DE68909225T2 - Messung der elektrischen impedanz von proben niedriger leitfähigkeit. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf einen Apparat zur Messung der Impedanz von Proben mit geringer Leitfähigkeit. In einem wichtigen Beispiel kann der Apparat benutzt werden, um geringes Mikrobenwachstum zu überwachen, wobei es typischerweise notwendig ist, elektrische Leitfähigkeiten im Bereich von 0,001 bis 30 mS/cm zu messen.
• Es ist wohlbekannt, daß die Messung der elektrischen Impedanz von Bakteriensuspensionen in einem Nährsubstrat nützliche Information bezüglich des Bakterienwachstums liefern kann. Dies ist in einigen Fällen durch Einführung von Elektroden in die Probe und einer direkten Impedanzmessung gemacht worden. Man hat jedoch Vorteile in der Anwendung nicht-invasiver Methoden gesehen und eine Zahl oszillometrischer Techniken ist vorgeschlagen worden, die leicht in nicht-invasiver Art verwandt werden können, d.h. ohne physischen Kontakt zwischen der Probe und irgendeiner Elektrode des Meßsystems. Bei diesen oszillometrischen Techniken wird eine Probe des Substrats in bezug zu einem elektrischen Resonanzschwingkreis in der Weise angeordnet, daß die Resonanzfrequenz die Impedanz der Probe angibt.
• Die bekannten Techniken fallen oft in zwei Kategorien: induktive Techniken, bei denen die Probe in einer Meßspule plaziert ist, und kapazitive Techniken, bei denen die Probe zwischen Elektroden plaziert ist, um einen Kondensator zu bilden. Induktive Oszillometer funktionieren am besten mit Proben hoher Leitfähigkeit und werden deshalb nur selten in dieser oder verwandten Anwendungen genutzt. Eine Zahl verschiedener Anordnungen kapazitiver Oszillometer ist vorgeschlagen worden, jedoch sind Schwierigkeiten mit existierenden Anordnungen, vor allem bezüglich ihrer Auflösung gefunden worden. Es wird angenommen, daß für Studien von Mikrobensuspensionen eine Auflösung von 1 in 10 &sup8; oder besser wünschenswert ist.
• Es ist ein Ziel dieser Erfindung, einen verbesserten Apparat zur Messung der elektrischen Impedanz einer Probe geringer Leitfähigkeit zu schaffen und insbesondere einen Apparat mit hoher Auflösung zu schaffen.
• Entsprechend besteht die vorliegende Erfindung aus einem Apparat zur Messung der elektrischen Impedanz einer Probe niedriger Leitfähigkeit, mit einem Probenbehälter, der eine elektrisch isolierende Wand hat; einer Spuleneinrichtung, die angrenzend an den Behälter positioniert ist; einer Elektrodeneinrichtung, die auf der Außenwandfläche vorgesehen ist; einer Rückkopplungseinrichtung, die dazu dient, an die Spuleneinrichtung einen Strom anzulegen, der in Bezug steht zu der Spannung, die durch die Elektrodeneinrichtung gefühlt wird, um dadurch Schwingungen mit einer natürlichen Schwingungsfrequenz (Resonanzfrequenz) zu erzeugen; und einer Frequenzmeßeinrichtung zur Bestimmung der besagten natürlichen Schwingungsfrequenz und zur Schaffung eines Ausgangs daraus, der die elektrische Impedanz der Probe angibt.
• Vorzugsweise ist eine elektrische Abschirmeinrichtung zwischen besagter Spuleneinrichtung und besagter Elektrodeneinrichtung vorgesehen.
• Gemäß einer wichtigen Ausführungsform der Erfindung ist eine Verstärkereinrichtung mit variablem Verstärkungsfaktor zwischen besagter Elektrodeneinrichtung und besagter Spuleneinrichtung vorgesehen, wobei der Verstärkungsfaktor der besagten Verstärkereinrichtung bei zunehmender Frequenz abnimmt.
• Vorteilhafterweise nimmt der Verstärkungsfaktor der besagten Verstärkereinrichtung bei zunehmender Amplitude der durch die Elektrodeneinrichtung gefühlten Spannung ab.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Beispiels mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
• Fig. 1 eine schematische Ansicht des Apparats gemäß dieser Erfindung zeigt;
• Fig. 2 ein elektrischer Schaltkreis für die Probe zeigt.
• Fig. 3 einen Graph zeigt, der die Verstärkungskurve eines Verstärkers, der Teil des in Fig. 1 gezeigten Schaltkreises ist, darstellt;
• Fig. 4 eine Eichkurve für den Apparat aus Fig. 1 zeigt.
• Fig. 5 ein Diagramm ähnlich Fig. 1 zeigt, das eine Modifizierung darstellt; und
• Fig. 6 eine Teilansicht des Apparates gemäß dieser Erfindung zeigt, die eine weitere Modifizierung darstellt.
• Gemäß Fig. 1 ist eine Doppelringspule 10 um ein Ende eines elektrisch isolierenden Probenbehälters 12 angeordnet. Jede Ringspule weist eine einzige Wicklung von 0,25 mm isoliertem Kupfer auf einem Ferritkern auf. Der Probenbehälter besteht aus Glas mit in diesem Beispiel einem Innendurchmesser von 4,5 mm und einem Außendurchmesser von 5,0 mm. In Richtung des entgegengesetzten Endes dieser Probenröhre ist ein kapazitiver Geber 14 vorgesehen, der an der Außenwand des Probenbehälters anliegt. Dieser hat eine Zahl von Windungen nicht isolierten Drahtes eingebettet in silbergefülltes Epoxidharz, um eine leitende Hülle zu bilden. Eine ähnlich ausgebildete Abschirmelektrode 16 befindet sich auf halbem Weg zwischen dem Spulengeber 10 und dem kapazititven Geber 14, wobei der Abstand zwischen dem Spulengeber und dem kapazitiven Geber ungefähr 5 cm beträgt.
• Ein Anschluß 18 der Spule 10 ist mit einem Erdungsanschluß 20 verbunden, wie dies auch bei der Abschirmelektrode 16 der Fall ist. Ein Potentiometer 22 ist zwischen den kapazitivem Geber 14 und den Erdungsanschluß 20 geschaltet, wobei der Schleifkontakt als Eingang mit einem Verstärker 24 verbunden ist. Obschon schematisch in der Zeichnung dargestellt, handelt es sich bei dem Verstärker 24 um einen Verstärker mit drei Verstärkerstufen, die eine besonders zugeschnittene Verstärkungskurve aufweisen, die genauer im folgenden beschrieben werden wird. Der Ausgang des Verstärkers 24 ist über einen Widerstand 26 und einen Kondensator 28 mit dem zweiten Anschluß 30 der Doppelringspule verbunden. Die Verbindungsstelle des Widerstands 26 und des Kondensators 28 ist mit Frequenzmeßgerät 32 verbunden.
• Fig. 2, auf die jetzt Bezug genommen wird, zeigt ein elektrisches Schaltbild, in dem die Probenzelle als veränderlicher Widerstand Rs und veränderlicher Kondensator Cs modellhaft dargestellt ist. Der Widerstand des Potentiometers 22 wird durch Rt dargestellt und die Kapazitäten, die durch den kapazitiven Geber 14 und die Abschirmelektroden 16 gebildet werden, sind durch Cp bzw. Csh dargestellt. Die Induktivität der Doppelringspule 10 wird durch L dargestellt. Das Modell der Probenzelle besteht aus Widerständen Rs, die jeweils parallel zur Induktivität L und zur Probenkapazität Cs geschaltet sind.
• Die Verstärkerkette ist mit einer inneren, frequenzabhängigen negativen Rückkopplung versehen, die eine beträchtlichen Abfall des Verstärkungsfaktors oberhalb von 600 kHz aufweist. Die Veränderung des Verstärkungsfaktors mit der Frequenz ist in Fig. 3 für drei Eingangssignalpegel gezeigt. Beachtenswert ist, daß der Verstärker zusätzlich so ausgelegt ist, daß er eine Abnahme des Verstärkungsfaktors bei zunehmenden Eingangspegeln produziert. Für die betroffenen Signalamplituden und Frequenzen beträgt die Abnahme des Verstärkungsfaktors je Millivolt Zunahme des Eingangssignalpegels von 1% bis 10%, vorzugsweise 2% bis 5% und in diesem Beispiel ungefähr 3%. Über den Frequenzbereich von 600 kHz bis 3,9 MHz ändert sich die Ausgangsimpedanz des Verstärkers von 0,02 kX bis 16,5 kX.
• Es wird davon ausgegangen, daß die Betriebsweise der beschriebenen Vorrichtung wie folgt ist.
• Die Wirkung eines durch Rauschen erzeugten Wechselstromes in der Spuleneinrichtung 10 besteht darin, ein zeitlich veränderliches Magnetfeld in der Probe zu erzeugen, das ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das eine alternierende Ladungsverschiebung innerhalb der Probe erzeugt. Das Phänomen der Polarisation in einem reinen Dielektrikum ist gut verstanden und es wird allgemein davon ausgegangen, daß Proben geringer Leitfähigkeit als "abgeschwächte Dielektrika" mit einem störenden elektrischen Feld betrachtet werden können, das Ladungsverschiebungen sowohl der freien Ladungen als auch der polarisierbaren Gruppen erzeugt. Es sind diese Ladungsverschiebungen, die elektrostatisch durch den kapazitiven Geber 14 gefühlt werden.
• Für einen gegebenen Verstärker müssen natürlich Signale ausreichender Stärke bei geringen Leitfähigkeiten zur Verfügung stehen, um Schwingungen zu erzeugen. Dies bedeutet, daß das induktive Feld bei geringen Leitfähigkeiten groß genug sein muß, um ein Schwellwertsignal zu erzeugen. Hohe Frequenzen führen aufgrund von Skineffekten zu einer geringen Eindringung der Felder in die Probe, so daß die Anfangsfrequenz gering sein sollte, um Schwingungen zu initiieren und auf einem derartigen Pegel bleiben muß, daß die Felder durch die Wand des Probenbehälters hindurch mit ausreichender Tiefe in die Probe eindringen können.
• Die LC-Treiberschaltung für die Probe führt zu einem "Außer-Resonanz-Effekt", wenn sich die Leitfähigkeit der Probe bei gleichzeitiger Zunahme der Signalamplitude ändert, da sich der Eingang bei zunehmender Leitfähigkeit in zunehmender Weise verändert. Der Verstärker 24 erreicht seine Sättigung nicht, aufgrund der Zunahme der Ausgangsimpedanz, die bei ungefähr 600 kHz beginnt. Es hat sich herausgestellt, daß die Frequenz der Schwingung des Systems ein reproduzierbarer Indikator der Probenleitfähigkeit ist. Der Apparat kann mit Lösungen bekannter Leitfähigkeit, wie z.B. verschiedenen Konzentrationen von KCl geeicht werden. Ein Graph einer derartigen Eichung ist in Fig. 4 gezeigt, wobei eine Veränderung der Konzentration von KCl zu einer Leitfähigkeitsverschiebung von ungefähr 5,4 mS/cm führt.
• Die beschriebene Anordnung hat, wie man findet, eine hohe Auflösung und weist in der typischen Schaltanordnung eine Auflösung als Frequenzverschiebung pro Einheitsveränderung der Leitfähigkeit von ungefähr 300 Hz pro 10&supmin;³ mS/cm auf. Es wird davon ausgegangen, daß die hohe Auflösung zum Teil aus der Tatsache resultiert, daß, im Vergleich mit bekannten induktiven Oszillometern, die Probe nicht nur die Selbstinduktivität der Meßspule verändert, sondern auch ein Teil der Rückkopplungsschleife im Resonanzkreis bildet. Die Probe verändert nicht nur einfach den Wert der Induktivität, sondern bildet eine Reihenschaltung von aktiven LC- und RC-Filtern, indem es die Ausgangsimpedanz des Verstärkers als Funktion der Signalamplitude in der Rückkopplungsschleife verändert.
• Die vergleichsweise große Frequenzverschiebung in praktischen Anwendungen (eine Verschiebung von 200 mS bis 400 mS bei Mikrobenimpedanzmessung führt zu einer Frequenzverschiebung von typischerweise 56 kHz bis 112 kHz) sorgt für eine hervorragende Auflösung. Darüber hinaus erweist sich die Auflösung als konstant innerhalb akzeptabler Grenzen des Bereiches der Leitfähigkeit, die typisch für Mikrobensuspensionen, Enzymreaktionen und Elektrolyte in Reagenzkonzentrationen sind. Die Tatsache, daß die Messung frequenzbasiert ist, trägt die erwarteten Vorteile von Präzision und die Vermeidung von Interferenz in sich. Da die Betriebsfrequenzen relativ gering sind, ist es möglich, Mehrfachbenutzungs-(Multiplex-)techniken mit Reihenanordnungen von Probenbehältern zu verwenden. Bezugnehmend auf Fig. 5 sind dort zwei Probenbehälter gezeigt, obwohl eine beträchtlich größere Zahl vorgesehen sein könnte. Soweit dies zweckmäßig ist, werden dieselben Bezugszeichen verwendet, wie in Fig. 1. Zwischen dem Verstärker 24 und den Probengebern und Spulen ist ein Umschaltnetzwerk 50, das durch einen Kontroller 52 angesteuert wird, angebracht. Dies kann ein kommerziell erhältlicher PC sein, wie z.B. ein Hewlett Packard 86. Das Frequenzmeßgerät, das günstigerweise das kommerziell erhältliche Modell Schlumberger 2720 sein kann, ist zusätzlich mit dem Kontroller 50 verbunden. Der Kontroller ist in der Weise angepaßt, daß er einen Ausgang in irgendeiner zweckmäßigen Form zur Verfügung stellt.
• Eine weitere Modifizierung ist in Fig. 6 dargestellt. Der kapazitive Geber, der in einer allgemeinen Form bei 14 gezeigt ist, weist zwei Elektroden 60 auf, die jeweils federnd vorgespannt mit der Außenwand des Behälters in Berührung stehen, und zwar durch eine Druckfeder 62, die gegen das Gehäuse 64 drückt. Die Abschirmelektrode nimmt die Form einer geerdeten Platte 66 an, die eine Aussparung 68 hat, innerhalb derer die Probenröhren 12 eng eingepaßt ist. In dieser Anordnung kann die Probenröhre 12 gleitend aus der Apparatur in Richtung des Pfeiles A entfernt werden. Es wird deshalb möglich, Einwegprobenröhren, die vorgefüllt und sterilisiert sind, zu verwenden, mit offensichtlichen Vorteilen in bezug auf die Abkapselung und den Transport potentiell gefährlicher Proben.

Claims (11)

1. Apparat zur Messung der elektrischen Impedanz von Proben niedriger Leitfähigkeit, mit einem Probenbehälter (12), der eine elektrisch isolierende Wand hat; einer Spuleneinrichtung (10), die angrenzend an den Behälter positioniert ist; einer Elektrodeneinrichtung (14), die auf der Behälterwand vorgesehen ist; einer Rückkopplungseinrichtung (22, 24, 26, 28), die dazu dient, an die Spuleneinrichtung (10) einen Strom anzulegen, der in Bezug steht zu der Spannung, die durch die Elektrodeneinrichtung (14) gefühlt wird, um dadurch Schwingungen mit einer natürlichen Schwingungsfrequenz (Resonanzfrequenz) zu erzeugen; und einer Frequenzmeßeinrichtung (32) zur Bestimmung der besagten natürlichen Schwingungsfrequenz und zur Schaffung eines Ausgangs, der die elektrische Impedanz der Probe angibt.

2. Apparat gemäß Anspruch 1, bei dem eine elektrische Abschirmeinrichtung (16) zwischen der besagten Spuleneinrichtung und besagten Elektrodeneinrichtung besteht.

3. Apparat gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der Probenbehälter länglich ist und besagte Spuleneinrichtung und besagte Elektrodeneinrichtung entlang der Längserstreckung des Behälters verteilt sind.

4. Apparat gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem besagte Spuleneinrichtung (10) mindestens eine Ringspule umfaßt.

5. Apparat gemäß Anspruch 3, bei dem die genannte Spuleneinrichtung mindestens eine Ringspule umfaßt, deren Achse mit der Längserstreckung des Probenbehälters fluchtet.

6. Apparat gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem besagte Rückkopplungseinrichtung eine Verstärkereinrichtung (24) mit veränderbarem Verstärkungsfaktor aufweist, die zwischen besagter Elektrodeneinrichtung und besagter Spuleneinrichtung liegt, wobei der Verstärkungsfaktor der besagten Verstärkereinrichtung bei zunehmender Frequenz abnimmt.

7. Apparat gemäß Anspruch 6, bei dem der Verstärkungsfaktor der besagten Verstärkereinrichtung um 5 bis 20 dB und vorzugsweise ungefähr 9 dB von Frequenzen von 500 kHz bis 4 MHz abnimmt.

8. Apparat gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die besagte Rückkopplungseinrichtung eine Verstärkereinrichtung (24) mit variablem Verstärkungsfaktor aufweist und der Verstärkungsfaktor der besagten Verstärkereinrichtung bei zunehmender durch die Elektrodeneinrichtung gefühlter Spannung abnimmt.

9. Apparat gemäß Anspruch 8, bei dem besagter Verstärkungsfaktor um 2% bis 5% und bevorzugt ungefähr 3% pro Millivolt-Zunahme der gefühlten Spannung abnimmt.

10. Apparat gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der besagte Probenbehälter gleitend aus der besagten Spuleneinrichtung und der besagten Elektrodeneinrichtung entfernbar ist.

11. Apparat gemäß Anspruch 11, bei dem die besagte Elektrodeneinrichtung eine Elektrode (60) aufweist, die federnd vorgespannt mit der Außenwand des Behälters in Kontakt steht.