektivs und des Kondensors definiert.

Die Beleuchtungsstrahlen 8 werden dem Dunkelfeldkonden­ sor 2 in Pfeilrichtung zugeführt und beleuchten in bekannter Weise nach Reflexion an den Flächen 2 a, 2 b die Meßebene 6. Bei Durchtritt der Partikel durch die Meßebene wird ein Teil der Beleuchtungsstrahlen abgelenkt und fällt teilweise als Streulicht in das Objektiv, von dem er über den Spiegel 4 zum Photover­ vielfacher 5 weitergeleitet wird.

Bei Annäherung an die Meßebene, Durchtritt durch diese und Entfernung von derselben erzeugt das Partikel im Photovervielfacher 5 ein Signal, dessen Intensi­ tätsverlauf etwa der Gauß′schen Verteilungskurve ent­ spricht. Vom Photovervielfacher 5 werden die Signale über dessen Ausgänge 5 a; 5 b einer nichtgezeigten Aus­ werteschaltung zugeführt.

Fig. 1b zeigt eine entsprechende Anordnung für simultane Streulicht- und Fluoreszenzmessungen. In dieser Fig. 1b sind die gleichen Elemente wiederum mit den gleichen Bezugszeichen belegt. So sind z.B. mit 1 die Kapillare, mit 2 der Dunkelfeldkondensor und mit 6 die Meßebene bezeichnet. Mit 4 sind zwei dichroitische Teiler benannt. An Stelle des einzigen Photovervielfachers 5 sind deren zwei vorgesehen, die mit 5 D und 5 E bezeichnet sind, wobei der Photovervielfacher 5 D mit dem Streulicht beaufschlagt wird, während zum Photovervielfacher 5 E das Fluoreszenzlicht gelangt. In der Kapillare 1 wird wiederum das partikeltragende Medium A geführt, das in der Meßebene 6 zum einen von den Beleuchtungsstrahlen B für die Streulichtmessung und zum anderen von einer besonderen Lichtquelle L _F her mit den Anregungsstrahlen für die Fluoreszenzmessung beaufschlagt wird.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung für eine sequentielle Mehrfachmessung. Zu diesem Zweck sind längs der Kapil­ lare 1 mehrere Meßstationen, jeweils bestehend aus Beleuchtungsmitteln (hier Dunkelfeldkondensor 2), Objektiv 3, Umlenkspiegel 4 und Photovervielfacher 5 aneinander gereiht. Es können somit an der gleichen Kapillare unter exakt gleichen Strömungsbedingungen mehrfach räumlich hintereinander dieselben oder ver­ schiedene Meßgrößen (Fluoreszenz- und Streulichtpara­ meter) in Kombination oder alleine für sich erfaßt werden.

Claims (3)

1. Anordnung für die optische Analyse von Par­ tikelpopulationen in Gasen und Flüssigkeiten nach dem Durchströmungsprinzip mit einer Kapillare zur Führung des partikeltragenden Fluids bzw. Gases, ferner mit Mitteln zur Beleuchtung eines Meßfeldes in der Kapillare, und mit einem auf das Meßfeld fokussierten Objektiv sowie Spiegeln zur Ausspiege­ lung des Objektivstrahlenganges und seiner Zuführung zu einem photoelektrischen Detektor, wobei die op­ tische Achse der Beleuctungsmittel und des Objektivs zusammenfallen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillare (1) in dieser optischen Achse durch das Objektiv und die Beleuchtungsmittel geradlinig hin­ durch verlaufend angeordnet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für die Mehrparametermessung oder Erfassung von während der Passage durch die Kapillare auf tretenden Änderungen der Meßparameter längs der Kapillare (1) mehrere Beleuchtungsmittel (2), Objektive (3) und Spiegel (4), jeweils zu einer Meßstation zusammengefaßt, hintereinander angeordnet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Raum zwischen dem Objektiv (3) und dem Beleuchtungsmittel (2) derart mit Öl ange­ füllt ist, daß eine optisch homogene Immersion zwischen dem Kapillarmantel und den Frontelementen des Objektivs (3) und dem Beleuchtungsmittel (2) entsteht.