DE2254257A1 - Elektrophorese-einrichtung mit fliessendem band - Google Patents

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; .·■..,

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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 ^; ausgeübt_uwird. 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. '

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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.

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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 iO_t 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-,

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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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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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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 df^jr 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

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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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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)

2» P a t e n. t a η s ρ r ü ehe

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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