DE4419684A1 - Verfahren zur Bestimmung visko-elastischer und entsprechender rheologischer Eigenschaften von Flüssigkeiten und flüssigkeitsähnlichen Substanzen mit festkörperähnlichen Anteilen, das auch für geringe Probenvolumina geeignet ist - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der visko-elastischen beziehungsweise der rheologischen Eigenschaften von Flüssigkeiten oder flüssigkeitsähnlichen Substanzen mit oder ohne festkörperähnlichen Anteilen beziehungsweise Beimengungen, das auch bei extrem geringen Substanzmengen von typisch 1 µl eingesetzt werden kann.

Zur Bestimmung der viskoelastischen Eigenschaften sind eine Reihe von Verfahren bekannt. (Herausgeber Akademischer Verein Hütte E.V. Berlin, Taschenbuch der Werkstoffkunde, Verlag Wilhelm Ernst & Sohn, 4. Auflage, Berlin München, 1967, S. 602ff, sowie Herausgeber Richard Lenk, Fachlexikon ABC, Physik, Verlag Harri Deutsch, 2. Auflage, Frankfurt am Main, 1989, S. 530, S. 1068, S. 1116). Diese Verfahren messen entweder den Strömungswiderstand, den Widerstand bei der Bewegung von Körpern, wie etwa beim Kugelfallviskosimeter oder direkt die durch die Viskosität verursachten Scherkräfte oder die dadurch verursachte Dämpfung der Bewegung, die bei der Bewegung (zumeist Rotationsbewegungen) von Körpern (zumeist Platten), zwischen denen sich die zu messende Substanz befindet, auftreten. Aus den so direkt gewonnenen Meßgrößen werden die Viskosität beziehungsweise verwandte rheologische Größen zum Teil unter Einsatz von Eichflüssigkeiten bestimmt.

Nachteilig ist bei den bekannten Verfahren, daß relativ große Flüssigkeitsmengen, die erheblich größer als 1 µl sind, benötigt werden und daß im Fall der Messung von flüssigkeitsähnlichen Substanzen mit festkörperähnlichen Anteilen so große Wege der in der Substanz bewegten Teile oder so erhebliche Veränderungen des Querschnitts der strömenden zu messenden Substanz eingesetzt werden, daß sich die zu messenden Eigenschaften der jeweiligen Substanz durch die Verformung der Substanzen bei der Messung verändern und diese Veränderungen die Messung beeinflussen. Im Falle des Kugelfallviskosimeters und einiger anderer Verfahren ist auch die nichtkontinuierliche Betriebsform nachteilig. Für die Verfahren bei denen primär Wege, Druckdifferenzen oder Kräfte gemessen werden, ist es auch nachteilig, daß nicht auf einfache Art oder mit geringem Aufwand eine hochgenaue Referenz fuhr die primären Meßgrößen zur Verfügung gestellt werden kann, wie dies etwa im Falle der Messung von Frequenzen durch Schwingquarze oder die über Funk erfaßbaren Normalzeituhren auf einfachem Wege mit hoher Genauigkeit erreicht werden kann.

Bei den Verfahren, die auf der Messung des Abklingens einer oszillatorischen Bewegung (gedämpfte Oszillation) beruhen ist es nachteilig, daß abhängig von der Viskosität für zunehmende Viskositäten zunehmend weniger Schwingungen beobachtet werden können, was die Genauigkeit der Messung der Abklingzeit zunehmend mit der Verringerung der beobachtbaren Zahl der Schwingungen einschränkt. Bei Verfahren, die auf der Bestimmung der Resonanzfrequenz bewegter Teile beruhen, bei der sich ein Maximum der Amplitude der Schwingung einstellt oder die Beobachtung der Breite der Resonanz in Abhängigkeit von der Schwingungsfrequenz ausgenutzt wird, ist es nachteilig, daß diese Größen, wenn überhaupt, nur mit erheblich mehr Aufwand mit entsprechender Genauigkeit zu bestimmen sind, wie etwa die Frequenz bei der die Phasenlage gegenüber der Anregung um einen bestimmten Winkel, zum Beispiel 90°, verschoben ist.

Die hier dargestellte Erfindung dient vorrangig der Lösung des Problems, die viskosen Eigenschaften oder verwandte rheologische Eigenschaften extrem kleiner Flüssigkeitsmengen von typisch 1 bis 10 µl zu bestimmen und zusätzlich oder auch ohne die Einschränkung auf kleine Flüssigkeitsmengen die Viskosität oder verwandte rheologische Eigenschaften bei Auslenkungen der bewegten Teile oder Verformungen der zu messenden Substanz im Bereich von weniger als 1 µm bis unter 1 nm zu bestimmen.

Das Problem geringer verfügbarer Flüssigkeitsmengen im Bereich weniger µl tritt bei besonders teuren oder extrem schwer darstellbaren oder aus anderen Gründen nur in geringen Mengen verfügbaren Flüssigkeiten oder flüssigkeitsähnlichen Proben auf, wie etwa im Bereich spezieller biologischer Präparate, medizinisch relevanter Präparate wie etwa Blutproben oder chemischer Präparate. Die Problematik kleiner Verformungen der Proben oder kleiner Auslenkungen der in den Messeinrichtungen bewegten Teile, die mit der Probe in Kontakt stehen, ergibt sich bei Proben, die neben den rein viskosen Eigenschaften auch anteilige festkörperähnliche Eigenschaften besitzen, wie etwa biologische Präparate von Zellflüssigkeitsextrakten, in denen mikroskopisch kleine Gerüste aus festkörperartigen verformbaren und auch durch größere Verformung zerstörbaren Substanzen, wie etwa Tubulin- oder Aktinfilamente, enthalten sind. Als wohl allgemein bekanntes Beispiel für dieses Verhalten, das allerdings ohne unmittelbar erkennbaren technischen Nutzen ist, kann hier auch Yoghurt angeführt werden, dessen visko­ elastisches Verhalten sich bei zu großer Verformung, wie etwa durch Rühren, ändert. Bei derartigen Substanzen ist die Bestimmung des ursprünglichen visko-elastischen Verhaltens nur bei hinreichend kleinen Verformungen der Probe oder hinreichend kleinen Bewegungen der mit der Probe in Kontakt stehenden bewegten Teile möglich, wobei zum Teil Auslenkungen von 1 µm noch zu einer beobachtbaren Änderung des gemessenen viskosen Verhaltens führen können.

Die hier vorgestellte Erfindung nutzt zur Bestimmung der viskosen und der damit verwandten rheologischen Eigenschaften aus, daß bei oszillatorischen Bewegungen schwingungsfähiger mechanischer Bauteile die primär als Sensoren dienen in solchen Flüssigkeiten ein von der Viskosität beziehungsweise der kinematischen Viskosität, oder den verwandten rheologischen Eigenschaften abhängiger Teil der Flüssigkeit zumindest teilweise bei der Bewegung mitgenommen wird. Dadurch ergibt sich eine effektiv größere und von der Viskosität oder den verwandten Eigenschaften aber auch von der Dichte der Probe abhängige schwingende Masse als in Abwesenheit eines zu prüfenden Mediums. Dies führt zu einem viskositätsabhängigen Verhalten des schwingungsfähigen Systems, das durch die ebenfalls auftretende viskose Dämpfung aber auch noch durch andere Eigenschaften der zu untersuchenden Substanz beeinflußt wird. Zur möglichst weitgehenden Trennung der unterschiedlichen Einflüsse wird bei der vorliegenden Erfindung der Zusammenhang zwischen der Anregungsfrequenz und der sich dabei einstellenden Phasenlage detektierter schwingungsspezifischer periodisch zeitlich veränderlicher physikalischer Größen, wie etwa Auslenkung oder Verzerrung eines schwingungsfähigen Körpers, der als primärer Sensor dient, bezüglich der Anregung gemessen und für die Bestimmung der viskosen oder verwandter Eigenschaften genutzt. Dieser Zusammenhang wird über einen für die Bestimmung der viskoelastischen Eigenschaften geeigneten Bereich von Frequenzen und Phasenlagen bestimmt, wobei auch der darin enthaltene einfachere Fall, daß die Anregungsfrequenz bestimmt wird, für die sich eine bestimmte geeignet gewählte Phase einstellt, genutzt werden kann. Der für die Messung geeignete Bereich von Phasenwinkeln, der zu der jeweils erwünschten beziehungsweise bestenfalls erreichbaren Auflösung bei der Bestimmung der viskosen und damit verwandter Eigenschaften führt, hängt primär von der Formgebung des verwendeten schwingungsfähigen Systems, dem primären Sensor, ab und ergibt sich bei gegebener Formgebung zumindest näherungsweise aus der physikalische Modellbildung anhand der physikalischen Grundlagen. Er wird bei der Messung entweder anhand der Modellbildung gewählt, oder durch Messungen an Substanzen mit unterschiedlichen viskosen Eigenschaften, wie in der Beschreibung einer Ausführung des Verfahrens demonstriert, geeignet ausgewählt.

Bei zeitabhängigen Messungen wird der zeitliche Verlauf, der über den geeignet gewählten Phasenwinkel definierten zu bestimmenden Anregungsfrequenzen beobachtet und zur Bestimmung der Zeitabhängigkeit der viskosen oder verwandter Eigenschaften genutzt. Messungen unterschiedlicher Substanzen werden in zeitlicher Reihenfolge durchgeführt und entsprechen insofern den Messungen bei fester aber in den Eigenschaften zeitlich veränderlicher Substanz. Das hier vorgestellte Verfahren erlaubt zeitaufgelöste Messungen noch bei Meßzeitintervallen die zehn- bis etwa hundertmal größer sind als die Schwingungsdauer des schwingungsfähigen Systems das für kleine, im Anwendungsbeispiel aufgeführte Sensoren im Bereich von 0,1 bis 10 ms liegt und damit bei Meßzeiten unter oder um 1 s.

Der Gegenstand der Erfindung kann gewerblich zur Bestimmung der viskosen Eigenschaften kleiner Flüssigkeitsmengen von typisch 1 bis 10 µl eingesetzt werden. Zudem kann auch das visko­ elastische Verhalten von nicht rein viskosen Flüssigkeiten, die festkörperähnliche Anteile haben bestimmt werden. Da das Verfahren auch bei extrem kleinen Auslenkungen bis herab zu 0,1 nm eingesetzt werden kann und damit die Proben hinreichend wenig verformt werden, so daß das visko-elastische beziehungsweise rheologische Verhalten der Proben bei der Messung nicht durch eine irreversible oder nur teilweise reversible Veränderung der festkörperähnlichen Anteile nachhaltig verändert wird. Diese Möglichkeit des Verfahrens ist besonders bei biologischen Proben und medizinisch relevanten Proben von Bedeutung. Da das Verfahren als quasi­ kontinuierliches Verfahren nur kurze Meßzeiten von typisch 1 s benötigt, ist der Einsatz des Verfahrens zudem bei zeitabhängigen Messung, bei häufigem Probenwechsel im Durchflußbetrieb beziehungsweise einer ständigen Überprüfung einer Flüssigkeit im Durchflußbetrieb möglich.

Bei Einsatz von optischen, piezoelektrischen oder magnetischen Schwingungssensoren kann mit dieser Erfindung zudem absehbar eine kompakte und preisgünstig herzustellende Meßeinrichtung gefertigt werden, die sich als Sensor in ähnlicher und vom Markt absehbar zu akzeptierender Größe bei ähnlichem Aufwand wie etwa bei bekannten elektronischen Druck-, Strömungs- oder Temperatursensoren für Flüssigkeiten anbietet.

Das Verfahren ist auch für eine noch weitergehende Miniaturisierung des als primären Sensor genutzten schwingungsfähigen Systems etwa mit den Methoden der Mikromechanik geeignet. Dabei können in mit der Mimaturisierung zunehmender Weise auch mikroviskose und entsprechende mikrorheologische Eigenschaften bestimmt werden.

Bei dem bisherigen Stand der Technik können nicht oder nicht mit entsprechender Meßgenauigkeit Messungen der viskosen Eigenschaften an Flüssigkeitsmengen von typisch 1 bis 10 µl Messungen durchgeführt werden. Zudem werden bei flüssigkeitsähnlichen Proben mit festkörperähnlichen Anteilen durch die bisher eingesetzten relativ großen Verformungen die Proben bei der Messung zum Teil irreversibel verändert. Das hier vorgestellte Verfahren vermeidet diese Einschränkungen und erlaubt zudem die Bestimmung der viskosen Eigenschaften über eine Frequenzmessung, die mit geringem Aufwand hochstabil und kalibriert durchgeführt werden kann. Das Verfahren erlaubt zudem den Einsatz relativ einfach herstellbarer robuster und chemisch weitgehend resistenter kleiner Sensoren wie etwa Glasfasern mit rundem Profil, einem typischen Durchmesser von 10 µm und einer typischen Länge von 200 µm. Da die durch die visko­ elastischen Eigenschaften verursachten Mitnahmeeffekt und die damit verursachte Zunahme der effektiv bewegten oder schwingenden Masse bei zunehmender Miniaturisierung des Sensors einen zunehmenden Einfluß auf die Veränderung der zur Messung der viskosen oder rheologischen Eigenschaften der Proben primär bestimmten Frequenzen hat, eignet sich die Erfindung auch zum Einsatz im Bereich besonders kleiner Sensoren, die auch mit Methoden der Mikromechanik hergestellt werden können.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die im folgenden ausgeführte Möglichkeit gleichzeitig die viskoelastischen Eigenschaften und die akustischen Eigenschaften wie Schallgeschwindigkeit und Schalldämpfung zu bestimmen. Da durch diese Größen sowohl das mechanische Verhalten bezüglich Scherungen als auch bezüglich der Kompression beobachtet wird, können damit mehrere wesentliche mechanischen Eigenschaften von Proben mit einem Gerät gleichzeitig für die jeweilige Probe bestimmt werden.

Als schwingungsfähiges System, das als primärer Sensor für die viskosen und verwandte Eigenschaften dient, wird eine zylinderförmige Glasfaser mit einer Länge um 200 µm und einer Dicke zwischen 10 µm und 20 µm verwendet. Wie im Prinzip in der Fig. 1 angegeben, ist die Glasfaser (1) auf einem für Frequenzen bis 1 MHz geeigneten piezoelektrischen Stellelement (2) aus Piezokeramik mechanisch entlang der ganzen Auflage durch eine Klebung befestigt. Das Stellelement ist seinerseits auf einer Trägerplatte (6), die sich durch eine gegenüber dem Stellelement und der Glasfaser wesentlich größere Masse und Steifigkeit auszeichnet, mechanisch befestigt. Die Faser kann mittels des Stellelementes über die an das Stellelement angeschlossenen elektrischen Zuführungen, die zusammen mit den Kontakten elektrisch isoliert ausgeführt sind, zu Schwingungen senkrecht zur Achse der Faser, im Bild in vertikaler Richtung, angeregt werden, wobei sich das Stellelement in vertikaler Richtung in der Weise ausdehnt oder verkürzt, daß die obere Fläche sich parallel zu sich selbst bewegt. Die Faser taucht vollständig in die zu messende Flüssigkeit oder flüssigkeitsähnliche Probe (4) ein. Dazu wird eine Flüssigkeitsmenge von minimal 1 µl benötigt. Die zur Achse der Faser vertikale Auslenkung der Faser, die sich als Folge der Auslenkung des piezoelektrischen Stellelementes ergibt, wird zeitabhängig durch eine auf die Faser nahe am freien Ende fokussierte Ultraschallwelle (5) mit einer Frequenz um 400 MHz gemessen. Dazu wird die Detektion der Phase der an der Faser reflektierten Ultraschallwelle bezüglich der Phase der gesendeten Ultraschallwelle genutzt. Wie bei der Raster- Ultraschallmikroskopie üblich, wird dazu der Ultraschall gepulst erzeugt, so daß die Detektion der reflektierten Ultraschallwellen während einer Zeit erfolgt, in der nicht gesendet wird. Als fokussierender Ultraschallgenerator und Detektor wird ein handelsübliches sogenanntes Ultraschallobjektiv (3) (der Firma Leica) mit einer Brennweite um 100 µm genutzt, das mit seinem schallabstrahlenden Teil in die zu messende Substanz eintaucht. Das aus der Ultraschallwelle abgeleitete Phasensignal des an der Faser reflektierten Ultraschalls, das sich proportional zur Auslenkung der Faser im Fokus ändert, wird mit einem handelsüblichen Vektor- Lock-In (der Firma PAR) bezüglich der über das Stellelement erfolgenden sinusförmigen elektrischen Anregung nach Phase und Amplitude gemessen. Das Phasensignal am Ausgang des Lock-In, der ein zum Anregungssignal des piezoelektrischen Stellelements synchrones Signal als Referenz nutzt, gibt direkt die Phasenlage der Auslenkung der Faser am Ort des Ultraschallfokus bezuglich der Auslenkung bei der Anregung an. Mittels eines Rechners, der die verwendeten Geräte auslesen und steuern kann, wird die Anregungsfrequenz für die Oszillation der Faser über einen rechnergesteuerten Frequenzgenerator so gewählt, daß bezüglich der Anregung eine um einen gewählten festen Phasenwinkel verzögerte Auslenkung beobachtet wird. Dabei wird die geringste Frequenz ausgewählt, bei der sich die gewählte Phasenlage einstellt. Der Abgleich erfolgt mittels eines programmierten Regelkreises durch den Rechner. Die beim Abgleich vorliegende Frequenz ist der für die Bestimmung der viskosen Eigenschaften primär genutzte Meßwert.

Dieser Meßvorgang wird auch für kontinuierliche, zeitabhängige Messungen genutzt, wobei die jeweiligen beim Abgleich vorliegenden Frequenzen und die Zeit der Messung sowie gegebenenfalls weitere Daten, wie Temperatur und ultraschallspezifische Daten gespeichert und zur Auswertung genutzt werden.

Zudem wird über visuelle Beobachtung mit einem Mikroskop bei erstmaliger Nutzung einer auf das Piezostellelement aufgeklebten Faser die niedrigste Resonanzfrequenz in Abwesenheit einer Substanz ω_o bestimmt. Dabei stört wegen der vernachlässigbaren Dämpfung bei den Dimensionen der hier verwendeten Fasern die Anwesenheit von Luft nicht.

Für die Auswahl des für weitere Messungen mit einer festen Phasenlage besonders geeigneten Phasenwinkels wurden nach obigen Verfahren für aufgrund der physikalischen Grundlagen sinnvollerweise von 0° und 180° abweichende Phasenwinkel Meßreihen mit unterschiedlichen Substanzen jeweils bekannter kinematischer Viskosität η und Dichte ρ durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Fig. 2 aufgetragen. Dabei ist ω die für die jeweilige Substanz und den jeweils gewählten Phasenwinkel, der anhand der für die Darstellung der Messungen gewählten Symbole in der Fig. 2 angegeben ist, gemessene Frequenz. Als Flüssigkeiten wurden, in der Fig. 2 durch die Zahlen 1 bis 11 gekennzeichnet, jeweils Alkohole eines Typs mit der OH- Gruppe am Ende der Kohlenstoffkette von Methanol bis 1-Undecanol gewählt, wobei die kennzeichnenden Zahlen mit der Anzahl der Kohlenstoffatome in den jeweiligen Alkoholmolekülen identisch sind und mit W gekennzeichnet dreifach destilliertes Wasser. Bei der anhand der physikalischen Grundlagen gewählten Darstellung von (ω_o²/ω² - 1)/ρ über 2η/(ρ ω), wobei neben den jeweiligen oben erklärten Werten für η die aus der Literatur bekannte oder mit Hilfe eines Kugelfallviskosimeters gemessene jeweilige kinematische Viskosität für die Substanzen verwendet wurde. Aus der Fig. 2 wird ersichtlich, daß in dieser Darstellung für einen Phasenwinkel von 125° die Meßergebnisse in guter Näherung auf einer Geraden liegen, die als Regressionsgerade durchgezogen eingezeichnet ist. Dieser aufgrund der physikalischen Grundlagen auch zu erwartende lineare Zusammenhang der an den Achsen von Fig. 2 angegebenen Größen kann für die Bestimmung der dynamischen Viskosität auf besonders einfache und weitgehend von anderen Einflüssen freie Weise für methodisch einfache Messungen der dynamischen Viskosität genutzt werden. Um mit der so charakterisierten Faser bei der Bestimmung der dynamischen Viskosität von Proben Messungen mit nur einer gewählten, festen Phasenlage durchzuführen, wird der bei der wie oben angegebenen Messung und Auswertung zum linearen Zusammenhang führende Phasenwinkel für die jeweilige Faser genutzt.

Da im gemessenen Beispiel in Fig. 2 bereits eine Serie der Substanzen 1 bis 10 und Wasser mit bekannter dynamischer Viskosität und Dichte gewählt wurde, dient diese Figur auch der Demonstration der Durchführbarkeit von Messungen an Substanzen mit bekannter Dichte aber unbekannter dynamischer Viskosität mit Hilfe eines geeignet gewählten festen Phasenwinkels. Der als durchgezogene Linie eingetragene lineare Zusammenhang, der auch mit weniger als den hier eingesetzten Proben je nach der gewünschten Genauigkeit gefunden werden kann, kann zusammen mit der als für solche Messungen wie oben dargestellt vorteilhaft ausgewählten Phasenlage von 125° für den bei den Messungen in Fig. 2 genutzten schwingenden Glasfasersensor genutzt werden, um mit einer einzigen Messung der sich bei der geeignet gewählten Phasenlage ergebenden Frequenz die dynamische Viskosität zu bestimmen.

Dazu wird mit Hilfe der Regressionsgeraden, für die an der Substanz mit unbekannter kinematischer Viskosität gemessene Frequenz ω_u, bei welcher der geeignet gewählte Phasenwinkel vorliegt, der Wert von (ω_o²/ω_u² - 1)/ρ_u mit dem für den verwendeten Sensor - hier die Faser - gemessenen bekannten ω_o und der bekannten Dichte ρ_u der Substanz berechnet und der zugehörige Wert von 2η/(ρ_u ω_u) bestimmt. Daraus wird mit den bekannten Größen ω_u und ρ_u die unbekannte dynamische Viskosität η_u bestimmt.

Die dabei erreichbare Zuverlässigkeit der Messung läßt sich aus der Streuung der in Fig. 2 als kleine Kreise eingezeichneten Meßpunkte bezüglich der als durchgezogenen Linie dargestellten Regressionsgeraden ersehen, da hier nur Substanzen mit bekanntem ρ und η verwendet wurden. Dabei kann jeweils eine der Messungen als eine Messungen einer Substanz mit bekanntem ρ aber unbekanntem, zu messendem η interpretiert und wie eine solche Messung ausgewertet werden. Wird dies für die von in Fig. 2 am weitesten von der Regressionsgeraden abweichende Substanz 9 (1-Nonanol) mit der für einen Phasenwinkel von 125° gemessenen Frequenz durchgeführt und die sich aus den anderen Meßpunkten ergebende Regressionsgerade bei der Auswertung genutzt, so ergibt sich aus der Messung mit dem hier vorgestellten Verfahren eine dynamische Viskosität von 9,797 cP. Eigene Messungen mit einem Kugelfallviskosimeter ergaben für die gleiche Substanz eine dynamische Viskosität von 9,509 cP.

Für zeitabhängige Messungen wurden die Messungen zudem mit im zeitlich begrenzten Mittel ausgeregeltem Abstand des Sensors zum Ultraschallgenerator und Detektor durchgeführt, derart, daß die mittlere Phasenlage mittels eines Regelkreises, der additiv zur Anregungsfrequenz auf das piezoelektrische Wegstellsystem wirkt, konstant gehalten wird. Aus der Änderung des mittleren Abstandes wurde über die bekannte, vorher mit anderen Mitteln gemessene Laufstrecke des Ultraschalls in der Probe die Änderung der Schallgeschwindigkeit zeitabhängig bestimmt. Bei der Auswertung der Messungen wurde zusätzlich der mit anderen Mitteln gemessene Wert der Schallgeschwindigkeit zur Zeit 0 (Anfangswert) verwendet, so daß absolute Änderungen der Schallgeschwindigkeit angegeben werden können.

Mit Hilfe eines weiteren Regelkreises wurde auch die Amplitude des in Reflexion gemessenen Schallsignals im zeitlichen Mittel konstant gehalten. Daraus kann mit dem bekannten Schallaufweg die zeitliche Änderung der Schalldämpfung in der Probe bestimmt oder bei bekannter Anfangsdämpfung auch absolut angegeben werden.

Die jeweiligen Zeitkonstanten aller Regelkreise wurden so gewählt, daß sie so kurz wie zum Erreichen einer stabilen Regelung möglich aber hinreichend lang gegenüber der Schwingungsdauer des primären Sensors waren, damit nicht die Schwingung selbst durch die Regelkreise störend beeinflußt wurde. Da Amplitude und Phase unabhängige Größen sind, ist eine gegenseitige Beeinflussung der letztgenannten zwei Regelkreise durch die hier erfolgte sinnvolle Wahl der Regelparameter leicht vermeidbar. Eine Störung der zwei letztgenannten Regelkreise durch den Regelkreis für die Anregungsfrequenz des primären Sensors wird wegen der in diesem Absatz erstgenannten Bedingung für die Zeitkonstanten ebenfalls hinreichend vermieden.

Mit diesem Verfahren wurden zeitabhängig Polyinerisationsvorgänge beobachtet und die Zeitabhängigkeit der viskosen Eigenschaften, der Schallgeschwindigkeit und der Änderung der Dämpfung synchron für einen Polymerisationsvorgang bestimmt. Ein experimentelles über der Zeit dargestelltes Ergebnis ist für eine zum Zeitpunkt 0 thermisch aktivierte Tubulinlösung in Fig. 3 dargestellt. Als Folge der Aktivierung ändern sich, synchron gemessen, sowohl die aus der Messung bestimmte Schallgeschwindigkeit als auch die aus der Messung bestimmte dynamische Viskosität. Die hier nicht dargestellte ebenfalls beobachtete Schalldämpfung hat sich während des Vorganges nicht meßbar bei einer Meßgenauigkeit von 3 dB/mm geändert.

Die verwendete Meßeinrichtung war zudem mit einer Temperaturregelung ausgestattet, mittels derer die Temperatur bei allen Messungen auf etwa 0,1 K genau eingestellt und geregelt wurde. Dies ist wegen der hier erreichbaren hohen Auflösung zweckmäßig, da die visko-elastischen Eigenschaften im allgemeinen von der Temperatur abhängen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können somit auch an kleinen Flüssigkeitsmengen die viskoelastischen Eigenschaften unterschiedlicher Proben, wie hier am Beispiel der dynamischen Viskosität an Flüssigkeitsmengen mit einem Volumen von etwa 1 µl demonstriert und zeitabhängige Änderungen dieser Eigenschaften quantitativ ermittelt werden, wobei neben Eichmessungen zur Bestimmung der unbekannten dynamischen Viskosität einer Probe mit bekannter Dichte, die für einen festen, geeignet gewählten Phasenwinkel bestimmte Anregungsfrequenz genügte.

Claims (18)

1. Verfahren zur Bestimmung der visko-elastischen Eigenschaften und deren zeitlicher Änderung von Flüssigkeiten und/oder flüssigkeitsähnlichen Substanzen mit festkörperähnlichen Anteilen, insbesondere von polymerisierenden oder teilweise polymerisierten Substanzen, bei dem ein zu mechanischen Schwingungen angeregter, bei einem Schwingungsknoten der Auslenkung mechanisch befestigter Körper mit seinen durch die Schwingung ausgelenkten Teilen ganz in die Substanz eingetaucht ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusammenhang zwischen der Frequenz einer mechanischen Anregung des Körpers und der Phasenlage einer seiner für mechanische Schwingungen spezifischen zeitabhängig periodisch veränderlichen physikalischen Größen relativ zur Anregung erfaßt wird, wobei die Zeitabhängigkeit des mechanischen Schwingungszustands des Körpers oder eines Teils des Körpers über einen Aufnehmer erfaßt wird, der ein elektrisches Signal erzeugt, dessen Phasenlage relativ zur mechanischen Anregung für die Bestimmung des Zusammenhangs zwischen Phasenlage und Anregungsfrequenz genutzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Messungen zeitabhängig durchgeführt werden.

3. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß Messungen mit durchfließenden Substanzen durchgeführt werden.

4. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß Messungen mit unterschiedlicher Amplitude der Anregung durchgeführt werden.

5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß ein zu Schwingungen angeregter Körper mit zylindrischer Form verwendet wird.

6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß als ein zu Schwingungen angeregter Körper eine Glasfaser verwendet wird.

7. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß als ein zu Schwingungen angeregter Körper eine Kohlefaser verwendet wird.

8. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß als ein zu Schwingungen angeregter Körper ein für die Kraftmikroskopie geeigneter Taster verwendet wird.

9. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß als ein zu Schwingungen angeregter Körper eine am freien Ende geschlossene Glaskapillare verwendet wird.

10. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß die Phasenlage des zu Schwingungen angeregten Körpers mit Hilfe von am schwingenden Körper reflektierten Ultraschallwellen detektiert wird.

11. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß die Phasenlage des zu Schwingungen angeregten Körpers mit Hilfe von am schwingenden Körper reflektiertem Licht oder Infrarotstrahlung detektiert wird.

12. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß die Phasenlage des zu Schwingungen angeregten Körpers mit Hilfe eines optischen Positionssensors detektiert wird.

13. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß die Phasenlage des zu Schwingungen angeregten Körpers mit Hilfe eines magnetischen Schwingungsaufnahmesystems detektiert wird.

14. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß die Phasenlage des zu Schwingungen angeregten Körpers mit Hilfe eines piezoelektrischen Sensors detektiert wird.

15. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß die Phasenlage des zu Schwingungen angeregten Körpers mit Hilfe eines elektrostatischen Schwingungsaufnahmesystems detektiert wird.

16. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet dadurch, daß ein fester Wert für die Phasenlage gewählt wird.

17. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet dadurch, daß eine Reihe von festen Werten für die Phasenlage gewählt wird.

18. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet dadurch, daß Amplituden der maximalen Auslenkung des Körpers verwendet werden, die zwischen 0,1 nm und 1 µm liegen.