DE10203636A1

DE10203636A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Nachweis von Partikeln in einem Fluid

Info

Publication number: DE10203636A1
Application number: DE2002103636
Authority: DE
Inventors: Bettina Borchert; Ullrich Demisch; Juergen Hall; Bernhard Wolf; Ralf Ehret
Original assignee: Testo SE and Co KGaA
Current assignee: Testo SE and Co KGaA
Priority date: 2002-01-30
Filing date: 2002-01-30
Publication date: 2003-08-14
Anticipated expiration: 2022-01-31
Also published as: WO2003065028A1; DE10203636B4

Abstract

Um einen einfachen und schnellen Nachweis von polarisierbaren Partikeln (9) in einer Flüssigkeit zu erreichen, wird gemäß der Erfindung zunächst mittels eines elektrischen Wechselfeldes eine Dielektrophorese durchgeführt, als deren Ergebnis die Partikel (9) im Randbereich einer als Plattenkondensator (2, 3, 16) ausgeführten Elektrode konzentriert werden. Sodann kann dort durch eine Kapazitätsmessung des Plattenkondensators (2, 3, 16) die Anwesenheit der Partikel (9) qualitativ und quantitativ nachgewiesen werden, da diese die Impedanz des Kondensators ändern.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Nachweis von Partikeln, insbesondere zur Messung ihrer Konzentration, in einem Fluid, bei dem zunächst mittels Dielektrophorese in einer Anordnung mit wenigstens zwei ein Wechselfeld erzeugenden Elektroden die Partikel verschoben und danach wenigstens teilweise nachgewiesen werden.
Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zum Nachweis von Partikeln, insbesondere zur Messung ihrer Konzentration in einem Fluid mit wenigstens einer ersten und einer zweiten Elektrode, zwischen denen im Rahmen einer Dielektrophorese ein Wechselfeld erzeugbar ist.
Unter Partikeln sollen in diesem Zusammenhang in einem Fluid beweglich sich befindende lebende oder nicht lebende Zellen, Zellansammlungen, organische und nichtorganische Teilchen homogener und inhomogener Zusammensetzung, Zellteile, Viren, Plasmide sowie Flüssigkeitströpfchen in einer Emulsion oder irgendwelche festen Bestandteile in einer Suspension verstanden werden.

Oft ergibt sich die Notwendigkeit, solche Partikel aus einem Fluid zu isolieren oder zumindest nachzuweisen, dass und in welchem Anteil sie sich in dem Fluid befinden. Dazu sind verschiedene Verfahren bekannt. Es können beispielsweise biologische Nachweisverfahren oder chemische Nachweisverfahren mit sogenannten Markern durchgeführt werden, bei denen eine fremde Substanz zugegeben wird, die die Partikel in irgendeiner Weise beeinflusst, beispielsweise sich mit ihnen verbindet, so dass die entstehende Verbindung leicht nachzuweisen oder abzutrennen ist.

Dies erfordert jedoch immer einen gewissen Aufwand, da meistens eine auf die besondere Art der Partikel abgestimmte Substanz als Marker erforderlich ist.

Außerdem ist bekannt, dass in einem elektrischen Feld die in einer Flüssigkeit beziehungsweise einem Fluid in geladener Form vorliegenden Teilchen durch elektrische Felder getrennt werden können. Die Teilchen wandern aufgrund der Kraftwirkung im elektrischen Feld zu einer Elektrode mit der der Teilchenladung entgegengesetzten Polarität.

Oft ergibt sich jedoch in der Realität, dass Partikel vorliegen, die nicht in dem Fluid dissoziieren, und somit keine Nettoladung tragen, sondern elektrisch neutral sind.

Zur Beeinflussung solcher Partikel ist die Methode der Dielektrophorese bekannt. Diese beruht darauf, dass elektrisch neutrale Teilchen, wenn sie polarisiert werden, das heißt, wenn der positive und der negative Ladungsschwerpunkt auseinanderfallen, in einem elektrischen Gradientenfeld einer Kraftwirkung unterliegen.

Eine derartige Polarisation polarisierbarer Teilchen wird durch Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes erreicht. Das Zusammenwirken des elektrischen Wechselfeldes, dessen Frequenz typisch im Bereich von einigen Kilohertz bis Megaherz liegt mit einem elektrischen Gradientenfeld erlaubt somit die Verschiebung von Partikeln, das heißt diese können in dem Fluid abgesondert und/oder nachgewiesen werden.

Die Kraftwirkung auf die Partikel hängt dabei von ihrer Polarisierbarkeit und von der Dielektrizitätskonstante des Fluids sowie von der Frequenz des Wechselfeldes und dem Gradienten des elektrischen Feldes ab. Aus der US-Patentschrift US 6056861 ist grundsätzlich die Methode der Dielektrophorese und ihre Verwendung zur Absonderung von Partikeln in Fluiden oder zu deren Nachweis bekannt. Dort wird jedoch der Methode von rotierenden Feldern beziehungsweise Wanderwellen zur Beeinflussung der Partikel der Vorzug gegeben, da diese Methoden auf insbesondere auch schwach polarisierbare Partikel effektiv anwendbar sein sollen.

Ein konkreter Weg zum qualitativen oder quantitativen Nachweis der Partikel geht aus der Entgegenhaltung jedoch nicht hervor.

Aus der GB 2238619 ist die Anwendung der Dielektrophorese auf Mikroorganismen und andere polarisierbare Partikel in einem Fluid bekannt. Dort strömt eine Flüssigkeit zwischen zwei Elektroden durch, die ein elektrisches Wechselfeld mit einem Gradienten erzeugen, um die polarisierbaren Partikel im Bereich des elektrischen Feldes zurückzuhalten. Nach einer bestimmten Zeit werden die Elektroden abgeschaltet, so dass die durch die dielektrophoresische Wirkung angesammelten Partikel schwallartig aus der Elektrodenanordnung ausgeschwemmt werden. Dieser Schwall von Partikeln wird stromabwärts durch eine Änderung der Lichtabsorbtion in einem Lichtstrahl nachgewiesen und somit wird die Menge beziehungsweise Dichte der Partikel bestimmt.

Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zum Nachweis von Partikeln in einem Fluid zu schaffen, bei dem nach der Verschiebung der Partikel diese mit möglichst geringem Aufwand und quantitativ erfassbar sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, bei dem die durch die Dielektrophorese zu einer der Elektroden gelangten Partikel dort durch Messung einer Impedanzänderung an der Elektrode nachgewiesen werden.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt insbesondere mit einer Vorrichtung, bei der wenigstens eine erste der Elektroden mit einer ersten Gegenelektrode einen ersten Messkondensator bildet und dass die Kapazität des ersten Messkondensators mittels einer Messeinrichtung messbar ist.

Die Methode, die Partikel mittels einer Impedanzmessung nachzuweisen, ist besonders einfach und wenig aufwendig, dadurch dass keine weiteren Marker benötigt werden und dass auch keine besondere Vorrichtung beispielsweise zur Lichterzeugung und Messung erforderlich ist. Die Methode der Impedanzmessung ist besonders dann mit hoher Empfindlichkeit einsetzbar, wenn die Dielektrizitätskonstante der Partikel sich von der Dielektrizitätskonstanten des Fluides stark unterscheidet, denn in diesem Fall ist einerseits die Kraftwirkung durch die Dielektrophorese besonders groß, andererseits die Impedanzänderung durch Konzentration von Partikeln in der Nähe einer Elektrode ebenfalls groß.

Die Konzentration von Partikeln an einer der Elektroden wird dann besonders groß, wenn sich dort an einer Ecke oder Kante der Elektrode eine besonders starke Inhomogenität des elektrischen Feldes befindet. Dann ist dort der Feldgradient groß und entsprechend ist die Kraftwirkung auf die Partikel besonders groß.

Besonders empfindlich ist die Impedanzmessung dann, wenn in der Nähe einer der Elektroden, die für die Dielektrophorese verwendet werden, eine erste Gegenelektrode vorgesehen ist, die mit der ersten Elektrode einen Messkondensator bildet. Die Kapazität dieses Messkondensators ist dann stark von der Konzentration der Partikel in seiner Nähe abhängig. Dadurch sind die Partikel, die analysiert werden sollen, nicht nur qualitativ, sondern in gewissen Grenzen auch quantitativ nachweisbar. Das Verfahren und die Vorrichtung können beispielsweise zur Keimzahlbestimmung für Hygienemessgeräte aber auch als Sensor für die quantitative Analyse von Flüssigkeitsinhaltsstoffen beispielsweise bei Emulsionen angewendet werden.

Mikroorganismen können jedenfalls in einer Konzentration von 10⁶ pro Milliliter und weniger nachgewiesen werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Dielektrophorese für eine bestimmte Zeit unter festgelegten elektrischen und geometrischen Bedingungen betrieben wird und dass danach eine Kapazitätsmessung an wenigstens einer der Elektroden durchgeführt und die gemessene Kapazität mit einem Referenzwert verglichen sowie aus der Abweichung die Partikelkonzentration in dem Fluid ermittelt wird.

Um quantitativ das Vorhandensein von Partikeln durch das erfindungsgemäße Verfahren nachweisen zu können, ist es sinnvoll, zunächst unter Referenzbedingungen die Dielekrophorese durchzuführen und dann die Impedanzänderung zu messen. Dabei hängt die Zahl der Partikel, die an einer Elektrode angesammelt werden, von der Dauer der Dielektrophorese, der Konzentration der Partikel im Fluid, Amplitude und Frequenz des Wechselfeldes, Feldgradient und den Dielektrizitätskonstanten des Fluids und der Partikel ab. Wenn bei einer gegebenen geometrischen Elektrodenanordnung alle übrigen Parameter konstant gehalten werden, kann somit die Konzentration der Partikel im Fluid durch Vergleich mit einem Referenzwert bestimmt werden.

Da verschiedenartige Partikel bei unterschiedlichen Frequenzen des Wechselfeldes unterschiedlichen Kraftwirkungen unterliegen, gibt es für jede Partikelart günstige Frequenzbereiche des Wechselfeldes, bei denen der Nachweis besonders effektiv gelingt. Je nach der Art der nachzuweisenden Partikel ist somit bei einem Test die entsprechende Frequenz einzustellen, um das Verfahren besonders effektiv durchzuführen. Dadurch können auch verschiedene Partikelarten selektiv gemessen werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die erste und die zweite Elektrode jeweils mit einer Gegenelektrode einen ersten und einen zweiten Messkondensator bilden.

Somit ist an jeder der das Wechselfeld erzeugenden Elektroden nach der Dielektrophorese eine Impedanzmessung möglich. Dies ergibt eine zusätzliche Möglichkeit zum Nachweis der Partikel, was insbesondere dann wichtig ist, wenn sich aufgrund der Polarität des Gradientenfeldes die Partikel an einer der Elektroden besonders sammeln.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die erste und gegebenenfalls die zweite Elektrode mit der jeweiligen Gegenelektrode jeweils einen Messkondensator in Form eines Plattenkondensators bildet. Ansonsten können die Messkondensatoren auch beispielsweise als Zylinderkondensatoren ausgestaltet sein.

Vorteilhaft kann außerdem sein, dass die beiden Plattenkondensatoren in einer Ebene mit Abstand voneinander angeordnet sind.

In diesem Fall wird die Dielektrophorese zwischen den Plattenkondensatoren durchgeführt, so dass sich die Partikel an wenigstens einer der Elektroden eines Plattenkondensators sammeln und dort mit hoher Genauigkeit und Nachweiswahrscheinlichkeit registriert werden können. Da die Platten der Plattenkondensatoren im wesentlichen parallel zu den Feldlinien des Wechselfeldes im Mittelbereich zwischen den Elektroden verlaufen, ergibt sich an den einander zugewandten Kanten der Plattenkondensatoren ein besonders starker Feldgradient. Dort werden sich demnach die Partikel bei der Dielektrophorese besonders konzentrieren und sind dort durch die Impedanzänderung des jeweiligen Plattenkondensators gut nachweisbar.

Zur besonders wirkungsvollen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist bei der Vorrichtung außerdem vorgesehen, dass die erste und die zweite Elektrode mit einem Wechselfeld wählbarer Frequenz beaufschlagbar sind. Diesem kann vorteilhaft ein Gleichspannungsfeld mit einem Feldgradienten überlagerbar sein.

Durch die wählbare Frequenz des Wechselfeldes kann einerseits die Nachweiswahrscheinlichkeit einer bestimmten Partikelart erhöht werden, andererseits können innerhalb eines Fluids auch verschiedene Partikelarten nacheinander detektiert werden. Durch ein zusätzliches Gleichspannungsfeld kann die Kraftwirkung auf die Partikel verstärkt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in einer Zeichnung gezeigt und anschließend beschrieben.
Dabei zeigt
Fig. 1 die Anordnung der Plattenkondensatoren zur Durchführung der Dielektrophorese,
Fig. 2 schematisch einen der Plattenkondensatoren mit einer Einrichtung zur Impedanzmessung.
In der Fig. 1 ist durch einen Flüssigkeitsspiegel 1 angedeutet, dass sich dort zwei als Plattenkondensatoren ausgebildete Messkondensatoren 2, 3 in einer Flüssigkeit befinden.
Die jeweils oberen Elektroden 4, 5 der Plattenkondensatoren 2, 3 bilden jeweils die erste und zweite Elektrode für die Dielektrophorese. Dazu sind die Elektroden 4, 5 mittels Anschlüssen 6, 7 mit einer hochfrequenten Wechselspannungsquelle 8 verbunden die eine Wechselspannung im Frequenzbereich zwischen einigen Kilohertz und 100 Megaherz erzeugt.
Durch das zwischen den Elektroden 4, 5 entstehende elektrische Wechselfeld werden die Partikel 9 polarisiert und dann durch einen Feldgradienten bevorzugt zu Bereichen hoher Feldstärke hin verschoben. Solche Punkte hoher Feldstärke werden beispielsweise durch die einander zugewandten Kanten der Elektroden 4, 5 gebildet, so dass sich die Partikel 9 dort im Laufe der Dielektrophorese ansammeln.
Jeder der Elektroden 4, 5 ist zur Bildung eines als Plattenkondensator ausgebildeten Messkondensators 16 eine Gegenelektrode 10, 11 zugeordnet. Jeweils zwischen der Elektrode 4, 5 und der Gegenelektrode 10, 11 ist eine Isolationsschicht 12, 13, z. B. Keramik, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid angeordnet.
Der Großteil der Feldlinien innerhalb eines Plattenkondensators 2, 3 verläuft zwar direkt von einer Elektrode zur anderen, jedoch ergibt sich am Rand eines Plattenkondensators 2, 3 auch ein Streufeld. Dieses wird im vorliegenden Fall bei der Anwesenheit von Partikeln am Rand des Plattenkondensators 2, 3 von diesen beeinflusst. Haben die Partikel eine höhere Dielektrizitätskonstante als das Fluid, in dem der jeweilige Plattenkondensator 2, 3 sich befindet, das beispielsweise Wasser sein kann, so erhöhen sie die Kapazität des Kondensators, wenn sie sich an dessen Kante ansammeln.
Somit kann durch Messung der Impedanz beziehungsweise Kapazität der in dem Fluid angeordneten Plattenkondensatoren nach der Dielektrophorese der Nachweis des Vorhandenseins der Partikel (9) geführt werden.
Außerdem kann auch durch den Betrag der Änderung der Kapazität der Plattenkondensatoren die Menge der vorhandenen Partikel bestimmt werden.
Die Fig. 2 zeigt hierzu eine Messvorrichtung, die jeweils einen Anschluss 14, 15 an jeder der Elektroden eines Plattenkondensators 16 aufweist. Die Anschlüsse 14, 15 sind mit einem Messgerät 17 verbunden, das beispielsweise bei einer festen Frequenz den Wechselstromwiderstand des Kondensators 16messen und somit dessen Kapazität bestimmen kann. Der gemessene Kapazitätswert wird dann an eine Vergleichseinrichtung 18 weitergegeben, wo der gemessene Wert mit einem gespeicherten Referenzwert verglichen wird. Aus dem Vergleich dieser beiden Werte wird dann die Zahl der Partikel am Rand des Plattenkondensators 16 bestimmt, hieraus mittels Referenzwerten die Konzentration der Partikel in dem Fluid ermittelt und einer Anzeige 19 zugeführt.
Die in den Figuren dargestellte Einrichtung mit zwei Plattenkondensatoren kann beispielsweise auf einem Keramikträger angeordnet sein, auf den ein Tropfen der zu analysierenden Flüssigkeit gebracht wird. Der in der Fig. 1 dargestellte Flüssigkeitsspiegel ist insofern nur symbolisch zu verstehen. Die Vorrichtung kann auch eine Flüssigkeit analysieren, während sie in einem Kanal mit definierter Geschwindigkeit an den Plattenkondensatoren (2, 3) vorbeiströmt. Die Verwirklichung der Erfindung führt dazu, dass Messungen sehr schnell durchführbar sind, dass keine Marker benötigt werden und dass die Messergebnisse einfach auch quantitativ auswertbar sind. Dabei hält sich der konstruktive Aufwand der Vorrichtung in Grenzen, so dass die Vorrichtung sehr kostengünstig herstellbar ist.

Claims

1. Verfahren zum Nachweis von Partikeln (9), insbesondere zur Messung ihrer Konzentration, in einem Fluid, bei dem zunächst mittels Dielektrophorese in einer Anordnung mit wenigstens zwei ein Wechselfeld erzeugenden Elektroden (4, 5) die Partikel (9) verschoben und danach wenigstens teilweise nachgewiesen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Dielektrophorese zu einer der Elektroden (4, 5) gelangten Partikel (9) dort durch Messung einer Impedanzänderung an der Elektrode (4, 5) nachgewiesen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrophorese für eine bestimmte Zeit unter festgelegten elektrischen und geometrischen Bedingungen betrieben wird und dass danach eine elektrische Kapazitätsmessung an wenigstens einer der Elektroden (4, 5) durchgeführt und die gemessene Kapazität mit einem Referenzwert verglichen sowie aus der Abweichung die Partikelkonzentration in dem Fluid ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zweck der Dielektrophorese das Wechselfeld zwischen den zwei Elektroden (4, 5) mit einer Frequenz betrieben wird, die auf die Art der nachzuweisenden Partikel (9) abgestimmt ist.

4. Vorrichtung zum Nachweis von Partikeln (9), insbesondere zur Messung ihrer Konzentration in einem Fluid, mit wenigstens einer ersten und einer zweiten Elektrode (4, 5), zwischen denen im Rahmen einer Dielektrophorese ein Wechselfeld erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine erste der Elektroden (4, 5) mit einer ersten Gegenelektrode (10, 11) einen ersten Messkondensator (16) bildet und dass die Kapazität des ersten Messkondensators (16) mittels einer Messeinrichtung (14, 15, 17) messbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste (4) und die zweite Elektrode (5) jeweils mit einer Gegenelektrode (10, 11) einen ersten und einen zweiten Messkondensator (2, 3, 16) bilden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste (4) und gegebenenfalls die zweite Elektrode (5) mit der jeweiligen Gegenelektrode (10, 11) jeweils einen Messkondensator (16) in Form eines Plattenkondensators (2, 3) bildet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Plattenkondensatoren (2, 3) in einer Ebene mit Abstand voneinander angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die erste (4) und die zweite Elektrode (5) mit einem Wechselfeld wählbarer Frequenz beaufschlagbar sind.