Diatomeenwaage !!

[Reinhard]

Hallo Freunde,

wieder einmal stelle ich ein Thema ein, bei dem ich dabei etwas Kopfschmerzen habe, da es für die meisten Forumbesucher wahrscheinlich nur sehr am Rande von Interesse ist.
Wer will schon Diatomeen wägen, es sei denn, er (sie) verkauft sie hier nach Gewicht.

Es geht aber dennoch um das Wägen von Substanzen im Mikrogramm-Bereich, das heißt, es geht um die "quantitative (Ultra-)Mikrochemie".
Diese beschäftigt sich also (u.a.) mit Gewichtsbestimmungen von Substanzen, die in der (Ultra-)Mikrochemie anfallen, also mit Mengen unterhalb von 1 mg. (eher aber unterhalb von 100 µg)
Die üblichen Waagen (z.B. meine Sartorius BP121 S) zeigt zwar die Stelle für 100 µg an, es wäre aber im wahrsten Sinne "vermessen", Gewichte in diesem Bereich bestimmen zu wollen; so werden denn auch als Mindesteinwaage 10 mg angegeben.
Für die Messung von 10 µg also 1000-fach zu unempfindlich.
Für eine Summe im höheren 5-stelligen €-Bereich gibt es noch zwei Stellen mehr hinter dem Komma, also bis zur 1 µg-Stelle.
Dennoch ist auch mit dieser Waage das Ziel, µg-Mengen zu wägen, nicht zu erreichen, da auch hier immer eine deutlich höhere Grundmenge vorgelegt werden muss.

Was also tun?
Ganz einfach. 
Man baut sich eine Waage selbst, die für die gewünschten Mengen geeignet ist.
Vorbild sind die Waagen, die schon zu Beginn des 20. Jahrhunderts u.a. von Salvioni und Nernst entwickelt wurden.
Die "Salvioni-Waage" beruht auf der Biegung eines entsprechend dünnen (Quarz-) Glasfadens, zumeist von etwa 10 cm Länge und 0,1 mm Dicke unter Last. Länge und Dicke sind abhängig vom angestrebten Wägegut.

Die Einfachheit des Prinzips und der Wunsch nach einem Einstieg in die quantitative Mikrochemie haben mich dazu gebracht, einen Versuch zur Herstellung einer Salvioni-Waage zu "wagen".
Dabei bot sich wieder einmal die "Märklin-Technik" an, mit der ich erstaunlich nahe an mein Ziel herangekommen bin.

Das größere Problem bei diesen Waagen ist natürlich die Eichung.
Diese kann aber zum Beispiel mithilfe von sehr dünnen Metallfäden mit bekanntem Durchmesser durchgeführt werden; mein dünnster Draht hierfür ist ein Wolfram-Draht von 0,019 mm;
1 cm dieses Drahtes wiegen 55 µg ! und liegt damit in einem sehr interessanten Bereich. Wenn dieser Faden dann bei 1 cm Länge (desselben) einen Ausschlag von z.B. 1 mm (Objektmikrometer + Hilfsfernrohr) bewirkt,
lassen sich Gewichte im einstelligen µm-Bereich messen.
Mit der Märklin-Salvioni-Waage wird das eher nicht möglich sein, aber Messungen im zweistelligen und dreistelligen schon.
Die Waage müßte dazu weitgehend "winddicht" gemacht werden. Das tapfere Märklin-Getriebe ist darüberhinaus nicht homogen genug.  Außerdem stellt die Anfertigung der Wägeschälchen eine große Hürde (für mich) dar.

Sollte also jemand mit Zeit, Geräten und know-how Lust verpüren, mir eine "feine" Salvioni-Waage nach meinen Vorgaben zu bauen, soll das nicht für "Gotteslohn" erfolgen! 
Glasfaden, Eichung und Wägeschiffchen würde ich überhehmen.

Hier aber zunächst meine ersten Bemühungen:

Bild 1 zeigt die Gesamtkonstruktion, Bild 2 die Aufhängung des gezogenen Glasstabes







Bild 3 zeigt das Getriebe; mithilfe des blauen Außenrades kann ich die Neigung des Glasfadens µm-weise verändern.
Das ist u.a. notwendig, um die Nullstellung zu erreichen, nachdem das Wägeschälchen (aus Alufolie) an den Faden gehängt worden ist (Tara)


Bild 4 zeigt das Hilfsmikroskop, mithilfe dessen man kleinste Ausschläge auf einem Objektmikrometer ablesen kann.


Bild 5 zeigt das O.-Mikrometer und erste Eichversuche mit einem (0,1 mm) Wolfram-Metallfaden.


viele Grüße
Reinhard

[limno]

Hallo Reinhard,
auch als jemand, der gemeinhin nicht so firm in mechanischen Gefilden ist, wie Du , habe ich mir gedacht, dass ein Konstantandraht die bessere Lösung wäre.
Der bei Conrad war seinerzeit 110 µm dick, gemessen mit einem digitalen Mikrometer (Chinaware) ebenfalls bei Conrad auf 1µm genau. Wenn man die Eigenschaften des Konstantans betrachtet, wären die Messungen wohl genauer, oder? 
Dir gewogene Grüße von
Heinrich

[Reinhard]

Hallo Heinrich,

meine Berechnungen sehen so aus (immer mit der Gefahr, mich zu verrechnen!)

Wolfram (0,019 mm D.; sp.Gew.: 19,3)   =      5,5 µg/mm
Wolfram (0,1 mm)                                    = 151,6 µg/mm  (!!)
Kanthal A1 (0,04 mm; sp.Gew.: 7,1)         =      9   µg/mm
Konstanthan   (0,05mm; sp.Gew.: 8,9)    =    17,5 µg/mm

Konstanthan (110 µ)               =   84,5 µg/mm

d.h. der 110 µ dicke Konstanthandraht wiegt sehr viel mehr als der Wolframdraht (mit 0,019 mm),
das liegt daran, daß der Durchmesser eines Drahtes quadratisch und somit stärker in das Gewicht eingeht, als das spezifische Gewicht des Wolfram.

viele Grüße
Reinhard

[smashIt]

deiner waage fehlt noch ein definierter aufhengepunkt für die waagschale

eventuell kannst du das ende des fadens ja zu einem kleinen kügelchen schmelzen
dann hast du eine art anschlag damit du immer mit der gleichen fadenlänge misst

generell wird deine waage mit längerem faden empfindlicher
da wäre allso noch luft nach unten

[peter-h]

Hallo Reinhard,

so wie ich das sehe wird es ein Micro-Seismograph, welcher das Aufklopfen der Ostereier aus 1km Entfernung noch erkennt  Auch das schöne hohe Märklin-Gerüst trägt sicher nicht zur Dämpfung bei. Ich würde mich an Aufbauten eines AFM anlehnen. Die  Cantilever Spite macht auch keine großen Ausschläge.

Viel Erfolg bei den Nanogramms
Peter

[the_playstation]

Hallo Reinhard.

Ein geniales, einfaches Konzept hast Du Dir da ausgedacht. Und nahezu beliebig verbesserbar.

Liebe Grüße Jorrit.

[Reinhard]

Hallo Chris,

ich werde versuchen, ein winziges Klebstoffkügelchen anzubringen.
Das mit dem längeren Faden klingt verlockend; es zeigt sich aber, daß mit längerem Faden die "Handhabbarkeit" schnell abnimmt, weil der Faden immer empfindlicher wird, was geringste Luftströmungen angeht und außerdem die wägbare Masse nur noch in einem sehr engen Bereich einsetzbar ist. (weil sonst schon bei geringfügig größeren Massen der Faden vollkommen durchbiegt)
Es ist eher so, daß man relativ kurze und dadurch starrere Fäden (threads) eingesetzt hat und die Genauigkeit ausschließlich durch die Messung winzigster Ausschläge des Fadens im horizontalen Mikroskop (Hilfsfernrohr) erzielt hat.

Hallo Peter, hallo Jorrit,

wenn man mit Mundschutz an einen zugfreien Platz arbeitet und Zeit hat, ist der Faden erstaunlich "ruhig".
Für Mengen in zweistelligen µg-Bereich wird das ausreichen.
Wenn es nicht mehr reicht, werde ich versuchen, an die Waage von B.B.Cunningham zu kommen. (siehe Bild aus: LIFE Magazin, 8 July 1946/Photo: F.W.GORO )
Es ist allerdings eine TorsionsWaage und ich müßte prüfen, ob das Pu239 keine Spuren auf ihr hinterlassen hat. 



viele präovariale Grüße
Reinhard

[Werner]

Ein weiteres Prinzip (auch eine Torsionswaage) ist die Cahn-Balance. Die Nullstellung wird über eine Fotozelle erkannt, die dem Gewicht proportionale Gegenkraft wird durch eine Drehspule erzeugt und der dazu nötige Strom gemessen und angezeigt.
Die erste Waage war zeimlich sperrig, etwa 50x30x70 cm (Röhrengerät), die folgenden mit Transistoren kleiner.
Man konnte unter Schutzgas wiegen. Ein Glasgehäuse ist für die Reproduzierbarkeit zwingend nötig, elektrostatische Aufladung verfälscht die Ergerbnisse.
Meßbereich 1 - 5 g, Auflösung 0,1 µg.

Perkin-Elmer hat auch mit Cahn zusammengearbeitet und  Mikrowaagen sowie Thermowaagen nach diesem Prinzip vetrieben.
Ich habe noch Teile davon, aber keinen kompletten Meßplatz.

Gruß   -   Werner

[Frank D.]

Hallo Reinhard,

- benötigst Du einen bestimmten Wägebereich für Deine Anwendungen? Sehr schmalbandig wäre für die Konstruktion von Vorteil und reduziert die Anzahl der Kalibriergewichte.

- kannst Du für diesen Wägebereich reproduzierbare Glasfäden herstellen? Z.B. nach einem Glasbruch.

- wäre für die Probenbeschickung der Einsatz eines Mikromanipulators möglich? Wenn nein, muss für stabile Arm-/Handauflagen gesorgt werden. Wenn ja, kann auf die Klebstoffkugel verzichtet werden und es reichen für die Probenplatzierung eine, oder für evtl. mehrere Wägebereiche, Markierungen auf dem Glasfaden aus (denn die Kugel würde nur überflüssiges Gewicht bedeuten).

- sind Deine Proben leicht von der Wägeschale zu entfernen? Wenn ja, kann die Schale evtl. direkt auf dem Glasfaden befestigt werden und man erspart sich das zusätzliche Gewicht der Aufhängung.

- Du kannst z.B. ein Messmikroskop mit feiner Skalenplatte für die Ablesung verwenden. Damit benötigst Du kein Objektmikrometer mehr und die Nullstellung wird am Mikroskop und nicht durch die Winkelverstellung des Fadens vorgenommen (denn diese Winkelverstellung stört die Messempfindlichkeit und damit den Wägebereich). Auch wäre hier die Probenplatzierung durch einen Manipularor auf die entsprechenden Markierungen sehr genau.

- eine schmale Glasküvette, die über den Glasfaden inkl. Probe gestülpt wird, verhindert Einflüsse durch Luftbewegung. Mit dem Messmikroskop kann durch das Glas abgelesen werden.

Über die mech. Konstruktion, inkl. deren Schwingungsdämpfung kann man sich später Gedanken machen. Dein Selbstbau sollte ja nur das Prinzip und die Möglichkeit verdeutlichen.

Neben dieser horizontalen Ablesung könnte man die vertikale Wegstrecke des "durchhängenden" Fadens auch mit der Feinfokussierung eines Mikroskops bestimmen. Das hätte einige Vorteile gegenüber der diskutierten Konstruktion.

Ich selbst habe vor einiger Zeit die Schleife eines sehr empfindlichen Zeiss Schleifengalvanometers repariert und kann ein Lied von der Luftbewegung, nur durch die Körpertemperatur verursacht, sowie die Bewegung der ungeschützten Schleife durch elektrostatische Aufladung singen. Auch an diesem Messgerät wurde über eine Okularmikrometer abgelesen. Da hier der Fokuspunkt auf den Faden nicht genau definiert war, wurde über einen beleuchteten Spalt ein Interferenzmuster im Okular abgebildet, dessen hell/dunkel Muster (Streifen) für die Ablesung herangezogen wurde.

Viele Grüße
Frank

[peter-h]

Hallo Reinhard,

hast Du einmal grob gerechnet, was eine Diatomee wiegen könnte? Angenommen eine Ziegelsteinform mit 20µm x 30µm x 100µm und ein Glas mit Dichte 2,5 angenommen sind bereits nur noch ~ 0,15 µGramm. Da aber eine Diatomee nur ein Gerüst ist, also kein "Vollmaterial" sind es sicher weniger als 0,01 µGramm !
Es sei denn ich habe mich um einige Potenzen verrechnet.
Wer prüft meine Rechnung ?

Gruß
Peter

[RainerTeubner]

Hallo Peter,

Deine Rechnung stimmt.

Bitte auch noch berücksichtigen, daß man im allgemeinen nach der Präparation nur noch halbe Diatomeenschalen im Präparat vorliegen hat. Den Masseunterschied zwischen Epitheka und Hypotheka vernachlässingen wir erst mal.

Viele Grüße

Rainer

[Reinhard]

Hallo Frank,

danke für Deine weiterführenden Überlegungen!!

benötigst Du einen bestimmten Wägebereich für Deine Anwendungen? Sehr schmalbandig wäre für die Konstruktion von Vorteil und reduziert die Anzahl der Kalibriergewichte

ich wäre schon zufrieden mit einem Wägebereich, der sich unterhalb meiner Sartorius befindet; also sagen wir: 10-100 µg.
Meine Überlegung war: ein Gewicht von dann sagen wir 100 µg anzuhängen und den Ausschlag auf 1cm zu bringen; dann wäre alles zwischen 0 und 100 µg auf der cm-Skala (Objektmikrometer) ablesbar.
Das wäre für mich erstmal schon sensationell.

kannst Du für diesen Wägebereich reproduzierbare Glasfäden herstellen? Z.B. nach einem Glasbruch.

nein! Wenn der Faden bräche, wäre ich eichungstechnisch wieder bei Null.

wäre für die Probenbeschickung der Einsatz eines Mikromanipulators möglich?

Mikromanipulatoren sind vorhanden (Prior) Um diese aber sinnvoll einsetzen zu können, müßte der Arbeitsbereich im Blickfeld eine (Stereo-) Mikros sein, so wie bei meiner Befüllung und Entleerung von Kapillargefäßen.
Das wird hier wahrscheinlich schwierig werden, insbesondere, wenn auch das Meßmikro seinen Platz beansprucht.

sind Deine Proben leicht von der Wägeschale zu entfernen?

Es werden zunächst Kristallsplitterchen oder -pulver sein, aber auch diese können sehr stark haften; später sollen es aber auch z.B. eingedampfte Niederschläge sein.
Die "Altvorderen" haben dazu Platinschälchen von wenigen mm aus Pt-Folie gemacht; ich habe es mit Alufolie versucht; es lassen sich auch feine herstellen, der Stiel des Pfännchens (aus einem Stück) ist aber zu weich und öffnet sich beim Anhängen.
Meine nächste Lösungs wäre gewesen, aus möglichst dünnem Metalldraht eine Vorrichtung zu bauen, in die man dann ein entsprechend kleineres Alu-Schälchen einsetzen kann.
Vielleicht würde es ja mit einem anderen Metall oder einer dickeren Alufolie gelingen (aus einem Stück)


viele Grüße
Reinhard

[Reinhard]

Hallo Peter, hallo Rainer,

mit so einem Gewicht könnt ihr eine professionell hergestellte Mikrowaage nicht beeindrucken! 
Ich bleibe also bei dem Begriff: Diatomeenwaage! 



Kopie aus dem Buch:
I.M. Korenmann
Introduction to Quantitative Ultramicroanalysis
Academic Press NY London
1965

[RainerTeubner]

Hallo Reinhard,

wirklich beeindruckend!

Gewogene Grüße

Rainer

[Harbich]

Hallo Reinhard,

das Gewicht einer Diatomee ist gar nicht so uninteressant. Ich würde das aber grob aus der Geschwindigkeit der Sedimentation abschätzen.

Eine Messung der Adhäsionskraft und Vortriebskraft bei Bewegung von verschiedenen Diatomeen wurde von M. A. Harper und J. F. Harper (HARPER, M. A., HARPER, J. F., 1967. Measurements of diatom adhesion and their relationship with movement. British Phycological Bulletin, 3, 195-207. http://www.tandfonline.com/doi/pdf/10.1080/00071616700650051 ) mit Hilfe der Durchbiegung einer Glasfaser gemessen. Die Glasfaser mit einem Durchmesser von 20 µm bei einer Länge von 1 bis 2 cm erlaubt die Bestimmung von Kräften im Bereich von unter einem mdyn = 10^-8 N.
Zur Eichung kann man aus einer Referenzmessung der Federkonstanten an einem dickeren Glasstab den Elastizitätsmodul des Glases bestimmen. Aus Länge und Durchmesser der dünnen Glasfaser ergibt sich dann die Federkonstante der dünnen Faser.
Eine solche Messeeinrichtung (gebaut von Kurt Schneider) benütze ich zur Messung der Kräfte, die Diatomeen bei Bewegung ausüben. Ich senke dazu eine Glasfaser mit einem Durchmesser von einigen zig µm von oben senkrecht in eine Petrischale und beobachte die Auslenkung mit einem inversen Mikroskop. Der Abstand des Endes der Faser vom Substrat wird durch eine Mikrometerschraube kontrolliert.

Viele Grüße
Thomas