CH649155A5 - Vorrichtung zur messung von dynamischen eigenschaften von mikropartikeln. - Google Patents

Description

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PATENTANSPRÜCHE a) Filtration von Partikelsuspension unter Druck oder

1. Vorrichtung zur Messung von dynamischen Eigen- Vacuum durch ein Sieb mit kalibrierten Öffnungen, die kleischaften von in einer Flüssigkeit suspendierten Mikroparti- ner als die Partikel sind. Es wird ein Verhältnis zwischen der kein durch Einwirkung von Scherkräften, dadurch gekenn- Anzahl der durchgeschlüpften und der zurückgebliebenen zeichnet, dass sie mindestens zwei plane, strahlungsdurchläs- s Partikel gemessen. Die Nachteile dieser Methode liegen darin, sige Messkörper (1,2) aufweist, von denen mindestens einer dass es nicht möglich ist, mit der gleichen Partikelgruppe die beweglich angeordnet ist, deren Flächen in einstellbarem Ab- Messung zu wiederholen und dass die Relaxationszeit, d.h. stand gehalten sind und somit einen Spalt zur Aufnahme der die Zeitkonstante, in der die Partikel ihre ursprüngliche Form Suspension (3) bilden und dass sie eine Quelle kohärenter wiedererlangen, nicht ermittelt werden kann. Das Letztere ist Strahlung (5), sowie eine optische oder optoelektronische io eine wichtige Angabe zur Ermittlung der inneren Viskoelasti-Einrichtung (9) zur Auswertung der an der durchgestrahlten zität der Partikel.

Suspension entstandenen Streubilder (10) dieser Strahlung b) Deformation der Partikel durch zentrifugale Kräfte enthält. und deren Fixierung in deformiertem Zustand. Die Nachteile

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- dieser Methode sind die gleichen, wie bei der Filtrations-Me-net, dass beide Messkörper (1,2) beweglich angeordnet sind. is thode. Nachdem nur einzelne Partikel gemessen werden, ist es

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da- schwierig, Angaben über eine Gruppe von Partikeln zu ge-durch gekennzeichnet, dass beide Messkörper als auswechsel- Winnen.

bares Element gestaltet sind. c) Elongation eines an einem Punkt fixierten Partikels in

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch strömender Flüssigkeit. Von der langwierigen Präparation gekennzeichnet, dass die Messkörper gegeneinander eine fe- 20 des Partikels bis zur Messung abgesehen, können die gleichen ste, unveränderbare Spaltbreite aufweisen. Nachteile wie bei a) und b) genannt werden. Dagegen ist es

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch aber möglich, die Relaxationszeit, z.B. aus Videoaufnahmen gekennzeichnet, dass mindestens einer der Messkörper (1,2) zu messen.

als rotierende Scheibe ausgestaltet ist. d) Elongation eines Partikels beim Einsaugen in eine Mi-

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch 25 kropipette unter definierter Kraft. Mit dieser Methode wer-gekennzeichnet, dass mindestens einer der Messkörper eine Ii- den vorwiegend die Eigenschaften von Zellenmembranen er-near bewegbare Platte ist. mittelt. Die Nachteile sind gleich wie bei c).

e) Deformation von Partikeln in Suspension, die einen

Spalt zwischen zwei zentrischen Zylindern, von denen einer

30 fest ist und der andere rotiert, ausfüllt. Die bei der Rotation Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Mes- entstehenden Scherkräfte defomieren die Partikel. Die gemes-sung von dynamischen Eigenschaften von in einer Flüssigkeit sene Suspension ist mit einem kohärenten Licht durchstrahlt suspendierten Mikropartikeln unter Einwirkung von Scher- und das dabei entstandene Streubild wird auf einer Photokräften. Die einwirkenden Scherkräfte werden in einem kon- platte fixiert und ausgewertet. Die Nachteile dieser Messanstanten oder veränderbarem, mit der Suspension gefüllten, 35 Ordnung sind:

Spalt zwischen zwei planen Körpern (z.B. Scheiben) aus ei- - Der Lichtstrahl wird an den zylindrischen Flächen teil-

nem lichtdurchlässigen Material, von denen einer fest und der weise defomiert und das Streubild, besonders bei der Rota-

andere beweglich ist, hervorgerufen. Bei der Bewegung des ei- tion, verzerrt.

nen Körpers werden die Partikel, abhängig von der Ge- - Schwierige Reinigung der Zylinder und der Proben-

schwindigkeit der Bewegung und der Viskosität der Flüssig- 40 Wechsel.

keit, definierten Scherkräften ausgesetzt, welche gewisse - Nach jedem Probenwechsel müssen die Zylinder op-

Form- und/oder Grössenveränderungen hervorrufen. Die tisch zentriert werden.

Suspensionsschicht wird mit einem kohärenten Lichtstrahl - Sedimentation der Partikel beim Stillstand.

(eines Lasers) durchleuchtet, wobei bei deren Durchgang - Die Spaltbreite kann ohne Zylinderwechsel nicht verän-

durch die Suspensionsschicht an den Partikeln eine Streuung « dert werden.

der Strahlung entsteht. Das entstandene Streubild der Strah- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mess-

lung ist von der Form bzw. Grösse der Partikel abhängig. Die Vorrichtung zu schaffen, die die vorstehend genannten Män-

Differenzen der Streubilder von unbelasteten und belasteten gel beseitigt, indem sie folgende technische Kriterien erfüllt:

Mikropartikeln werden optisch oder optoelektronisch erfasst a) Messung von dynamischen Eigenschaften von Mikro-

und die dynamischen Eigenschaften von denselben ermittelt. 50 partikeln in breitem Bereich der einwirkenden Kräfte, wobei

Unter Mikropartikeln werden Partikel einer Grösse von 1 Deformation (Elongation) und Relaxation der Partikel als bis 50 Mikrometer verstanden und unter deren dynamischen wichtigste Eigenschaften erfasst werden müssen.

Eigenschaften z.B. Veränderungen der Form oder Grösse, b) Wiederholbarkeit der Messung mit der gleichen Parti-

entweder selbttätig oder unter Einfluss von äusseren kelgruppe unter konstanten oder veränderten Bedingungen

Faktoren. _ ss und Erfassung der Messdaten in beliebiger Phase der Unter-

Die Messung von dynamischen Veränderungen von Mi- suchung.

kropartikeln kann über deren Zustand und Eigenschaften c) Veränderbarkeit der Prüfbedingungen ohne Umbau der aussagen, was besonders für biologische Untersuchungen und Vorrichtung oder Umfüllen der Prüfsubstanz.

medizinische Diagnostik von Bedeutung ist. Als Beispiel d) Einfacher und leichter Probenwechsel durch schnelle kann die Messung von Deformabilität und innerer Viskoela- 60 Reinigung der Mess-Vorrichtung oder durch auswechselbare stizität von Erythrozyten (rote Blutkörperchen)dienen, wel- Messelemente.

che für die Bestimmimg von Blutkonservenqualität und die e) Weitgehende Eliminierung der Sedimentation der Parti-

Entwicklung von Konservierungsmethoden, sowie für medi- kel beim Stillstand.

zinische Diagnostik von Blutkrankheiten von Bedeutung ist. f) Benutzung einer optischen oder optoelektronischen

Es sind mehrere Methoden zur Messung von Deformabi- 65 Einrichtung, die eine graphische und/oder mathematische lität von Mikropartikeln bekannt und werden auch angewen- Auswertung der Daten (mit eventuellem Anschluss an EDV)

det. Diese sind jedoch mit Nachteilen unterschiedlichen Gra- erlaubt.

des behaftet. Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass

die Messung an in einer Flüssigkeit suspendierten Mikropartikeln durch Einwirkung von Scherkräften in einer Vorrichtung erfolgt, welche mindestens zwei plane, strahlungsdurchlässige Messkörper (1,2) aufweist, von denen mindestens einer beweglich angeordnet ist, deren Flächen in einstellbarem Abstand gehalten sind und somit einen Spalt zur Aufnahme der Suspension (3) bilden und dass sie eine Quelle kohärenter Strahlung (5), sowie eine optische oder optoelektronische Einrichtung (9) zur Auswertung der an der durchgestrahlten Suspension entstandenen Streubilder (10) dieser Strahlung enthält.

Während des Messvorganges wird der bewegliche Messkörper in Bewegung gesetzt, wobei die der Oberfläche nähere Flüssigkeitsschichten mitbewegt werden. Die Bewegung wird jedoch von der Oberfläche des festen Messkörpers gebremst und somit entstehen in der dünnen Flüssigkeitsschicht Scherkräfte deren Stärke von der Viskosität der Flüssigkeit und der Geschwindigkeit des Messkörpers abhängen. Diesen Scherkräften ausgesetzte Partikel verändern dabei ihre Form oder Grösse, wenn sie eine Elastizität aufweisen.

Beim Durchstrahlen der Suspensionsschicht mit kohärenter Strahlung wird diese an den Partikeln gestreut. Es entsteht ein Streubild (Fig. 2) der Strahlung, wobei Veränderungen der Partikel wie z.B. Elongation, als Deformation des Streubildes erscheinen (Fig. 3). Durch optische oder optoelektronische Erfassung der Streubilder und Auswertung der Deformation ist es möglich, schnell und einfach die dynamischen Eigenschaften der Partikel zu bestimmen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen erläutert. Es zeigen

Fig. 1 die schematische Anordnung von Komponenten der Messvorrichtung,

Fig. 2 ein Streubild einer unbelasteten Suspension, Fig. 3 ein Streubild einer mit Scherkraft belasteten Suspension,

Fig. 4 die Anordnung der Messkörper mit konstantem (a) und veränderbarem (b) Spalt,

Fig. 5 die Anordnung mit auswechselbaren Messkörpern, entweder mit eingelegten Distanzscheiben (5a) oder mit integrierter Distanzform (5b),

Fig. 6 eine Anordnung der Messkörper zur Messung bei linearer Bewegung.

In Fig. 1 ist die Messvorrichtung schematisch dargestellt. In dem Spalt zwischen dem festen Messkörper 1 und dem beweglichen (rotierenden) Messkörper 2 befindet sich die Suspension der untersuchten Partikel 3. Kohärente Strahlung 4 eines Lasers 5 wird durch die Messkörper und die Suspension geführt oder mit Hilfe von Prismen oder Spiegeln 6 gelenkt,

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wobei eine Streuung 7 der Strahlung an den Partikeln entsteht. Die so veränderte Strahlung, über ein optisches System 8 geführt, wird von einem System optischer oder optoelektronischer Detektoren 9 aufgenommen und ausgewertet. Die 5 Auswertung der Streubilder wird in Fig. 2 und 3 bei der Messung der Deformabilität von Erythrozyten (roten Blutkörperchen) demonstriert. In Fig. 2 ist ein Streubild 11 einer Suspension bei Stillstand des Messkörpers, also bei Null-Scherkraft und ein entsprechendes Diagramm der Intensität und Strah-lo lungsverteilung 12 in der Bildebene dargestellt.

Fig. 3 zeigt ein Streubild 11' bei rotierendem Messkörper, somit bei der Einwirkung von Scherkräften auf die Erythrozyten, sowie ein entsprechendes Diagramm 12' der Strahlungsverteilung in der Bildebene. Die Berechnung der Deformabili-15 tät erfolgt nach der Formel d, _ a„

d0 aj

20

wobei d die durch die Deformation entstandene Elongation der Erythrozyten, d0 deren Durchmesser, aG und die Abstände der Strahlungsminima im Streubild sind.

In nachfolgenden Beispeilen und Zeichnungen sind die 25 grundsätzlichen Ausführungen der Messkörper und die Messanordnungen aufgeführt.

Fig. 4 stellt die Messkörper als zwei runde Scheiben dar, von denen eine, z.B. die untere (1), fest und die andere, z.B. die obere (2) rotierend angeordnet sind. Der Messspalt kann 30 durch feste Distanzscheiben (Fig. 4a) oder mittels eines beweglichen Kolbens (Fig. 4b) eingestellt werden.

In Fig. 5 ist für eine grössere Anzahl zu untersuchender Proben eine Anordnung der beiden Messkörper 1 und 2 als auswechselbares Element dargestellt. Der Spalt zur Aufnah-35 me der Partikelsuspension wird mit eingelegten Distanzscheiben (Fig. 5a) eingestellt oder mittels integrierter Distanzform (Fig. 5b) definiert.

Bei manchen Mikropartikeln erfolgt deren volle Deformation augenblicklich mit dem Einsetzen der Scherkräfte und 40 somit ist eine aussagekräftige Messung solcher Partikel auch bei kurzer, linearer Bewegung der Messkörper möglich.

In Fig. 6 ist eine Anordnung der Messkörper zur Messung bei linearer Bewegung dargestellt. Die Grundplatte 22 ist mit Führungs- und gleichzeitig Distanzschienen 20 versehen, in 45 denen die zweite Platte 1 mit einstellbarer Geschwindigkeit bewegt wird. Der Messspalt wird durch feste oder verstellbare Distanzschienen eingestellt.

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3 Blatt Zeichnungen