DE2254257A1 - Elektrophorese-einrichtung mit fliessendem band - Google Patents
Elektrophorese-einrichtung mit fliessendem bandInfo
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Description
Patentanwälte .·.-..
Dr. Irg. Wafer Abitz
Dr. Difctor F. Morf-
Dr. Hans-A. Brauns ." . 6. November 1972
8 München bo, Fidnzanauerstr. 28 iyt>
döp
THE REGENTS OP THE UNIVERSITY OF CALIFORNIA
Los Angeles, California/ V.Pt.A.
Elektrophorese-Einrichtung mit fliessendem Band
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrophoretische
Einrichtung mit fliessendera Band ("fluid "belt") zum Abtrennen
von Fraktionen eines chemischen oder biologischen Stoffes und zum Beobachten und Messen der Beweglichkeiten
der Fraktionen.
Bai der elektrophoretischen Trennung ist es üblich» den
zu trennenden Stoff in eine elektrolytische Pufferlösung
einzuführen und quer durch die Lösung ein. elektrisches Feld
zu erzeugen» Dieses Feld bewirkt, dass die geladenen !Peil· chen des zu. trennenden Stoffes in der Pufferlösung mit
Geschwindigkeiten, die durch die elektrophoretische Beweglichkeit
der Teilchen bestimmt werden, -in Richtungen wandern,;
die durch die Ladungspolrichtungen der Teilehen mit"Bezug auf die Richtung des elektrischen Feldes bestimmt werden.
In der Vergangenheit verliefen elektrophoretische 3!rennun-- i
gen grösstenteils langsam und vermochten auch nur ausseist
kleine Volumina der fraktionierten Bastandteile des zn tren- :
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nenden Stoffes bereitzustellen. In einer Veröffentlichung
von A. Kolin unter dem Titel "Continuous Electrophoretic Fractionation Stabilized by Electromagnetic-Rotation", die
in Proceedings of the National Academy of Sciences, Band 46, Nr. 4, auf den Seiten 509 bis 523 im April 1960 erschien,
wird ein kontinuierliches Verfahren für elektrophoretisch^ Trennungen vorgeschlagen. In jenetu Aufsatz wird eine die
thermische Konvektion betreffende Stabil!sierungsmethode
beschrieben. Die thermische Konvektion und die Sedimentation stellen zusammen zwei störende Faktoren dar, mit denen
die Elektrophorese von Teilchen behaftet ist.
Die erfindungsgemässe Einrichtung beruht auf ähnlichen
Betriebsgrundsätzen wie das in der obengenannten Abhandlung beschriebene System. Bei der zu beschreibenden Ausführungsform
beispielsweise wird ein elektrischer Strom durch die
elektrolytieche Pufferlösung geleitet und ein magnetisches Feld erzeugt, so dass die Pufferlösung dazu gebracht wird,
als endloses Band um einen zentralen Kern sich herum zu bewegen. Quer zur Bewegungsrichtung der Hülle wird ein
elektrisches Feld erzeugt, um die in den Puffer eingeführten, geladenen Teilchen des Stoffes abzulenken. Fenster
sind in der Einrichtung vorgesehen, so dass die sich ergebenden
Schlieren oder Streifen leicht beobachtet, gemessen, photographiert oder in anderer Weise bearbeitet werden
können.
Wie beschrieben werden wird, wird bei der erfindungsgemässen Einrichtung von den zuvor genonnten Vorstellungen in einem
fliessenden Band oder Hantel Gebrauch gemacht, in dem eine elektrolytische Pufferflüssigkeit (fluid) bereitgestellt
wird. Das fliessende Band kann beispielsweise die Anordnung eines senkrechten, endlosen Bandes aufweisen.
Eine solche Anordnung hat den Vorteil, dass sie einei* Sedimentation
in den nicht-vertikalen Abschnitten in oberen und
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unteren Teil der Hülle weniger Zeit einräumt. Jedoch kann,
die Hülle horizontal oder vertikal liegen und $eäe beliebige
, gewünschte Anordnung aufweisen. Wie ebenfalls erwähnt,
kannEiLe aus zn "beschreibenden Gründen "geknickt" sein.
Das -fliesBfcnde Elsktrolytlösungsband in der zu beschreibenden
Einrichtung wird an einer Einlassöffnung vorbeigetrieben, durch, welche der zu untersuchende oder zu. bearbeitende
Stoff in das Band in Form einer Schliere eingespeist wird. Ungeladene Teilchen in der Schliere bewegen sich in derselben Richtung wie das Band. Das zuvor genannte elektrische
Feld, das senkrecht oder praktisch senkrecht zur Bewegungsrichtung
des Mantels vorgesehen ist, bewirkt eine elektrophoretisch^ Wanderung der geladenen Bestandteile der
Schliere und dadurch ihre Ablenkung' aus der Bahn der ungeladenen Bestandteile für die Beobachtung und Messung
der elektrophoretischen Beweglichkeiten. Wenn die ursprüngliche
Schliere beispielsweise eine Mischung darstellt, kann sie auf diese Weise in eine Anzahl von getrennten Schlie
ren aufgelöst werden, und zwar je eine für jede vorliegende
elektrophoretische Beweglichkeit. Die Schlieren strömen
schliesslich aus der Einrichtung aus, nachdem sie gerügend lange dem elektrischen PeId ausgesetzt worden sind, um
eine zufriedenstellende Trennung oder Eeweglichkeitsmessüng
zu ermöglichen. " '
Zeichnungen ' .
Die Idg. 1 ißt eine schematischo Darstellung der grundlegenden
Einrichtung für die Durchführung der erfindungsgemässen
Vorstellungen;
Fig. 2 ist eine Darstellung in auseinandergezogenor Anordnung,
Vielehe den Aufbau der Einrichtung für die praktische' Durchführung
der Erfindung zeigt; .·■..,
■ ■ " - 5 -
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BAD i
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Fig. 3 ist eine fragmentarische, perpsektivische Darstellung
eines Teils der Einrichtung;
Fig. 4 ist eine Querechnittsansicht der Einrichtung gemäes
Fig. 3 entlang der Linie 4-4 der Fig. 3»
Fig. 5 ist eine Querschnittsdarstellung der Einrichtung :
gemäss Fig. 3 entlang der Linie 5-5 der Fig. 3» und
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung einer Servo- :
steuerung, welche in die Einrichtung eingesetzt werden kann.,
In der zu beschreibenden Einrichtung wird ein elektrisches ... I
ί Feld senkrecht oder praktisch senkrecht zu der Bewegung . \
eines fliessenden Bandes einer Elektrolytpufferlößung er- - I
zeugt, in welches eine Schliere des zu bearbeitenden Stoffes, die geladene Ionen oder geladene Teilchen enthält,
eingespeist wird. Die geladenen Teilchen folgen dann einem Weg, der weder direkt in der Richtung des elektrischen Feldes
noch in der Richtung des sich bewegenden Bandes, sondern \ in einer dazwischenliegenden Richtung verläuft, die im we- j
sentlichen von der Resultierenden der beiden Geschwindig- \
keiten abhängt, die den geladenen Teilchen mitgeteilt werden, d. h. der den Teilchen von dem sich bewegenden Band
mitgeteilten Geschwindigkeit und der elektroplioro ti sehen,
den Teilchen von den elektrostatischen Kräften des elektrischen Feldes mitgeteilten Geschwindigkeit.
Obgleich die nachfolgende Beschreibung auf einen Endlosbandtyp
einer Elektrophoreseeinrichtung gerichtet werden soll, versteht es sich, dass viele der Merkmale der erfindungsgemäßsen
Einrichtung, soweit es Elektrophoresesystecie
angeht, allgemeine Verwendbarkeit finden.
Die Einrichtung der Fig. 1 beispielsweise umfasst ein rechteckiges
Gehäuse oder einen Mantel 10, das (der) beispiels-
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• ■ . 5* · .
weise aus einem lichtdurchlässigen Material, wie Lucite, ' hergestellt sein kann. Das Gehäuse 10 begrenzt bei der in
■ Fig. 1 offenbarten Anlage eine innere, senkrecht stehende
Kammer. Ein aus beispielsweise Eisen oder einem anderen geeigneten
magnetischen Material hergestellter Kern 12 ist innerhalb der Kammer so angeordnet, dass er mit dem die
Kammer umgebenden Gehäuse 10 einen ununterbrochenen, periphären Durchgang definiert. E1Ur das Einspeisen des zu tren-
• nenden Stoffes in die Kammer ist eine Einrpritzpumpe 16
vorgesehen; auch ist ein Sammler 18 vorgesehen, der die verschiedenen Fraktionen des Stoffes sammelt, die durch
das erfindungsgemässs Elektrophorese~Verfahreii getrennt
worden sind. Diese Fraktionen werden entlang gesonderten "v
Rohren, wie den Rohren 20, 22 und 24, transportiert, welche l·
die getrennten Fraktionen nach passenden Behältern hin fördern.
Ein passender Elektrolytpuffer wird in den perdphären Durchgang
zwischen dem Kern 12 und dem Mantel 10 eingeleitet.
Der Elektrolyt hat in der veranschaulichten Auafuhr uagsform
die Form eines endlosen Bandes, das von dem Eisenkern 12 (der isoliert ist) und dem äusseren Mantel 10 umfasst wird.
Bei einer Ausführungsform, die konstruiert wurde, war das . Elektrolyt-"Band" beispielsweise 8 cm breit, wios eine periphärlsche
Abmessung von 21 cm auf und war 0,15 cm dick.
Die Strömung des Elektrolytpuffer-Lösungsbandes um den Kern herum wird durch dieselben Mittel zuwege gebracht wie die
Drehung eines elektrischen Motores, d. h. durch die Kraft,
■■ welche von einem Magnetfeld auf ein Strom führendes Element
; ausgeübtuwird. Das Magnetfeld kann beispielsweise erzeugt
werden, indem vier Stabmagnete so angeordnet werden, dass sie mit ihren Kordpolen an die Enden des Kernes 12 (in der
Fig. 1 nicht gezeigt) anstossen. Ein elektrischer Strom wird
■ durch die Pufferlösung 14 geleitet, damit sie wie der
\ Rotor eines elektrischen Motors um den Kern herum gefcrie-
/ ben wird. '
f — 5 —■"-■"■"
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Der zu trennende Stoff wird durch die Einspritzpumpe 16
in die Elektrolytpufferlösung eingeführt, wobei er durch das Rohr 17 gefördert wird, und bildet in den sich bewegenden
Band der elektrolytischen Pufferlösung eine Schliere. Das elektrische Feld bewirkt eine elektrophoretische Wanderung der geladenen Bestandteile der SchLiere und lenkt
sie somit auf ihrer normalen Bahn ab. In der Darstellung der Fig. 1 wird angenommen, dass der zu -.'-rennende Stoff
drei gesonderte Bestandteile aufweist, die,in dem Masse,
wie sie durch die Elektrolytpufferlösung um den Kern 12 ; herum transportiert werden, getrennt werden, wie es durch
die drei deutlichen Linien a, b und c in der Fig. 1 kenntlich
gemacht wird. Diese Linien laufen auseinander, während, sie von dem kreisenden Elektrolytpuffer um den Kern herum
mitgenommen werden, bevor sie an dem Sammler 18 anlangen. * Bei der Ankunft der einzelnen Schlieren an dem Sammler 18
sind sie genügend lange dem elektrischen Feld ausgesetzt gewesen, um eine zufriedenstellende Trennung durch den
Sammler in die gesonderten rohrförmigen Element© 20» 22
und 24 zu gestatten.
[, ■
Die Einrichtung der Fig. 1 wird mehr im einzelnen in der
! auseinandergezogenen Ansicht der Fig. 2 gezeigt. Wie diese t Fig. 2 beispielsweise zeigt, wird der Hantel 10 von zwei
! mit 10a und 10b bezeichneten Abschnitten gebildet, die
i. beispielsweise durch Schrauben, wie die Schraube 26, zu-
\ samuengehalten werden. Die Stirnhälfte 10a des Mantels
j: nimmt die Einspritzpumpe 16 und den Sammler 18 auf. Abtelle
, 28 für fliessfähige Kühlmedien sind ebenfalls an beiden
Hälften 10a und iOb des Mantels angebracht, und ein fliess-
= fähiges Kühlmedium, wie Wasser, wird durch diese Abteile
! zirkuliert. Die Rückenhälfte 10b des Mantels enthält
passende Auslassöffnungen 50, die sich in den periphären
Durchgang zwischen dem Kern 12 und dem Mantel iOt durch
den das kontinuierliche Elektrolytpufferband kreist, hineineratreckon.
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Eine weitere Elektr ilytleitung 32 ist in der Stirnhälfte 10a.
des Mantels angeordnet und dient als Sammlerausgleichs-Voxrichtung.
An federn Ende des Kernes 12 können beispielsweise Siliconkautschukpolster 34 angebracht sein, die als
ßtossdämpfer für die Stirnenden der Stabmagnete 3& dienen.
Wie oben erwähnt, sind die Nordpole der Stabmagaete 3^,,beispielsweise
so angeordnet, dass sie die Enden des Kernes berühren, damit las gewünschte magnetische Feld innerhalb
des periphären Durchganges zwischen dem Kern und dem Mantel
erzeugt wird und somit bewirkt wird, dass das Band der
ElektrolytpufferlÖsuiig sich innerhalb des Durchgangs dreht, :
wenn elektrischer Strom durch den Elektrolyten geleitet wird.
Die Abteile 38 und 42 für die Pufferlösung sind an jedem Ende des Mantels 10 angeordnet, und für die Abteile sind
Luftabzugsöffnungen vorgesehen. An den Enden der Elektrolytpuff erabteile 38 und 40 sind Abteile 44 und 46 für ein
fliessfähiges Kühlmedium vorgesehen, und ein geeignetes
Kühlmittel, wie Wasser, lässt man durch diese Abteile
zirkulieren.
Passende Elektroden, wie die Elektroden 48, erzeugen den notwendigen, durch die Elektrolytpufferlösung fliessenden,
elektrischen Strom, damit sich die zuvor genannte Bewegung des "Bandes" ergibt, und diese Elektroden erzeugen auch
das für die elektrophoretische Trennung erforderliche,
elektrische Feld. Die Elektroden 48 \ierden in den Kanälen
50, die den Pufferabteilen 38 und 42 benachbart sind, aufgenommen,
und zwischen den Elektrodenabteilen 50 und den Pufferabteilen sind durchlöcherte Diaphragmen 52 vorgesehen.
Die veranschaulichten Elektroden 48 können beispielsweise als die Kathoden dienen, und-die (nicht gezeigten)
Elektroden am anderen Ende des Mantels dienen als die Anodon,
so dass das gewünschte elektrische Feld und der ge~ wünschte, durch die kreisende Elektrolytpufferlösung flies-,
— 7 —
3G9819/0&Ö2.
3G9819/0&Ö2.
ί. C \ί H C \) I
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sende, elektrische Strom erzeugt werden. Die Pufferabteile
und angeschlossene Bestandteile werden mit dem Mantel 10 vermittels beispielsweise .'Ustierschrauben, wie den
Schrauben 60 und 66, zusammengehalten. Packungen, wie G-,,
können verwendet werden.
Es ist verständlich, dass die Elektroden, wie die Kathoden-
elektroden 4-8 und die (nicht gezeigten) Anodeneelektroden ■
am anderen Ende des Mantels 10, in der Elektrolytlösung einen", von links nach rechts fliessenden Strom hervorrufen, wie
durch den Pfeil "J" in dbr Fig. 1 gezeigt wird, wenn parallel
zu den Anoden- und Kathodenelektfoden eine Spannung passender
Polarität angelegt wird. Dieser Strom J tratt mit dem
von den Magneten 36 hervorgerufenen Magnetfeld, das, wie
durch den Pfeil B bezeichnet, im rechten Winkel ssu dem · ' Pfeil J ausgerichtet ist, in Wechselwirkung, und diese Felder
treten gemäße grundlegenden elektrischen Prinzipien in
Wechselwirkung miteinander und erzeugen eine Kraft F, die an der Elektrolytpufferlösung in der in Fig. 1 gezeigten
Richtung angreift und bewirkt, dass daß Band der Elektrolytpufferlösung
um den isolierten Kern 12 herum in der durch den Pfeil F gezeigten Richtung kreist.
Bie durch die Einspritzpumpe 16 in das Elektrolytband eingespeisten
Stoffteilchen bilden eine Schliere, deren Durchmesser
nur wenige Zehntel eines mm beträgt. Diese !Teilchen nehmen an der zuvor genannten Kreislauf bewegung des umgeben*·
den fliessfähigen Mediums des Elektrolytpufferbaadee teil,
und zusätzlich wandern sie unter dem Einfluss des elektrischen Feldes, das durch die auvor genannten Elektroden aufgebaut
wurde, und infolge der elektrophoretisehen Wirkung
von rechts nach links (dies gilt für negativ geladene Teilchen). Die Überlagerung der beiden Bewegungen auf den
geladenen Teilchen führt zu den nicht-kreisrunden Spiralen,
die durch die Linien a, b und c der Fig. 1 angezeigt werden,
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was die Trennung der drei Bestandteile unterschiedlicher Beweglichkeiten zeigt. Der Drehungssinn jeder Spirale
is ι; bei einem nordmagnetischen Kern linksgängig für negative
Teilchen und rechtsgängig für r>ositive teilchen. Das Steigungsmass
jeder Spirale ist proportional der elektrophoretischen Beweglichkeit.
Erhöhungen des elektrischen Feldes verbessern nicht die Trennung
der verschiedenen Schlierenspiralen bei einer gegebenen Anzahl von Drehungen, weil eine Verdoppelung der Spannung,
obwohl sie die Vanderungsgeschwindigkeit verdoppelt, zugleich auch die Umdrehungsgeschwindigkeit der Pufferhülle
verdoppelt, so dass das Spiralensteigungsmass unver-, ändert bleibt. Trotzdem besteht in der Erhöhung des
elektrischen Feldes ein Vorteil, weil dies die Zirkulationsgeschwindigkeit der Hülle erhöht, wodurch eine Teilchensedimendation
wirksamer gehemmt wird.
Sowohl der Eisenkern 12 als auch der Lucite-Mantel 10a, 10b können, wie in den Fig. 3 bis i? für die Zirkulation des
fliessfähigen Külilmediums gezeigt, ausgehöhlt sein. Das
fliessfähige Kühlmedium kann beispielsweise Wasser sein, das durch ein gepacktes Bett von Eiswürfeln geleitet wird.
In dem Eisenkern ist ein Raum für ein Fenster 61 vorgesehen. Das Fenster kann beispielsweise aus Quarz oder einem anderen
geeigneten, lichtdurchlässigen Material hergestellt sein. Mit Gewinden versehene Löcher sind ebenfalls in dem Kern
angebracht, welche die Rohre 64 aufnehmen, durch welche
das Kühlmittel kreist. Das Fenster ist, wie beschrieben wird, bei der Messung, der unterschiedlichen elektrophoretisehen
Beweglichkeiten nützlich. Wie in den Fig. 2, 3 und 4- gezeigt, sind ähnliche Quarzfenster 62 in den Mantelabsehnitten
10a und 10b, fluchtend mit dem Fenster 61, vorgesehen. Diese Fenster gestatten die Beobachtung des Elektrolytbandes
und gestatten eine Beobachtung durch das Band hindurch, während es um den Kern 12 herumläuft.
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Bei einer Ausführur.gsform der Einrichtung, die konstruiert
wurde, wurde mit einem Isolierlack, wie Epoxylite 6001-M (Lieferfirme: EpoxyIite Corporation of South El Honte,
Californieii), ein isolierender Überzug über dem Kern 12
bereitgestellt. Dieser Überzug wurde dünn genug gemacht, damit eine gute Wanneableitung aus dem Elektrolytband
durch das fließfähige Kühlmedium, das im Kreislauf in
den Kern hinein?bröiate, wie in !'"ig. 3 gezeigt, ermöglicht
wurde, und dennoch wies der Überzug genügende Isoliereigenschaften auf, um beispielsweise 1 Kilo-Volt zu widerstehen.
Das Quarzferster 62 wurde in dem isolierten Kein
bei der konstruierten Ausfübrungsforai unter Verwendung von
beispielsweise General Electric RTV-112 Siliconkautschuk-Bindemittel
eingekittet. Eine Auslassöffnung >\0
gestattet die Entfernung von Luft, die in dem Kern eingeschlossen ist.
Der Stirnebschnitt 10a des Lucite-Mantels weist ein kreisrundes
Loch auf, das zur Aufnahme der Einspritzpumpe 16 darin gebildet wurde, und der Hantelabschnitt 10a weist
ebenfalls ein weites, längliches Loch darin für den Sammler 18 auf. Beide zuvor genannten Löcher können für einen
lecksicheren Sitz der Einspritzpumpe 16 und des Sammlers
mit Siliconkautschuk-O-Singen umgeben sein. Die Kühlabteile
28 können derart in die Abschnitte 10a und 10b des Mantels eingearbeitet sein, dass nur ein dünner Teil des
Mantelmaterials zwischen den Kühlabteilen 28 und dem kreisenden
Pufferelektrolytband bestehen bleibt, wie am besten in der Fig. 4 gezeigt ist. Auf diese Weise kann das fliessfähige
Kühlmedium in den Abteilen 28 wirksam herangezogen werden, um das Elektrolytband in Verbindung mit dem fliessfähigen
Kühlmedium, das durch den Kern kreist, zu kühlen, wie in der Fig. 3 gezeigt.
Die Einspritzpumpe 16 kann aus zwei Teilen bestehen, eiur:m
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rohrförmigen Hauptkörper, der "bündig mit der Innenwand des
Lucite-Mantels 1Ga endet, der bei spiels wei se die Form eines Lucite-Zylinders mit einem Durchmesser von 3 m^ aufweisen
kann. Die Einspritzpumpe kann auch, ein gläsernes Kapillarröhrchen
mit einer Bohrung von beispielsweise 0,2 mm und einem äusseren Durchmesser von 0,6 mm enthalten, das sich
durch den Lucite-Zylinder hindurch und in das Innere des Elektrolytbandes erstreckt. Dieses Röhrchen kann so angeordnet
sein, dass es eine Drehung von 90° nach unten macht
und dass seine Austrittsöffnung mittig in dem Ringraum endet- und gerade nach unten gerichtet ist.
Der Sammler 18 kann in Form einer flachen rechteckigen Plattß
aus Lucite beispielsweise vorliegen und kann 3 mm dick und
1915 nim breit mit abgerundeten Seiten sein. Der Sammler wird
durch den Abschnitt 10a des Mantels gedruckt, bis er an
dem Kern 12 anstösst. Der Sammler schneidet somit das kreisende Elektrolytpufferband, das in eine Reihe von beispielsweise
rechteckigen Kanälen, die in die Lucite-Platte des Sammlers mit Zwischenräumen von 1 mm eingefräst worden sind,
eintritt» Diese Kanäle können in dem Rohr, wie den Rohren 20, 22 und 24, enden, welche die getrennten Fraktionen nach
Prüfröhrchen oder anderen passenden Behältern transportieren können.
Beim Abziehen von fliessfähigem Medium aus dem sich bewegenden Pufferband durch den Sammler 18 wird das fliessfähige
Medium in dem Band zu' dem Sammler hin gezogen, so dass die Stromlinien aus ihrem regelmässigen, schraubenförmigen
Lauf verzerrt werden. Um diese Verzerrung zu vermeiden und die Strömungslinien zu begradigen, ist es wünschenswert,
dass unterhalb des Sammlers εο viel Lösung eingespeist wird, v.rie von oberhalb des Sammlers eintritt. Dann scheint
des Strömungsmuster kontinuierlich durch den Sammler hindurch zu treten, als ob dieser nicht vorhanden wäre. Um dies
zu bewerkstelligen, wird die Saiua-ler-a-usgleichs^orrichtung
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Ah
32 direkt unterhalb des Sammlers 18 durch den Mantelabschnitt
10a eingeführt.
Beispielsweise kann eine Sammlerausgleichs-Rohrleitung
in den Hantel unterhalb des Sammlers eingearbeitet werden.,
die vier Löcher speist, welche gleich weit voneinander entfernt sind und zu dem Pufferelektrolytband hin führen.
Zusammen mit dem Sammler bildet diese Ausgleichsrohrleitung ein Zufluss-Abfluss-Paar, dessen Strömung eingestellt wird,
indem zunächst die Ausflussrohre aus den Sammler erniedrigt !·· werden, bis die Ausflussgeschwindigkeit dieselbe ist wie ;
die Bandgeschwindigkeit. Bann beginnen die Schlieren, die normalerweise ungefähr parallel laufen, nicht merklich bei
der Annäherung an den Sammler zu konvergieren oder zu divergieren.
Der Zustrom durch die Sammlerausgleichsvorrichtung 32 wird so reguliert, dass das Steigungsiaass der spiralcnförmigen
Schliere nahezu einheitlich über ihre gesamte Bahn
hin wird. Dies vrird erreicht, wenn das Schlierensegment, das man durch die ManteIfenptor 62 und durch das Kernfenster
61 sieht und das hinter dem Kern auftaucLon sol1.,
sich im gleichen Abstand zwischen den benachbarten, an der
Stirnseite des Kernes absteigenden Schlierensegaer-ten befindet.
Die an den entgegengesetzten Enden de?" Mantels 10 befestigten
Vorratsbehälter 38 und 42 .sind bei der veranschaulichten
Ausführungsform rechteckig gestaltet und kommunizieren mit den entgegengesetzten Enden des periphären Durchganges
um den Kern 12 herum. Diese Vorratsbehälters dienen dazu, die Pufferlösung an das endlose FlÜBsigkeitßband
innerhalb des vorgenannten Durchgangs anzuliefern und ein Druckdifferential über das Band für einen gewünechten Betrag
an von linkr. nach rechts gerichteter Strömung der
Schlieren in Verbindung mit oder im Gegensatz zu der seitlichen Ablenkung der Schlieren, welche durch das zuvor
genannte elektrische Feld verursacht wird, herzustellen.
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Tunnel sind vorgesehen, wie die Tunnel 39 und 4-3 i*1 der
Fig. 2, welche sich durch die Vorratsbehälter 38 und 4-2
erstrecken und das Einführen der Stabmagnete 36 so, dass
sie, wie oben beschrieben, mit dem Kern 12 in Anstossbeziehung gebracht sind, gestatten.
* Die beiden Puffervorratsbehälter J-S und 4-2 stehen elektrisch
und hydraulisch durch das dazwischenliegende Elektrolytpuff er-Flüssigkeit sband in Verbindung. Zur Verhinderung
i thermischer Konvektion an den Kanten, an denen das
. Flüssigkeitsband und die Puffervorratsbehält^r angrenzen,
': können gestreckte Ringe aus beispielsweise Polyurethan-
I . schaum, wie sie als 68 in der Fig. 2 bezeichnet sind, an
I den Verbindungsstellen des Flüssigkeitsbandes und der Pufa
fervorratsbehälter eingeführt werden. Die Wärmeaustauscher
I · 44· und 46 in den Puffervorratsbehältern 38 und 42 können
J beispielsweise in Form von isolierten Messingwärmeaustau-
I scherplatten, die in die Wand jedes Pufferabteils einge-
,* baut sind, vorliegen, und ein passendes Kühlmittel wird
i zum Kühlen/der Pufferlösung in den Vorratsbehältern zir-
I kuliert.
t In einigen der zum bekannten Stand der Technik gehörenden
ι Elektrophoresezellen wird die Spannung über die Elektrolyt-
t lösung hin durch Elektroden angelegt, die von den Puffer-
I vorratsbehälter^! durch Membrane getrennt sind, die bei-
i Bpielsweise aus Cellophandialysierschlauch hergestellt sind.
* Zur Entfernung der Produkte der Elektrodenreaktionen in
derartigen zum bekannten Stand der Technik gehörenden ZeI-
,, · lon muss frische Pufferlösung beständig-durch die Elektro-
i denabteile im Kreislauf geführt werden, damib die Pufferlösung
in den Elekbrodenabtollen bei einer konstanten Zu-·
' sammensetzung gehalten wird. Eine solche Arbeitsvreiüo ge--
^- wiihrloujtet jedoch nicht, ein or; die lonorikonzontratiün in
den PuTfervorratßbehältern Lenstaut bleibt, wie sie es v;äre,
v/enn Ionen durch die Fufforvorrntsbehälter von Käthedo zu
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AH .
Anode und umgekehrt vollständig unbeeinflusst durch die zum bekannten Stand der Technik gehörenden Membrane wandern
würden. Um Verschiebungen der lonenkonzentration zu vermeiden,
werden die Menbranen in der erfindungsgemässen Einrichtung vermieden.
Statt dessen liess man, um die Elektrodenreaktionsprodukte
zu entfernen, dit Lösung reibst an den Elektroden vorbei und von den Puffervorratsbehältem 38 und 42 weg mit einer
grösseren Geschwindigkeit als der elektrophoretisch^ Ge- ;
schwindigkeit der Ior?en fliessen. Die Membrane gemäss den
Lehren des bekannten Standes der Technik werden in der hier ' veranschaulichten Einrichtung durch Diaphragmen ersetzt,
und zwar derart, wie das Diaphragma 52 in der Fig. 2. Diese *
Diaphragmen beispielsweise können aus Lucite hergestellt sein und 3 mm dick sein und Löcher enthalten, so dass
für die Pufferströmung und elektrische Ströme gesorgt ist, ohne dass eine freie konvektive Durchmischung zwischen den
Pufferabteilen und den Elektrodenabteilen erlaubt wird.
Wenn Pufferlösung in die Puffervorratsbehälter 39 und 42
eingeleitet wird, strömt sxe aus den Puffervorratsbehältem in die benachbarten Elektrodenabteile, wie die Abteile 50»
und die Lösung fliesst durch die Rohre 51 (Fig. 2) aus.
Um zu verhindern, dass Blasen, die durch die Elektrolyse gebildet werden, die Rohre 51 verstopfen, erfolgt die
Strömung in dem Elektrodeiiabteil aufwärts und über Balkone 53, wo die Blasen an die Oberfläche aufsteigen, und die
Pufferlösung fliesst langsam hinab in die Rohre 51·
Die Pufferlösung kann zu den Vorratsbehältern 38 und 42 hin
und von ihnen weg, wie in der Fig. 6 gezeigt, und durch entsprechende Rohrleitungen 102 und 104, die an eine Pufferquelle
oder einen Abfluao 100 angeschlossen sind, gefördert
werden. Die Strömung der Pufferlösung durch die Rohrleitun-
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gen kann "beispielsweise durch die Ventile 106 und 108
in der jeweiligen Rohrleitung oder durch irgendein anderes
geeignetes Mittel kontrolliert werden. Die Unterschied im Flüssigkeitspegel zwischen den "beiden Pufferabteilen und
infolgedessen der Druckunterschied über das Elektrolytband
hin und der Betrag der von links nach rechts gerichteten Strömung des Elektrolytbandes können beispielsweise durch
Eegulieren der Ventile 106 und 108 gesteuert werden.
Es ist daher einleuchtend, dass beim Betrieb der erfindungsgemässen
Einrichtung die Elektrolytpufferlösung derart zu der Zelle gegeben wird, dass das fliessfähige Medium
auswärts weg vom Mittelpunkt der Zelle und zu den Elektroden hin fliesst und das fliessfähige Medium die Elektroden
passiert, und Über sie hinaus strömt, um schliesslich aus der Zelle
durch die Rohre 51 ausgetragen zu werden. Die Belegung der Pufferlösung
nach den Elektroden hin und an ihnen vorbei transportiert die Elektrolyseprodukte, die an den Elektroden
erzeugt werden, fort und erlaubt keinem dieser Produkte, den Mittelpunkt der Zelle durch Elektrowanderung zu erreichen.
Auf diese Weise ist die felektrophoretische Säule gegen
jegliche Änderung der Elektrolyt-Zusammensetzung geschützt. Wie bei den speziellen Vorrichtungen, die in den Fig. 1
bis 5 dargestellt werden, aufgezeigt wird, ist es nicht . nötig, die Elektroden von der übrigen Zelle, durch Membrane,
wie es bei der zwi bekannten Stand der Technik gehörenden
Einrichtung erforderlich war, abzutrennen.
Ein Merkmal der Einrichtung sind auch die Fenster 61 und 62, die sich direkt durch die Mantelabschnitte 10a und 10b
und. durch den zentralen Kernabschnitt 12 erstrecken. Diese
Fenster gestatten, wie oben beschrieben, die Beobachtung
im el Ausrichtung der Schlieren, wenn sie mit dem sich bewegenden
Band der Elektrolytpufferlösung an der »Stirnseite" der Einrichtung absteigen und an dor Rückseite aufsteigen.
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Die Fenster können aus Glas bestehen; sie können jedoch auch
aus einem anderen Material, wie Quarz, wie oben beschrieben, I
zusammengesetzt sein. Quarzfenster sind insofern vorteilhaft,
als sie die Verwendung von ultraviolettem Licht, beispiels- ί
weise zum Photographieren der getrennten Schlieren für
die analytische Untersuchung gestatten. Es sei darauf hin- t gewiesen, dass ein Abtastsystem in Verbindung mit den Fen- \
stern verwendet werden kann, durch das ein dünnes Bündel von sichtbarem oder ultraviolettem Licht hinter den Fenstern
im rechten Winkel zur Strömungsrichtung der Schlieren be- > wegt wird, so dass der Abtastvorgang die Anzahl und Lage · \
der verschiedenen elektrophoretisehen Fraktionen bestimmen
Wie in der Fig. 2 gezeigt wird, ist die ganze Einrichtung s
zweckmässigerweise für Reinigungszwecke z. B. auseinandernehmbar« Die Fenster selbst können entfernbar im Hantel
und in dem Kern beispielsweise mittels passenden Dichtungen angebracht sein. Dies erlaubt, dass die Fenster selbst
für Keinigungszwecke herausgenommen v/erden können, ohne
dass die ganze Zelle abgebaut werden muss. Es ist klar, dass die Fenster äusserst sauber sein müssen, um Lichtstreuung
zu vermeiden, wenn die verschiedenen Fraktionen in den einzelnen
Schlieren durch Lichtstreuung beobachtet werden sollen. Sind die äusseren Fenster herausnehmbar, so ist es beispielsweise
eine einfache Angelegenheit, sie zu entfernen und zu säubern und sie dann wieder einzusetzen.
Es ist auch möglich, daß kreisende Band durch einen sich bewegenden
Vorherig der Pufferlösung zu ersetzen, in v.'olchom
Fa].Ie dfjr lumore Kern nicht notwendig ist und die ganze Zelle
lichtdurchlässig gemacht vrorden uml zur Beobachtung flor
Schlieren in der Pufferlösung heranfxesoßon werde::·! kann. Überdies
kanu maxi dit. Pufferlösung voran]ar;son, ihren Weg ai>
dein I'unkt der optischen Leobachtuuf: zu ändern, so öayi.; κ an
- 16 ■
3 ü 9 8 1 <J / 0 9 0 ?
BAD ORiGINAl.
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AT-
statt direkt durch, das Band oder den Vorhang zu schauen,
der so dünn sein kann, dass Schwierigkeiten bei der Beob- i achtung der Schlieren auftreten, den Vorhang eine Strecke
entlang des optischen Weges wandern lässt, um so die einzelnen Schlieren leichter beobachten zu können.
Statt dass auf die Zelle, wie oben beschrieben, ein Gleich- f' strom angewandt wird, kann ein Rechteckstrom von beispiels··
\ weise sehr niedriger Frequenz eingeleitet werden. Bei- 1 ' spielsweise kann man den Strom mehrere Minuten lang nach
rechts und dann mehrere Minuten lang nach links fliessen
4 lassen uötf· Daraus ergibt sich, dass die elektrochemischen
$ Vorgänge in den ElektrodenabtGilen, wie den Abteilen 50
i der Fig. 2, beständig neutralisiert werden, so dass keine I raschen elektrochemischen Verschlechterungen und Änderungen)
I des fliessfähigen Mediums eintreten, und es folgt daraus
auch, dass man viele Analysen innerhalb der Intervalle, I in denen der Strom in der richtigen Eichtung fliesst, durch-
*· führen kann und den Puffer nicht verändern, noch eine rasche ·
ι* Pufferströmung durch das Einsatzstück aufrechterhalten muss.
1S In die oben beschriebene Einrichtung kann auch ein Nachweis-
I farbstoff in das kreisende Band der Pufferlösung eingeführt werden; dieser die Spur aufzeigende Farbstoff kann elektro-
I phoretisch wandern oder auch nicht. Dann kann mit dem Nach.-
i weisfarbstoff eine Schliere in dem Vorhang der Pufferlösung
\ erzeugt werden, die dazu dient, ein oder mehrere Li.ch.t-
S strahlenbündel, wie die Lichtstrahlenbündel A und B in der
;; Fig. 6 aus den entsprechenden Lichtquellen "A" und "B",
j die durch die Fenster 61 und 62, wie gezeigt, hindurch treten,
t zu kreuzen. Die Lichtstrahlenbündöl werden durch entspre-
i chende Photo ζ eil en, die als Photozelle flA"'und Photozelle "B"
> bezeichnet v/erden, nachgewiesen, und die sich ergebenden
( elektrischen Ströme werden durch die Verstärker 110 und
< verstärkt und die verstärkten Signale in ein passendes
* Servo-Steuersystem 114 eingegeben.
ι
·
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■.-V' . · - · BAD ORIGINAL *
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283 :
At
Sobald die Schlieren in dem Vorhang der Pufferlösung die entsprechenden Lichtstrahlen Λ und B kreuzen, antwortet
das Servo-Steuersystem 114 auf die aus den Verstärkern 110
und 112 herkommenden Signale und steuert die Ventile 106
und 108. Die Steuerung erfolgt so, dass die Geschwindigkeit,
mit der Pufferlösung in die Vorratsbehälter Jß und 42
eingeleitet oder daraus entfernt wird, geregelt und dadurch,
der Betrag der von rechts noch links gerichteten Bewegung der Pufferlösung in dem Band derart gesteuert wird, dass
die Nachweisfarbstoff-Schliere in vorherbeβtimmter Beziehung
zu den Photozellen gehalten wird, um eine beständige Sammlung getrennter Fraktionen zu gewährleisten. -
Zusammenfassung "
Bereitgestellt wird eine stabilisierte, elektrophoretisch^
Einrichtung für eine freie Elektrophorese bei kontinuierlicher Strömung zum Trennen von Fraktionen eines chemischen
oder biologischen Stoffes und zum Beobachten und Messen der Beweglichkeiten solcher Fraktionen. Die Einrichtung
sieht das Einspeisen des zu bearbeitenden Materials in ein Band aus einem fließsfähigen Medium einer Elektrolyt-Pufferlösung
unter Ausbildung einer Schliere vor, wobei die Hülle aus dem fliessfähigen Medium und die Schliere durch
die vereinigte Wirkung eines elektrischen Stromes, der durch die Pufferlösung fliesst, und eines Magnetfeldes in eine
spezielle Richtung hin bewegt werden. Es wird ein elektrisches Feld bereitgestellt, das praktisch senkrecht zu der
Bewegungsrichtung des Bandes aus dem fliessfähigen Medium gerichtet ist, und dieses Feld bewirkt eine elektrophoretische
Wanderung der geladenen teilchenförmigen Bestandteile der Schliere und lenkt 3ie dadurch aus ihrer normalen Bahn
ab. Die Einrichtung ist so konstruiert, dass sie ein Fenster
enthält und somit ein optischer Weg durch das Band aus
dem flieBsfähigen Medium geschaffen wird, damit die elektro-
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Claims (12)
1. Elektrophoretische Einrichtung, enthalten«-".
ein Ge fass, das eine Elektrolytlösung in vorgeschriebener
Anordnung enthält;
eine Vorrichtung zum Einleiten einer Lösung oder Suspension
von Teilchen in die genannte Elektrolytlösung; eine Vorrichtung zum Bewegen der gent>nnten Elektrolytlösung
relativ zum Einleitungspunkt dsr genannten Lösung oder Teilchensuspension, so dass ein schlierenähnlicher
Weg der genannten eingeleiteten Lösimg oder Suspension geschaffen wird;
eine Elektrodenvorrichtung, die ein elektrisches Feld, das praktisch quer zu dem genannten schlierenähnlichen
Weg gerichtet ist, erzeugt und das genannte, einge- · ■
leitete Material in der Richtung des genannten elektrischen Feldes elektrophoretisch wandern lässt, wobei
der genannte ßchliereiiähnliche iVeg quer zur Bewegungsrichtung
der genannten Elektrolytlösung durch das genannte elektrische Feld abgelenkt wird;
wobei die genannte Elektrodenvorrichtung ■ in der
Elektrolytlösung angrenzend an und in elektrischer und hydraulischer, durch dazwischenliegende Membrane nicht
behinderter Berührung mit der Elektrolytlösung in der Gegend des schlierenähnlicJien Weges angeordnet ist;;
eine Vorrichtung zum Einführen eines Stroms der genannten Elektrolytlösung hinter der genannten Elektroden
vorrichtung in einer von der Gegend der schlierenähnlichen Wege abgewondton Richtung, um durch die genannte
Elektrodenvorrichtung erzeugte Elektrolyseprodukto viegzutransportieren.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
sic eine Pen Gärvorrichtung enihiilt, die für einen optischen
Wog durch die genannte· Elektrolytlösung sorgt.
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3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Magnetkern und einen den genannten Kern
umgebenden Mantel enthält, so dass die genannte Elektrolytpufferlösung veranlasst wird, als ein endloses
Band ure ,den genannten Kern herum zu strömen.
4. Einrichtung nach Anspruch 3? dadurch gekennzeichnet,
dass die genannte Fenstervorrichtung derart in dem- genannten
Mantel und in dem genannten Kern angeordnet ist, dass der genannte optische V/eg durch das endlose
Band der Elektrolytpufferlösung geschaffen wird.
5· Einrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet,
dass die genannte Fenstervorrichtung in dem genannten
Mantel entfernbar ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet,
dass die genannten Fenstervorrichtungen aus einem Material bestehen, das den Durchtritt von ultraviolettem
Licht durch sie hindurch gestattet.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte, vorgeschriebene Anordnung eine
einem endlosen Band ähnliche Anordnung ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine magnetische Vorrichtung enthält, die
mit dem genannten Kern zur Erzeugung eines Magnetfeldes in einer Richtung verbunden ist, so dass die Pufferlösung
veranlasst wird, um den genannten Kern herum zu fliesseil.
9. Einrichtung nach Anspruch 1, .'"U1 du roh gekennzeichnet,
dans die zuletzt genannte Vorrichtung einen ersten und
einen zwc:. >
en Vorratsbehälter für clv. Elektrolytlösung
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an gegenüberliegenden Seiten des Weges der sich bewegenden Elektrolytlösung, welche Schlieren von eingeführtem
Material enthält, und eine Vorrichtung zum Einleiten von Elektrolytlösung in die genannten Vorratsbehälter
und zum Entfernen von Elektrolytlösung aus den genannten Vorratsbehältern enthält, so dass
die Strömungskoinponente der genannten, sich bewegenden
Elektrolytlösung entlang der Richtung des elektrischen Feldes gesteuert wird.
10. Einrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, ,
dass sie ein Servo-Steuerungssystem zum Steuern der Strömung in die genannten Vorratsbehälter hinein oder
aus ihnen heraus enthält, so dass die Strömungskomponente der genannten Elektrolytlösung entlang der Richtung
des genannten elektrischen Feldss derart gesteuert wird, dass zu jeder Zeit der Durchgang von mindestens
einer Schliere durch einen vorherbestimmten Punkt, der von dem Einspeisungspunkt entfernt ist, sichergestellt
ist.
11. Einrichtung nacli Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
dass sie einer Vorrichtung, um mindestens ein Lichtstrahl enbündel entlang eines optischen Weges durch die
genannte Elektrolytlösung so zu lenken, dass es selektiv von einer Schlier? in der genannten Elektrolytlösung
gekreuzt v;irtl, und eine Photozellenvorrichtung enthält,
die auf das genannt; ο Licht strahlenbündel und dessen
Kreuzung zur i'louerung de« genannten Servo-Steuerungssystemö
anspricht.
12. Einrichtung nach Anbruch 1 , dadurch gekennzeichnet,
dass der durch die genannte E.lekLrodonvorrichtung erzeugte,
elektrische SbroiAfluüs durch clic genannte Lösung
periodiach umgekehrt wird.
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Zz .
13· Elektrophoretisch^ Einrichtung, enthaltend:
ein Gefäss, das eine Elektrolytlösung in einer vorgeschriebenen Anordnung enthält;
eine Vorrichtung zum Einführen eines Lösung odea? Suspension
von Teilchen in die genannte Elektrolytlösung; eine Vorrichtung zum Bewegen der genannten Elektrolytlösung
relativ zu dem Einführungspunkt der genannten Lösung oder Teilchensuspension, wodcrch ein schlierenähnlicher
Weg der genannten eingeführten Lösung oder Suspension geschaffen wird;
eine Elektrodenvorrichtung, die ein elektrisches Feld
praktisch quer zu dem genannten schlierenähnlichen Wog
erzeugt, das die elektrophoretisch^ Wanderung des genannten eingeführten Material in Richtung des genannten
elektrischen Feldes "bewirkt, wobei der genannte schlierenähnliche
Weg quer zur Bewegungsrichtung der genannten Elektrolytlösung durch das genannte elektrische PeId abgelenkt
wird, wobei der durch die genannte Elektrodenvorrichtung
erzeugte, elektrische ßtromfluss durch die genannte Lösung periodisch umgekehrt wird.
Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
dass die genannte vorgeschriebene Anordnung eine einemendlosen
Band ähnliche Anordnung ist.
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