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Vorrichtung zum Ausrichten von im allgemeinen flachen Teilchen für
die Schlitzverscluß-Lichtmessung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zum Ausrichten von Teilchen in einer Suspension, insbesondere eine Vorrichtung zum
Ausrichten von im allgemeinen flachen Teilchen in einer Stellung, die zu ihrem Abtasten
beim Passieren einer Kontrollvorrichtung in einem Schlitzverschluß-tichtmeßinstrument
geeignet ist.
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Optische Teilchenerfassungsvorrichtungen arbeiten nach dem Prinzip,
die Menge des gestreuten oder aufgefangenen Lichts zu messen, wenn ein starker Lichtstrahl
durch eine Strömung mit suspendierten Teilchen geschickt wird. Es wurden bereits
Durchflußkammern entwickelt, um die Probenflüssigkeit genau in der Mitte eines kreisförmigen
laminaren Hüllflüssigkeitsstroms zu halten. Diese Durchflußkammern wurden entwickelt,
um eine nichtturbulente, laminar strömende Flüssigkeit zu erzielen, die dann eine
probenhaltige Flüssigkeit umgab. Diese Anordnung ermöglichte die genau axiale Ausrichtung
der Probenflüssigkeit beim Passieren einer Abtast- oder Beobachtungsvorrichtung.
Die erwähnten Durchflußkammern wurden in Schlitzverschluß-Lichtmeßvorrichtungen
verwendet.
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In einer bekannten Vorrichtung wurde eine Zellfluoreszenzanalysiervorrichtung
verwendet, um die fluoreszierenden Konturen einer Fluorochromzelle graphisch wiederzugeben.
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Diese Technik erlaubte es, Kernfluoreszenz von nicht-spezifischer
Zellplasmafluoreszenz zu unterscheiden, wie sie häufig in Teilchen, wie schuppenförmigen
Zellen, beobachtet wurde. Die Form des Impulses zeigte das Verhältnis der Bereiche
von Zellkern und Zellplasma an, was ein informativer Hinweis ist. Diese schuppenförmigen
Zellen sind im allgemeinen flach und "spiegeleiförmig", d. h. sie sind von oben
gesehen kreisförmig und besitzen einen etwas erhöhten Kern, der in der Mitte oder
etwas außermittig angeordnet ist.
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Die in der erwähnten Vorrichtung verwendete optische Abtastvorrichtung
entsprach der maximalen Querschnittsfläche des Teilchens senkrecht zur Richtung
des Lichtstrahls der Abtastvorrichtung. Aufgrund der unregelmäßigen Form und der
nicht vorhersehbaren Ausrichtung der schuppenförmigen Zellen beim Passieren des
Abtaststrahls war die Querschnittsfläche beim Passieren der Abtastvorrichtung sehr
unterschiedlich und die resultierenden Daten daher ungenau.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Mängel der bekannten
Vorrichtungen zu überwinden und eine Vorrichtung zum Ausrichten von in einer Flüssigkeitsprobe
enthaltenen Probenteilchen zur Beobachtung durch ein Schlitzverschluß-Lichtmeßgerät
zu schaffen, wobei die Vorrichtung eine Durchflußkammer mit einem Eingang und einem
Ausgang für die Probenflüssigkeit aufweist und dadurch gekennzeichnet ist, daß die
Durchflußkammer so konstruiert ist, daß das Verhältnis einer ersten zu einer zweiten
Abmessung der Durchflußkammer in der Richtung des Probehflüssigkeitsstroms gleichmäßig
zunimmt,
wobei die erste Abmessung quer zur zweiten liegt und die Querschnittsfläche der
Durchflußkammer, die im allgemeinen senkrecht zu der Richtung des Flüssigkeitsstroms
liegt, in der Richtung des Flüssigkeitsstroms gleichmäßig abnimmt, so daß die Durchflußgeschwindigkeit
in dieser Durchflußkammer allmählich zunimmt, und wobei in dieser Kammer, wo die
Beschleunigung wirksam ist, eine Beobachtungsvorrichtung angeordnet ist.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 einen Teilschnitt durch die Mitte
der Vorrichtung nach der Erfindung; Fig. 2 eine Draufsicht der Vorrichtung nach
Fig. 1; Fig. 3 und 4 vektorielle Darstellungen der Strömungsgeschwindigkeit an verschiedenen
Punkten der Vorrichtung nach Fig. 1; Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 in
Fig. 1; Fig. 6 eine vektorielle Darstellung der Strömungsgeschwindigkeit längs der
Längsachse der Vorrichtung nach Fig. 1; Fig. 7 eine vergrößerte Darstellung eines
Teils der Vorrichtung nach Fig. 1.
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Fig. 1 stellt eine Teilchendurchflußvorrichtung 10 nach der Erfindung
dar. Durch ein Probenrohr 14 werden von einer geeigneten Quelle in einer Suspension
befindliche Teilchenproben,
z.B. schuppenförmige Teilchen 12, in
eine Durchflußkammer 16 eingeführt.
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Die Durchflußkammer 16 wird durch die Wände 17 in Fig. 2 und die Wände
18 in Fig. 1 begrenzt Die Wände 17 sind zueinander parallel und gerade, während
die Wände 18 vorzugsweise sich exponentiell verengenden Kurven folgen. Die Wände
18 laufen zu einem Flüssigkeitsausgang 20 zusammen.
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Die Teilchen 12 werden durch eim Lichtquelle 22 abgetastet, die die
Durchflußkammer 16 in im wesentlichen querverlaufender Richtung zu der Strömung
der Teilchenproben 12 beleuchtet.
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Gegenüber der Lichtquelle 22 ist eine auf Licht ansprechende Vorrichtung,
z.B. eine Photozelle 24 angeordnet, die das die Durchflußkammer 16 durchquerende
Licht mißt. Die Photozelle 24, wie z.B. eine Photovervielfacherröhre, spricht auf
die durchgelassene Lichtmenge an. Diese Messung kann dazu dienen, die den Lichtstrahl
passierende Anzahl von Teilchen zu zählen, sowie andere physikalische Eigenschaften
der Teilchen, wie Undurchsichtigkeit und Farbe, zu bestimmen.
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Die Photozelle kann auch dazu dienen, die Querschnittsfläche der Proben-Teilchen
zu messen. Durch variieren der Lichtquelle oder Färben der Teilchenproben kann die
Elektrolumineszenz gemessen werden, was ebenfalls zur Identifizierung der vorhandenen
Teilchenart dienlich sein kann.
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Nach Fig. 1 ist an die Durchflußkammer 16 eine Rohrleitung 26 angeschlossen,
um einen Flüssigkeitsstrom in die Durchflußkammer 16 zu leiten. Ein durch Pfeile
28 angedeuteter laminarer Hüllstrom wird durch die Hüllstromvorrichtung 30 gebildet,
die in der Rohrleitung 26 angeordnet ist. Die Hüllstromvorrichtung 30 kann mehrere
Rohre 32 umfassen, die sich wie angedeutet in der Richtung des Flüssigkeitsstroms
durch die Rohrleitung 26 erstrecken und das Probenrohr 14 umgeben. Die Rohre 32
verhindern.
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eine Wirbelströmung, so daß die in die Durchflußkammer 16 gelangende
Flüssigkeit gerichtet ist und ruhig fließt. Wenn
der Hüllstrom in
die Durchflußkammer 16 gelangt, nimmt dieser die Form eines laminaren Hüllflüssigkeitsstroms
an. Die Laminarströmung wird mäher in bezug auf Fig. 3 besprochen.
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In Fig. 1 und 2 sind Teilchen 12 dargestellt, die vom Rohr 14 in die
Durchflußkammer 16 geleitet werden. Wenn sie dabei in die Beobachtungsebene der
Lichtquelle 22 und der Photozelle 24 gelangen, sind die Teilchen in einer Lage dargestellt,
in der sie quer zu dem Lichtstrahl 33 der Lichtquelle 22 liegen.
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Wie in Fig. 2 zu sehen ist, die aus der Sicht der Lichtquelle 22 dargestellt
ist, ist jedes Teilchen so ausgerichtet, daß seine Flachseite dem Lichtstrahl zu
wand ist, d.h. die maximale Querschnittsfläche jedes Teilchens liegt quer zu dem
Lichtstrahl.
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Fig. 3 ist eine vektorielle Darstellung einer Flüssigkeit, die einen
wie oben beschriebenen laminaren Hüllstrom bildet. Einen solchen laminaren Strom
bildet der Flüssigkeitsstrom 28 beim Eintritt in die Durchflußkammer 16. Die horizontalen
Pfeile stellen die Vektorgeschwindigkeiten an verschiedenen über die Rohrleitung
26 verteilten Punkten dar, wobei in einer Rohrleitung mit parallelen Wänden ein
Hüllstrom vorhanden ist, und wobei die Pfeile parallel sind.und ein typischer davon
mit 34 bezeichnet ist. Diese Vektoren bestimmen wie dargestellt eine Parabel, wobei
der Abstand der Vektoren von der Wand in typischer Weise wie mit 35 angezeigt ist,
was auch der Abstand des Vektors 34 von der Wand ist. Wenn der Laminarstrom in die
Flüssigkeitskammer 16 eintritt, wird sich die in Fig. 4 dargestellte Vektorströmung
ergeben. Die Geschwindigkeit der den Wänden 18 der Durchflußkammer 16 am nächsten
gelegenen Flüssigkeit wird durch die sich gleichmäßig verändernde Breite der Wände
18 verändert. Die Geschwindigkeit der Flüssigkeit in der Durchflußkammer 16 hatiiim
eine Geschwindigkeitskomponente Y, die durch die Wände 18 bestimmt wird, wobei diese
Geschwindigkeitskomponente mit zunehmendem Abstand von den
Wänden
18 abnimmt, bis die Flüssigkeit in der Mitte der Strömung fast keine Geschwindigkeitskomponente
Y mehr aufweist. Nach dem Prinzip von Bernoulli hat die Flüssigkeit in Fig. 4 in
der Mitte die größte Geschwindigkeit, und der Druck ist in der Mitte der Flüssigkeit
am geringsten. Auf die Teilchen außerhalb der Mitte des Flüssigkeitsstroms wirkt
eine Flüssigkeitsdruckkomponte Y ein, so daß sie gegen die Mitte des Flüssigkeitsstroms
gerichtet werden.
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Wenn der Mitte eines Laminarstroms ähnlich dem in Fig. 3 isokinetisch
eine Probenflüssigkeit zugeführt wird, bleibt die Mittelströmung in der Mitte, ohne
irgendwelche Ebenen der Laminarströmung zu duchqueren Dabei kann eine annähernde
Laminarströmung ohne Verwendung der Rohre 32 gebildet werden.
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wenn eine langsam strömende Flüssigkeit in eine im wesentlichen unbegrenzt
lange Rohrleitung geleitet wird, bevor sie in die Durchflußkammer 16 der Vorrichtung
10 eintritt. Die konvergierende Anordnung der Wände 18 der Durchflußkammer 16 bewirkt
eine ständige Erhöhung der Durchflußgeschwindigkeit in Richtung des Ausgangs 20.
Die im wesentlichen unbegrenzte Breite des Querschnitts der Durchflußkammer in der
Nähe des Erfassungsbereichs im Vergleich zur Höhe bewirkt, daß die Strömung nicht
nur laminar, sondern auch planlaminar ist. Die im wesentlichen unbegrenzte Breite
wird durch einen Schlitz 36 ermöglicht, der an einer mittleren Längsachse von geringem
Druck liegt und die Wirkung einer Längswand auf die Flüssigkeitsströmung weiter
verringert.
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In Fig. 2 und 5 ist ein Schlitz 36 zu sehen, der sich entlang der
gesamten Breite der Durchflußkammer 16 erstreckt. Der Schlitz 36 erstreckt sich
in einer Richtung etwa senkrecht zu der Ebene des von der Lichtquelle 22 ausgesandten
Lichtstroms. Dieser Schlitz bewirkt eine vergrößerte axiale Ebene mit erhöhter Geschwindigkeit,
die nach dem Bernoulli-Prinzip eine Ebene mit geringstem Druck darstellt, wodurch
eine optimale Ausrichtung der Teilchen erzielt wird, so daß jedes Teilchen
eine
Lage einnimmt, in der seine flache Seite quer zum Strahl 33 der Lichtquelle 22 in
Fig. 1 liegt. Der axiale Bereich mit geringstem Druck, der durch den Schlitz 36
in den Wänden 17 der Durchflußkammer 16 gebildet wird, bewirkt in der Tat einen
Nulldruckgradienten in einer Richtung senkrecht von der axialen Mitte der Flüssigkeit
gegen die Wände 17 hin. Die vom Schlitz 36 gebildeten Wände sind am weitesten von
der Mittelachse des Flüssigkeitsstroms entfernt und haben einen nur unwesentlichen
Einfluß auf die Flüssigkeitsströmung.
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Fig. 6 ist eine vektorielle Darstellung der Geschwindigkeiten in der
Durchflußkammer 16 in Fig. 5 entlang deren mittlerer Längsachse und parallel zum
Schlitz 36. Wie zu ersehen ist, ist die Geschwindigkeit entlang diesem Bereich längs
des Schlitzes 36 etwa konstant, so daß dieser Bereich, wie bereits beschrieben,
die geringsten Druckabweichungen aufweist.
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Wenn sich ein Teilchen in der Durchflußkammer 16 befindet, bewegt
sich die mit der Vorderkante des Teilchens in Kontakt befindliche Flüssigkeit schneller
als die die hintere Kante des Teilchens berührende Flüssigkeit. Dadurch wird eine
Kraft auf das Teilchen ausgeübt, das dazu neigt, sich nach der Strömungsrichtung
auszurichten. Außerdem wird jedes Teilchen, das in Strömungsrichtung gedreht wird,
durch die Strömungsgeschwindigkeitskomponente senkrecht zur Strömungsrichtung in
der Mitte der Durchflußkammer gedreht, da durch den abnehmenden Abstand ddr Kammerwände
18 die nach innen gerichtete Strömungsgeschwindigkeitskomponente, die stromaufwärts
höher als stromabwärts ist, senkrecht zur Strömungsrichtung abseits der Achse gebildet
wird. Diese senkrechten Geschwindigkeitskomponenten sind in der Mitte der Durchflußkammer
gleich Null. Dann richten sich die Teilchen entlang dieser Achse geringsten Drucks
wie oben beschrieben aus, wobei die von der maximalen Querschnittsfläche der flachen
Teilchen gebildete Ebene in einer Ebene parallel zu der Axialebene geringsten Drucks
und rechtwinklig zu dem Strahl 33 der Lichtquelle 22 liegt.
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Die Schnittansicht in Fig. 5 zeigt den Eingang zur Durchflußkammer
16. Der Eingang zur Durchflußkammer ist gestreckt länglich ausgebildet, ähnlich
dem Eingang für die abzutastenden schuppenförmigen Probenteilchen. Das dargestellte
Probenrohr 14 ist in der Mitte der Durchflußkammer angeordnet, hat deren gestreckte
längliche Form und ist darin axial zentriert.
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Proben schuppenförmiger Teilchen, die vom Rohr 14 in die Durchflußkammer
16 geleitet werden, kommen, wie oben beschrieben, in die Mitte der Durchflußkammer
16, wobei die von der Mitte am entferntesten gelegenen Wände einen längsaxialen
Bereich von geringstem Druck bilden. Wie bereits erwähnt, steigt der Flüssigkeitsdruck
mit zunehmendem Abstand von der Strömung mittelachse an, wodurch die Teilchen9 ob
sie bereits in die Symmetrieachse gedreht sind oder nicht, durch den Druckanstieg
an Punkten der Teilchen, die am weitesten von der Symmetrieachse entfernt sind,
zu dieser gedreht werden. Dann werden die Teilchen abgetastet, indem, wie in Fig.
7 gezeigt, quer zur Strömungsrichtung ein durch eine zylindrische Linse fokussierter
Lichtstrahl 33 ausgesandt wird. Der Lichtstrahl 33 trifft auf die Teilchen 12 an
einem Punkt, an dem sich die Wände 18 noch zur Öffnung 20 hin verjüngen. Wenn die
spiegeleiartigen" schuppenförmigen Teilchen den Lichtstrahl erreichen, sind sie
in der Mitte der Strömung in Längsrichtung entlang der Achse geringsten Drucks etwa
rechtwinklig zum Strahl 33 ausgerichtet. Infolgedessen bietet sich dem Strahl 33
jeweils die maximale Querschnittsfläche des Teilchens dar.
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Dadurch werden die angestrebten brauchbaren Resultate bei der Schlitzverschluß-Lichtmessung
erzielt, die bisher nicht erreicht werden konnten.
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Nach ihrem Austritt durch den Ausgang 20 kann der Strom zur weiteren
Einzeluntersuchung der Teilchen auf einer Platte niedergeschlagen werden oder durch
eine entsprechende Leitung zu einer Abwasser- oder Rückführvorrichtung geleitet
werden.