Aufbau und Messprinzip des Mikroskops für die automatische Bildanalyse

Da die Zerkleinerungsversuche jeweils doppelt durchgeführt worden sind, waren 6 einzelne Messungen vorhanden, aus denen das arithmetische Mittel, die Standardabweichung und der Variationskoeffizient mit einem Tabellenkalkulationsprogramm berechnet wurden.

Abb. 13: Morphologi G3 Übersicht (Malvern, 2012)

Wichtige Elemente des Morphologi G3 sind die optische Einheit, eine Dispergiervorrichtung sowie ein beweglicher Objekttisch. Zur optischen Einheit gehören eine im Gehäuse eingebaute Digitalkamera und ein Objektivwechselrevolver mit folgenden Vergrößerungsstufen: 2,5fach, 5fach, 10fach, 20fach und 50fach. Der Vergrößerungsfaktor eines Objektes von der Kamera auf einen 17-Zoll Bildschirm beträgt 48. Somit erreicht man maximal eine 2400-fache Vergrößerung (auf einem 17-Zoll Bildschirm) bei Verwendung des Objektivs mit der 50-fachen Vergrößerung.

Für die Steuerung des Objekttischs (Teil des Morphologi G3) wird ein Joystick verwendet. Mit ihm wird der Objekttisch horizontal in 2 Richtungen bewegt. Bei der manuellen mikroskopischen Untersuchung mit dem Morphologi G3 können so durch Veränderung der Position des Objekttischs in der Breite sowie in der Tiefe verschiedene Areale der zu untersuchenden Probe betrachtet werden. Seitlich am Joystick befindet sich ein Drehknopf für die Feinfokussierung. Somit werden durch vertikale Änderungen des Objektivs in der Höhe scharfe Bilder der Probe erzeugt. Die Bewegungen in alle 3 Richtungen Höhe, Breite und Tiefe können auch manuell mit der Software „Morphologi“ gesteuert werden, ist aber mit dem

Je nach Art der Probe oder der Messmethode kann in den Objekttisch die dafür jeweilige notwendige Hilfsapparatur eingesetzt werden. Mit dem Morphologi G3 können trockene Proben, wie z.B. pulverartige Materialien, vermessen werden. Proben dieser Art werden auf einer in den Objekttisch eingesetzten Glasplatte verstreut und mikroskopiert. Die Probenaufgabe erfolgt bei dieser Variante mittels einer Dispergiervorrichtung, genannt Sample Dispersion Unit (SDU). Die SDU ist druckluftbetrieben und in das Morphologi G3 integriert. Bei dieser Art der Probenvorbereitung wird eine kleine Menge eines Pulvers im Kopf der SDU durch einen kurzen Druckluftstoß innerhalb des zylindrischen Hohlkörpers der SDU aufgewirbelt. Die SDU ist währenddessen fest auf der Glasplatte aufgesetzt. Nach einer vorher bestimmten Absetzzeit löst sich die SDU von der Glasplatte und die Partikel können vermessen werden. Durch den Einsatz der SDU kommt es somit zu einer guten Vereinzelung der Partikel. Die Messergebnisse werden somit nicht durch übereinander gelagerte Partikel verfälscht.

Weiterhin ist es möglich, einzelne Proben auf Objektivträgern zu messen. Dazu können bis zu 4 Objektivträger in eine dafür vorgesehen Apparatur eingesetzt werden. Diese Apparatur kann anstelle der Glasplatte in den Objekttisch eingelegt werden. Damit können sowohl pulverartige Materialien als auch „nasse“ Proben wie etwa Suspensionen analysiert werden.

Da eine trockene Vermessung einiger Materialien manchmal nicht möglich ist, können mit dem Morphologi G3 auch Proben nass vermessen werden. Diese Methode bietet sich für die Analyse von Schokoladenpartikel oder deren einzelnen Bestandteilen an. Für die Messung wird eine aufgeschmolzene Schokoladenprobe stark mit Pflanzenöl verdünnt und in eine spezielle Nasszelle gefüllt. Diese Nasszelle wird in den Objekttisch eingesetzt und die Partikel können vermessen werden. Die Nasszelle besteht aus 2 kleinen Glasplatten umrahmt von zwei magnetisch verschließbaren Metallplatten. Zwischen die Platten wird eine dünne Ringdichtung aus Kunststoff eingelegt. Somit wird einerseits Raum für die zu messende Probe in der Nasszelle geschaffen, andererseits wird durch die Abdichtung ein Austreten des Öls verhindert. In der Abb.

14 ist schematisch das Prinzip der Messung mit der Nasszelle dargestellt. Die Partikel liegen fein verteilt zwischen den beiden Glasplatten. Unterhalb des Objekttischs befindet sich die Lichtquelle. Die Kamera erstellt durch ein Objektiv digitale Bilder der Probe.

Abb. 14: Schematische Darstellung des Messprinzips mit der Nasszelle

Bei der Messung mit der Nasszelle ist es wichtig, dass sich während der Messung keine Partikel mehr im Schwebezustand befinden. Nur bei nahezu vollständiger Absetzung der Partikel kann eine genaue Formbestimmung stattfinden. Vor der Analyse der Partikel wird eine Feinfokussierung vorgenommen, um die richtige Brennweite einzustellen. Idealerweise sollten alle Partikel im gleichen Fokus scharf zu messen sein. Die Abb. 15 zeigt beispielhaft, dass sich 3 Partikel abgesetzt haben und im richtigen Fokus vermessen werden können. Sollten sich dennoch Partikel im Schwebezustand befinden, können sie während der Messung nicht genau erfasst werden und liefern ungenaue Ergebnisse.

Bei der Messung mit Pflanzenöl kann es einige Zeit dauern bis sich alle Partikel auf der unteren Glasplatte abgesetzt haben, mitunter einige Stunden. Bei Verwendung von weniger viskosen Dispersionsmitteln sinkt die Absetzzeit.

Unterhalb des Objekttischs befindet sich die Aperturblende (Aperture Diaphragm Lever ADL).

Sie ist eine kreisförmige Blende, die sich durch einen Hebel öffnen oder schließen lässt. Dadurch wird das Strahlungsbündel des von unten scheinenden Lichts vergrößert oder verringert. Durch Schließen der Aperturblende verringert sich so das Streulicht. Gleichzeitig wird die Probe weiterhin optimal und homogen ausgeleuchtet. Auf diese Weise kann ein besserer Kontrast zwischen den Rändern der Partikel und des Dispersionsmittels (hier Pflanzenöl) sowie eine größere Schärfentiefe erreicht werden (Linkenheld, 2012; Volgger, 2008). Dieser Kontrast-unterschied ist sehr gut in der Abb. 16 zu sehen. Auf dem linken Bild wurde Schokolade bei geöffneter Aperturblende mikroskopiert. Laut Herstellerangaben von Malvern Instruments ist hier die Aperturblende zu 80-90 % geöffnet. Der Hebel für die Einstellung der Blende ist dabei in eine Aussparung eingerastet. Für die Aufnahme des Bildes auf der rechten Seite wurde der Hebel nach rechts verschoben, so dass die Aperturblende nur noch zu 20-30 % geöffnet ist. Man kann deutlich eine Verbesserung des Kontrastes bei den einzelnen Schokoladenpartikeln erkennen. Die Prozentangaben sind lediglich Schätzungen, da keine Skalierung für den Hebel der Aperturblende vorhanden ist.

Abb. 16: Vergleich des Kontrastes bei geöffneter Aperturblende (links) und nahezu ge-schlossener Aperturblende (rechts) am Beispiel von Schokolade

Während der Messung einer Probe werden die zu untersuchenden Partikel durch das Objektiv vergrößert. Danach erfasst die Digitalkamera die nun optisch vergrößerte Probe und erstellt davon 2D-Bilder. Die Software kann nun jedes Partikel einzeln darstellen. Dabei vergleicht ein bestimmter Algorithmus die Pixel hinsichtlich ihrer Intensität auf einer Grauskala. Somit können die Partikelpixel von den Hintergrundpixeln unterschieden werden (Crompton, 2005). Die Abb.

17 zeigt den Vorgang, wie aus einem 3D-Partikel mit Hilfe der Software ein vereinzeltes digitales 2D-Bild erstellt wurde.

Abb. 17: Umwandlung eines 3D-Partikels in ein 2D-Partikel (Malvern, 2008)

Für die Bestimmung der Form- und Größeneigenschaften einzelner Partikel werden verschiedene Parameter genutzt. Die Tab. 9 listet diese Parameter auf, erläutert kurz deren Definition und zeigt zur besseren Veranschaulichung grafische Beispiele.

Tab. 9: Übersicht der Parameter für die Bestimmung der Formeigenschaften (Malvern, 2008) Parameter Definition und Erläuterung Beispiel

Fläche A Die Fläche A beschreibt den Flächeninhalt eines in 2D abgebildeten Partikels. Die Maßeinheit wird mit μm² angegeben, kann aber auch in Pixeln erfolgen. Für die späteren Auswertungen und Interpretationen der Messwerte ist die Angabe in μm² praktischer.

Parameter Definition und Erläuterung Beispiel Umfang U Der Umfang U beschreibt die Länge der

äußeren Begrenzung eines Partikels. Dabei werden alle äußeren Pixel, welche den Rand des Partikels darstellen, zusammengezählt. Das vereinfachte Beispiel auf der rechten Seite hat 5 unterschiedlich lange Seiten mit unterschiedlicher Pixelanzahl. Der Umfang U ergibt sich demnach aus der Summe aller Seiten, also U=1+2+3+4+5. Der Umfang U wird dann in μm angegeben.

Umfang U´ Der Umfang U´ beschreibt nicht den tatsächlichen Umfang U, sondern ein das Partikel umhüllenden gedachten Umfang. Zur besseren Vorstellung denkt man sich einen Faden, der einmal um das Partikel gewickelt wurde. Die Länge des Fadens ist dann der gedachte Umfang U´. In der Abbildung auf der rechten Seite sieht man das Partikel in blau dargestellt. Der gedachte Faden umhüllt das Partikel und bildet praktisch eine neue Fläche mit 4 Seiten. Der Umfang U´ ergibt sich demnach aus der Summe aller Seiten, also U´=1+2+3+4. Der Umfang U´ wird dann in μm angegeben.

Länge L Bei der Ermittlung der Länge L eines Partikels wird als Hilfsmittel die Hauptachse verwendet.

Die Hauptachse verläuft durch den Schwerpunkt des Partikels. Die Neigung der Hauptachse wird bestimmt durch den Winkel, bei dem das drehende Partikel um die Hauptachse die geringste Rotationsenergie besitzt. Zeichnet man nun auf der Hauptachse alle Punkte des Umfangs U parallel auf der

Parameter Definition und Erläuterung Beispiel Hauptachse ab, dann ergibt der Abstand

zwischen den am weitesten voneinander entfernten Punkten die Länge L. Die Länge L wird in μm angegeben.

Breite B Bei der Ermittlung der Breite B eines Partikels wird als Hilfsmittel die Nebenachse verwendet.

Sie verläuft ebenfalls durch den Schwerpunkt des Partikels, befindet sich aber im rechten Winkel zur Hauptachse. Wie bei der Ermittlung der Länge L werden auch hier alle Punkte des Umfangs U parallel abgezeichnet, allerdings auf der Nebenachse. Der Abstand zwischen den am weitesten voneinander entfernten Punkten ist die Breite B und wird in μm angegeben.