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WO2015136038A2 - Gemeinsamer strahlungspfad zum ermitteln von partikelinformation durch direktbildauswertung und durch differenzbildanalyse - Google Patents

Gemeinsamer strahlungspfad zum ermitteln von partikelinformation durch direktbildauswertung und durch differenzbildanalyse Download PDF

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WO2015136038A2
WO2015136038A2 PCT/EP2015/055172 EP2015055172W WO2015136038A2 WO 2015136038 A2 WO2015136038 A2 WO 2015136038A2 EP 2015055172 W EP2015055172 W EP 2015055172W WO 2015136038 A2 WO2015136038 A2 WO 2015136038A2
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WO
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sample
information
electromagnetic
determination
particles
Prior art date
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English (en)
French (fr)
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WO2015136038A3 (de
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Christian Moitzi
Gerhard Murer
Norbert Reitinger
Jelena Fischer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Anton Paar GmbH
Original Assignee
Anton Paar GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to DE112015001190.0T priority patent/DE112015001190A5/de
Priority to GB1617320.5A priority patent/GB2539147B/en
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Publication of WO2015136038A3 publication Critical patent/WO2015136038A3/de
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    • G06T2207/10—Image acquisition modality
    • G06T2207/10004—Still image; Photographic image

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for the
  • the invention further relates to a
  • Dynamic Image Analysis makes it possible to analyze dispersions (suspensions, emulsions, aerosols) in terms of particle size and particle shape.
  • particles also includes droplets such as occur, for example, in emulsions or aerosols. Since the DIA is an optical and imaging process, the lower measurement limit (smallest yet reproducible particle size) is the physical one
  • DDM differential dynamic microscopy
  • an apparatus for determining indicative information for a particle size and / or particle shape of particles in a sample is provided.
  • the device is an electromagnetic Radiation source for generating electromagnetic
  • an electromagnetic radiation detector for detecting electromagnetic secondary radiation, which is generated by interaction of the electromagnetic primary radiation with the sample and having a detection means for determining the particle size and / or particle shape indicative information (for example, a particle size distribution) based on the
  • the determining means is adapted, the information selectively (the selection, for example, based on a user selection or based on a dependent of the examined sample
  • Selection can take place) firstly by means of an identification and
  • a method for determining information indicative of a particle size and / or particle shape of particles in a sample, wherein the method comprises electromagnetic
  • Primary radiation is generated, secondary electromagnetic radiation is detected, which is generated by interaction of the electromagnetic primary radiation with the sample, and the indicative of the particle size and / or particle shape information based on the
  • detected electromagnetic secondary radiation is detected, wherein the information is determined selectively firstly by means of an identification and sizing and / or shape determination of the particles on a generated from the electromagnetic secondary radiation detector image, and / or the information secondly from temporal Changes between from the electromagnetic
  • a program for determining particle size and / or particle shape of particles in a sample indicative information is stored, which program, when executed by one or more processors, is the one above
  • a software program (formed, for example, by one or more computer program elements) in accordance with a
  • An embodiment of the present invention for determining indicative information for a particle size and / or particle shape of particles in a sample comprises (or performs or controls) the method steps described above when executed by one or more processors of the controller.
  • an apparatus for determining indicative information for a zeta potential of particles in a sample comprising an electromagnetic radiation source for generating electromagnetic primary radiation, an electrical radiation source
  • Field generating means for generating an electric field in the sample
  • an electromagnetic radiation detector for detecting electromagnetic secondary radiation generated by interaction of the electromagnetic primary radiation with the sample in the
  • a detecting means which is adapted to determine the Zetapotential indicative information based on the detected secondary electromagnetic radiation, wherein the determining means is adapted to the Zetapotential indicative information of temporal changes determine between generated from the electromagnetic secondary radiation detector images at different detection times.
  • a method for determining indicative information for a zeta potential of particles in a sample, wherein in the method electromagnetic primary radiation is generated, an electric field is generated in the sample, electromagnetic
  • Secondary radiation is detected, which is generated by interaction of the electromagnetic primary radiation with the sample in the electric field, and the Zetapotential indicative information based on the detected secondary electromagnetic radiation is determined, wherein the Zetapotential indicative information of temporal changes between from the electromagnetic
  • a program for determining indicative information for a zeta potential of particles in a sample is stored, which program, when executed by one or more processors, performs the method steps described above.
  • a software program (formed, for example, by one or more computer program elements) in accordance with a
  • Embodiment of the present invention for determining indicative information for a zeta potential of particles in a sample comprises (or performs) the method steps described above when executed by one or more processors of the controller.
  • Embodiments of the present invention may be implemented both by means of a computer program, that is to say a software, and by means of one or more special electrical circuits, that is to say in hardware, or in any hybrid form, that is to say by means of software components and hardware components.
  • the invention is a combination of a synergistically implementable in a common apparatus or process management
  • differential image data in particular by means of differential dynamic microscopy, Differential Dynamic Microscopy (DDM) allows.
  • DDM Differential Dynamic Microscopy
  • Size range to small particles for example, down to about 20nm
  • eliminating one of the major disadvantages of DIA compared to competing technologies for example, static light scattering.
  • There is a size range for example from about 500 nm to 10 pm particle size in which both DIA and DDM can be used. In this area provides the combination of DIA with DDM
  • a device which is capable of determining the information indicative of the particle size and / or particle shape by means of detector image analysis and which is capable of determining the information by differential image analysis, i.e. the determination of the information by means of two separate
  • a determination of the zeta potential or of an electric charge of particles is by means of an analysis of density fluctuations using differential image data (in particular by differential dynamic microscopy, Differential Dynamic Microscopy (DDM)).
  • differential image data in particular by differential dynamic microscopy, Differential Dynamic Microscopy (DDM)
  • DDM Differential Dynamic Microscopy
  • the zeta potential may be understood to mean the electrical potential (also referred to as Coulomb potential) on a moving particle in a sample (in particular a suspension).
  • the electrical potential describes the ability of a field caused by an electric charge of the particle to exert force on other charges or charged particles.
  • Detection device be designed to determine the information from the generated from the electromagnetic secondary radiation detector image by means of dynamic image analysis (DIA). According to such
  • the design becomes static detector images of the particles
  • Method is independent of particle fluctuations, such as Brownian molecular motion.
  • Detection device be formed, the information from the temporal changes between the detector images by means
  • DDM Differential Dynamic Microscopy
  • Differential Dynamic Microscopy first creates differential images from a large number of detector images, which show changes in particle positions due to particle fluctuations. These difference images can then be subjected to a Fourier analysis. The result of the Fourier analysis can be averaged for the different difference images.
  • the diffusion rate of the particles is a function of the viscosity of the solvent of the sample, the temperature and the particle size.
  • Diffusion rate can be obtained from the result of the Fourier analysis and at a known temperature
  • Detection device may be formed, the first and the second
  • Determining the information for at least a predetermined range of particle sizes perform.
  • the complementarity of the particle size determination directly from individual detector images on the one hand and by means of temporal difference image analysis on the other hand allows especially in said intermediate region the Finding and analyzing phenomena that are inaccessible to each and every one of these methods alone. As a result, an examination is focused on the mentioned size range or a subarea thereof
  • Determination device be formed, the information for
  • Detection method allows to extend the sensitivity range of determinable particle sizes over conventional devices. Particle detection on detector images is based on particle sizes
  • Particle recognition by differential image analysis lacks the required sensitivity for large particles, since they are sluggish and thus move very slowly, so that the particles often show only slight differences between the different detector images.
  • the detection device may be designed for the first and the second determination of the information, the same electromagnetic radiation source and the same electromagnetic radiation detector, in particular the same beam path or at least partially the same
  • Beam path to use As a result, the device can be made extremely compact. The formation of different optical paths for both determination methods or a complex adjustment of the optical path when changing the investigation method is thus unnecessary.
  • a beam-shaping optical system can also be used electromagnetic radiation source and sample for both
  • Detection device may be formed to use for the first and the second determination of the information at least partially the same detected by the electromagnetic radiation detector detector data.
  • Detection device may be configured to calculate and output a difference of determined according to the first determination of particle sizes and determined according to the second determination of particle sizes.
  • this has the advantage that the different physical principles of the two
  • Resulting sensitivity differences provide complementary knowledge about the particles to be examined. For example, in the investigation of particles with a hard core and a flexible or mobile, less dense envelope, particle detection can provide a particle diameter determined by detector images, which is determined by the nucleus. In contrast, at the
  • Particle recognition by differential image analysis the size including envelope recognized. A difference between the two determined
  • Particle sizes can thus provide the thickness of the shell.
  • the detection device may be formed above a first one
  • predetermined size threshold to carry out the particle size exclusively according to the first determination and below a second predetermined size threshold to carry out the particle size exclusively according to the second determination. Since particle recognition on the basis of detector images becomes too inaccurate if the particle sizes are too small, particle size determination in this size range can be carried out exclusively by the particle detection method
  • Particle sizes the particle size determination exclusively by the method of particle detection directly on the basis of individual detector images themselves, since this determination is very accurate for large particles and the large inertia of large particles in the process of particle recognition by differential image analysis may suffer from the required accuracy.
  • the first size threshold value and the second size threshold value can be identical, so that then only one of the two determination methods is used for each particle size. According to an alternative embodiment, the two
  • Size thresholds differently, wherein in the size range between the two size thresholds, an evaluation can be carried out with both methods.
  • the determination device may be configured to determine the particle size and particle shape exclusively according to the first determination below a first predetermined concentration threshold value of the sample
  • Concentration threshold may be less than or equal to the second concentration threshold. Particle detection based on detector images works well at low concentrations because unwanted overlapping of different particles on a detector image is unlikely or not likely to occur. At high
  • the device can therefore avoid the particle detection alone by differential image analysis, in which no accuracy reduction occurs in a spatial overlap of different particles. Conversely, if the concentration of the particles in the sample becomes too low, the particle size determination method by means of differential image analysis reaches its limits and can then be controlled by the
  • Detection device may be formed to determine from the first and the second determination of the information regarding the particle size information regarding a viscosity of the sample. From the Stokes-Einstein relationship it is possible to use the method of
  • the apparatus may include electric field generating means for generating an electric field in the sample, wherein the Determining means for determining indicative information indicative of the zeta potential of particles in the sample based on the presence of the electric field in the sample
  • the determination device can be designed to additionally determine the zeta potential from temporal changes between the electromagnetic field
  • the electromagnetic radiation source may generate light in a desired wavelength range, preferably in the range of visible light (400 nm to 800 nm). Other wavelength ranges are possible, for example infrared or ultraviolet. It is possible to design the electromagnetic radiation source as a laser. In this case, coherent light can be generated and used for the measurement. However, in other embodiments, the measurement may also be performed with non-coherent light. The latter may even be advantageous if interference artifacts are to be suppressed.
  • the electromagnetic radiation source may be a pulsed radiation source.
  • a pulsed radiation source to generate short electromagnetic radiation pulses (for example spatially narrowed light packets) can clearly freeze a particle movement in the sample so that a detector can then actually detect apparently stationary particles on the detector image. Then, utilizing an effect similar to that of stroboscopy, an open aperture can be detected.
  • the device may include primary beam shaping optics between the
  • Electromagnetic radiation source and the sample wherein the Primärstrahlformungsoptik may be configured, the
  • collimator optics can be beneficial for the
  • the device may include an imaging optic between the sample and the
  • Imaging optics can be set up, the electromagnetic
  • the imaging optics can be used identically for the two determination methods, which leads to a compact device and to a good comparability of the two determination results.
  • Device having an adjustment mechanism, which is adapted for adjusting the imaging optics between different optical configurations for receiving detector data for first determination of the information and for receiving detector data for the second determination of the information. This can be a setting of the
  • the adjustment mechanism may be a turret mechanism.
  • Turret mechanism allows by rotating a turret in which a plurality of alternatively usable and different optical elements or optical assemblies are implemented, a respective desired optical element or a desired optical assembly in the optical path between sample and
  • Turret mechanism alternatively deployable traversing mechanism is a displacement mechanism that moves in one direction forward or backward
  • Adjusting mechanism be configured to set for the first determination a first imaging optics, which has a smaller numerical aperture than a second imaging optics for the second determination. While even a small numerical aperture is advantageous in the particle recognition based on the evaluation of individual detector images, is in the
  • Particle size determination can be achieved.
  • the first imaging optics may be a telecentric optic.
  • a telecentric optical system can have two lenses (in particular two converging lenses) and optionally an aperture arranged therebetween.
  • lens systems can also be implemented for a telecentric optic in which a diaphragm is dispensable.
  • the second imaging optics may be a microscope objective, which may, for example, be implemented as a single lens.
  • the device may comprise a sample container containing the sample, which may be arranged horizontally.
  • a sample container may be, for example, a cuvette.
  • a horizontal arrangement of such a sample container may be, for example, a cuvette.
  • Sample container can be realized for example by means of a suitable optical assembly, for example using deflecting mirrors. If the measuring cell is arranged horizontally, interfering influences, such as, for example, particle sedimentation or the formation of temperature-induced flows in the measuring point, can be suppressed or eliminated.
  • the indicative of the particle size and / or particle shape is indicative of the particle size and / or particle shape
  • the determination device can determine and output a distribution function which determines the distribution of particle sizes in an ensemble of
  • Detecting means to determine and output a distribution function which determines the distribution of particle shapes in an ensemble of
  • Figure 1 shows an apparatus for determining for a
  • FIG. 2 shows a schematic illustration for evaluating detector images by means of differential dynamic microscopy according to an exemplary embodiment of the invention.
  • Figure 3 shows an Image Structure Function for a 70 nm PS latex particle in water taken with a
  • FIG. 4 shows a result of an evaluation according to differential scanning microscopy on 46, 70 and 100 nm of PS latex particles by means of the cumulant method.
  • Figure 5 shows schematically the diffraction of light at a grating, wherein the angle of the first diffraction order depends on the wavelength of the incident light and the grating constant g.
  • Figure 6 shows an Image Structure Function for a 500 nm PS latex particle in water taken with a conventional 40x microscope objective with a numerical aperture of 0.6 obtained by Differential Dynamic Microscopy.
  • Figure 7 shows an apparatus for determining for a
  • Particle size of particles in a sample of indicative information according to an exemplary embodiment of the invention.
  • Figure 8 shows an apparatus for determining for a
  • FIG. 9 shows a schematic block diagram of an apparatus for determining indicative information for a particle size of particles in a sample according to an exemplary embodiment
  • FIG. 10 shows an apparatus for determining a zeta potential of particles of a sample according to an exemplary embodiment
  • FIG. 11 shows a schematic block diagram of an apparatus for determining a zeta potential of particles of a sample according to an exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a device 100 for determining for a
  • Particle size and / or particle shape of particles in a sample 130 indicative information and for determining a zeta potential of the particles according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the device 100 has an electromagnetic radiation source 102 designed as a pulsed laser, which is designed to generate pulses of electromagnetic primary radiation 108 (in this case optical light).
  • the primary electromagnetic radiation 108 is directed to a sample container 126.
  • the sample to be tested 130 (for example, in a liquid contained particles in the
  • Example titanium dioxide flows through here as a flow cell
  • Sample container 126 may optionally be inhibited prior to measurement with valves 133 and 134. Furthermore, the valves 133 and 134.
  • Sample container 126 be designed so that the flow cell is replaced by any cuvette, for example
  • Radiation detector 104 for example, a two-dimensional camera such as a CMOS camera or a CCD camera
  • the CMOS camera for example, a CMOS camera or a CCD camera
  • the device 100 has a uniaxially displaceable
  • Adjusting mechanism 120 (see double arrow), which is used to adjust the imaging optics 118 for receiving detector data for first determination (see reference numeral 112) of the information and the
  • Adjustment mechanism 120 is set up for the first determination 112 to move a first imaging optical system 124 into the optical path between the primary electromagnetic radiation 108 and the secondary electromagnetic radiation 110, which has a smaller numerical aperture than a second imaging optical system 122 which is used for the second determination 114 in FIGS optical path between the electromagnetic primary radiation 108 and the secondary electromagnetic radiation 110 is retracted.
  • the first imaging optic 124 is a telecentric optic.
  • the second imaging optic 122 is a microscope objective. In this way, the imaging optics 118 can be adapted to the respective evaluation principle.
  • the electromagnetic radiation detector 104 serves for
  • the detector data providing a two-dimensional image of the sample 130 becomes, for example, a processor
  • Determining means 106 for determining the information indicative of the particle size based on the detected electromagnetic secondary radiation 110 is set up. More precisely, the detection means 106 is formed, which
  • Secondary radiation 110 generated detector images to determine, and the information secondly (see a designated with reference numeral 114 separate evaluation path) to determine from temporal changes between generated from the electromagnetic secondary radiation 110 detector images at different detection times.
  • the size determination of the particles can be carried out by means of a selectable or by means of two complementary procedures.
  • the determination device 106 is configured to extract the information from the individual from the
  • Electromagnetic secondary radiation 110 generated detector images using Dynamic Image Analysis (DIA) to determine (see reference numeral 112).
  • the determination device 106 is also designed to record the information from the temporal changes between the detector images by means of differential dynamics
  • DDM Different Dynamic Microscopy
  • the determination device 106 is in particular formed, the first (see reference numeral 112) and the second (see reference numeral 114) determination of the information for at least a portion of a range between 100 nm and 20 pm, i. twice to perform. In this
  • the determination device 106 is further configured, the
  • a controller 150 receives and supplies the detector data from the electromagnetic radiation detector 104
  • detector data can also be stored in a database 152.
  • the storage medium can be both computer-readable
  • Storage media and / or storage media used by programmable logic circuits such as field programmable logic gate arrays (FPGAs), microcontrollers, digital
  • DSP Signal processors
  • Detector data forwarded to a particle detection unit 154, which detects methods of image processing (for example, pattern recognition based on reference data) individual particles on the individual detector images.
  • the identified particles become one
  • Parameter determining unit 156 forwarded, which assigns the recognized ponds a size and / or shape.
  • the detector data are first transmitted to a difference image detection unit 162.
  • the difference image determination unit 162 determines the corresponding ones Difference pictures from different times
  • the determined difference images are subjected in a Fourier transformation unit 164 to a Fourier transformation.
  • An averaging unit 166 averages the results of
  • a parameter determination unit 168 determines the size distribution of the particles from the results of the determination.
  • Combiner 170 may combine the results from the two determinations of reference numerals 112 and 114.
  • the results of the analysis may be displayed on a display unit 180 to a user.
  • the device 100 also has an electrical
  • Field generating means 116 for generating an electric field in the sample 130, wherein the determining means 106 for determining the zeta potential or the electric charge of the particles of the sample 130 based on the detected electromagnetic
  • Secondary radiation 110 is set up. Controlled by the
  • Control device 150 a voltage source 177 of the electric field generating device 116 to apply an electrical voltage between two opposing capacitor plates 179 of the electric field generating device 116.
  • the arrangement of the electrodes 179 should be positioned so that the field lines of the
  • electromagnetic primary radiation 108 run. In the event that the sample 130 also in a direction normal to
  • the electrodes 179 should be arranged so that the field lines normal to the flow direction of the sample and normal to
  • Propagation direction of the primary radiation are aligned.
  • the determination device 106 is more specifically designed, the
  • Secondary radiation 110 generated detector images at different detection times to determine, ie. by means of differential
  • Determining device 190 is supplied, which can then forward the result of the evaluation to the display unit 180.
  • Dynamic Image Analysis is a method based on the photography of moving objects.
  • the use in particle characterization is through the development of very fast cameras and through the combination with pulsed ones
  • a pulsed light source also allows the recording of very fast moving particles, without causing motion blur.
  • DDM Differential Dynamic Microscopy
  • a commercially available optical microscope which illuminates the sample by means of an uncollimated white light source.
  • the data analysis is based not on the evaluation of the images of the particles, but on the evaluation of the temporal changes of the structures on the image.
  • the diffusion rate and, indirectly, the size of the particles can be determined.
  • the method is not limited by the optical limit for the resolution of a single particle.
  • FIG. 2 shows a scheme 200 for evaluating detector images 202 by differential dynamic microscopy according to an exemplary embodiment of the invention. The sequence of a DDM measurement and evaluation described below is shown schematically in FIG.
  • the particles in the liquid are referred to by means of a
  • Al (x, y; & t) lx r y; t + Etc ⁇ - I (x, y; t)
  • the difference images 204 are then Fourier-transformed (FFT (.M (x r j; t)) -> F (q; A k), see reference numeral 164, which
  • the Fourier transform can be thought of as a decomposition of the
  • Figure 3 shows D (q, te) for 70nm PS (polystyrene) latex particles in
  • a DDM measurement already includes measurement data
  • DIA dynamic image analysis
  • SLS static light scattering
  • the particle concentration in DIA is limited by the condition that overlaps of particles on the recorded images are very unlikely. It is not possible to distinguish random overlaps of particles from aggregates. The limit for the still measurable particle concentration depends on the used
  • Imaging optics the detector used and the particle size itself.
  • DIA provides a static image of the particles. Dynamic processes such as diffusion or electrophoretic
  • DIA and DDM have nearly identical measurement geometry requirements and therefore can be implemented in the same device. Also, the periphery necessary for the operation of the meter is very similar.
  • the measuring range can be significantly extended with regard to particle size. While the DIA tends to small particle sizes due to the optical resolution limit
  • DDM DDM limited by the diffusion movement, which is slower and thus more difficult to measure with increasing particle size.
  • the upper measurement limit for DDM is about 10 pm particle size. The reason for this restriction is to be understood as follows. For example, it may well take several seconds for a particle, for example 10 pm, to diffuse a distance detectable by means of optical imaging. With such long measuring times it becomes difficult to exclude disturbing influences such as sedimentation or vibrations.
  • DDM is an indirect method that determines the rate of diffusion from an image. For ideal dispersions of thinned, smooth spheres, it is expected that the two determined diameters will agree. If there are experimental discrepancies between the two results, this can be interpreted as the effect of a deviation from this ideal behavior. Therefore, valuable information about non-ideal behavior can be obtained from the combination of the two methods.
  • Sterically stabilized particles can give different results when tested with DIA and DDM.
  • the optical contrast of the swollen polymer shell is extremely small compared to the contrast of the particle core.
  • DIA delivers accordingly
  • Dynamic Light Scattering DLS is strongly affected by low concentrations of large particles (e.g.
  • Example Agg regate or dust disturbed. It is then no longer possible to determine the particle size of nanoparticles, even if they are present in a significantly higher concentration.
  • a key advantage of DDM over DLS is that it does not have such a strong sensitivity to large amounts of low-concentration suspensions.
  • two images, taken at different times are subtracted from each other in DDM. Very large particles move only extremely slowly and thus disappear from the difference image. The contribution of the small particles, which have diffused quickly and therefore moved significantly in the time between the two images, is not affected by the large particles. DDM thus allows the measurement of small particles in addition to very large
  • Particle concentration may be accurate depends on the selected
  • DDM Imaging optics, the detector and the particle size.
  • DDM works at high concentrations and reaches its limit at low particle densities.
  • the limitation to high concentrations is determined by the condition of quasi-ideal dilution in the Stokes-Einstein equation. The combination of both technologies thus extends the concentration range in which correct measurements can be made.
  • the Stokes-Einstein relationship is used to calculate the particle radius R from the diffusion coefficient D (given the viscosity ⁇ of the solvent, the Boltzmann constant k B and the absolute temperature T):
  • Diffusion coefficient can be determined via DDM.
  • the only requirement is that particles (of unknown size) are present in the overlap area of DIA and DDM.
  • FIG. 7 shows a device 100 for determining indicative information for a particle size of particles in a sample 130 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the measurement arrangements for performing DIA and DDM are very similar, both technologies can share a majority of the components of the device 100, or even the entire components.
  • the measuring arrangement in the form of the device 100 consists of a light source as an electromagnetic radiation source 102, which emits a light beam as electromagnetic primary radiation 108 along an optical axis 702, a beam shaping optics 700, a
  • Measuring cell as a sample container 126, which contains the sample to be examined 130, an imaging optics 118 and an image sensor as electromagnetic radiation detector 104.
  • Exit windows of the measuring cell are designated by reference numerals 704 and 706, respectively.
  • the beamforming optics 700 serves for beam expansion or collimation, in order to produce a sharp image. It can be seen from FIG. 7 that the optical path length which the primary electromagnetic radiation 108 requires to pass through the sample container 126 is very short in order to avoid distortions in the sizing of particles located near the entry window 704 or the exit window 706. FIG. 7 also shows that the
  • Imaging optics 118 is formed of two converging lenses 708, between which a diaphragm 710 is arranged (alternatively is also a
  • the imaging optics 118 may be configured to image the image at the position of the image
  • electromagnetic radiation detector 104 always keeps the same size.
  • Monochromatic light even has many advantages. For example, aberrations caused by chromatic aberration are avoided and the relationship between the projected scattering vector q and the actual scattering vector ⁇ Q ⁇ is then unique (apart from angular dependence). In view of a good adjustability of the optical structure, with high resolution, as short a wavelength as possible, which is still within the visible to the human eye spectral range, to be preferred.
  • the use of a pulsed light source, as usual for DIA also poses no problem for DDM or is even an advantage, because even with DDM only snapshots need to be made.
  • the beam-shaping optical system 700 thus directs the light rays coming from the electromagnetic radiation source 102 parallel to the optical axis 702. This kind of
  • Lighting is also an advantage for DDM. Since there are no more obliquely incident light beams on the object, the relationship between the projected scattering vector q and the actual
  • DIA is a method in which particles are measured directly on the basis of the images, perspective distortions, as in conventional entocentric (Fig. and also pericentric) optics occur, if possible avoided. Particles should therefore appear the same regardless of their distance from the imaging optics 118.
  • DIA is also possible with conventional optics, For this reason, so-called telecentric optics are often used to image the particles onto the detector. However, it is precisely these telecentric optics that often have a low numerical aperture NA (especially when it is a bi-telecentric image), which is a limitation in terms of the accessible g-range and resolution for DDM.
  • FIG. 5 shows schematically the diffraction of light at a
  • Refractive index grating 500 wherein the angle of the first diffraction order depends on the wavelength of the incident light and the grating constant g. Since each lattice scatters the incident light, depending on the lattice constant, to a certain angle ((see Figure 5, only the first order of diffraction is considered here), the NA also introduces one
  • magnification M (with M> 1 for a
  • the usable g vector range is within the scope of here
  • the NA of the optics would not be the limitation in this case, since the g-range is already more limited by the chosen magnification and the size of the detector pixels. However, it should be remembered that a large g-range is not always advantageous, as not all g-values are useful data measured. The optics and the detector should therefore be selected in such a way that only one g-range is recorded, in which the measured data is also usable.
  • FIG. 6 shows an example for this.
  • Figure 6 shows an Image Structure Function for a 500 nm PS latex particle in water taken with a conventional 40x microscope objective with a numerical aperture of 0.6 obtained by Differential Dynamic Microscopy.
  • Particles in the Rayleigh limit represent so-called phase objects, thus scattering less in the forward direction compared to larger ones.
  • the influence of the particles on the difference images decreases and eventually becomes so low that it is in the
  • Detector noise goes down and thus no longer be evaluated can.
  • the amplitude of the image structure function D (q t A £) is proportional to q 4 for small q values.
  • FIG. 8 shows an apparatus 100 for determining indicative information for a particle size of particles in a sample 130 according to another exemplary embodiment of the invention
  • the horizontal orientation of the sample container 126 is made possible by an arrangement of deflecting mirrors 800.
  • the particles may only be subjected to Brownian motion for size determination with DDM, it may be advantageous for large particles to carry out the measuring cell or sample container 126 lying, for example, as shown in FIG.
  • the effect of sedimentation and also the generation of undesired flows by temperature gradients (such as may be caused by a laser) is thus reduced.
  • Strip pattern in the Image Structure Function which can be evaluated with regard to the strip spacing and thus the flow velocity can be determined.
  • electrophoretic mobility can also be measured by this method. From the electrophoretic mobility of particles then the zeta potential of the particles can be calculated. With DDM it is thus possible to measure both particle size and zeta potential.
  • an optical revolver can be substituted for the imaging optics 118 shown in FIG. 7 and FIG. It can do that
  • FIG. 9 shows a schematic principle arrangement of a
  • Apparatus 100 for determining indicative information for a particle size of particles in a sample according to an exemplary
  • a display unit 180 as well as a provision for sample dispersion and for removing sample waste advantageous.
  • a sample dispersion unit 900 and a sample waste unit 902 can thus optionally be integrated into the apparatus 100.
  • FIG. 10 shows a device 100 for determining a zeta potential or an electrical charge state of particles of a sample 130 according to an exemplary embodiment of the invention
  • the device 100 according to FIG. 10 differs from the device according to FIG. 7 essentially in that a
  • Detection device 106 for determining the zeta potential of the particles in the sample 130 is formed exclusively by differential dynamic microscopy (DDM). On the other hand, the determining means 106 is not necessarily designed to be that of the DDM.
  • electromagnetic radiation detector detected detector data using dynamic image analysis.
  • For the other components is also on the other description in the context of this
  • the device 100 according to FIG. 10 has an electromagnetic radiation source 102 for generating electromagnetic radiation
  • the apparatus 100 further includes the electric field generating means 116 for generating a
  • Radiation detector 104 is used to detect electromagnetic secondary radiation 110, which by interaction of the
  • the determination device 106 is for Determining the zeta potential based on the detected
  • the detection means 106 is configured to determine the zeta potential from temporal changes between detector images generated from the secondary electromagnetic radiation 110 at different detection times, i. by means of differential
  • FIG. 11 shows a schematic, associated with FIG

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Abstract

Vorrichtung (100) zum Ermitteln von für eine Partikelgröße und/oder Partikelform von Partikeln in einer Probe indikativer Information, wobei die Vorrichtung (100) eine elektromagnetische Strahlungsquelle (102) zum Erzeugen von elektromagnetischer Primärstrahlung (108), einen elektromagnetischen Strahlungsdetektor (104) zum Detektieren von elektromagnetischer Sekundärstrahlung (110), die durch Wechselwirkung der elektromagnetischen Primärstrahlung (108) mit der Probe erzeugt wird, und eine Ermittlungseinrichtung (106) aufweist, die zum Ermitteln der für die Partikelgröße und/oder Partikelform indikativen Information basierend auf der detektierten elektromagnetischen Sekundärstrahlung (110) eingerichtet ist, wobei die Ermittlungseinrichtung (106) ausgebildet ist, die Information selektiv erstens (112) mittels einer Identifizierung und Größenbestimmung und/oder Formbestimmung der Partikel auf einem aus der elektromagnetischen Sekundärstrahlung (110) generierten Detektorbild zu ermitteln, und/oder die Informationzweitens (114) aus zeitlichen Veränderungen der elektromagnetischen Sekundärstrahlung (110) zwischen zu unterschiedlichen Detektionszeitpunkten generierten Detektorbildern zu ermitteln.

Description

Gemeinsamer Strahlungspfad zum Ermitteln von Partikelinformation durch Direktbildauswertung und durch
Differenzbildanalyse Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum
Ermitteln von für eine Partikel große und/oder Partikelform von Partikeln in einer Probe indikativer Information, ein zugehöriges Speichermedium und ein Software-Programm. Die Erfindung betrifft ferner eine
Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln von für ein Zetapotential von Partikeln in einer Probe indikativer Information, ein zugehöriges Speichermedium und ein Software-Programm.
Die dynamische Bildanalyse (Dynamic Image Analysis, DIA) erlaubt es, Dispersionen (Suspensionen, Emulsionen, Aerosole) hinsichtlich Partikelgröße und Partikelform zu analysieren. Unter den Begriff Partikel fallen im Rahmen dieser Anmeldung auch Tröpfchen wie sie zum Beispiel in Emulsionen oder Aerosolen vorkommen. Da es sich bei der DIA um ein optisches und bildgebendes Verfahren handelt, ist die untere Messgrenze (kleinste noch abbildbare Partikelgröße) durch das physikalische
Auflösungslimit begrenzt (ca. halbe Lichtwellenlänge bei entsprechend großer numerischer Apertur des Objektivs). Mit DIA ist es außerdem möglich, die Form der Partikel zu ermitteln. So kann eine aussagekräftige Größenverteilung berechnet werden. Zugehöriger Stand der Technik ist in EP 0,507,746, US 3,641,320 und US 6,061,130 offenbart.
Im Bereich der Partikelcharakterisierung wurde die Messgrenze für die Partikelgröße bei bildgebenden Messverfahren bisher durch eine Kombination mit„Laser Obscuration" (LOT, Firma Ankersmid - EyeTech) oder Nanoparticle Tracking (NTA, Firma NanoSight - NS300)
herabgesetzt. Beide Technologien haben jedoch den Nachteil, dass einzelne Partikel vermessen werden und die vorliegende
Partikelkonzentration demnach sehr gering sein muss. Außerdem müssen für eine gute Statistik sehr viele Partikel analysiert werden, was wiederum die Messzeit erheblich verlängert. LOT hat außerdem noch den Nachteil, dass der optische Aufbau nicht mit einem typischen DIA Aufbau kompatibel ist. Eine andere Technologie wird in„Differential Dynamic Microscopy: Probing Wave Vector Dependent Dynamics with a Microscope", Roberto Cerbino, Veronique Trappe, Physical Review Letters 100, 188102 (2008) und„Scattering Information obtained by optical microscopy: Differential dynamic microscopy and beyond", Fabio Giavazzi, Doriano Brogioli,
Veronique Trappe, Tommaso Bellini, Roberto Cerbino, Physical Review E 80, 031403 (2009) beschrieben. Es handelt sich dabei um die sogenannte differentielle dynamische Mikroskopie, im Folgenden als DDM bezeichnet. Mittels DDM ist es möglich, die Größe von Partikeln in Flüssigkeiten (Suspensionen) zu messen, indem man ihre Eigenbewegung (Brownsche Molekularbewegung) analysiert. Da die Brownsche Molekularbewegung von der Temperatur abhängt, ist eine konstante Temperatur der Probe währende der Messung sicherzustellen.
Weiterer Stand der Technik ist in DE 10 2009 014 080 und WO 2013/021185 offenbart.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Ermitteln von für eine Partikelgröße und/oder Partikelform von Partikeln in einer Probe indikativer Information mit hoher Genauigkeit für eine breite Palette von Proben und über einen umfangreichen Größenbereich zu ermöglichen.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das
Ermitteln von für ein Zetapotential von Partikeln in einer Probe indikativer Information mit einer hohen Sensitivität auch bei kleinen Partikelgrößen zu ermöglichen.
Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Weitere
Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen gezeigt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Ermitteln von für eine Partikelgröße und/oder Partikelform von Partikeln in einer Probe indikativer Information
geschaffen, wobei die Vorrichtung eine elektromagnetische Strahlungsquelle zum Erzeugen von elektromagnetischer
Primärstrahlung, einen elektromagnetischen Strahlungsdetektor zum Detektieren von elektromagnetischer Sekundärstrahlung, die durch Wechselwirkung der elektromagnetischen Primärstrahlung mit der Probe erzeugt wird und eine Ermittlungseinrichtung aufweist, die zum Ermitteln der für die Partikelgröße und/oder Partikelform indikativen Information (zum Beispiel eine Partikelgrößenverteilung) basierend auf der
detektierten elektromagnetischen Sekundärstrahlung eingerichtet ist, wobei die Ermittlungseinrichtung ausgebildet ist, die Information selektiv (wobei die Selektion zum Beispiel basierend auf einer Benutzerauswahl oder basierend auf einer von der untersuchten Probe abhängigen
Auswahl erfolgen kann) erstens mittels einer Identifizierung und
Größenbestimmung und/oder einer Formbestimmung der Partikel auf einem aus der elektromagnetischen Sekundärstrahlung generierten Detektorbild zu ermitteln, und/oder die Information zweitens aus zeitlichen Veränderungen zwischen aus der elektromagnetischen
Sekundärstrahlung generierten Detektorbildern zu unterschiedlichen Detektionszeitpunkten zu ermitteln.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Ermitteln von für eine Partikelgröße und/oder Partikelform von Partikeln in einer Probe indikativer Information bereitgestellt, wobei bei dem Verfahren elektromagnetische
Primärstrahlung erzeugt wird, elektromagnetische Sekundärstrahlung detektiert wird, die durch Wechselwirkung der elektromagnetischen Primärstrahlung mit der Probe erzeugt wird, und die für die Partikelgröße und/oder Partikelform indikative Information basierend auf der
detektierten elektromagnetischen Sekundärstrahlung ermittelt wird, wobei die Information selektiv erstens mittels einer Identifizierung und Größenbestimmung und/oder Formbestimmung der Partikel auf einem aus der elektromagnetischen Sekundärstrahlung generierten Detektorbild ermittelt wird, und/oder die Information zweitens aus zeitlichen Veränderungen zwischen aus der elektromagnetischen
Sekundärstrahlung generierten Detektorbildern zu unterschiedlichen Detektionszeitpunkten ermittelt wird .
In einem Speichermedium gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Programm zum Ermitteln von für eine Partikelgröße und/oder Partikelform von Partikeln in einer Probe indikativer Information gespeichert, welches Programm, wenn es von einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt wird, die oben
beschriebenen Verfahrensschritte aufweist bzw. durchführt.
Ein Software-Programm (zum Beispiel gebildet durch ein oder mehrere Computerprogramm-Elemente) gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zum Ermitteln von für eine Partikelgröße und/oder Partikelform von Partikeln in einer Probe indikativer Information weist die oben beschriebenen Verfahrensschritte auf (bzw. führt diese durch oder steuert diese), wenn es von einem oder mehreren Prozessoren der Steuervorrichtung ausgeführt wird .
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Ermitteln von für ein Zetapotential von Partikeln in einer Probe indikativer Information geschaffen, wobei die Vorrichtung eine elektromagnetische Strahlungsquelle zum Erzeugen von elektromagnetischer Primärstrahlung, eine elektrische
Felderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Felds in der Probe, einen elektromagnetischen Strahlungsdetektor zum Detektieren von elektromagnetischer Sekundärstrahlung, die durch Wechselwirkung der elektromagnetischen Primärstrahlung mit der Probe in dem
elektrischen Feld erzeugt wird, und eine Ermittlungseinrichtung aufweist, die zum Ermitteln der für das Zetapotential indikativen Information basierend auf der detektierten elektromagnetischen Sekundärstrahlung eingerichtet ist, wobei die Ermittlungseinrichtung ausgebildet ist, die für das Zetapotential indikative Information aus zeitlichen Veränderungen zwischen aus der elektromagnetischen Sekundärstrahlung generierten Detektorbildern zu unterschiedlichen Detektionszeitpunkten zu ermitteln.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Ermitteln von für ein Zetapotential von Partikeln in einer Probe indikativer Information bereitgestellt, wobei bei dem Verfahren elektromagnetische Primärstrahlung erzeugt wird, ein elektrisches Feld in der Probe erzeugt wird, elektromagnetische
Sekundärstrahlung detektiert wird, die durch Wechselwirkung der elektromagnetischen Primärstrahlung mit der Probe in dem elektrischen Feld erzeugt wird, und die für das Zetapotential indikative Information basierend auf der detektierten elektromagnetischen Sekundärstrahlung ermittelt wird, wobei die für das Zetapotential indikative Information aus zeitlichen Veränderungen zwischen aus der elektromagnetischen
Sekundärstrahlung generierten Detektorbildern zu unterschiedlichen Detektionszeitpunkten ermittelt wird.
In einem Speichermedium gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Programm zum Ermitteln von für ein Zetapotential von Partikeln in einer Probe indikativer Information gespeichert, welches Programm, wenn es von einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt wird, die oben beschriebenen Verfahrensschritte aufweist bzw. durchführt.
Ein Software-Programm (zum Beispiel gebildet durch ein oder mehrere Computerprogramm-Elemente) gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zum Ermitteln von für ein Zetapotential von Partikeln in einer Probe indikativer Information weist die oben beschriebenen Verfahrensschritte auf (bzw. führt diese durch oder steuert diese), wenn es von einem oder mehreren Prozessoren der Steuervorrichtung ausgeführt wird.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können sowohl mittels eines Computerprogramms, das heißt einer Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektrischer Schaltungen, das heißt in Hardware, oder in beliebig hybrider Form, das heißt mittels Software- Komponenten und Hardware-Komponenten, realisiert werden.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung ist eine synergistisch in einer gemeinsamen Apparatur bzw. Verfahrensführung implementierbare Kombination aus einer
Partikelgrößen- und/oder -formbestimmung mittels der Analyse statischer Detektorbilder einerseits (insbesondere mittels dynamischer Bildanalyse, Dynamic Image Analysis (DIA)) und einer entsprechenden Bestimmung mittels einer Analyse von Dichtefluktuationen anhand von
Differenzbilddaten andererseits (insbesondere mittels differentieller dynamischer Mikroskopie, Differential Dynamic Microscopy (DDM)) ermöglicht. Die Kombination dieser beiden komplementären
Analyseverfahren erlaubt eine Vergrößerung des messbaren
Größenbereiches hin zu kleinen Teilchen (zum Beispiel bis etwa 20nm) und beseitigt damit einen der Hauptnachteile von DIA im Vergleich zu Konkurrenztechnologien (zum Beispiel statische Lichtstreuung). Es existiert ein Größenbereich (zum Beispiel von etwa 500nm bis lOpm Teilchengröße), in dem sowohl DIA als auch DDM angewendet werden kann. In diesem Bereich liefert die Kombination von DIA mit DDM
Information, die mit keiner der beiden Methoden alleine zugänglich ist. Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung bereitgestellt, die dazu in der Lage ist, die für die Partikelgröße und/oder Partikelform indikative Information mittels Detektorbildanalyse zu bestimmen, und die dazu in der Lage ist, die Information mittels Differenzbildanalyse zu bestimmen, d .h. die Bestimmung der Information mittels zweier separater
Ermittlungsverfahren durchzuführen, von denen in einem bestimmten Anwendungsfall wahlweise nur die eine, nur die andere oder beide zum Einsatz kommen können.
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Bestimmung des Zetapotenzials bzw. einer elektrischen Ladung von Partikeln mittels einer Analyse von Dichtefluktuationen anhand von Differenzbilddaten (insbesondere mittels differentieller dynamischer Mikroskopie, Differential Dynamic Microscopy (DDM)) ermöglicht. Wenn an die Probe mit den Partikeln ein elektrisches Feld angelegt wird, erfolgt eine elektrophoretische Bewegung der Teilchen, die es durch Differenzbildanalyse ermöglicht, Informationen hinsichtlich des Zetapotenzials bzw. der Ladung der Teilchen zu gewinnen. Unter dem Zeta-Potential kann das elektrische Potential (auch als Coulomb-Potential bezeichnet) an einem bewegten Partikel in einer Probe (insbesondere einer Suspension) verstanden werden. Das elektrische Potential beschreibt die Fähigkeit eines von einer elektrischen Ladung des Partikels hervorgerufenen Feldes, Kraft auf andere Ladungen bzw. geladene Partikel auszuüben.
Im Weiteren werden zusätzliche exemplarische
Ausführungsbeispiele der Vorrichtungen, der Verfahren, der
Speichermedien und der Software-Programme beschrieben.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die
Ermittlungseinrichtung ausgebildet sein, die Information aus dem aus der elektromagnetischen Sekundärstrahlung generierten Detektorbild mittels Dynamischer Bildanalyse (DIA) zu ermitteln. Gemäß einer solchen
Ausgestaltung werden statische Detektorbilder der Partikel
aufgenommen. Jedes einzelne dieser Detektorbilder wird dann
dahingehend analysiert, dass Partikel auf dem jeweiligen Detektorbild (zum Beispiel mit Methoden der Bildverarbeitung) erkannt werden (zum Beispiel unter Verwendung einer Schwellwertmethode unter Einsatz von Mustererkennung) und nachfolgend Parameter (wie zum Beispiel ein Teilchendurchmesser und/oder eine Teilchenform) anhand der einzelnen erkannten Partikel ermittelt werden. Wenn auf diese Weise eine
ausreichende Anzahl von Detektorbildern (zum Beispiel zwischen 100 und 10.000 Detektorbilder) mit einer ausreichenden Anzahl jeweiliger Partikel (zum Beispiel zwischen 5 und 100) analysiert worden sind, kann das Ergebnis als Partikelgrößenverteilung ausgegeben werden. Dieses
Verfahren ist unabhängig von Teilchenfluktuationen, wie zum Beispiel brownscher Molekularbewegung.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die
Ermittlungseinrichtung ausgebildet sein, die Information aus den zeitlichen Veränderungen zwischen den Detektorbildern mittels
Differenzieller Dynamischer Mikroskopie (DDM) zu ermitteln. Die
Differenzielle Dynamische Mikroskopie erstellt aus einer Vielzahl von Detektorbildern zunächst Differenzbilder, auf denen Veränderungen von Partikelpositionen aufgrund von Teilchenfluktuationen erkennbar sind . Diese Differenzbilder können dann einer Fourier-Analyse unterzogen werden. Das Ergebnis der Fourier-Analyse kann für die unterschiedlichen Differenzbilder gemittelt werden. Die Diffusionsgeschwindigkeit der Partikel ist eine Funktion der Viskosität des Lösungsmittels der Probe, der Temperatur und der Partikelgröße. Informationen hinsichtlich der
Diffusionsgeschwindigkeit können aus dem Ergebnis der Fourier-Analyse gewonnen werden und bei bekannter Temperatur und
Lösungsmittelviskosität zum Rückschluss auf die Partikelgrößen
verwendet werden. Da die Differenzielle Dynamische Mikroskopie nicht auf der Identifizierung einzelner Partikel auf einem Detektorbild beruht, ist mit dieser Methodik auch die Größenbestimmung wesentlich kleinerer Partikel möglich.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die
Ermittlungseinrichtung ausgebildet sein, die erste und die zweite
Ermittlung der Information für zumindest einen vorgebbaren Teilbereich von Partikelgrößen (insbesondere in einem Bereich zwischen ungefähr 100 nm und ungefähr 20 pm, weiter insbesondere in einem Bereich zwischen ungefähr 500 nm und ungefähr 10 pm) durchzuführen. Die Komplementarität der Partikelgrößenbestimmung direkt aus einzelnen Detektorbildern einerseits und mittels zeitlicher Differenzbildanalyse andererseits erlaubt besonders in dem genannten Zwischenbereich das Auffinden und Analysieren von Phänomenen, die jeder einzelnen dieser Methode allein unzugänglich ist. Dadurch ist eine Untersuchung fokussiert auf den genannten Größenbereich oder einen Teilbereich davon
besonders aufschlussreich.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die
Ermittlungseinrichtung ausgebildet sein, die Information für
Teilchengrößen oberhalb des vorgebbaren Teilbereichs von Partikelgrößen nur mittels der ersten Ermittlung durchzuführen und/oder die Information für Teilchengrößen unterhalb des vorgebbaren Teilbereichs von
Partikelgrößen nur mittels der zweiten Ermittlung durchzuführen. Der partikelgrößenspezifische Einsatz der ersten bzw. zweiten
Ermittlungsmethode erlaubt es, gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen den Empfindlichkeitsbereich bestimmbarer Partikelgrößen zu erweitern. Die Partikelerkennung an Detektorbildern ist auf Partikelgrößen
beschränkt, die aus dem Detektorbild noch aufzulösen sind und scheitert bei Partikelgrößen unterhalb bestimmter Auflösungsgrenzen. Der
Partikelerkennung durch Differenzbildanalyse hingegen fehlt die erforderliche Empfindlichkeit bei großen Partikeln, da sich diese träge und somit sehr langsam bewegen, so dass die Partikel zwischen den unterschiedlichen Detektorbildern häufig nur geringe Unterschiede zeigen.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Ermittlungseinrichtung ausgebildet sein, für die erste und die zweite Ermittlung der Information dieselbe elektromagnetische Strahlungsquelle und denselben elektromagnetischen Strahlungsdetektor, insbesondere denselben Strahlengang oder zumindest teilweise denselben
Strahlengang, zu verwenden. Dadurch kann die Vorrichtung äußerst kompakt ausgebildet werden. Das Ausbilden unterschiedlicher optischer Pfade für beide Ermittlungsverfahren bzw. eine aufwändige Justage des optischen Pfads beim Wechsel des Ermittlungsverfahrens ist damit entbehrlich. Insbesondere kann auch eine Strahlformungsoptik zwischen elektromagnetischer Strahlungsquelle und Probe für beide
Ermittlungsverfahren gemeinsam vorgesehen werden.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die
Ermittlungseinrichtung ausgebildet sein, für die erste und die zweite Ermittlung der Information zumindest zum Teil dieselben von dem elektromagnetischen Strahlungsdetektor detektierten Detektordaten zu verwenden. Dies hat zum einen den Vorteil, dass die Ergebnisse der beiden Ermittlungsverfahren direkt miteinander vergleichbar sind und etwaige Unterschiede nicht aus unterschiedlichem Detektorverhalten bei unterschiedlichen Messungen resultieren können. Andererseits hat dies den Vorteil, dass die zu verarbeitende und zumindest
zwischenzuspeichernde Datenmenge gering ist, was geringe
Ressourcenanforderungen und eine schnelle Verarbeitungszeit garantiert. Schließlich erlaubt dies vorteilhaft, eine Messung in kurzer Zeit
durchzuführen, was auch dynamische Phänomene der Messung
zugänglich macht.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die
Ermittlungseinrichtung ausgebildet sein, eine Differenz von gemäß der ersten Ermittlung ermittelten Partikelgrößen und von gemäß der zweiten Ermittlung ermittelten Partikelgrößen zu berechnen und auszugeben. Insbesondere bei der zumindest teilweisen Verwendung identischer Detektordaten für beide Ermittlungsverfahren hat dies den Vorteil, dass die aus den unterschiedlichen physikalischen Prinzipien der beiden
Ermittlungsverfahren resultierenden Empfindlichkeitsunterschiede ergänzende Erkenntnisse über die zu untersuchenden Partikel liefern. So kann zum Beispiel bei der Untersuchung von Partikeln mit einem harten Kern und einer flexiblen oder beweglichen, weniger dichten Hülle die Partikelerkennung anhand von Detektorbildern einen Parti keldurchmesser liefern, der durch den Kern bestimmt wird. Dagegen wird bei der
Partikelerkennung durch Differenzbildanalyse die Größe inklusive Hülle erkannt. Eine Differenzbildung zwischen beiden ermittelten
Partikelgrößen kann somit die Dicke der Hülle liefern.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Ermittlungseinrichtung ausgebildet sein, oberhalb eines ersten
vorgegebenen Größenschwellwerts die Partikelgröße ausschließlich gemäß der ersten Ermittlung durchzuführen und unterhalb eines zweiten vorgegebenen Größenschwellwerts die Partikelgröße ausschließlich gemäß der zweiten Ermittlung durchzuführen. Da die Partikelerkennung anhand von Detektorbildern bei zu kleinen Partikelgrößen zu ungenau wird, kann in diesem Größenbereich die Partikelgrößenbestimmung ausschließlich durch das Verfahren der Partikelerkennung durch
Differenzbildanalyse erfolgen. Umgekehrt kann bei sehr großen
Partikelgrößen die Partikelgrößenbestimmung ausschließlich durch das Verfahren der Partikelerkennung unmittelbar anhand von einzelnen Detektorbildern selbst erfolgen, da diese Ermittlung für große Partikel sehr genau ist und die große Trägheit großer Partikel bei dem Verfahren der Partikelerkennung durch Differenzbildanalyse an der erforderlichen Genauigkeit leiden kann.
Gemäß einer Ausgestaltung können der erste Größenschwellwert und der zweite Größenschwellwert identisch sein, so dass dann für jede Partikelgröße nur eines der beiden Ermittlungsverfahren zum Einsatz kommt. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung sind die beiden
Größenschwellwerte unterschiedlich, wobei im Größenbereich zwischen den beiden Größenschwellwerten eine Auswertung mit beiden Verfahren erfolgen kann.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Ermittlungseinrichtung ausgebildet sein, unterhalb eines ersten vorgegebenen Konzentrationsschwellwerts der Probe die Partikelgröße und Partikelform ausschließlich gemäß der ersten Ermittlung
durchzuführen und oberhalb eines zweiten vorgegebenen
Konzentrationsschwellwerts der Probe die Partikelgröße ausschließlich gemäß der zweiten Ermittlung durchzuführen (der erste
Konzentrationsschwellwert kann kleiner als oder gleich wie der zweite Konzentrationsschwellwert sein). Die Partikelerkennung anhand von Detektorbildern funktioniert gut bei niedrigen Konzentrationen, weil dann ein unerwünschtes Überlappen unterschiedlicher Partikel auf einem Detektorbild unwahrscheinlich ist oder nicht auftritt. Bei hohen
Konzentrationen hingegen können auf den Detektorbildern Partikel überlappen, so dass dann mit der Partikelerkennung anhand von
Detektorbildern nicht mehr zweifelsfrei unterscheidbar ist, ob nur ein Partikel großer Dimension oder zwei (oder mehr) nahe beieinander befindliche Partikel kleinerer Dimensionen vorliegen. Bei hohen
Konzentrationen kann die Vorrichtung daher auf die Partikelerkennung allein durch Differenzbildanalyse ausweichen, bei der bei einer räumlichen Überlappung unterschiedlicher Partikel keine Genauigkeitsreduktion auftritt. Wird umgekehrt die Konzentration der Partikel in der Probe zu niedrig, so gelangt das Verfahren der Partikelgrößenbestimmung mittels Differenzbildanalyse an ihre Grenzen und kann dann durch die
Partikelgrößenbestimmung durch die direkte Auswertung von
Detektorbildern ersetzt werden.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die
Ermittlungseinrichtung ausgebildet sein, aus der ersten und der zweiten Ermittlung der Information hinsichtlich der Partikelgrößen Information hinsichtlich einer Viskosität der Probe zu ermitteln. Aus der Stokes- Einstein Beziehung ist es möglich, bei mittels der Methode der
Partikelerkennung anhand von Detektorbildern ermittelter Partikelgrößen mittels der Differenziellen Dynamischen Mikroskopie den
Diffusionskoeffizienten zu bestimmen, was bei bekannter Temperatur einen Rückschluss auf die Viskosität der Probe erlaubt.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung eine elektrische Felderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Felds in der Probe aufweisen, wobei die Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln von für das Zetapotential von Partikeln in der Probe indikativer Information basierend auf der bei Anwesenheit des elektrischen Felds in der Probe detektierten
elektromagnetischen Sekundärstrahlung eingerichtet ist. Weiter kann die Ermittlungseinrichtung ausgebildet sein, zusätzlich das Zetapotential aus zeitlichen Veränderungen zwischen aus der elektromagnetischen
Sekundärstrahlung generierten Detektorbildern zu unterschiedlichen Detektionszeitpunkten zu ermitteln. Wird ein elektrisches Feld in der Probe eingeschaltet, so beginnt eine elektrophoretische Bewegung der Probenpartikel. Aus dieser lässt sich das Zeta-Potenzial bzw. die elektrische Ladung der Partikel bestimmen, wenn die Differenzielle Dynamische Mikroskopie eingesetzt wird.
Die elektromagnetische Strahlungsquelle kann Licht in einem gewünschten Wellenlängenbereich erzeugen, vorzugsweise im Bereich von sichtbarem Licht (400 nm bis 800 nm). Andere Wellenlängenbereiche sind möglich, zum Beispiel Infrarot oder Ultraviolett. Es ist möglich, die elektromagnetische Strahlungsquelle als Laser auszuführen. In diesem Fall kann kohärentes Licht erzeugt und für die Messung verwendet werden. Allerdings kann bei anderen Ausführungsbeispielen die Messung auch mit nichtkohärentem Licht durchgeführt werden. Letzteres kann sogar vorteilhaft sein, wenn Interferenzartefakte unterdrückt werden sollen.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die elektromagnetische Strahlungsquelle eine gepulste Strahlungsquelle sein. Die Verwendung einer gepulsten Strahlungsquelle zum Erzeugen von kurzen elektromagnetischen Strahlungspulsen (zum Beispiel räumlich eng abgegrenzten Lichtpaketen) kann anschaulich eine Teilchenbewegung in der Probe einfrieren, so dass ein Detektor dann tatsächlich auf dem Detektorbild scheinbar ruhende Partikel erfassen kann. Dann kann unter Ausnutzung eines Effekts, der jenem der Stroboskopie ähnelt, mit einer offenen Blende detektiert werden. Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung eine Primärstrahlformungsoptik zwischen der
elektromagnetischen Strahlungsquelle und der Probe aufweisen, wobei die Primärstrahlformungsoptik eingerichtet sein kann, die
elektromagnetische Primärstrahlung parallel zu einer optischen Achse zu kollimieren. Eine solche Kollimatoroptik kann vorteilhaft für die
Partikelerkennung anhand der Detektorbilder und für die
Partikelerkennung anhand der Differenzbildanalyse identisch ausgebildet werden, was zu einem geringen apparativen Aufwand und zu einer direkten Vergleichbarkeit der beiden Ermittlungsergebnisse führt.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung eine Abbildungsoptik zwischen der Probe und dem
elektromagnetischen Strahlungsdetektor aufweisen, wobei die
Abbildungsoptik eingerichtet sein kann, die elektromagnetische
Sekundärstrahlung auf den elektromagnetischen Strahlungsdetektor abzubilden.
Gemäß einer Ausgestaltung kann die Abbildungsoptik identisch für die beiden Ermittlungsverfahren eingesetzt werden, was zu einer kompakten Vorrichtung und zu einer guten Vergleichbarkeit der beiden Ermittlungsergebnisse führt.
Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die
Vorrichtung einen Verstellmechanismus aufweisen, der zum Verstellen der Abbildungsoptik zwischen unterschiedlichen Optikkonfigurationen zum Aufnehmen von Detektordaten zur ersten Ermittlung der Information und zum Aufnehmen von Detektordaten zur zweiten Ermittlung der Information eingerichtet ist. Dadurch kann eine Einstellung des
Strahlengangs auf das jeweilige Ermittlungsverfahren hin optimiert durchgeführt werden, ohne dass eine vollständige Neujustierung des Strahlengangs beim Übergang von einer der Ermittlungsverfahren zum jeweils anderen erforderlich ist. Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann der Verstellmechanismus ein Revolvermechanismus sein. Ein
Revolvermechanismus erlaubt es, mittels Drehens eines Revolverkopfes, in dem eine Mehrzahl von alternativ verwendbaren und unterschiedlichen optischen Elementen oder optischen Baugruppen implementiert sind, ein jeweils gewünschtes optisches Element bzw. eine jeweils gewünschte optische Baugruppe in den optischen Pfad zwischen Probe und
elektromagnetischen Strahlungsdetektor einzufahren und damit für die Verwendung in der Vorrichtung auszuwählen. Ein zu einem
Revolvermechanismus alternativ einsetzbarer Verfahrmechanismus ist ein Verschiebemechanismus, der in einer Richtung vor oder zurück
verschiebbar ist, um zum Beispiel zwei unterschiedliche optische
Elemente oder optische Baugruppen wahlweise in den optischen Pfad einfahren zu können.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann der
Verstellmechanismus eingerichtet sein, für die erste Ermittlung eine erste Abbildungsoptik einzustellen, die eine kleinere numerische Apertur hat als eine zweite Abbildungsoptik für die zweite Ermittlung. Während bei der Partikelerkennung anhand der Auswertung einzelner Detektorbilder selbst eine kleine numerische Apertur vorteilhaft ist, ist bei der
Partikelerkennung anhand der Differenzbildanalyse die Auflösung höher, wenn die numerische Apertur größer ist. Durch den Verstellmechanismus kann mit einer einfachen optischen Maßnahme für beide
Ermittlungsverfahren eine hohe Genauigkeit bei der
Partikelgrößenbestimmung erreicht werden.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die erste Abbildungsoptik eine telezentrische Optik sein. Eine solche telezentrische Optik kann zwei Linsen (insbesondere zwei Sammellinsen) und optional eine dazwischen angeordnete Blende aufweisen. Es sind also für eine telezentrische Optik auch Linsensysteme implementierbar, bei denen eine Blende entbehrlich ist. Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die zweite Abbildungsoptik ein Mikroskop-Objektiv sein, das zum Beispiel als eine einzige Linse ausgeführt sein kann.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung einen die Probe enthaltenen Probenbehälter aufweisen, der liegend angeordnet sein kann. Ein solcher Probenbehälter kann zum Beispiel eine Küvette sein. Eine liegende Anordnung eines solchen
Probenbehälters kann zum Beispiel mittels einer geeigneten optischen Baugruppe, zum Beispiel unter Einsatz von Umlenkspiegeln, realisiert werden. Ist die Messzelle liegend angeordnet, so können störende Einflüsse, wie zum Beispiel Partikelsedimentation oder das Ausbilden temperaturinduzierter Strömungen in der Messstelle, unterdrückt oder eliminiert werden.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die für die Partikelgröße und/oder Partikelform indikative
Information eine Partikelgrößenverteilung und/oder eine
Partikelformverteilung aufweisen. Die Ermittlungseinrichtung kann gemäß dieser Ausgestaltung eine Verteilungsfunktion ermitteln und ausgeben, welche die Verteilung von Partikelgrößen in einem Ensemble von
Partikeln anzeigt. Alternativ oder ergänzend kann die
Ermittlungseinrichtung eine Verteilungsfunktion ermitteln und ausgeben, welche die Verteilung von Partikelformen in einem Ensemble von
Partikeln anzeigt.
Im Folgenden werden exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Verweis auf die folgenden Figuren detailliert beschrieben.
Figur 1 zeigt eine Vorrichtung zum Ermitteln von für eine
Partikelgröße von Partikeln in einer Probe indikativer Information und zum Ermitteln eines Zeta-Potenzials der Partikel gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Figur 2 zeigt eine schematische Abbildung zum Auswerten von Detektorbildern mittels Differenzieller Dynamischer Mikroskopie gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Figur 3 zeigt eine Image Structure Function für ein 70 nm großes PS-Latexpartikel in Wasser, aufgenommen mit einem
lOxMikroskopobjektiv mit einer numerischen Apertur von 0.25, erhalten mittels Differenzieller Dynamischer Mikroskopie.
Figur 4 zeigt ein Ergebnis einer Auswertung gemäß einer Messung mit Differenzieller Dynamischer Mikroskopie an 46, 70 und lOOnm PS- Latexpartikeln mittels der Kumulantenmethode.
Figur 5 zeigt schematisch die Beugung von Licht an einem Gitter, wobei der Winkel der ersten Beugungsordnung von der Wellenlänge des einfallenden Lichts und der Gitterkonstante g abhängt.
Figur 6 zeigt eine Image Structure Function für ein 500 nm großes PS-Latexpartikel in Wasser, aufgenommen mit einem konventionellen 40xMikroskopobjektiv mit einer numerischen Apertur von 0.6, erhalten mittels Differenzieller Dynamischer Mikroskopie.
Figur 7 zeigt eine Vorrichtung zum Ermitteln von für eine
Partikelgröße von Partikeln in einer Probe indikativer Information gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Figur 8 zeigt eine Vorrichtung zum Ermitteln von für eine
Partikelgröße von Partikeln in einer Probe indikativer Information gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei eine liegende Messzelle zum Unterdrücken von störenden Einflüssen, wie zum Beispiel Partikelsedimentation oder das Ausbilden
temperaturinduzierter Strömungen in der Messzelle, vorgesehen ist.
Figur 9 zeigt ein schematisches Blockbild einer Vorrichtung zum Ermitteln von für eine Partikelgröße von Partikeln in einer Probe indikativer Information gemäß einem exemplarischen
Ausführungsbeispiel der Erfindung. Figur 10 zeigt eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Zeta-Potenzials von Partikeln einer Probe gemäß einem exemplarischen
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Figur 11 zeigt ein schematisches Blockbild einer Vorrichtung zum Ermitteln eines Zeta-Potenzials von Partikeln einer Probe gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Ermitteln von für eine
Partikelgröße und/oder Partikelform von Partikeln in einer Probe 130 indikativer Information und zum Ermitteln eines Zeta-Potenzials der Partikel gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Vorrichtung 100 weist eine als gepulsten Laser ausgebildete elektromagnetische Strahlungsquelle 102 auf, die zum Erzeugen von Pulsen von elektromagnetischer Primärstrahlung 108 (hier optisches Licht) ausgebildet ist. Die elektromagnetische Primärstrahlung 108 wird auf einen Probenbehälter 126 gerichtet. Die zu untersuchende Probe 130 (zum Beispiel in einer Flüssigkeit enthaltene Partikel in der
Größenordnung von Mikrometern für die Keramikherstellung, zum
Beispiel Titandioxid) durchfließt den hier als Durchflussküvette
ausgebildeten Probenbehälter 126 in einer durch Pfeile 132 angedeuteten Fließrichtung und wechselwirkt hierbei mit der elektromagnetischen Primärstrahlung 108, wodurch diese in elektromagnetische
Sekundärstrahlung 110 umgewandelt wird. Der Fluss der Probe im
Probenbehälter 126 kann gegebenenfalls vor einer Messung mit Ventilen 133 und 134 unterbunden werden. Des Weiteren kann der
Probenbehälter 126 so ausgeführt sein, dass die Durchflussküvette durch jede beliebige Küvette ersetzt wird, um beispielsweise
Sedimentationseigenschaften der Probe 130 zu untersuchen oder um jede Probenveränderung auszuschließen. Eine Abbildungsoptik 118 zwischen der Probe 130 und einem elektromagnetischen
Strahlungsdetektor 104 (zum Beispiel eine zweidimensionale Kamera wie eine CMOS-Kamera oder eine CCD-Kamera) ist eingerichtet, die
elektromagnetische Sekundärstrahlung 110 auf den elektromagnetischen Strahlungsdetektor 104 abzubilden.
Die Vorrichtung 100 weist einen uniaxial verschiebbaren
Verstellmechanismus 120 (siehe Doppelpfeil) auf, der zum Verstellen der Abbildungsoptik 118 zum Aufnehmen von Detektordaten zur ersten Ermittlung (siehe Bezugszeichen 112) der Information und zum
Aufnehmen von Detektordaten zur zweiten Ermittlung (siehe
Bezugszeichen 114) der Information eingerichtet ist. Der
Verstellmechanismus 120 ist eingerichtet, für die erste Ermittlung 112 eine erste Abbildungsoptik 124 in den optischen Pfad zwischen der elektromagnetischen Primärstrahlung 108 und der elektromagnetischen Sekundärstrahlung 110 einzufahren, die eine kleinere numerische Apertur hat als eine zweite Abbildungsoptik 122, die für die zweite Ermittlung 114 in den optischen Pfad zwischen der elektromagnetischen Primärstrahlung 108 und der elektromagnetischen Sekundärstrahlung 110 eingefahren wird. Die erste Abbildungsoptik 124 ist eine telezentrische Optik. Die zweite Abbildungsoptik 122 ist ein Mikroskop-Objektiv. Auf diese Weise kann die Abbildungsoptik 118 auf das jeweilige Auswerteprinzip hin angepasst werden.
Der elektromagnetische Strahlungsdetektor 104 dient zum
Detektieren der elektromagnetischen Sekundärstrahlung 110 in Form von zweidimensionalen Detektorbildern, die durch Wechselwirkung der elektromagnetischen Primärstrahlung 108 mit der Probe 130 erzeugt wird .
Die Detektordaten, die ein zweidimensionales Abbild der Probe 130 liefern, werden einer zum Beispiel als Prozessor ausgebildeten
Ermittlungseinrichtung 106 zugeführt, die zum Ermitteln der für die Partikelgröße indikativen Information basierend auf der detektierten elektromagnetischen Sekundärstrahlung 110 eingerichtet ist. Präziser ausgedrückt ist die Ermittlungseinrichtung 106 ausgebildet, die
Information erstens (siehe einen mit Bezugszeichen 112 bezeichneten Auswertepfad) mittels einer Identifizierung und Größenbestimmung der Partikel auf mehreren einzelnen aus der elektromagnetischen
Sekundärstrahlung 110 generierten Detektorbildern zu ermitteln, und die Information zweitens (siehe einen mit Bezugszeichen 114 bezeichneten separaten Auswertepfad) aus zeitlichen Veränderungen zwischen aus der elektromagnetischen Sekundärstrahlung 110 generierten Detektorbildern zu unterschiedlichen Detektionszeitpunkten zu ermitteln. Anders ausgedrückt kann in der Vorrichtung 100 die Größenbestimmung der Partikel mittels einer auswählbaren oder mittels zweier komplementärer Prozeduren durchgeführt werden. Die Ermittlungseinrichtung 106 ist ausgebildet, die Information aus den einzelnen aus der
elektromagnetischen Sekundärstrahlung 110 generierten Detektorbildern mittels Dynamischer Bildanalyse (Dynamic Image Analysis, DIA) zu ermitteln (siehe Bezugszeichen 112). Die Ermittlungseinrichtung 106 ist ferner ausgebildet, die Information aus den zeitlichen Veränderungen zwischen den Detektorbildern mittels Differenzieller Dynamischer
Mikroskopie (Differential Dynamic Microscopy, DDM) zu ermitteln (siehe Bezugszeichen 114).
Die Ermittlungseinrichtung 106 ist insbesondere ausgebildet, die erste (siehe Bezugszeichen 112) und die zweite (siehe Bezugszeichen 114) Ermittlung der Information für zumindest einen Teil eines Bereichs zwischen 100 nm und 20 pm, d .h. doppelt, durchzuführen. In diesem
Bereich sind beide Ermittlungsverfahren sensitiv und liefern aufgrund der komplementären zu Grunde liegenden physikalischen Prinzipien
Information, die durch das jeweils andere Ermittlungsverfahren nicht ermittelbar ist.
Die Ermittlungseinrichtung 106 ist ferner ausgebildet, die
Information für Teilchengrößen oberhalb von 20 pm nur mittels der ersten Ermittlung (siehe Bezugszeichen 112) durchzuführen und die Information für Teilchengrößen unterhalb 100 nm nur mittels der zweiten Ermittlung (siehe Bezugszeichen 114) durchzuführen, da das jeweils andere Ermittlungsverfahren in den genannten Partikelgrößenbereichen nicht ausreichend sensitiv ist.
Eine Steuereinrichtung 150 empfängt die Detektordaten von dem elektromagnetischen Strahlungsdetektor 104 und leitet diese zur
Weiterverarbeitung in einen oder beide Zweige (siehe Bezugszeichen 112, 114) weiter. Dabei können Detektordaten auch in einer Datenbank 152 gespeichert werden.
Als Speichermedium können sowohl computerlesbare
Speichermedien und/oder Speichermedien, die von programmierbaren logischen Schaltungen, wie beispielsweise Feld - programmierbare - Logik - Gatter Anordnungen (FPGA), Mikrokontrollern, digitalen
Signalprozessoren (DSP) oder dergleichen, verwendet werden. Diese Speichermedien können direkt in der Vorrichtung 100 integriert sein.
Für die erste Ermittlung (siehe Bezugszeichen 112) der
Partikelgrößenverteilung, d .h. die Detektion von Partikelgrößen und/oder Partikelform direkt anhand eines Kamerabildes, werden die
Detektordaten an eine Teilchenerkenneinheit 154 weitergeleitet, die mit Methoden der Bildverarbeitung (zum Beispiel Mustererkennung basierend auf Referenzdaten) einzelne Partikel auf dem einzelnen Detektorbildern erkennt. Die identifizierten Partikel werden einer
Parameterbestimmeinheit 156 weitergeleitet, welche den erkannten Teichen eine Größe und/oder Form zuordnet.
Für die zweite Ermittlung (siehe Bezugszeichen 114) der
Partikelgrößenverteilung, d.h. die Detektion von Partikelgrößen indirekt durch Erzeugung von Kameradifferenzbildern und dem Ableiten der Partikelgrößen aus einer Fourier-Analyse, werden die Detektordaten zunächst einer Differenzbildermittlungseinheit 162 übermittelt. Die Differenzbildermittlungseinheit 162 ermittelt die entsprechenden Differenzbilder aus den zu unterschiedlichen Zeitpunkten
aufgenommenen Detektordaten. Die ermittelten Differenzbilder werden in einer Fouriertransformationseinheit 164 einer Fouriertransformation unterzogen. Eine Mittelungseinheit 166 mittelt die Ergebnisse der
Fouriertransformation. Eine Parameterermittlungseinheit 168 ermittelt dann aus den Ergebnissen der Ermittlung die Größenverteilung der Partikel.
Eine Kombinationseinrichtung 170 kann die Ergebnisse aus den beiden Ermittlungen gemäß Bezugszeichen 112 und 114 kombinieren. Die Ergebnisse der Analyse können auf einer Anzeigeeinheit 180 einem Benutzer angezeigt werden.
Die Vorrichtung 100 weist darüber hinaus eine elektrische
Felderzeugungseinrichtung 116 zum Erzeugen eines elektrischen Felds in der Probe 130 auf, wobei die Ermittlungseinrichtung 106 zum Ermitteln des Zetapotentials bzw. der elektrischen Ladung der Partikel der Probe 130 basierend auf der detektierten elektromagnetischen
Sekundärstrahlung 110 eingerichtet ist. Gesteuert durch die
Steuereinrichtung 150 kann eine Spannungsquelle 177 der elektrischen Felderzeugungseinrichtung 116 eine elektrische Spannung zwischen zwei einander gegenüberliegende Kondensatorplatten 179 der elektrischen Felderzeugungseinrichtung 116 anlegen. Dabei soll die Anordnung der Elektroden 179 so positioniert werden, dass die Feldlinien des
elektrischen Feldes normal zur Ausbreitungsrichtung der
elektromagnetischen Primärstrahlung 108 verlaufen. Für den Fall, dass sich die Probe 130 auch zusätzlich in eine Richtung normal zur
Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Primärstrahlung 108 bewegt, sollen die Elektroden 179 so angeordnet werden, dass die Feldlinien normal zur Flussrichtung der Probe und normal zur
Ausbreitungsrichtung der Primärstrahlung ausgerichtet sind.
Die Ermittlungseinrichtung 106 ist genauer gesagt ausgebildet, das
Zetapotential bzw. die elektrische Ladung der Partikel aus zeitlichen Veränderungen zwischen aus der elektromagnetischen
Sekundärstrahlung 110 generierten Detektorbildern zu unterschiedlichen Detektionszeitpunkten zu ermitteln, d .h. mittels Differenzieller
Dynamischer Mikroskopie. Zur Ermittlung des Zetapotenzials aus den Detektordaten werden Letztere einer Zetapotenzial-
Ermittlungseinrichtung 190 zugeführt, die das Ergebnis der Auswertung dann an die Anzeigeeinheit 180 weiterleiten kann.
Dynamische Bildanalyse (Dynamic Image Analysis, DIA) ist eine Methode, die auf der Fotographie von sich bewegenden Objekten basiert. Die Verwendung in der Partikelcharakterisierung ist durch die Entwicklung sehr schneller Kameras und durch die Kombination mit gepulsten
Lichtquellen ermöglicht. Schnelle Kameras sind vorteilhaft, um aus Gründen der Statistik viele Teilchen in kurzer Zeit messen zu können. Eine gepulste Lichtquelle ermöglicht zudem, die Aufnahme von sich sehr schnell bewegenden Partikeln, ohne dass Bewegungsunschärfe auftritt.
Differentielle Dynamische Mikroskopie (DDM) kann mit einem handelsüblichen optischen Mikroskop, welches die Probe mittels einer unkollimierten Weißlichtquelle beleuchtet, durchgeführt werden . Die Datenanalyse beruht jedoch nicht auf der Auswertung der Bilder der Teilchen, sondern auf der Auswertung der zeitlichen Änderungen der Strukturen am Bild. Dadurch kann die Diffusionsgeschwindigkeit und indirekt die Größe der Teilchen ermittelt werden. Die Methode ist nicht durch das optische Limit zur Auflösung eines einzelnen Teilchens limitiert.
Die Verwendung von unkollimiertem Weißlicht ist möglich, weil bei DDM nicht wie bei DLS üblich der gesamte Streuvektor | Q| , sondern nur der projizierte Streuvektor q in die Berechnungen eingeht und dieser unabhängig vom Einfallswinkel und der Lichtwellenlänge ist. Letzteres kann als Vorteil der DDM gegenüber DLS gesehen werden, da
Simulationen gezeigt haben, dass für kleine Streuwinkel (<20°, entspricht Vorwärtsstreuung) der Unterschied zwischen q und \ Q\ vernachlässigbar ist. Figur 2 zeigt ein Schema 200 zum Auswerten von Detektorbildern 202 mittels Differenzieller Dynamischer Mikroskopie gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung . Der im Folgenden beschriebene Ablauf einer DDM Messung und Auswertung ist in Figur 2 schematisch dargestellt.
Die Partikel in der Flüssigkeit werden mittels eines als
Hochgeschwindigkeitskamera ausgebildeten elektromagnetischen Strahlungsdetektors 104 fotografiert, d .h. es werden Intensitätswerte I abhängig von den Ortskoordinaten x, y und der Zeit t aufgenommen . Durch Subtrahieren jeweils zweier Bilder (siehe Bezugszeichen 162) werden Differenzbilder 204 erzeugt. Die Zeitdifferenz Ät zwischen den zu subtrahierenden Detektorbildern 202 wird dabei variiert. Man erhält also eine ganze Serie von Differenzbildern 204, die Information über die Dynamik des Systems beinhalten. Die Intensität in den Differenzbildern 204 ist gegeben durch :
Al(x, y; &t) = l xr y; t + Ät}— I(x, y; t)
Die Differenzbilder 204 werden anschließend Fourier-transformiert (FFT(.M(xr j; &ty) -> F(q; Ät», siehe Bezugszeichen 164, wodurch
Fouriertransformierte 206 erhalten werden. Da die Brownsche
Molekularbewegung stochastisch ist, liefert die Fouriertransformation ein rotationssymmetrisches Bild . (q; Δί) kann also über den Azimut-Winkel aufintegriert werden.
Nach dem Durchführen der Fouriertransformation erfolgt eine
Mittelung, siehe Bezugszeichen 166, wodurch gemittelte
Fouriertransformierte 208 erhalten werden.
Die Fouriertransformation kann man sich wie eine Zerlegung des
Objekts in Brechungsindexgitter 500 mit unterschiedlicher
Gitterkonstante g vorstellen, siehe Figur 5. Der Zusammenhang zwischen projiziertem Streuvektor (=Gittervektor) q und Gitterkonstante g ist wie folgt gegeben : q = 2nfg
Das sogenannte Fourier Leistungsspektrum, auch Image Structure Function 210 genannt, ist gegeben durch :
Figure imgf000027_0001
wobei g(q,M) die Intensitäts-Autokorrelationsfunktion ist, wie sie auch aus der DLS Theorie bekannt ist.
Figur 3 zeigt D (q,te) für 70nm PS (Polystyrol) Latexpartikel in
Wasser, aufgenommen mit einem lOx Mikroskopobjektiv.
Aus D (q,At) kann somit zum Beispiel über die Kumulanten- Methode (siehe Koppel, Dennis E. (1972), "Analysis of Macromolecular Polydispersity in Intensity Correlation Spectroscopy: The Method of Cumulants", The Journal of Chemical Physics 57 (11) : 4814) die
Partikelgröße berechnet werden : Figur 4 zeigt ein Ergebnis einer
Auswertung gemäß einer Messung mit Differenzieller Dynamischer Mikroskopie an 46nm, 70nm und lOOnm PS-Latexpartikeln mittels der Kumulantenmethode.
Durch eine DDM Messung liegen bereits Messdaten bei
verschiedenen g-Vektoren vor. Das Ergebnis entspricht also einer Vielzahl von einzelnen DLS Experimenten, die bei diesen g-Vektoren ( =
Streuwinkeln) durchgeführt wurden.
Herkömmliche Verfahren zum Ermitteln von Partikelgrößen haben Nachteile, die durch das erfindungsgemäße Messprinzip überwunden werden können :
Der Messbereich der dynamischen Bildanalyse (DIA) ist durch das optische Auflösungslimit nach unten begrenzt. Das stellt im Vergleich zu Konkurrenztechnologien wie zum Beispiel der statischen Lichtstreuung (SLS) einen deutlichen Nachteil dar. Polydisperse Proben, welche Partikel unter der optischen
Auflösungsgrenze enthalten, können mit DIA nicht vollständig
charakterisiert werden. Die kleinen Anteile der Größenverteilungsfunktion gehen verloren.
Die Partikelkonzentration bei DIA ist durch die Bedingung begrenzt, dass Überlappungen von Partikeln auf den aufgenommenen Bildern sehr unwahrscheinlich sind. Es ist nicht möglich, zufällige Überlappungen der Partikel von Aggregaten zu unterscheiden. Die Grenze für die noch messbare Partikelkonzentration hängt von der verwendeten
Abbildungsoptik, dem verwendeten Detektor und der Partikelgröße selbst ab.
Mit dynamischer Bildanalyse (DIA) können nur jene Teile der Partikel erkannt werden, die einen signifikanten Unterschied im
Brechungsindex zum Lösungsmittel haben. Beispielsweise bleiben stark geschwollene Polymerhüllen (sterische Stabilisierung) unsichtbar.
DIA liefert ein statisches Bild der Partikel . Dynamische Prozesse wie beispielsweise Diffusionsbewegung oder elektrophoretische
Bewegung sind nicht zugänglich.
Um diese Nachteile zumindest teilweise zu überwinden, sind exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung entwickelt worden :
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist erkannt worden, dass DIA und DDM beinahe identische Anforderungen an die Messgeometrie haben und daher in dasselbe Gerät implementiert werden können. Auch die für den Betrieb des Messgeräts notwendige Peripherie ähnelt sich stark.
Durch die Kombination der Technologien kann der Messbereich hinsichtlich Partikelgröße deutlich erweitert werden. Während die DIA hin zu kleinen Partikelgrößen durch die optische Auflösungsgrenze
beschränkt ist (kleinste noch messbare Partikel sollen zum Beispiel mindestens ca. lOOnm groß sein), kann mit DDM noch weit darunter gemessen werden (zum Beispiel bis ca. 20nm). Zu großen Teilchen hin ist DDM durch die Diffusionsbewegung beschränkt, die mit zunehmender Partikelgröße immer langsamer und somit schwerer zu messen wird . Die obere Messgrenze für DDM liegt bei ca. lOpm Partikelgröße. Der Grund für diese Einschränkung ist wie folgt zu verstehen.. Bis ein beispielsweise lOpm großes Partikel eine, mittels optischer Bildgebung, detektierbare Distanz diffundiert, können durchaus mehrere Sekunden vergehen. Bei so langen Messzeiten wird es schwierig, störende Einflüsse wie zum Beispiel Sedimentation oder Vibrationen auszuschließen.
Durch die relativ große Überlappung im Messbereich zwischen DIA und DMM (zum Beispiel ca. 500nm bis lOpm) ergeben sich folgende Vorteile:
Während bei DIA direkt ein Bild des Teilchens ausgewertet wird, ist DDM eine indirekte Methode, bei der die Diffusionsgeschwindigkeit aus einem Bild bestimmt wird . Für ideale Dispersionen von verdünnten, glatten Kugeln ist zu erwarten, dass die beiden ermittelten Durchmesser übereinstimmen. Wenn es experimentell zu Diskrepanzen zwischen den beiden Ergebnissen kommt, kann das als Effekt einer Abweichung von diesem idealen Verhalten interpretiert werden. Daher kann aus der Kombination der beiden Methoden wertvolle Information über nicht- ideales Verhalten gewonnen werden. Im Folgenden ist ein konkretes Beispiel beschrieben :
Sterisch stabilisierte Teilchen können bei der Untersuchung mit DIA und DDM zu unterschiedlichen Ergebnissen führen. Der optische Kontrast der geschwollenen Polymerhülle ist extrem gering im Vergleich zum Kontrast des Teilchenkerns. DIA liefert dementsprechend den
Kerndurchmesser als Ergebnis. Für DDM ist die Situation vollkommen unterschiedlich. Das Diffusionsverhalten ist durch die thermische Energie und den Strömungswiderstand bestimmt. Der wirksame Durchmesser beträgt in diesem Fall Kerndurchmesser plus doppelte Dicke der Hülle. Nachdem sich die Hülle mit dem Teilchen bewegt, bremst sie effektiv die Diffusion. Aus der Kombination von DIA und DDM ist die Dicke der Polymerhülle experimentell zugängl ich {RDDM ~ RDIA) - Weder DIA noch DDM können alleine diese Information l iefern .
In Real proben liegen oft Gemische mit sehr unterschiedl ichen Teilchengrößen vor. Viele Methoden zur Partikelgrößenbestimmung können aus solchen Gemischen nicht d ie korrekte Verteilung an
Partikelg rößen bestimmen . Beispielsweise wird Dynamische Lichtstreuung DLS stark durch geringe Konzentrationen an g roßen Teilchen (zum
Beispiel Agg regate oder Staub) gestört. Es ist dann nicht mehr mög lich, d ie Partikelg röße von Nano-Teilchen, auch wenn sie in wesentlich höherer Konzentration vorl iegen, zu bestimmen . Ein wesentlicher Vorteil von DDM gegenüber DLS ist, dass es keine so starke Empfind l ichkeit gegenüber großen Veru nreinig ungen in niedriger Konzentration g ibt. Im Zuge der Datenauswertung werden bei DDM jeweils zwei Bilder, aufgenommen zu unterschiedl ichen Zeitpunkten, voneinander subtrahiert. Sehr große Teilchen bewegen sich nur extrem langsam und verschwinden so vom Differenzbild . Der Beitrag der kleinen Teilchen, d ie schnell diffund ieren und sich daher in der Zeit zwischen den beiden Aufnahmen sig nifikant bewegt haben, wird d urch d ie g roßen Partikel nicht beeinflusst. DDM erlaubt also die Messung von kleinen Teilchen neben sehr g roßen
Teilchen . Für DIA liegen Nano-Teilchen zwar außerhal b des
Messbereiches. Große Teilchen sind aber sehr gut erkennbar. Durch d ie Kombination von DIA und DDM ergibt sich daher eine vol lständige
Charakterisierung von Proben mit Nano-Teilchen und geringer Mengen an g roßen Partikeln . Dies wäre mit einer Methode alleine nicht mögl ich .
Für DIA sol l sichergestellt sein, dass sich die Teilchen im Bild nicht überlagern . Das kann durch eine entsprechende Verd ünnung erreicht werden . Die Größenbestimmung in Proben mit hohen
Teilchenkonzentrationen ist problematisch . Wie hoch die
Partikelkonzentration genau sein darf, hängt von der gewählten
Abbildungsoptik, dem Detektor und der Partikelgröße ab. Im Gegensatz dazu arbeitet DDM g ut bei hohen Konzentrationen und erreicht sein Limit bei niedrigen Teilchendichten. Die Limitierung zu hohen Konzentrationen hin wird bestimmt durch die Bedingung der quasi-idealen Verdünnung in der Stokes-Einstein-Gleichung. Die Kombination beider Technologien erweitert also den Konzentrationsbereich, in dem korrekt gemessen werden kann.
Üblicherweise wird die Stokes-Einstein-Beziehung verwendet, um den Teilchenradius R aus dem Diffusionskoeffizient D zu berechnen (mit gegebener Viskosität η des Lösungsmittels, der Boltzmannkonstante kB und der absoluten Temperatur T) :
R =
όττηθ
Die Methode der Mikrorheologie verwendet jedoch die Stokes- Einstein-Beziehung in einer anderen Form. Sie bestimmt die Viskosität η des Lösungsmittels aus dem Diffusionskoeffizient:
6nRD
Dazu ist es allerdings nötig, Teilchen bekannter Größe zuzugeben und damit möglicherweise die Probe zu verändern. Durch die
Kombination von DIA und DDM ist es möglich, alle nötigen
Eingangsparameter direkt zu bestimmen. Während die Teilchengröße direkt aus den Bildern (DIA) entnommen werden kann, kann der
Diffusionskoeffizient über DDM bestimmt werden. Voraussetzung ist nur, dass Teilchen (unbekannter Größe) im Überlappungsbereich von DIA und DDM vorhanden sind.
Figur 7 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Ermitteln von für eine Partikelgröße von Partikeln in einer Probe 130 indikativer Information gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Um die oben genannten Nachteile der DIA Technologie durch eine Kombination mit DDM beseitigen zu können, kann die in Figur 7 gezeigte
Technologiekombination verwendet werden.
Die Messanordnungen für die Durchführung von DIA und DDM sind sehr ähnlich, beide Technologien können einen Großteil der Komponenten der Vorrichtung 100, oder sogar die gesamten Komponenten, gemeinsam verwenden. Die Messanordnung in Form der Vorrichtung 100 besteht aus einer Lichtquelle als elektromagnetische Strahlungsquelle 102, die einen Lichtstrahl als elektromagnetische Primärstrahlung 108 entlang einer optischen Achse 702 aussendet, einer Strahlformoptik 700, einer
Messzelle als Probenbehälter 126, welche die zu untersuchende Probe 130 enthält, einer Abbildungsoptik 118 und einem Bildsensor als elektromagnetischen Strahlungsdetektor 104. Die Eintritts- bzw.
Austrittsfenster der Messzelle sind mit Bezugszeichen 704 bzw. 706 bezeichnet. Die Strahlformoptik 700 dient der Strahlaufweitung bzw. Kollimation, um eine scharfe Abbildung zu bewirken. Figur 7 ist zu entnehmen, dass die optische Weglänge, welche die elektromagnetische Primärstrahlung 108 zum Durchlaufen des Probenbehälters 126 benötigt, sehr kurz ist, um Verfälschungen bei der Größenbestimmung von nahe des Eintrittsfensters 704 bzw. nahe des Austrittsfensters 706 befindlichen Partikeln zu vermeiden. Figur 7 ist ferner zu entnehmen, dass die
Abbildungsoptik 118 aus zwei Sammellinsen 708 gebildet ist, zwischen denen eine Blende 710 angeordnet ist (alternativ ist auch ein
blendenloses Linsensystem möglich). Die Abbildungsoptik 118 kann so ausgebildet werden, dass sie das Bild an der Position des
elektromagnetischen Strahlungsdetektors 104 stets gleich groß hält.
Im Hinblick auf die am besten geeignete Lichtquelle haben DIA und DDM praktisch identische Anforderungen. Beide Technologien
funktionieren auch mit kohärentem und polychromatischem Licht. Zur Unterdrückung von störenden Interferenzartefakten in den Bildern ist jedoch eine inkohärente oder nur sehr schwach kohärente Lichtquelle zu bevorzugen. Da es normalerweise keinen Grund gibt, DIA Bilder in Farbe aufzunehmen, ist auch die Verwendung einer monochromatischen
Lichtquelle in vielen Fällen völlig ausreichend. Monochromatisches Licht hat sogar viele Vorteile. So werden zum Beispiel Abbildungsfehler, die durch chromatische Aberration hervorgerufen werden, vermieden und der Zusammenhang zwischen dem projizierten Streuvektor q und dem tatsächlichen Streuvektor \ Q\ ist dann eindeutig (abgesehen von einer Winkelabhängigkeit). Im Hinblick auf eine gute Justierbarkeit des optischen Aufbaus, bei gleichzeitig hohem Auflösungsvermögen, ist eine möglichst kurze Wellenlänge, welche jedoch noch innerhalb des für das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereichs liegt, zu bevorzugen. Auch die Verwendung einer gepulsten Lichtquelle, wie für DIA üblich, stellt für DDM kein Problem dar bzw. ist sogar ein Vorteil, da auch bei DDM nur Momentaufnahmen gemacht werden brauchen .
Eine weitere Verbesserung hinsichtlich der Qualität der
aufgenommenen Bilder erreicht man bei der DIA durch das Verwenden einer kollimierten Beleuchtung . Die Strahlformungsoptik 700 richtet also die von der elektromagnetischen Strahlungsquelle 102 kommenden Lichtstrahlen parallel zur optischen Achse 702 aus. Diese Art der
Beleuchtung ist auch für DDM von Vorteil . Da es keine schräg auf das Objekt treffenden Lichtstrahlen mehr gibt, ist der Zusammenhang zwischen dem projizierten Streuvektor q und dem tatsächlichen
Streuvektor \ Q\ eindeutig (abgesehen von einer
Wellenlängenabhängigkeit).
Unterschiede hinsichtlich der Anforderungen des Aufbaus von DIA und DDM Geräten gibt es vor allem in der Abbildungsoptik 118. Da es sich bei DIA um ein Verfahren handelt, bei dem Partikel anhand der Bilder direkt vermessen werden, sollen perspektivische Verfälschungen, wie sie bei konventionellen entozentrischen (und auch perizentrischen) Optiken auftreten, möglichst vermieden werden. Partikel sollen also unabhängig von ihrem Abstand zur Abbildungsoptik 118 gleich groß erscheinen. Obwohl DIA auch mit herkömmlichen Optiken möglich ist, werden deshalb oft sogenannte telezentrische Optiken für die Abbildung der Partikel auf den Detektor verwendet. Genau diese telezentrischen Optiken haben aber oft eine geringe numerische Apertur NA (besonders wenn es sich um eine bi-telezentrische Abbildung handelt), was für DDM eine Einschränkung hinsichtlich des zugänglichen g-Bereichs und der Auflösung darstellt. DDM-Vergleichsmessungen mit drei verschiedenen Objektiven (40x Mikroskopobjektiv mit NA=0.6, lOx Mikroskopobjektiv mit NA = 0.25, 8x telezentrisches Objektiv mit NA=0.09) haben gezeigt, dass das lOx Mikroskopobjektiv aufgrund seiner optischen Parameter (Vergrößerung, NA und Lichtstärke) am besten geeignet ist.
Warum das so ist, kann man sich wieder mit der Zerlegung des Objekts in periodische Brechungsindexgitter 500 vorstellen. Die NA einer Optik schränkt diese hinsichtlich des Winkels ein, unter dem ein
Lichtstrahl noch in die Optik eintreten kann und zur optischen Abbildung beiträgt. Figur 5 zeigt schematisch die Beugung von Licht an einem
Brechungsindexgitter 500, wobei der Winkel der ersten Beugungsordnung von der Wellenlänge des einfallenden Lichts und der Gitterkonstante g abhängt. Da jedes Gitter das einfallende Licht, je nach Gitterkonstante, zu einem bestimmten Winkel Θ streut (siehe Figur 5; es wird hier nur die erste Beugungsordnung betrachtet), stellt die NA auch eine
Einschränkung in den noch aufnehmbaren Gittervektoren g und somit wegen q = 2n/g auch in den projizierten Streuvektoren q dar. Will man mittels DDM also einen möglichst großen Streuvektorbereich abdecken, empfiehlt sich die Verwendung einer Abbildungsoptik mit hoher numerischer Apertur.
Wodurch ist nun aber der in Figur 3 gezeigte q-Bereich und dessen Auflösung bei einer typischen DDM Messung noch bestimmt? Um das klären zu können, hat die Vergrößerung M (mit M > 1 für eine
vergrößernde Abbildung und M< 1 für eine verkleinernde Abbildung) der Abbildungsoptik, die Größe des Pixel Array- Detektors (Annahme:
quadratisch mit m Pixel Seitenlänge) und die Größe der sich darauf befindenden Pixel (quadratisch mit Kantenlänge Sp) bekannt zu sein. Unter der Annahme, dass die Abbildungsoptik auf den Pixel Array- Detektor abgestimmt ist, dieser also von der Optik über die gesamte Diagonale ausgeleuchtet wird, ergibt sich das objektseitige Gesichtsfeld F, welches durch die Abbildungsoptik noch auf den Detektor abgebildet werden kann, zu : m-5„
Da der g-Vektor durch q=2%/g gegeben ist, und das kleinst mögliche Gitter im Bild eine Gitterkonstante von zwei Pixel aufweisen muss, ist q,max durch qmax = ^- = gegeben. Für Figur 3 ergibt das bei einer Pixel-Kantenlänge von 14pm : qmax = 2.24μττι_1. Nun ist das ^max in Figur 3 aber etwas größer als 3. Die Diskrepanz kommt aus der Diagonale des Fourier-Transformierten Bildes, die ja um den Faktor y 2 größer ist als die Breite bzw. Höhe. Dadurch ergibt sich der richtige Wert: Rm' ax = < 2 = 3.ΐ7μ/η_1. Messdaten zu g-Werten die größer sind als qfnax sollten jedoch nicht für die Auswertung verwendet werden, da sie keine brauchbare Information über das Bild enthalten . Der
kleinstmögliche g-Wert ergibt sich jetzt zu : qmin = = —=2.8e-
3 ΐΏ_ 1 bei einer Bildbreite von m = 800 Pixel .
Aus den bisherigen Betrachtungen kann Folgendes geschlussfolgert werden :
Der nutzbare g-Vektorbereich ist im Rahmen der hier
beschriebenen Theorie nach oben durch die NA des Objektivs beschränkt. D.h. der Streuvektor kann maximal so groß sein, dass die erste
Beugungsordnung des zugehörigen Gitters noch von der Optik
2M-NÄ 2M-MÄ aufgenommen werden kann. gD&™- miE = -τρ~ = l ü N = II =—r~ (N... Beugungsordnung) Der nutzbare g-Vektorbereich ist im Rahmen der hier
beschriebenen Theorie nach oben auch durch die Vergrößerung der Abbildungsoptik und die Pixelgröße des verwendeten Detektors
beschrankt qmax =—. Der letzte Punkt zeigt also, dass eine Optik mit stärkerer
Vergrößerung einen größeren q-Bereich zugänglich macht. Zu
berücksichtigen ist hier allerdings auch, dass die verwendete Optik die effektive Pixelgröße 5p_e// = ^ auch auflösen beziehungsweise solche kleine Strukturen auch mit ausreichendem Kontrast übertragen kann. Das kann aus der Modulationstransferfunktion der Optik abgelesen werden.
Für das Beispiel aus Figur 3 mit NA=0.25 und λ=430ηηη würde Restriktion 1 ein qob r„_iimit = 3.653μτη_1 liefern und Restriktion 2 ein qmax = 2.2 4μτη-1. Die NA der Optik wäre in diesem Fall also nicht die Beschränkung, da der g-Bereich durch die gewählte Vergrößerung und die Größe der Detektorpixel bereits stärker eingeschränkt ist. Es gilt jedoch zu bedenken, dass ein großer g-Bereich nicht immer vorteilhaft ist, da nicht bei allen g-Werten brauchbare Daten gemessen werden. Die Optik und der Detektor sollten also so ausgewählt werden, dass möglichst nur ein g-Bereich aufgenommen wird, in dem die Messdaten auch brauchbar sind. Figur 6 zeigt hierfür ein Beispiel . Figur 6 zeigt eine Image Structure Function für ein 500 nm großes PS- Latexpartikel in Wasser, aufgenommen mit einem konventionellen 40xMikroskopobjektiv mit einer numerischen Apertur von 0.6, erhalten mittels Differenzieller Dynamischer Mikroskopie.
Der aufgenommene g-Bereich ist durch das stark vergrößernde Objektiv zwar groß, brauchbare Messdaten liegen jedoch nur für einen kleinen g-Bereich vor (für diese Messung ist q,mex = 8.98μτπ-1 ) .
Zu der Messmethode DDM sollen im Weiteren zusätzliche
Überlegungen beschrieben werden : Kleinere Partikel bewegen sich verglichen mit größeren schneller, führen in den DDM Differenzbildern also zu einem deutlicheren
Differenzsignal . Die mittlere Strecke s, um die sich ein Teilchen nach einer bestimmten Zeit τ vom Ausgangspunkt wegbewegt hat, kann als Wurzel aus der mittleren quadratischen Verschiebung (mean Square displacement, MSD) ausgedrückt werden : ^JMSD = J(s2(j)} = ' DT . Um also größere Partikel mit DDM noch messen zu können, sollten sehr kleine Verschiebungen gemessen werden .
Sieht man sich in Figur 3 Schnitte entlang der dt-Achse an (diese Kurven sind proportional zur Intensitätskorrelationsfunktion), so bemerkt man, dass diese Kurven für gewisse q- Werte bei großen Differenzzeiten dt (dt entspricht der oben angesprochenen Differenzzeit Ät, die zwischen zwei subtrahierten Bildern vergangen ist) in ein Plateau übergehen .
Dieses Plateau bedeutet, dass jegliche Korrelation zwischen den für das Differenzbild verwendeten Einzelbildern verloren gegangen ist. Erst wenn die Kurven in ein Plateau übergehen, kann aus ihnen auch die
charakteristische Abklingzeit τ und in weiterer Folge die Partikelgröße berechnet werden . Die g-Abhängigkeit der Abklingzeit ist aus der
Dynamischen Lichtstreuung bekannt und durch : τ = l/(Dmq2)' gegeben, mit Dm dem Massendiffusionskoeffizienten der Partikel . Es ist also auch darauf zu achten, dass die Messdauer, und somit auch die maximale für die Differenzbilder zur Verfügung stehende Verzögerungszeit Ät, an die Partikelgröße angepasst wird (für größere Partikel sollte länger gemessen werden) .
Partikel im Rayleigh Limit stellen sogenannte Phasenobjekte dar, streuen verglichen mit größeren also weniger in Vorwärtsrichtung . Mit abnehmender Partikelgröße nimmt der Einfluss der Partikel auf die Differenzbildern ab und wird irgendwann so gering, dass er im
Detektorrauschen untergeht und somit nicht mehr ausgewertet werden kann . Die Amplitude der Image Structure Function D(qtA£) ist für kleine q-Werte proportional zu q4.
Figur 8 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Ermitteln von für eine Partikelgröße von Partikeln in einer Probe 130 indikativer Information gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der
Erfindung, wobei ein liegender Probenbehälter 126 bzw. eine liegende Messzelle zum Unterdrücken von störenden Einflüssen, wie zum Beispiel Partikelsedimentation oder das Ausbilden temperaturinduzierter
Strömungen in der Messzelle, vorgesehen ist. Die liegende Orientierung des Probenbehälters 126 wird durch eine Anordnung von Umlenkspiegeln 800 ermöglicht.
Da die Partikel für eine Größenbestimmung mit DDM nur der Brownschen Molekularbewegung unterworfen sein dürfen, kann es für große Partikel von Vorteil sein, die Messzelle bzw. den Probenbehälter 126 zum Beispiel, so wie in Figur 8 gezeigt, liegend auszuführen . Der Einfluss der Sedimentation und auch die Erzeugung von unterwünschten Strömungen durch Temperaturgradienten (wie sie zum Beispiel durch einen Laser hervorgerufen werden können) wird so verringert.
Im Weiteren werden Überlegungen zu einer DDM Messung in und von laminaren Strömungen erläutert.
Ist der Diffusionsbewegung eine gerichtete laminare Strömung überlagert, so ist auch dann noch eine Partikelgrößenbestimmung mittels DDM möglich . Die Rotationssymmetrie der Fourier-transformierten Differenzbilder &l(q,At) ist allerdings gebrochen, und ein Aufintegrieren über den Azimut-Winkel daher nicht mehr erlaubt. Nur Daten, die von einer Bewegung senkrecht zum laminaren Fluss herrühren, sollen auch für die DDM Auswertung verwendet werden . Ein Großteil der
aufgenommen Messdaten kann somit nicht für die Auswertung verwendet werden, und das Signal zu Rausch Verhältnis ist dementsprechend schlechter bzw. es sollten dann mehr Messdaten aufgenommen werden . DDM kann aber nicht nur dazu verwendet werden, die
Partikelgröße zu bestimmen, sondern auch um zum Beispiel die
Strömungsgeschwindigkeit einer Suspension zu messen. Die der
Brownschen Bewegung überlagerte Strömung führt zu einem
Streifenmuster in der Image Structure Function, welches hinsichtlich des Streifenabstandes ausgewertet und so die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden kann. Da die Ursache, welche die Strömung hervorruft, nicht ausschlaggebend für die Strömungsmessung ist, kann zum Beispiel auch die elektrophoretische Mobilität mit dieser Methode gemessen werden. Aus der elektrophoretischen Mobilität von Partikeln kann dann auch das Zetapotential der Partikel berechnet werden. Mit DDM ist es also möglich, sowohl Partikelgröße als auch Zetapotential zu messen.
Üblicherweise werden für die DIA mehrere telezentrische Objektive verwendet, damit ein ausreichend großer Messbereich abgedeckt werden kann. Kleine Partikel sollten vergrößert werden (typischerweise 10-15x), um auf dem Pixel-Array Detektor noch erkennbar zu sein, wohingegen sehr große Partikel eventuell sogar verkleinert abgebildet werden müssen (typischerweise Faktor zwei). Um ein reproduzierbares Wechseln zwischen verschiedenen Optiken möglichst komfortabel zu gestalten, kann zum Beispiel ein Optikrevolver an die Stelle der in Figur 7 und Figur 8 gezeigten Abbildungsoptik 118 gesetzt werden. Dabei kann das
Wechseln der verschiedenen Optiken manuell oder automatisch
durchgeführt werden.
Wie bereits erwähnt, kann es für DDM ein Vorteil sein, keine telezentrische Optik, sondern ein herkömmliches Mikroskop Objektiv mit hoher NA zu verwenden. Dieses kann dann ebenfalls in den Optikrevolver miteingebaut werden.
Figur 9 zeigt eine schematische Prinzipanordnung einer
Vorrichtung 100 zum Ermitteln von für eine Partikelgröße von Partikeln in einer Probe indikativer Information gemäß einem exemplarischen
Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ergänzend zu Figur 7 und Figur 8 sind für den Betrieb des
Kombinationsgeräts auch noch eine Anzeigeeinheit 180, sowie eine Vorkehrung zur Probendispergierung und zum Abführen von Probenabfall vorteilhaft. Für die Probenvorbereitung und Entsorgung können somit optional eine Probendispergiereinheit 900 und eine Probenabfalleinheit 902 in die Vorrichtung 100 eingebunden werden.
Figur 10 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Ermitteln eines Zeta- Potenzials bzw. eines elektrischen Ladungszustands von Partikeln einer Probe 130 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der
Erfindung .
Die Vorrichtung 100 gemäß Figur 10 unterscheidet sich von der Vorrichtung gemäß Figur 7 im Wesentlichen dadurch, dass eine
elektrische Felderzeugungseinrichtung 116 zum Erzeugen eines
elektrischen Felds in der Probe 130 vorgesehen ist, und dass die
Ermittlungseinrichtung 106 zum Ermitteln des Zetapotenzials der Partikel in der Probe 130 ausschließlich mittels Differenzieller Dynamischer Mikroskopie (DDM) ausgebildet ist. Die Ermittlungseinrichtung 106 ist dagegen nicht notwendigerweise ausgebildet, die von dem
elektromagnetischen Strahlungsdetektor erfassten Detektordaten mittels Dynamischer Bildanalyse auszuwerten. Für die übrigen Komponenten wird auch auf die sonstige Beschreibung im Rahmen dieser
Patentanmeldung verwiesen.
Die Vorrichtung 100 gemäß Figur 10 weist eine elektromagnetische Strahlungsquelle 102 zum Erzeugen von elektromagnetischer
Primärstrahlung 108 auf. Die Vorrichtung 100 enthält ferner die elektrische Felderzeugungseinrichtung 116 zum Erzeugen eines
elektrischen Felds in der Probe 130. Ein elektromagnetischer
Strahlungsdetektor 104 dient zum Detektieren von elektromagnetischer Sekundärstrahlung 110, die durch Wechselwirkung der
elektromagnetischen Primärstrahlung 108 mit der Probe in dem
elektrischen Feld erzeugt wird. Die Ermittlungseinrichtung 106 ist zum Ermitteln des Zetapotentials basierend auf der detektierten
elektromagnetischen Sekundärstrahlung 110 eingerichtet. Genauer gesagt ist die Ermittlungseinrichtung 106 ausgebildet, das Zetapotential aus zeitlichen Veränderungen zwischen aus der elektromagnetischen Sekundärstrahlung 110 generierten Detektorbildern zu unterschiedlichen Detektionszeitpunkten zu ermitteln, d.h. mittels Differentieller
Dynamischer Mikroskopie.
Figur 11 zeigt eine Figur 10 zugehörige schematische
Prinzipanordnung einer Vorrichtung 100 zum Ermitteln eines Zeta- Potenzials der Partikel gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Felderzeugungseinrichtung 116. Hinsichtlich der zusätzlichen Komponenten wird auf die obige Beschreibung von Figur 9 verwiesen.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass„aufweisend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und„eine" oder„ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Vorrichtung (100) zum Ermitteln von für eine Partikel große und/oder Partikelform von Partikeln in einer Probe indikativer
Information, wobei die Vorrichtung (100) aufweist:
eine elektromagnetische Strahlungsquelle (102) zum Erzeugen von elektromagnetischer Primärstrahlung (108);
einen elektromagnetischen Strahlungsdetektor (104) zum
Detektieren von elektromagnetischer Sekundärstrahlung (110), die durch Wechselwirkung der elektromagnetischen Primärstrahlung (108) mit der Probe erzeugt wird; und
eine Ermittlungseinrichtung (106), die zum Ermitteln der für die Partikelgröße und/oder Partikelform indikativen Information basierend auf der detektierten elektromagnetischen Sekundärstrahlung (110)
eingerichtet ist;
wobei die Ermittlungseinrichtung (106) ausgebildet ist, die
Information selektiv erstens (112) mittels einer Identifizierung und Größenbestimmung und/oder Formbestimmung der Partikel auf einem aus der elektromagnetischen Sekundärstrahlung (110) generierten Detektorbild zu ermitteln, und/oder die Information zweitens (114) aus zeitlichen Veränderungen der elektromagnetischen Sekundärstrahlung (110) zwischen zu unterschiedlichen Detektionszeitpunkten generierten Detektorbildern zu ermitteln.
2. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, wobei die
Ermittlungseinrichtung (106) ausgebildet ist, die Information aus dem aus der elektromagnetischen Sekundärstrahlung (110) generierten Detektorbild mittels Dynamischer Bildanalyse zu ermitteln.
3. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die
Ermittlungseinrichtung (106) ausgebildet ist, die Information aus den zeitlichen Veränderungen zwischen den Detektorbildern mittels
Differenzieller Dynamischer Mikroskopie zu ermitteln.
4. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Ermittlungseinrichtung (106) ausgebildet ist, sowohl die erste (112) als auch die zweite (114) Ermittlung der Information für zumindest einen vorgebbaren Teilbereich von Partikelgrößen, insbesondere in einem Bereich zwischen 100 nm und 20 pm, weiter insbesondere in einem Bereich zwischen 500 nm und 10 pm, durchzuführen.
5. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 4, wobei die
Ermittlungseinrichtung (106) ausgebildet ist, die Information für
Teilchengrößen oberhalb des vorgebbaren Teilbereichs von Partikelgrößen nur mittels der ersten Ermittlung (112) durchzuführen und/oder die Information für Teilchengrößen unterhalb des vorgebbaren Teilbereichs von Partikelgrößen nur mittels der zweiten Ermittlung (114)
durchzuführen.
6. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Ermittlungseinrichtung (106) ausgebildet ist, für die erste (112) und die zweite (114) Ermittlung der Information dieselbe elektromagnetische Strahlungsquelle (102) und/oder denselben elektromagnetischen
Strahlungsdetektor (104) zu verwenden.
7. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Ermittlungseinrichtung (106) ausgebildet ist, für die erste (112) und die zweite (114) Ermittlung der Information zumindest zum Teil dieselben von dem elektromagnetischen Strahlungsdetektor (104) detektierten Detektordaten zu verwenden.
8. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Ermittlungseinrichtung (106) ausgebildet ist, eine Differenz zwischen gemäß der ersten Ermittlung (112) ermittelter Partikelgrößen und gemäß der zweiten Ermittlung (114) ermittelter Partikelgrößen zu berechnen und auszugeben.
9. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Ermittlungseinrichtung (106) ausgebildet ist, oberhalb eines ersten vorgegebenen Größenschwellwerts die Partikelgröße ausschließlich gemäß der ersten Ermittlung (112) durchzuführen und unterhalb eines zweiten vorgegebenen Größenschwellwerts die Partikelgröße
ausschließlich gemäß der zweiten Ermittlung (114) durchzuführen, wobei der erste Größenschwellwert größer als oder gleich wie der zweite
Größenschwellwert ist.
10. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Ermittlungseinrichtung (106) ausgebildet ist, unterhalb eines ersten vorgegebenen Konzentrationsschwellwerts der Probe die Partikelgröße ausschließlich gemäß der ersten Ermittlung (112) durchzuführen und oberhalb eines zweiten vorgegebenen Konzentrationsschwellwerts der Probe die Partikelgröße ausschließlich gemäß der zweiten Ermittlung (114) durchzuführen, wobei der erste Konzentrationsschwellwert kleiner als oder gleich wie der zweite Konzentrationsschwellwert ist.
11. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Ermittlungseinrichtung (106) ausgebildet ist, aus der ersten (112) und der zweiten (114) Ermittlung der Information hinsichtlich der
Partikelgrößen Information hinsichtlich einer Viskosität der Probe zu ermitteln.
12. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, aufweisend eine elektrische Felderzeugungseinrichtung (116) zum Erzeugen eines elektrischen Felds in der Probe;
wobei die Ermittlungseinrichtung (106) zum Ermitteln von für das Zetapotential von Partikeln in der Probe indikativer Information basierend auf der bei Anwesenheit des elektrischen Felds in der Probe detektierten elektromagnetischen Sekundärstrahlung (110) eingerichtet ist.
13. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 12, wobei die
Ermittlungseinrichtung (106) ausgebildet ist, die für das Zetapotential indikative Information aus zeitlichen Veränderungen zwischen aus der elektromagnetischen Sekundärstrahlung (110) generierten
Detektorbildern zu unterschiedlichen Detektionszeitpunkten zu ermitteln, insbesondere mittels Differenzieller Dynamischer Mikroskopie.
14. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die elektromagnetische Strahlungsquelle (102) zum gepulsten Emittieren der elektromagnetischen Primärstrahlung (108) ausgebildet ist.
15. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, aufweisend eine Primärstrahlformungsoptik (700) zwischen der elektromagnetischen Strahlungsquelle (102) und der Probe, wobei die Primärstrahlformungsoptik (700) eingerichtet ist, die elektromagnetische Primärstrahlung (108) parallel zu einer optischen Achse (702) zu kollimieren.
16. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, aufweisend eine Abbildungsoptik (118) zwischen der Probe und dem elektromagnetischen Strahlungsdetektor (104), wobei die
Abbildungsoptik (118) eingerichtet ist, die elektromagnetische
Sekundärstrahlung (110) auf den elektromagnetischen
Strahlungsdetektor (104) abzubilden.
17. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 16, aufweisend einen
Verstellmechanismus (120), der zum insbesondere manuellen oder automatischen Verstellen der Abbildungsoptik (118) zwischen
unterschiedlichen Optikkonfigurationen zum Aufnehmen von
Detektordaten zur ersten Ermittlung (112) der Information und zum Aufnehmen von Detektordaten zur zweiten Ermittlung (114) der
Information eingerichtet ist.
18. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 17, wobei der
Verstellmechanismus (120) ein Revolvermechanismus ist.
19. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 17 oder 18, wobei der
Verstellmechanismus (120) eingerichtet ist, für die erste Ermittlung (112) eine erste Abbildungsoptik (124) einzustellen, die eine kleinere
numerische Apertur hat als eine zweite Abbildungsoptik (122) für die zweite Ermittlung (114).
20. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 19, wobei die erste
Abbildungsoptik (124) eine telezentrische Optik aufweist oder daraus besteht.
21. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 19 oder 20, wobei die zweite Abbildungsoptik (122) ein Mikroskop-Objektiv aufweist oder daraus besteht.
22. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21,
aufweisend einen die Probe aufnehmenden Probenbehälter (126), der liegend angeordnet ist.
23. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei die ermittelte, für die Partikelgröße und/oder Partikelform indikative
Information eine Partikelgrößenverteilung und/oder eine
Partikelformverteilung aufweist.
24. Verfahren zum Ermitteln von für eine Partikelgröße und/oder Partikelform von Partikeln in einer Probe indikativer Information, wobei das Verfahren aufweist:
Erzeugen von elektromagnetischer Primärstrahlung (108);
Detektieren von elektromagnetischer Sekundärstrahlung (110), die durch Wechselwirkung der elektromagnetischen Primärstrahlung (108) mit der Probe erzeugt wird; und
Ermitteln der für die Partikelgröße und/oder Partikelform
indikativen Information basierend auf der detektierten
elektromagnetischen Sekundärstrahlung (110);
wobei die Information selektiv erstens (112) mittels einer
Identifizierung und Größenbestimmung und/oder Formbestimmung der Partikel auf einem aus der elektromagnetischen Sekundärstrahlung (110) generierten Detektorbild ermittelt wird, und/oder die Information zweitens (114) aus zeitlichen Veränderungen der elektromagnetischen Sekundärstrahlung (110) zwischen zu unterschiedlichen
Detektionszeitpunkten generierten Detektorbildern ermittelt wird.
25. Speichermedium, insbesondere computerlesbares
Speichermedium, in dem ein Programm zum Ermitteln von für eine Partikelgröße und/oder Partikelform von Partikeln in einer Probe indikativer Information gespeichert ist, welches Programm, wenn es von einem Prozessor (106) ausgeführt wird, das Verfahren nach Anspruch 24 ausführt oder steuert.
26. Software- Programm zum Ermitteln von für eine Partikelgröße und/oder Partikelform von Partikeln in einer Probe indikativer
Information, welches Software-Programm, wenn es von einem Prozessor (106) ausgeführt wird, das Verfahren nach Anspruch 24 ausführt oder steuert.
27. Vorrichtung (100) zum Ermitteln von für ein Zetapotential von Partikeln in einer Probe indikativer Information, wobei die Vorrichtung (100) aufweist:
eine elektromagnetische Strahlungsquelle (102) zum Erzeugen von elektromagnetischer Primärstrahlung (108);
eine elektrische Felderzeugungseinrichtung (116) zum Erzeugen eines elektrischen Felds in der Probe;
einen elektromagnetischen Strahlungsdetektor (104) zum
Detektieren von elektromagnetischer Sekundärstrahlung (110), die durch Wechselwirkung der elektromagnetischen Primärstrahlung (108) mit der Probe in dem elektrischen Feld erzeugt wird; und
eine Ermittlungseinrichtung (106), die zum Ermitteln der für das Zetapotential indikativen Information basierend auf der detektierten elektromagnetischen Sekundärstrahlung (110) eingerichtet ist;
wobei die Ermittlungseinrichtung (106) ausgebildet ist, die für das Zetapotential indikative Information aus zeitlichen Veränderungen der elektromagnetischen Sekundärstrahlung (110) zwischen zu
unterschiedlichen Detektionszeitpunkten generierten Detektorbildern zu ermitteln.
28. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 27, wobei die
Ermittlungseinrichtung (106) ausgebildet ist, die für das Zetapotential indikative Information mittels Differenzieller Dynamischer Mikroskopie zu ermitteln.
29. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 27 oder 28, wobei die elektromagnetische Strahlungsquelle (102) zum gepulsten Emittieren der elektromagnetischen Primärstrahlung (108) ausgebildet ist.
30. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 27 bis 29, aufweisend eine Primärstrahlformungsoptik (700) zwischen der elektromagnetischen Strahlungsquelle (102) und der Probe, wobei die Primärstrahlformungsoptik (700) eingerichtet ist, die elektromagnetische Primärstrahlung (108) parallel zu einer optischen Achse (702) zu kollimieren.
31. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 27 bis 30, aufweisend eine Abbildungsoptik (118) zwischen der Probe und dem elektromagnetischen Strahlungsdetektor (104), wobei die
Abbildungsoptik (118) eingerichtet ist, die elektromagnetische
Sekundärstrahlung (110) auf den elektromagnetischen
Strahlungsdetektor (104) abzubilden.
32. Verfahren zum Ermitteln von für ein Zetapotential von Partikeln in einer Probe indikativer Information, wobei das Verfahren aufweist:
Erzeugen von elektromagnetischer Primärstrahlung (108);
Erzeugen eines elektrischen Felds in der Probe;
Detektieren von elektromagnetischer Sekundärstrahlung (110), die durch Wechselwirkung der elektromagnetischen Primärstrahlung (108) mit der Probe in dem elektrischen Feld erzeugt wird; und
Ermitteln der für das Zetapotential indikativen Information basierend auf der detektierten elektromagnetischen Sekundärstrahlung (HO);
wobei die für das Zetapotential indikative Information aus zeitlichen Veränderungen der elektromagnetischen Sekundärstrahlung (110) zwischen zu unterschiedlichen Detektionszeitpunkten generierten Detektorbildern ermittelt wird.
33. Speichermedium, insbesondere computerlesbares
Speichermedium, in dem ein Programm zum Ermitteln von für ein Zetapotential von Partikeln in einer Probe indikativer Information gespeichert ist, welches Programm, wenn es von einem Prozessor (106) ausgeführt wird, das Verfahren nach Anspruch 32 ausführt oder steuert.
34. Software- Programm zum Ermitteln von für ein Zetapotential von Partikeln in einer Probe indikativer Information, welches Software- Programm, wenn es von einem Prozessor (106) ausgeführt wird, das Verfahren nach Anspruch 32 ausführt oder steuert.
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