C-Mount Kameras von The Imaging Source in der Mikroskopie. Beispielapplikation: Die Dokumentation des mikroskopischen Bildes von Belebtschlamm

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1 C-Mount Kameras von The Imaging Source in der Mikroskopie Beispielapplikation: Die Dokumentation des mikroskopischen Bildes von Belebtschlamm Version 02/2010

2 Inhaltsverzeichnis Die Kamera...2 Anforderungen an das Mikroskop...2 Den richtigen C-Mount-Adapter wählen die Nachvergrößerung entscheidet...3 Info: Was ist eigentlich ein Zusammengesetztes Mikroskop?...3 Info: Das Belebtschlammverfahren zur Abwasserbehandlung: Mikroorganismen bei der Arbeit...4 Die DFK 41AU02 im Einsatz Beispielaufnahmen aus Belebtschlamm...4 Info: Kontrastverfahren in der Mikroskopie: Hellfeld, Dunkelfeld, Phasenkontrast und Interferenzkontrast...6 Fazit...7 1

3 Durch die mikroskopische Untersuchung und Dokumentation des Schlammbildes können wichtige Informationen über den Zustand des Belebtschlammes einer Kläranlage gewonnen werden. Bislang war es üblich die hierbei gemachten Beobachtungen in ein einfaches Formblatt zu übertragen. Mit den C-MountKameras von The Imaging Source ist es nun möglich diese Beobachtungen auf einfache und wirtschaftlich überzeugende Weise auch per digitalem Bild zu dokumentieren und hierdurch gleichzeitig zu objektivieren. Die Kamera Die nachfolgend beispielhaft vorgestellte DFK 41AU02 von The Imaging Source liefert ein Livebild in Farbe mit einer Frequenz von bis zu 15 Bildern pro Sekunde. Diese Bilder werden einfach per USB zum PC übertragen und können auf dem PC-Display mit dem im Lieferumfang enthaltenen Programm IC Capture betrachtet werden. Diese Software erlaubt die Speicherung von Einzelbildern als BMP- oder JPGDatei. Auch die Akquisition von Videosequenzen als AVI-Datei ist möglich. Die Auflösung der Kamera beträgt 1280x960 Pixel. Als lichtempfindlicher Sensor kommt ein CCD-Chip von Sony im Format 1/2 zum Einsatz. Die DFK 41AU02 besitzt zur Anbringung eines Objektivs ein so genanntes C-Mount-Gewinde. Der C-Mount-Standard ist genormt und sehr weit verbreitet. Bei der nachfolgend beschriebenen Anwendung kommt als spezielles Objektiv ein komplettes Mikroskop zum Einsatz. Anforderungen an das Mikroskop Für die visuelle mikroskopische Beobachtung setzt man in der Regel Mikroskope mit einem so genannten Binokulartubus ein. Diese Tuben besitzen zwei Einblickstutzen zum beidäugigen ( binokularen ) Betrachten des Präparates. Für Dokumentationszwecke ist ein weiterer, in der Regel senkrecht nach oben weisender, Tubus erforderlich. Man sprecht deshalb auch von einem Trinokulartubus. Neben diesem Trinokulartubus muss das Mikroskop noch über einen C-Mount-Adapter verfügen. Die mechanische und optische Verbindung zwischen Mikroskop und Kamera erfolgt über diesen Adapter. Beispiel für eine Mikroskopadaption der DFK 41AU02 das Bild links zeigt die Bildausgabe mit der im Lieferumfang der Kamera enthaltenen Software IC Capture. 2

4 Den richtigen C-Mount-Adapter wählen die Nachvergrößerung entscheidet Der C-Mount-Adapter des Mikroskops muss nicht nur die mechanische Verbindung zwischen Kamera und Mikroskop gewährleisten, sondern auch das mikroskopische Bild so auf den Sensor projizieren, dass ein ausreichend großer Ausschnitt des Präparates aufgenommen wird. Was ist eigentlich ein Zusammengesetztes Mikroskop? Alle gängigen Lichtmikroskope arbeiten nach dem Prinzip des Zusammengesetzten Mikroskops. Die mikroskopische Vergrößerung ist hierbei zweistufig. Der erste Vergrößerungsschritt erfolgt durch das Objektiv, welches das so genannte reelle Zwischenbild erzeugt. Dieses Zwischenbild wird dann in einem zweiten Schritt durch das als Lupe wirkende Okular nochmals nachvergrößert. Die Wirkung einer Lupe besteht übrigens in einer Vergrößerung des Sehwinkels, unter dem man das betrachtete Objekt hier das Zwischenbild sieht. Im Gegensatz zum reellen Zwischenbild wird das so wahrgenommene Bild als virtuell bezeichnet. In der visuellen Mikroskopie wird das Zwischenbild durch das Okular betrachtet. Dagegen wird bei der Adaption einer Kamera per C-Mount-Adapter dieses Zwischenbild durch die Adapteroptik auf den CCDChip projiziert. Die DFK 41AU02 verfügt über einen Sensor im Format 1/2. Sensoren diesen Formates besitzen eine bildaufnehmende Fläche von etwa 6.4 x 4.8mm. Damit nun nicht nur ein sehr kleiner Ausschnitt des Zwischenbildes aufgenommen werden kann muss der Adapter über eine bildverengende Optik verfügen. Dies bedeutet, dass das Zwischenbild verkleinert auf den Sensor projiziert werden muss. Für das Chip-Format 1/2 empfiehlt sich in der Regel ein C-Mount-Adapter mit dem Faktor 0.5x. Die beiden nachfolgenden Darstellungen verdeutlichen das Problem. Auf der linken Abbildung sehen Sie das runde durch das Okular betrachtete mikroskopische Bild. Bei Verwendung eines C-Mount-Adapters 1.0x wird von der Kamera nur der grünlich markierte Bereich dargestellt. Erst die Auswahl eines Adapters 0.5x (rechts) gewährleistet die Erfassung eines hinreichend großen Bildausschnitts. Links: Adapter 1.0x: Es wird nur ein kleiner Ausschnitt des visuell sichtbaren Bildes durch den Sensor der Kamera dargestellt. Rechts: Adapter 0.5x: durch die bildverengende Wirkung wird ein größerer Ausschnitt mit allen Glockentierchen erfasst. 3

5 Bitte nicht am C-Mount-Adapter sparen! Verwenden Sie zur Adaption einer Kamera von The Imaging Source an ein Mikroskop immer einen CMount-Adapter des jeweiligen Mikroskopherstellers. Fremdfabrikate oder Sparlösungen von Drittanbietern sind immer mit Vorsicht zu handhaben, da hierbei die Gefahr besteht, dass Mikroskopoptik und Adapteroptik nicht optimal harmonieren. Als Resultat findet man dann bestimmte Bildmängel, wie beispielsweise bläuliche oder gelbliche Farbsäume, die im visuellen Bild nicht auftreten. Das Belebtschlammverfahren zur Abwasserbehandlung: Mikroorganismen bei der Arbeit Beim Belebtschlammverfahren wird das zu reinigende Abwasser im Belebungsbecken intensiv durchmischt und dabei belüftet. Unter diesen Bedingungen entwickeln sich zumeist ausgehend von kleinen Schwebeteilchen im Abwasser von Mikroorganismen gebildete und besiedelte Schlammflocken. Die Gesamtheit dieser Flocken wird als Belebtschlamm bezeichnet. Im Idealfall bauen die in diesem Belebtschlamm enthaltenen Bakterien die organischen Inhaltsstoffe des Abwassers unter Sauerstoffverbrauch weitgehend zu einfachen anorganischen Endprodukten ab (in erster Linie CO2 und H2O). Das so gereinigte Abwasser wird dann in einem Nachklärbecken vom Belebtschlamm durch Sedimentation getrennt. Ein Teil des Belebtschlammes wird wieder in das Belebungsbecken zurückgeführt, da nur so der Gehalt an belebtem Schlamm ausreichend hoch gehalten werden kann. Die Flocken sind hinsichtlich ihrer Form und Struktur von den in einer Kläranlage herrschenden Bedingungen abhängig. Hierbei gibt es aus verfahrenstechnischer Hinsicht mehr oder weniger erwünschte Flocken. Bekannt ist z.b. das Problem des Blähschlammes durch einen hohen Anteil fadenförmiger Bakterien im Belebtschlamm. Dadurch kann in der Nachklärung der Belebtschlamm nicht mehr hinreichend durch Sedimentation vom gereinigten Abwasser getrennt werden. Größere Einzeller ("Protozoen") und einige sehr kleine Vielzeller (z.b. "Rädertierchen") finden sich ebenfalls im Belebtschlamm. Diese Organismen tragen zwar wenig zur Reinigungsleistung bei, durch ihre jeweils spezifischen Ansprüche ermöglichen sie jedoch Rückschlüsse auf die im Belebtschlamm herrschenden Bedingungen (z.b. die Versorgung mit Sauerstoff). Man bezeichnet derartige Organismen deshalb auch als "Bioindikatoren". Die DFK 41AU02 im Einsatz Beispielaufnahmen aus Belebtschlamm Bild 1: Belebtschlammflocke im Phasenkontrast - Objektiv 10x 4

6 Bild 2: Kolonie des Glockentierchens Epistylis plicatilis im Phasenkontrast - Objektiv 10x Bild 3: Detail der Kolonie von Epistylis plicatilis im Hellfeld - Objektiv 20x Alle Aufnahmen wurden mit der DFK 41AU02 an einem C-Mount-Adapter 0.5x erstellt. 5

7 Kontrastverfahren in der Mikroskopie: Hellfeld, Dunkelfeld, Phasenkontrast und Interferenzkontrast Untersucht man ein Präparat ohne weitere Eingriffe in den Strahlengang des Mikroskops, so bezeichnet man dies als Mikroskopieren im Hellfeld. Diese Methode ist vorwiegend geeignet für die mikroskopische Betrachtung lichtabsorbierender Präparate. Sie war über lange Zeit hinweg das einzige verfügbare lichtmikroskopische Verfahren. In der Mikroskopie hat man es jedoch regelmäßig mit weitgehend transparenten Objekten, welche das Licht kaum absorbieren, zu tun. Diese werden im Hellfeld so kontrastarm abgebildet, dass Sie leicht übersehen werden. Im Dunkelfeld-Verfahren wird der Strahlengang des Mikroskops so modifiziert, dass das direkte Mikroskopierlicht nicht mehr in das Objektiv gelangt. Ohne ein Präparat im Strahlengang entsteht dann natürlich auch bei eingeschalteter Beleuchtung ein völlig dunkles Bild. Sobald jedoch ein Präparat aufgelegt wird erfolgt eine Streuung des Lichts an den Konturen des Präparates. Von diesem so abgelenkten Licht gelangt nun wiederum ein Teil in das Objektiv. Hierdurch sieht man die Präparatkonturen hell aufleuchtend vor dem weiterhin völlig dunklen Bilduntergrund. Dies gilt auch für transparente Objekte, weshalb dieses Verfahren auch eine relativ einfach zu verwirklichende Methode zur kontrastreichen Darstellung der Umrisse transparenter Objekte darstellt. Bei einem Frischpräparat in der Belebtschlamm-Mikroskopie sind die Flocken und Organismen des Schlamms in Wasser eingebettet. Viele dieser Organismen - z.b. fadenförmige Mikroorganismen - sind transparent und im Hellfeld kaum erkennbar. Durch einen im Vergleich zum Wasser größeren Lichtbrechungsindex wirken sie jedoch auf die Wellen des durchfallenden Lichts bremsend. Die hierdurch hervorgerufene Verzögerung wird als Phasendifferenz bezeichnet. Das Phasenkontrast-Verfahren zur optischen Kontrastierung transparenter Objekte macht nun diese an sich unsichtbaren Phasendifferenzen durch geschickte Eingriffe in den Strahlengang des Mikroskops sichtbar. Dieses Verfahren ist apparativ aufwändiger als die Erzeugung von Dunkelfeld. Der Interferenzkontrast erzeugt einen reliefartigen Kontrasteindruck. Dieses sehr leistungsfähige Verfahren zur Kontrastierung transparenter Objekte ist jedoch ausgesprochen aufwändig und die hiermit ausgestatteten Mikroskope entsprechend teuer. Für die Belebtschlamm-Mikroskopie verwendet man überwiegend das Phasenkontrast-Verfahren und ggf. die Beobachtung im einfachen Hellfeld. Das Dunkelfeld-Verfahren liefert zumeist keine weiteren relevanten Informationen und ist somit entbehrlich. Der eigentlich sehr gute Interferenzkontrast ist nur mit sehr teuren Mikroskopen möglich. Deshalb wird in der Praxis zumeist auch auf dieses Verfahren verzichtet. Beispielaufnahmen einer Belebtschlammflocke in den unterschiedlichen Kontrastverfahren: Hellfeld Dunkelfeld Phasenkontrast Interferenzkontrast 6

8 Fazit Zusammenfassend erweist sich die DFK 41AU02 als besonders gut zur Dokumentation von Belebtschlamm-Proben geeignet. Als wesentliche Vorteile seien genannt: Einfache Installation sowohl der Hard- als auch der Software. Livebild auf dem PC-Display in voller Auflösung (1280x960). Per Mausklick Einzelbilder (jpg oder bmp) und Videosequenzen direkt abspeicherbar. Für die Belebtschlamm-Dokumentation ideale Auflösung, da diese genügt um alle relevanten Einzelheiten qualitativ hochwertig zu erfassen; gleichzeitig liegen die Bilder noch in einer gut handhabbaren Größe vor. Keine Beeinträchtigung der Aufnahmequalität durch Erschütterungen, wie sie bei anderen Aufnahmegeräten - z.b. Verschluss oder Spiegel einer Spiegelreflexkamera auftreten. Qualitativ hochwertiges Bild, das sich deutlich von den relativ verbreiteten Kameras mit CMOS-Sensoren absetzt Christian Linkenheld Kontakt: Christian Linkenheld Gerhart-Hauptmann-Str Speyer linkenheld@mikroskopie.de URL : 7