DE4423935A1 - Küvette zur makroskopischen und mikroskopischen Beobachtung von Proben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Küvette zur makroskopischen und mikroskopischen Beobachtung von Proben, vorzugs­ weise von Kleinlebewesen und zwar insbesondere unter Schwerelosigkeit. Diese Kultur- und Beobachtungsküvet­ ten dienen insbesondere der lichtoptischen Untersuchung kleiner lebender Proben, wie Einzeller, Zell- und Ge­ webekulturen, sowie kleiner Vielzeller bzw. Frühstadien von Vielzellern bei einem Aufenthalt im Weltraum bis zu mehreren Wochen.

Im Rahmen der biologischen Schwerelosigkeitsforschung in bemannten und unbemannten Raumfahrzeugen ist es heute üblich, pflanzliche und tierische ein- und viel­ zellige Systeme hinsichtlich ihrer spezifischen Reak­ tionen unter annähernder Schwerelosigkeit ("O-g") mit Hilfe lichtoptischer Methoden zu untersuchen. Typische Instrumente hierfür sind makro- und mikroskopische Ver­ fahren, wie sie im Labor auf der Erde üblich sind. Hin­ zu kommen neuerdings sogenannte Niedergeschwindigkeits­ zentrifugen-Mikroskope. Für alle diese Arten der Makro- und Mikroskopie sind spezielle Probenküvetten erforder­ lich, die sowohl die Kultur der lebenden Proben als auch deren optische Untersuchung erlauben.

Ein vollautomatisches Mikroskop mit Probenteil zur Untersuchung lebender Zellen unter O-g wurde 1973 von der NASA im Skylab eingesetzt. Eine derartige Einheit von Mikroskop und Probenbehälter ist seither nicht mehr zum Einsatz gekommen. An Bord der Space-Shuttles der NASA hat man sich seither nur noch der manipulativen Fähigkeiten von Astronauten für derartige Untersuchun­ gen bedient; d. h. an der Schnittstellen zwischen Mikroskop und Proben ist ein Astronaut beteiligt. Die Abkehr von der Vollautomatisierung potenziert die Ein­ satzmöglichkeiten sowohl auf der Seite des licht­ optischen Beobachtungssystems, als auch Ausführung und Besatz der Probenbehälter, sowie die Zahl der voneinan­ der unabhängigen Untersucher. Teilautomatisierung und Regelung können jetzt in beliebigem Ausmaß, vor allem auf der Seite des lichtoptischen Beobachtungssystems, aber auch völlig unabhängig davon, nämlich auf der Seite der Probenbehälter, stattfinden.

Eine der wichtigsten Voraussetzungen für die licht­ optische Beobachtung biologischer Proben bei einem Raumflug ist die Manipulation einer Probe in der Art, daß sie sich zu einem möglichen oder gewünschten Zeit­ punkt in einem geeigneten Entwicklungszustand befindet. Das erfordert häufig eine völlige Abkehr von den nor­ malerweise im Labor auf der Erde angewandten Verfahren. Lösungsmöglichkeiten sind der Einsatz bestimmter Tempe­ raturregime oder von halbautomatisierten Probenbehäl­ tern, die eine passive oder aktive Beeinflussung des physikochemischen Milieus, dem die Proben ausgesetzt sind, zulassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Küvette zur makroskopischen und mikroskopischen Beobachtung von Proben, vorzugsweise Kleinlebewesen, insbesondere unter Schwerelosigkeit, zu schaffen, die leicht und einfach handhabbar ist und gleichzeitig die Kultur und die Be­ obachtung der Probe erlaubt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Küvette der eingangs genannten Art vorgeschlagen, die versehen ist mit:

• - einem Gehäuse mit einem Probenraum zur Unterbrin­ gung und Beobachtung einer Probe, wobei das Ge­ häuse aus einem polierfähigen optisch transparen­ ten und für die Probe inerten Material besteht und eine erste sowie eine zweite Gehäusehälfte auf­ weist,
• - einer Dichtung zwischen einander zugewandten Dichtflächen der Gehäusehälften und
• - mindestens einem Durchgangskanal in dem Gehäuse, der von einem Verschlußkörper verschlossen ist, wobei durch den Verschlußkörper ein dünnes läng­ liches Teil, insbesondere eine Injektionsnadel, bis in den Probenraum hindurchführbar ist und der Verschlußkörper das dünne längliche Teil dicht um­ schließt und nach Entfernen des dünnen länglichen Teils unverändert einen dichten Abschluß bildet.

Die erfindungsgemäße Küvette weist ein Gehäuse aus einem polierfähigen und optisch transparenten sowie für die Probe inerten Material auf, bei dem es sich bei­ spielsweise um ein Kunststoffmaterial wie Macrolon, Polystyrol oder Plexiglas handelt, wobei das Material des Gehäuses insbesondere physiologisch inert ist. Für die Untersuchung von weißlichtempfindlichen Proben kann auch rotgefärbtes Material, beispielsweise rotes Plexi­ glas verwendet werden. Das Gehäuse besteht konstruktiv aus zwei Gehäusehälften, die vorzugsweise als flache Schalen mit einander zugewandten Vertiefungen ausgebil­ det sind. In dem Gehäuse ist der Probenraum zur Auf­ nahme und Beobachtung einer Probe ausgebildet. Im zuvor genannten Spezialfall wird dieser Probenraum von den beiden Vertiefungen gebildet. Jede Gehäusehälfte ist mit einer Dichtfläche versehen, wobei die beiden Dicht­ flächen der Gehäusehälften einander zugewandt sind und sich zwischen den beiden Dichtflächen eine Dichtung befindet. Bei dieser Dichtung handelt es sich zweck­ mäßigerweise um einen Dichtungsmaterialfilm aus einem flüssigen bis viskosen Material. Vorteilhafterweise wird als Dichtung eine Silikonpaste (Baysilone von der Firma Bayer) eingesetzt. Hierbei wird zur Abdichtung der beiden Gehäusehälften die Adhäsionswirkung ausge­ nutzt. Die beiden Dichtflächen sind dabei plan ausge­ bildet. Die zuvor beschriebene Silikonpaste ist ein nicht wasserlösliches viskoses Material, was auch in der Isolatortechnik eingesetzt wird.

Die Zugänglichkeit des Probenraums von außen wird durch mindestens einen Durchgangskanal gewährleistet, der in einer Gehäusehälfte oder, zweigeteilt, zwischen den beiden Gehäusehälften ausgebildet ist. In dem Durch­ gangskanal ist ein Verschlußkörper, insbesondere ein Septum aus Silikongummi, eingesetzt. Der Verschlußkör­ per bzw. das Material, aus dem der Verschlußkörper be­ steht, hat die Eigenschaft, ein Manipulationswerkzeug, das durch den Verschlußkörper hindurchgeschoben wird, dicht zu umschließen. Als Manipulationswerkzeuge kommen insbesondere längliche Gerätschaften wie Injektionsna­ deln in Frage. Mit Hilfe dieser Art von Verschlußkörper ist es möglich, eine Probe in den Probenraum einzubrin­ gen oder in den Probenraum, in dem sich bereits eine Probe befindet, ein bestimmtes Mittel einzubringen, um das weitere Verhalten der Probe zu untersuchen. In bei­ den Fällen muß beim Einbringen der Probe bzw. einer zusätzlichen Flüssigkeit oder sonstigen Materie für eine Entlüftung des Probenraums gesorgt werden, was zweckmäßigerweise durch eine (zweite) sich durch den Verschlußkörper hindurch erstreckende Injektionsnadel erfolgt. Auch beim Befüllen der Küvette ist die Verwen­ dung eines wie oben beschriebenen Verschlußkörpers von Vorteil. Nachdem der Probenraum bei noch nicht ver­ schlossenem Durchgangskanal befüllt worden ist, wird der Verschlußkörper samt sich durch diesen erstrecken­ der Injektionsnadel verschlossen. Im Anschluß daran wird die Injektionsnadel herausgezogen und der Durch­ gangskanal ist wieder dicht verschlossen. Das Material des Verschlußkörpers macht es nämlich möglich, daß der dichte Verschluß auch nach herausziehen des Manipula­ tionswerkzeuges noch gewährleistet ist.

Die erfindungsgemäße Küvette ist konstruktiv und in ihrer Handhabung denkbar einfach. Sowohl die Erstbefül­ lung als auch das spätere Einbringen von Proben bzw. anderen Flüssigkeiten oder Medien in den Probenraum läßt sich auf einfache Art und Weise bewerkstelligen. Die einfachen Mittel wie Silikonpaste als Dichtungs­ material zwischen den beiden Gehäusehälften arbeiten zuverlässig, und zwar auch noch dann, wenn die Küvette einem Unterdruck ausgesetzt ist, der Druck im Proben­ raum also größer ist als der "Atmosphärendruck" um die Küvette herum; es hat sich nämlich erstaunlicherweise gezeigt, daß das sich in einem solchen Fall leicht bal­ lig verformende Gehäuse immer noch dicht an den Dicht­ flächen seiner Gehäusehälften ist. Zur Übersichts-Be­ obachtung (Makroskopie) und zur mikroskopischen Be­ obachtung ist eine Gehäusehälfte in einem Bereich, näm­ lich im Bereich ihres Beobachtungsfensters geschliffen und weist optische Qualität auf. Vorzugsweise ist jede Gehäusehälfte mit einem derartigen Beobachtungsfenster für die lichtoptische Beobachtung mittels bloßem Auge oder Mikroskopie versehen. Von Vorteil ist es, wenn das Gehäuse eine semipermeable Membran oder einen semiper­ meablen Gehäuseabschnitt aufweist, die bzw. der es er­ laubt, daß Sauerstoff in den Probenraum eindringen und CO₂ aus dem Probenraum heraustreten kann. Zweckmäßiger­ weise ist eine semipermeable Membran im Bereich des Beobachtungsfensters der Küvette angeordnet, wobei die­ ses Beobachtungsfenster dann eine Durchgangsbohrung aufweist, die von der semipermeablen Membran überspannt ist. Die Durchgangsbohrung ist zweckmäßigerweise im Querschnitt kleiner als das Beobachtungsfenster, so daß sich die semipermeable Membran innen am Beobachtungs­ fenster abstützt. Vorzugsweise ist die semipermeable Membran auf dem das Beobachtungsfenster bildenden Boden der Vertiefung in einer der beiden Gehäusehälften ange­ ordnet, wobei sie durch einen Spannring auf dem Boden und den seitlichen Begrenzungsflächen der Vertiefung aufliegend gehalten ist und der Spannring sich an den Seitenflächen der Vertiefung abstützt.

Neben der bisher beschriebenen einkammerigen Ausbildung des Probenraums läßt sich die erfindungsgemäße Küvette auch mit einem unterteilten Probenraum ausstatten, der dann einen im folgenden "Beobachtungsraum" genannten Teil und einen im folgenden "Vorratsraum" bezeichneten Teil aufweist. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen den beiden Gehäusehälften eine Zwischen­ wand angeordnet, die sich bis zwischen die Dichtungs­ flächen der Gehäusehälften erstreckt. Die Zwischenwand erstreckt sich darüber hinaus zweckmäßigerweise auch bis in den Durchgangskanal hinein, wo sie an dem Ver­ schlußkörper anliegt. Damit wird auch der innenliegende Anteil des Durchgangskanals bis zum Verschlußkörper (innerer Durchgangskanal) durch die Zwischenwand zwei­ geteilt, so daß zwei innere Durchgangskanäle entstehen, die zu den beiden Räumen, nämlich dem Beobachtungsraum und dem Vorratsraum führen. In dem sich in den inneren Durchgangskanälen erstreckenden Bereich der Zwischen­ wand ist mindestens eine Verbindungsöffnung in der Zwi­ schenwand ausgebildet, die für eine Strömungsverbindung sowohl für die Gas- als auch für die Flüssigkeitsantei­ le der Probe sorgt.

Zur Vereinfachung der Überführung eines flüssigen Pro­ benanteils aus dem Vorratsraum in den Beobachtungsraum, in dem sich vorzugsweise das Beobachtungsfenster befin­ det, ist es zweckmäßig, daß im Vorratsraum ein Kolben angeordnet ist, der dicht an den den Vorratsraum be­ grenzenden Wänden und gleitend verschiebbar im Vorrats­ raum angeordnet ist. Aus dem Gehäuse herausgeführt ist ein Betätigungsorgan für den Kolben, das sich durch den entsprechenden Durchgangskanal und den Verschlußkörper hindurch erstreckt. Bei Betätigung des Kolbens mittels des Betätigungsorgans wird ein Probenanteil (beispiels­ weise Nährlösung mit Zell- und Gewebekulturen, bioche­ mische Aktivatoren oder chemische Fixation) aus dem Vorratsraum über die Verbindungsöffnung in den Beobach­ tungsraum umgefüllt.

Zwecks Druckausgleichs im Beobachtungsraum beim Ein­ bringen eines Probenanteils über die Verbindungsöffnung aus dem Vorratsraum sind in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung in der Zwischenwand eine oder mehrere Übertrittsöffnungen ausgebildet, die ein Überströmen von Flüssigkeit und/oder ein Entweichen lediglich von Gas aus dem Beobachtungsraum zurück in den Vorratsraum in den Bereich hinter den Kolben ermöglichen. Bei Gas im Beobachtungsraum können andere Bestandteile der Pro­ be, insbesondere Flüssigkeit, nur verzögert über die Übertrittsöffnungen aus dem Beobachtungsraum entwei­ chen. In diesem Fall sind in der Zwischenwand meh­ rere derartige Übertrittsöffnungen vorgesehen, da im schwerelosen Zustand beim Umpumpen der Probe vom Vor­ ratsraum in den Beobachtungsraum keine einheitliche (Flüssigkeits-) Front des umgefüllten Probenmaterials vorliegt. Unter Schwerelosigkeit lassen sich nämlich die beiden Phasen Gas und Flüssigkeit nicht voneinander trennen. Damit die Entlüftung des Beobachtungsraums während des gesamten "Umpump-Vorganges" gewährleistet ist, sind die Entlüftungsöffnungen in Bewegungsrichtung des Kolbens oder in der "Strömungsrichtung", in der der Probenanteil in den Beobachtungsraum eindringt, ver­ teilt in der Zwischenwand angeordnet, damit auch dann, wenn die in Strömungsrichtung ersten Übertrittsöffnun­ gen durch Flüssigkeit verschlossen sind, noch nicht verschlossene Übertrittsöffnungen vorhanden sind. Durch entsprechende Wahl der Positionen der Übertrittsöffnu­ ngen in Strömungsrichtung und quer dazu kann für eine gewisse Vergleichmäßigung der "Strömungsfront" gesorgt werden.

Nach dem Umpumpen befindet sich der flüssige Probenan­ teil im Beobachtungsraum, während der in Beobachtungs­ richtung dahinterliegende Vorratsraum teilweise von Gas erfüllt ist. Es läßt sich aber nicht verhindern, daß die Innenwand des Vorratsraums mit Flüssigkeit beschla­ gen ist. Das Beschlagen der Innenwände des Vorratsraums mit Flüssigkeit kann jedoch den mikroskopischen Strah­ lengang beeinträchtigen. Deshalb wird gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung dafür gesorgt, daß sich in dem durch den Kolben von der Durchgangsboh­ rung abgetrennten Teil des Vorratsraums (Teil des Vor­ ratsraums hinter dem Kolben bei Betätigung desselben zwecks Überführung des flüssigen Probenanteils) Wasser befindet. Die Menge an Flüssigkeit im Vorratsraum nach dem Bewegen des Kolbens in Richtung auf die Durchgangs­ bohrung ist damit wesentlich vergrößert, so daß es im Beobachtungsbereich nicht mehr nur zu einem Beschlagen der Innenwände kommt, weshalb Störungen des mikrosko­ pischen Strahlengangs verhindert werden.

Nachfolgend werden anhand der Figuren zwei Ausführungs­ beispiele der Erfindung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Kultur- und Be­ obachtungsküvette gemäß einem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel mit einem einteiligen Probenraum, der sowohl der Kultur als auch der Beobachtung der Probe dient und

Fig. 2 und 3 eine Draufsicht und einen Längsschnitt durch eine Küvette gemäß einem zweiten Ausführungs­ beispiel mit in einen Beobachtungsraum und ei­ nen Vorratsraum unterteiltem Probenraum.

Anhand des Längsschnitts gemäß Fig. 1 soll nachfolgend auf ein erstes Ausführungsbeispiel der Kultur- und Be­ obachtungsküvette eingegangen werden. Die Küvette 10 weist ein Gehäuse 12 auf, das eine obere Gehäusehälfte 14 und eine untere Gehäusehälfte 16 aufweist. Beide Gehäusehälften 14, 16 sind mit einander gegenüberliegen­ den Vertiefungen 18, 20 versehen, die zusammen den Probenraum 22 bilden. Ein Durchgangskanal 24 führt von außerhalb des Gehäuses 12 bis in den Probenraum 22 hin­ ein und ist mit einem Verschlußkörper 26 in Form eines Silikongummiseptums verschlossen. Bei 28 ist angedeu­ tet, wie durch diesen Verschlußkörper 26 zwei Injek­ tionsnadeln hindurchgeführt sind, die im Probenraum 22 enden. Während beispielsweise über die eine der beiden Injektionsnadeln eine lebende Probe, beispielsweise ein Einzeller, Zell- und Gewebekulturen, sowie kleinere Vielzeller bzw. Frühstadien von Vielzellern in den Probenraum 22 eingebracht werden, kann über die andere der beiden Injektionsnadeln für eine Entlüftung des Probenraums 22 gesorgt werden. Das Silikongummiseptum (Verschlußkörper 26) sorgt für die dichte Umschließung beider Injektionsnadeln 28. Nach dem Einbringen der lebenden Probe in den Probenraum 22 werden beide Injek­ tionsnadeln 28 herausgezogen, wobei sich das Septum selbsttätig verschließt.

Die beiden in Fig. 1 bei 30 gezeigten Dichtflächen der Gehäusehälften 14, 16 sind plan geschliffen. Zwischen ihnen befindet sich eine biologisch inerte, nicht-was­ serlösliche hochviskose Silikonpaste, beispielsweise das von der Firma Bayer unter der Warenbezeichnung Bay­ silone, angebotene Produkt, das aus der Isolatortechnik bekannt ist. Dieses Dichtungsmittel dichtet die beiden Gehäusehälften 14, 16, die mittels nicht dargestellter Schrauben miteinander verbunden sind, ab.

In der oberen Gehäusehälfte 14 ist ein Beobachtungs­ fenster 32 durch entsprechendes Polieren der oberen Gehäusehälfte 14 ausgebildet. Innerhalb dieses Beobach­ tungsfensters 32 weist die obere Gehäusehälfte 14 eine Durchbrechung 34 auf. Diese Durchbrechung 34 ist durch eine semipermeable Membran 36 aus Tetrafluorethylen abgedeckt, die von innen an der oberen Gehäusehälfte 14 anliegt und mittels eines Spannrings 38, der in die Vertiefung 18 der oberen Gehäusehälfte 14 eingesetzt ist, gehalten wird. Damit ist es möglich, in Richtung des Pfeils 40 die lebende Probe im Probenraum 22 mit dem bloßen Auge makroskopisch oder mittels lichtopti­ scher Beobachtungssysteme, wie insbesondere Mikroskope und vorzugsweise sogenannte Niedergeschwindigkeitszen­ trifugen-Mikroskope, wie sie zur Untersuchung im Welt­ raum eingesetzt werden, zu beobachten.

Anhand der Fig. 2 und 3 wird nachfolgend ein zweites Ausführungsbeispiel einer Kultur- und Beobachtungs­ küvette näher beschrieben. Die in Draufsicht in Fig. 2 gezeigte Küvette 50 ist, wie sich aus Fig. 3 ergibt, mit einem zweiteiligen Gehäuse 52 versehen, das eine obere Gehäusehälfte 54 und eine untere Gehäusehälfte 56 mit einer dazwischenliegenden Trennwand 57 aufweist. Wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bilden zwei Vertiefungen 58, 60 in den beiden Gehäusehälften 54, 56 den Probenraum der Küvette 50, der in einen Vorratsraum 61 und in einen Beobachtungsraum 63 unterteilt ist. Die Trennwand 57 erstreckt sich bis in den Durchgangskanal 64 hinein, in dem der Verschlußkörper 66 angeordnet ist, der aus einem Silikongummiseptum besteht. Die Trennwand 57 grenzt bis an diesen Verschlußkörper 66 an und erstreckt sich im übrigen bis zwischen die beiden Gehäusehälften 54, 56. In diesen Randbereichen befindet sich die Trennwand 57 zwischen den einander gegenüber­ liegenden planen und parallelen Dichtungsflächen 70 der beiden Gehäusehälften 54, 56, wobei zwischen den jewei­ ligen Dichtungsflächen 70 und der Trennwand 57 als Dichtungsmittel wiederum hochviskose wasserunlösliche Silikonpaste angeordnet ist.

In der zusammen mit der Trennwand 57 den Beobachtungs­ raum 63 bildenden oberen Gehäusehälfte 54 ist durch Planschliff derselben ein Beobachtungsfenster 72 mit einer zentralen Durchbrechung 74 ausgebildet, die von einer innenliegenden semipermeablen Membran 76 ver­ schlossen ist. Diese Membran 76 ist für Kleinmoleküle (O₂, CO₂) durchlässig. Die Membran 76 ist durch einen Spannring 78 gehalten, der innen an den die Vertiefung in der oberen Gehäusehälfte 54 begrenzenden Seiten­ flächen mit Kraft anliegt. Durch das Beobachtungs­ fenster 72 läßt sich die Probe im Beobachtungsraum 63 in Richtung des Pfeils 80 beobachten (mit bloßem Auge oder mit lichtoptischen Systemen, wie beispielsweise Mikroskopen).

In dem Vorratsraum 61, der in Richtung des Pfeils 80, also in Beobachtungsrichtung betrachtet, hinter dem Beobachtungsraum 63 angeordnet ist, befindet sich ein Kolben 82, der verschiebbar und dicht in dem Vorrats­ raum 61 angeordnet ist. An dem Kolben 82 ist ein Betä­ tigungsorgan 84 zum Bewegen des Kolbens 82 befestigt. Das Betätigungsorgan 84 ist ein Kunststoff-Kapillar­ schlauch, der durch eine Durchgangsbohrung 86 im Kolben 82 hindurchgeführt ist. Das aus dem Kolben 82 heraus­ ragende eine Ende des Kapillarschlauchs ist klemmend im Kolben 82 festgelegt, in dem in das Ende ein Glaskonus 88 eingesteckt ist. Der Kapillarschlauch (Betätigungs­ organ 84) erstreckt sich ausgehend vom Kolben 82 durch den Vorratsraum 61 und weiter durch den Durchgangskanal 64 sowie den Verschlußkörper 66 bis außerhalb des Ge­ häuses 52. Durch Ziehen an dem außerhalb des Gehäuses 52 liegenden Ende des Kapillarschlauches wird der Kol­ ben 82 (einmalig) aus einer Ausgangsposition, in der er sich an dem dem Verschlußkörper 66 abgewandten Ende des Probenraums 61 befindet, in eine Endposition, in der der Kolben 82 dem Durchlaßkanal 64 bzw. dem Verschluß­ körper 66 zugewandt ist.

Im sich in den Durchlaßkanal 64 erstreckenden Bereich der Trennwand 57 ist eine Verbindungsöffnung 90 ausge­ bildet, über die der Probenraum 61 mit dem Beobach­ tungsraum 63 verbunden ist. Durch Ziehen an dem Betäti­ gungsorgan 84 wird durch den Kolben 82 Probenflüssig­ keit aus dem Vorratsraum 61 über die Verbindungsöffnung 90 in den Beobachtungsraum 63 "gepumpt". Zur Druckent­ lastung des Beobachtungsraums 63 sind in der Trennwand Übertrittsöffnungen 92 ausgebildet, die bevorzugt für gasförmige Bestandteile der Probe durchlässig sind. Wie man insbesondere anhand von Fig. 2 erkennen kann, sind diese Übertrittsöffnungen 92, über die der Beobach­ tungsraum 63 mit dem Vorratsraum 61 verbunden ist, ver­ teilt über die dem Verschlußkörper 66 abgewandte Hälfte der Trennwand 57 angeordnet. Auf die Funktion der Über­ trittsöffnungen 92, die derart im Querschnitt bemessen sind, daß im wesentlichen nur Gaskomponenten hindurch­ gelassen werden, wird nachfolgend eingegangen.

Ein besonderes Problem im schwerelosen Zustand ist die Trennung der Gas- von der Flüssigphase beim Austausch von Gas gegen Flüssigkeit im Beobachtungsraum 63 der zweikammerigen Küvette 50. Zu Beginn der Umfüllung tritt eine weitgehend symmetrische Flüssigkeitsfront, bezogen auf die Eintrittsöffnung, in den Beobachtungs­ raum ein. Bei horizontaler Lage der (flachen) Küvette 50 verhält sich die Flüssigkeit annäherend gleich wie unter Schwerelosigkeit, da die Benetzungskräfte (gege­ ben durch die Oberflächenspannung, deren Ursache die van-der-Waalschen Kräfte sind) gegenüber dem hydrosta­ tischen Druck unter 1 g (Erdbeschleunigung) die Ober­ hand haben. Die Form der Flüssigkeitsfront unterliegt jetzt einem labilen Gleichgewichtszustand, d. h. eine ihrer Seiten eilt, den Benetzungskräften folgend, der anderen Seite voraus. Somit werden manche der Über­ trittsöffnungen 92, die den Übertritt der Gasphase in den Teilraum 94 in Bewegungsrichtung des Kolbens 82 hinter diesen gewährleisten sollen, für das Gas ver­ schlossen; es würde nur noch Flüssigkeit übertreten. Durch besondere Anordnung der Übertrittsöffnungen 92 geeigneter Dimension wird dies verhindert; ein verlust­ freies Umfüllen der Flüssigkeit unter Schwerelosig­ keitsbedingungen ist möglich. Der Effekt beruht darauf, daß das Voreilen der einen Seite der Flüssigkeitsfront beim Passieren einer Übertrittsöffnung 92 in der Trenn­ wand 57 der Küvette 50 leicht verzögert wird, so daß die andere Seite der Flüssigkeitsfront wieder schneller vorrückt. Die Symmetrie der Flüssigkeitsfront ist dann wieder so weit hergestellt, daß durch die weiter hinten angeordneten Übertrittsöffnungen 92 der Trennplatte 57 noch vor Ende der Kolbenbewegung sämtliches Gas, das wegen des Viskoseunterschieds zur Flüssigkeit etwa 100 mal reibungsärmer als Flüssigkeit ist, in den Teil 94 des Vorratsraums 61 übergetreten ist.

Ohne besondere Maßnahmen beschlagen nach dem Umschich­ ten der Flüssigkeit die Innenflächen des jetzt teilwei­ se mit Luft gefüllten Vorratsraums mit Flüssigkeit. Dieses wird durch einen relativ großen Vorratsraum, der beim Zusammensetzen der Küvette auch hinter dem Kolben mit Wasser gefüllt wird und durch Verkleinerung des Luftvolumens im Beobachtungsraum 63, z. B. durch einen dickeren Agarfilm auf der semipermeablen Membran 76, vermieden. Nach dem Umschichten befindet sich jetzt im Vorratsraum 61 im Bereich hinter dem Beobachtungsfeld Wasser, das eine Störung des mikroskopischen Strahlen­ ganges verhindert.

Die Merkmale der hier beschriebenen und in den Figuren gezeigten Küvetten 10, 50 lassen sich zusammenfassend wie folgt darstellen:

• 1. Das Gehäuse der Küvetten besteht aus polierfähi­ gem, optisch transparentem, gegebenenfalls färb­ barem und physiologisch unschädlichem Material.
• 2. Die Küvette kann alternativ ein- und zweikammerig ausgeführt werden.
• 3. Im Gehäuse ist ein Beobachtungsfenster für Über­ sichten (Makroskopie) und für mikroskopische Be­ obachtungen ausgebildet.
• 4. Alternativ kann die Vorder- oder Rückseite des Gehäuses mit einer semipermeablen Membran versehen sein. Die semipermeable Membran sichert die für das Überleben der Organismen wichtige O₂-Durchläs­ sigkeit in den Probenraum und garantiert das Aus­ treten von CO₂ aus dem Probenraum. Beobachtungs­ fenster und semipermeable Membran können auf einer Seite des Gehäuses angeordnet sein.
• 5. Die Verwendung von zwei flachen schüsselförmigen Gehäusehälften mit planen Berührungsflächen und Silikonpaste als Dichtungsmaterial dazwischen bringt eine Teilvakuumdichtigkeit (mindestens 30% und vorzugsweise < 60% von einer Atmosphäre ent­ sprechend 300 bis 600 mb Differenzdruck).
• 6. Beobachtungsfenster und semipermeable Membran kön­ nen an unterschiedlichen Seiten des Gehäuses, ins­ besondere einander gegenüberliegend angeordnet sein.
• 7. Die Küvette wird mit einem Septum aus Silikongummi als Verschlußkörper verschlossen.
• 8. Bei einkammeriger Ausbildung der Küvette erfolgt der Verschluß nach dem Befüllen der Kammer mit Flüssigkeit mittels des Verschlußkörpers; hierbei findet eine Druckentlastung des Probenraums mit­ tels einer sich durch das Septum hindurch er­ streckenden Injektionsnadel statt.
• 9. Bei zweikammeriger Ausführung der Küvette lassen sich durch das Verschlußseptum bis zu vier Injek­ tionsnadeln einstechen, wobei bevorzugt zwei Injektionsnadeln für den Beobachtungsraum und zwei für den Vorratsraum vorgesehen sind. Damit läßt sich jeder Teil des Probenraums befüllen und dabei entlüften.
• 10. Bei der Ausbildung der Küvette mit zwei Kammern läßt sich der eine Teilraum mit einem Kolben für eine einmalige Betätigung mittels Zugseil (Kapil­ larschlauch) ausrüsten.
• 11. Das Zugseil ist durch das Verschlußseptum hin­ durchgeführt.
• 12. Bei der Betätigung des Kolbens im Zustand der Schwerelosigkeit erfolgt ein vollständiger Ersatz der Gas- durch die Flüssigphase im Beobachtungs­ raum der Küvette, und zwar durch in bestimmter Weise angeordnete Übertrittsöffnungen, die über einen Teil der Trennwand, nämlich dem dem Einlaß des Beobachtungsraums abgewandten Teil der Trenn­ wand verteilt angeordnet sind und einen bevorzugt zum Durchtritt von Gas vorgesehenen Durchmesser aufweisen.
• 13. Es wird der Rückfluß der umgeschichteten Flüssig­ keit durch Kleinhaltung des Durchmessers der Über­ trittsöffnungen für die Gasphase in der Trennwand für die beiden Küvettenhälften vermieden (Aus­ nutzung der Kapillarkräfte). Die Dauerbelastbar­ keit dieser Durchtrittssperre im an sich kommuni­ zierenden System weit über der Erdbeschleunigung g ist gegeben.
• 14. Das Beschlagen der inneren Flächen des Teilraums hinter dem Kolben (nach der Umschichtung der Flüs­ sigkeit wie oben beschrieben) durch Einbringen von Flüssigkeit auch in den konstruktiv bedingt freien Raum hinter dem Kolben sowie durch Kleinhalten des Luftvolumens im Beobachtungsraum durch einen zu­ sätzlichen Agarfilm beim Zusammenbau bzw. Be­ schicken der Küvette wird vermieden. Durch Ziehen des Kolbens befindet sich dann in Beobachtungs­ richtung hinter dem Beobachtungsraum Flüssigkeit, die eine gleichmäßige Ausleuchtung des Beobach­ tungsobjekts gewährleistet. Nach der Umschichtung befindet sich also noch eine ausreichende Menge an Restflüssigkeit (Wasser) im Vorratsraum. Wäre dies nicht der Fall, würden sich mikroskopisch kleine Tröpfchen auf den Innenflächen des Vorratsraums bilden, was das mikroskopische Bild des Objekts teilweise unkenntlich machen würde.
• 15. Alternativ kann in dem den Kolben aufweisenden Vorratsraum Flüssigkeit gegen Flüssigkeit teilwei­ se ausgetauscht werden (Einbringung von bioche­ misch aktivierenden Substanzen in dem Beobach­ tungsraum oder von chemischen Fixiermitteln, wobei die Übertrittsöffnungen zuvor mit Silikonpaste verschlossen werden.

Claims (15)

1. Küvette zur makroskopischen und mikroskopischen Beobachtung von Proben, vorzugsweise Kleinlebe­ wesen insbesondere unter Schwerelosigkeit, mit

• - einem Gehäuse (12; 52) mit einem Probenraum (22; 61, 63) zur Unterbringung und Beobachtung einer Probe, wobei das Gehäuse (12; 52) aus einem polierfähigen optisch transparenten und für die Probe inerten Material besteht und eine erste sowie eine zweite Gehäusehälfte (14, 16; 54, 56) aufweist,
• - einer Dichtung zwischen einander zugewandten Dichtflächen (30; 70) der Gehäusehälften (14, 16; 54, 56) und
• - mindestens einem Durchgangskanal (34; 74) in dem Gehäuse (12; 52), der von einem Verschlußkörper (26; 66) verschlossen ist, wobei durch den Ver­ schlußkörper (26; 66) ein dünnes längliches Teil, insbesondere eine Injektionsnadel (28), bis in den Probenraum (22; 61; 63) hindurchführ­ bar ist und der Verschlußkörper (26; 66) das dünne längliche Teil dicht umschließt und nach Entfernen des dünnen länglichen Teils unverän­ dert einen dichten Abschluß bildet.

2. Küvette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschlußkörper (26; 66) ein Septum aus biologisch inertem Silikongummi ist.

3. Küvette nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Gehäusehälften (14, 16; 54, 56) als flache Schalen mit einander zugewandten, den Probenraum (22; 61, 63) bildenden Vertiefungen (18, 20; 58, 60) ausgebildet sind.

4. Küvette nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung zwischen den Dichtflächen (30; 70) der Gehäusehälften (14, 16; 54, 56) ein Film aus einem flüssigen bis hochviskosen, für die Probe inerten Material, insbesondere aus einer Silikonpaste ist.

5. Küvette nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Gehäusehälfte (14, 16; 54, 56) ein Beobachtungsfenster (32; 72) zur makroskopischen und mikroskopischen Beobachtung aufweist, das mit einer semipermeablen Membran (36; 76) aus insbesondere Tetrafluorethylen verse­ hen ist.

6. Küvette nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der einen Gehäusehälfte (14, 16; 54, 56) ein Beobachtungsfenster (32; 72) und in der anderen Gehäusehälfte (14, 16; 54, 56) eine semipermeable Membran (36; 76) angeordnet sind.

7. Küvette nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Gehäuse­ hälften (54, 56) eine den Probenraum in einen Vorratsraum (61) und einen Beobachtungsraum (63) unterteilende Zwischenwand (57) angeordnet ist.

8. Küvette nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Zwischenwand (57) in dem Durchgangs­ kanal (64) bis zur Anlage an dem Verschlußkörper (66) erstreckt und daß die Zwischenwand (57) in diesem Bereich eine den Vorratsraum (61) mit dem Beobachtungsraum (63) verbindende Verbindungsöff­ nung (90) aufweist.

9. Küvette nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammen mit der Zwischenwand (57) den Beobachtungsraum (63) bildende Gehäusehälfte (54) mit einem Beobachtungsfenster (72) versehen ist.

10. Küvette nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Beobachtungsfenster (72) eine von einer semipermeablen Membran (76) überspannte Aussparung (74) aufweist.

11. Küvette nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Vorratsraum (61) ein an der betreffenden Gehäusehälfte (56) und der Zwischenwand (57) dicht anliegender und gleitend verschiebbarer Kolben (82) angeordnet ist, der mit einem durch den Durchgangskanal (64) und den Ver­ schlußkörper (66) aus dem Gehäuse (52) herausge­ führten Betätigungsorgan (84) zum Verschieben des Kolbens (82) verbunden ist.

12. Küvette nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zwischenwand (57) in einem der Verbin­ dungsöffnung (90) gegenüberliegenden Bereich meh­ rere den Beobachtungsraum (63) mit dem Vorratsraum (61) verbindende Übertrittsöffnungen (92) für Gase und Flüssigkeiten ausgebildet sind.

13. Küvette nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertrittsöffnungen (92) in Bewegungsrich­ tung des Kolbens (82) verteilt angeordnet sind.

14. Küvette nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der durch den Kolben (82) unter­ teilte und der Verbindungsöffnung (90) abgewandte Teil (94) des Vorratsraums (61) mit Wasser ver­ sehen ist.

15. Küvette nach einem der Ansprüche 11 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß das Betätigungsorgan (84) ein flexibler Schlauch ist, der durch eine Durchgangsbohrung (86) des Kolbens (82) hindurch­ geführt ist und der an dem dem Verschlußkörper (66) abgewandten Ende der Durchgangsbohrung (86) mittels eines konusförmigen Halteteils (88) abge­ dichtet und gegen die Innenfläche der Durchgangs­ bohrung (86) klemmend gehalten ist.