WO1980000615A1 - Process and installation for the continuous preparative separation of molecules and similar particules - Google Patents

Process and installation for the continuous preparative separation of molecules and similar particules Download PDF

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WO1980000615A1
WO1980000615A1 PCT/DE1979/000108 DE7900108W WO8000615A1 WO 1980000615 A1 WO1980000615 A1 WO 1980000615A1 DE 7900108 W DE7900108 W DE 7900108W WO 8000615 A1 WO8000615 A1 WO 8000615A1
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/447—Systems using electrophoresis
    • G01N27/44756—Apparatus specially adapted therefor
    • G01N27/44769—Continuous electrophoresis, i.e. the sample being continuously introduced, e.g. free flow electrophoresis [FFE]

Definitions

  • the invention relates to a method and devices for the continuous preparative separation of molecules and similar particles and relates in particular to a carrier electrophoresis method and devices for carrying them out.
  • the method has the major disadvantage that the solvent has to flow between the glass plates over a longer distance without turbulence. Since the electric field inevitably leads to considerable heat generation, the required freedom from turbulence can only be achieved to a limited extent even with the help of a complex cooling system. Furthermore, since the particle separation achievable by the electric field is proportional to the electric field strength and thus the heat development, a compromise must be found between the flow path and the electric field strength or between particle separation performance and cooling effort, by which the efficiency of the arrangement is determined.
  • carrier electrophoresis electrophoresis of proteins in polyacrylamide and starch gels, AH Gordon, North-Holland Publishing Company, 1974
  • the problems explained above occur to a much lesser extent, since the particles to be separated are mostly separated move a carrier medium consisting of a gel in which hardly any turbulence can occur.
  • carrier electrophoresis has the fundamental disadvantage that continuous operation is not possible, with the result that only a certain discontinuous sample amount can be separated at a time. If the particles are to be used for preparation, they also have to be removed from the gel after cutting the gel in this method, which is mostly used for the analysis of particle mixtures, which is associated with considerable effort.
  • the object of the invention is therefore to enable continuous electrophoresis with turbulence-free particle separation without the need for a significant cooling effort.
  • this object is achieved in that a solid-state carrier medium which receives the solvent with the particles to be separated is transported continuously in the electric field.
  • the disadvantages of carrier-free electrophoresis which exist in particular in turbulence and the requirement for high cooling expenditure, are avoided and the main advantage, which is free of turbulence, of carrier electrophoresis is used to achieve a continuous preparative carrier electrophoresis.
  • the solid-state carrier medium to be arranged on an endless conveyor belt moving perpendicularly to the field lines of a homogeneous electrical field or on a turntable designed as a disk and rotating in a homogeneous or inhomogeneous field , or that the solid-state carrier medium is designed as a cylinder rotating in an electrical field.
  • FIG. 1 shows a side view of a first embodiment of the device for carrying out the electrophoresis method according to the invention
  • FIG. 2 shows a top view of the device according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a plan view of a modified embodiment of the device according to FIG. 2,
  • FIG. 4 shows a side view of a second embodiment of the device for carrying out the electrophoresis method according to the invention
  • FIG. 5 shows a front view of the device according to FIG. 4,
  • FIG. 6 shows a top view of the device according to FIG. 4 or FIG. 5,
  • FIG. 7 shows a plan view of a modified embodiment of the device according to FIG. 4 or FIG. 5,
  • FIG. 8 shows a plan view of a further embodiment of the device according to FIG. 7,
  • FIGS. 4-7 shows a schematic illustration to illustrate particle trajectory curves in the devices according to FIGS. 4-7.
  • 10 is a sectional view of a third embodiment of the device for carrying out the electrophoresis method according to the invention, 11 shows a top view of the device according to FIG. 10.
  • 1 shows a first embodiment of the device for carrying out the continuous electrophoresis method according to the invention.
  • 1 consists of an infinite band of a carrier medium (1) (z. B. a gel).
  • the carrier medium is held on the inside by a conveyor belt (2) and on the outside by a housing (3).
  • the conveyor belt (2) is supported on the inside.
  • Rollers (4) are connected to a motor that moves the conveyor belt (2) and thus the carrier medium.
  • the conveyor belt (2) must have a greater frictional resistance than the housing (3).
  • Electrodes (5) (Fig. 1, 2, 3) are arranged on the side of the carrier medium (1) in an electrode chamber.
  • the particles to be separated, e.g. B. molecules are in a container (6) (Fig. 1, 2, 3) in solution.
  • the solution soaks the carrier medium (1) and is also in the two chambers for the electrodes.
  • Two methods can now be used to introduce the molecules into the carrier:
  • An additional electric field is used, for which purpose an additional electrode is attached in the container (6), while the other electrode is arranged in a tube (7).
  • the particles now move with the revolving carrier medium and, depending on the size, are simultaneously u. Charge drawn to the electrodes (5). After the molecules have been separated, there are again two options for their removal from the carrier medium.
  • the molecules can be collected on the sides in front of the electrodes (5) (Fig. 2) in many small containers (8) (Fig.2). These containers are open to the positive electrode according to FIG. 2. (The case in which the particles to be separated are negatively charged is dealt with here. In the case of positively charged particles, the electrodes must be reversed.)
  • the molecules are then separated from the electrode by means of a membrane (9) (FIG. 2). This membrane is intended to hold back the particles to be separated, but to let the solvent through.
  • the particles are then concentrated in the containers (8) and can be removed as desired. However, the volume removed must be replaced with fresh solvent.
  • the particles or molecules are collected on the opposite side of the feed from containers (10) (Fig. 3). Again, there are two options for removing the particles from the carrier medium and collecting them in the containers (10).
  • a flow of the middle of the solution between the tubes (11) and (12) can be generated by a pump.
  • the particles are carried along with this current.
  • the containers (10) are again separated from the tube (12) by a membrane.
  • the membrane retains the particles and allows the solvent to pass through, thereby enriching the particles in the containers (10).
  • the tube (11) is towards the container tern (10) open. It can be above or below the conveyor belt (2). If it is below, the conveyor belt (2) must be permeable to the solvent.
  • This (elution) device can mainly be used for carriers which are well permeable to liquids.
  • the collecting device and the feed do not have to be arranged at the end or beginning of the device, but can be displaced in parallel at any point, but as far apart as possible.
  • FIG. 4 to 9 show a second embodiment of the device for carrying out the continuous electrophoresis method according to the invention.
  • the carrier medium is rotated in the electric field.
  • the carrier medium (1) (Fig. 4, 5, 6, 7, 8) lies on a turntable (22) (Fig. 4.5) which is driven by a motor (23).
  • the dissolved particles to be separated are in a container (25). They are introduced with the help of an electric field or with a pump centrally or a little outside the cerium of the carrier medium. If the particles are introduced with a pump, the shaft to the motor is designed as a hollow shaft, the bore (24) of which leads to a pump. If the particles are introduced by an electric field, an electrode is arranged in the container (25) (FIGS. 4, 5).
  • the associated second electrode is then located in a hose which is drawn as a riser pipe up to the liquid level of the container (25).
  • the turntable (22) must be porous at least in the center.
  • the particles then follow the rotational movement of the carrier medium and are simultaneously drawn towards the electrodes (26) (Fig. 6, 7).
  • the electrodes and the carrier medium are in the solvent of the particles to be separated.
  • the following differential equation applies to the trajectory of the particles with central introduction:
  • the particles can be collected tangentially to the carrier disk or the turntable (22) in many containers (27) (Fig. 7).
  • the containers are open towards the carrier disk or the turntable (22) and are delimited in the direction of the electrodes by a membrane.
  • the particles are collected in these containers and can be removed continuously.
  • the particles can be removed perpendicular to the carrier disk through many containers (28) (Fig. 6, 4, 5), which can be done by an additional electric field.
  • One associated electrode is arranged in a container (29) (FIG. 4), that of containers (28) through a membrane is separated.
  • the membrane is permeable to solvents and retains the particles to be separated.
  • the other electrode is located in a riser pipe (21), which is located below the porous turntable (22).
  • the particles can also be pumped from the carrier medium into the collecting container by a pump.
  • a peristaltic pump is suitable for this purpose, which is arranged between the riser pipe (21) and the container (29).
  • the feeding of the particles does not have to take place in the center of the carrier medium (1) (FIGS. 4, 5), but can take place at any point.
  • the removal of the separated particles is expediently carried out by means of a peristaltic pump, the liquid is removed from the containers (28) and at the same time solvent is fed into it. Similarly, the feeding of new material can take place. The fresh material is then fed into the bottom of the container (25) and solvent is removed near the surface.
  • the feed and removal points can be separated by a membrane.
  • the tubes (12) (Fig. 4, 5, 6, 7) are risers for bubbles that form on the electrodes.
  • the carrier medium is shaped as a hollow cylinder (31).
  • the particles to be separated are initially in solution in the container (32). Electrical voltage is applied to the electrodes (33) and (34), as a result of which the particles are drawn into the carrier medium (31).
  • the carrier medium designed as a hollow cylinder is set in rotation with constant angular velocity. Depending on their size and charge, the particles then move in a fixed coordinate system on spirals with different gradients and can be collected separately in the containers (35).
  • the containers (35) are separated from the electrode (34) by a membrane which retains the separated particles and lets the solvent through.
  • Rods (36) serve as a holder.
  • a riser (37) is used to discharge bubbles that arise at the electrode (34).
  • the liquid level reaches the level in the container (32).
  • Field gradients can also be applied by thickening, bulging or narrowing of the carrier medium. Density or pH gradients can also be applied in the carrier.
  • partition walls can be built into the carrier medium, which hold back the particles to be separated.
  • all versions of the electric field can be replaced by any other force field

Abstract

Molecules and similar particules are separated by a continuous process of preparative electrophoresis based on the difference of migration speeds. In this process, a solid carrier medium (1) carries the solvant and the particules to be separated continuously in an electrical field. The solid carrier medium is carried without any turbulence and without any important cooling and substantially perpendicularly to the lines of the electrical field, on a transport band (1), a rotating plate (22) or on a rotating cylinder (31). The particules, respectively the molecules, are separated from the electrodes and may be removed continuously.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen präparativen Trennung von Molekülen und ähnlichen Partikeln.Method and device for the continuous preparative separation of molecules and similar particles.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur kontinuierlichen präparativen Trennung von Molekülen und ähnlichen Partikeln und bezieht sich insbesondere auf ein Träger-Elektrophoreseverfahren sowie Vorrichtungen zu deren Durchführung.The invention relates to a method and devices for the continuous preparative separation of molecules and similar particles and relates in particular to a carrier electrophoresis method and devices for carrying them out.
Die Trennung von Molekülen und anderen Partikeln, wie z. B. Zellen, ist in der Biologie und Chemie ein zentrales Problem, das insbesondere bei der Trennung von Proteinen auftritt. Bei solchen geladenen Teilchen kann zur Trennung die unterschiedliche Wanderungsgeschwindigkeit in einem elektrischen Feld ausgenutzt werden, was in Form der sogenannten präparativen oder analytischen Elektrophorese geschieht. Während bei der analytischen Elektrophorese die Proteine nur identifiziert werden sollen, wird bei der präparativen Elektrophorese mit den getrennten Teilchen weitergearbeitet. Es sind mehrere diskontinuierliche Elektrophoreseverfahren bekannt. Das einzige Elektrophoreseverfahren, das einen kontinuierlichen Betrieb erlaubt, ist derzeit das sogenannte kontinuierliche Freifluß- Elektrophoreseverfahren ("continuous free-flow-elektrophoresis") , wie es z. B. aus Chromatography Erich Heftmann, van Nostrand-Reinhold Company, 1975, oder von Seiler, N. , Thobe, J. , Werner, "G. Zeitschrift für analytische Chemie 252; 179-182, bekannt ist. Bei dieser Elektrophorese handelt es sich um eine sogenannte trägerfreie Elektrophorese, bei der ein Lösungsmittel zwischen zwei Glasplatten senkrecht zu einem elektrischen Feld fließt, wobei an beiden Seiten der Glasplatten Elektroden zur Er- zeugung des elektrischen Feldes angebracht sind. Als Teilchen werden z. B. Proteine in den Lösungsmittelstrom eingebracht, von diesem mitgeführt und je nach Ladung und Größe zu den Elektroden hingezogen, wodurch ihre Trennung erfolgt. Das Verfahren weist jedoch den wesentlichen Nachteil auf, daß das Lösungsmittel zwischen den Glasplatten über eine längere Strecke turbulenzfrei strömen muß. Da das elektrische Feld zwangsläufig zu einer erheblichen Wärmeerzeugung führt, ist die erforderliche Turbulenzfreiheit auch mit Hilfe eines aufwendigen Kühlungssystemes nur bedingt erzielbar. Da ferner die durch das elektrische Feld erreichbare Teilchentrennung der elektrischen Feldstärke und damit der Wärmeentwicklung proportional ist, muß ein Kompromiß zwischen Strömungsstrecke und elektrischer Feldstärke bzw. zwischen Teilchen-Trennleistung und Kühlaufwand gefunden werden, von dem der Wirkungsgrad der Anordnung bestimmt ist. Zwar treten bei der sogenannten Träger-Elektrophorese (electrophoresis of proteins in polyacrylamid and starch gels, A.H. Gordon, North-Holland Publishing Company, 1974) die vorstehend erläuterten Probleme in einem wesentlich geringerem Maße auf, da sich die zu trennenden Teilchen hierbei in einem meist aus einem Gel bestehenden Trägermedium bewegen, in dem kaum Turbulenzen auftreten können. Die Träger-Elektrophorese weist jedoch den grundlegenden Nachteil auf, daß kein kontinuierlicher Betrieb möglich ist, was zur Folge hat, daß stets nur eine bestimmte diskontinuierliche Probemenge getrennt werden kann. Falls die Teilchen einer präparativen Verwendung zugeführt werden sollen, müssen sie darüberhinaus bei diesem meist zur Analyse von Teilchengemischen verwendeten Verfahren wieder nach Zerschneiden des Gels aus diesem entfernt werden, was mit erheblichem Aufwand verbunden ist. Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine kontinuierliche Elektrophorese mit turbulenzfreier Teilchentrennung ohne das Erfordernis eines erheblichen Kühlaufwandes zu ermöglichen.The separation of molecules and other particles, e.g. B. cells, is a central problem in biology and chemistry, which occurs particularly in the separation of proteins. In the case of such charged particles, the different migration speeds in an electric field can be used for separation, which takes the form of so-called preparative or analytical electrophoresis. While the proteins are only to be identified in the analytical electrophoresis, the preparative electrophoresis continues with the separated particles. Several batch electrophoresis methods are known. The only electrophoresis method that allows continuous operation is currently the so-called continuous free-flow electrophoresis method ("continuous free-flow electrophoresis"), as z. B. from Chromatography Erich Heftmann, van Nostrand-Reinhold Company, 1975, or from Seiler, N., Thobe, J., Werner, "G. Journal of Analytical Chemistry 252; 179-182, is known. This is an electrophoresis is a so-called carrier-free electrophoresis, in which a solvent flows between two glass plates perpendicular to an electrical field, electrodes on both sides of the glass plates being used for detection. generation of the electric field are attached. As particles z. B. Proteins introduced into the solvent stream, carried along by it and, depending on the charge and size, drawn towards the electrodes, as a result of which they are separated. However, the method has the major disadvantage that the solvent has to flow between the glass plates over a longer distance without turbulence. Since the electric field inevitably leads to considerable heat generation, the required freedom from turbulence can only be achieved to a limited extent even with the help of a complex cooling system. Furthermore, since the particle separation achievable by the electric field is proportional to the electric field strength and thus the heat development, a compromise must be found between the flow path and the electric field strength or between particle separation performance and cooling effort, by which the efficiency of the arrangement is determined. In so-called carrier electrophoresis (electrophoresis of proteins in polyacrylamide and starch gels, AH Gordon, North-Holland Publishing Company, 1974), the problems explained above occur to a much lesser extent, since the particles to be separated are mostly separated move a carrier medium consisting of a gel in which hardly any turbulence can occur. However, carrier electrophoresis has the fundamental disadvantage that continuous operation is not possible, with the result that only a certain discontinuous sample amount can be separated at a time. If the particles are to be used for preparation, they also have to be removed from the gel after cutting the gel in this method, which is mostly used for the analysis of particle mixtures, which is associated with considerable effort. The object of the invention is therefore to enable continuous electrophoresis with turbulence-free particle separation without the need for a significant cooling effort.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein das Lösungsmittel mit den zu trennenden Partikeln aufnehmendes Festkörper-Trägermedium kontinuierlieh in dem elektrischen Feld transportiert wird.According to the invention, this object is achieved in that a solid-state carrier medium which receives the solvent with the particles to be separated is transported continuously in the electric field.
Erfindungsgemäß werden somit die insbesondere in Turbulenzen und dem Erfordernis eines hohen Kühlaufwandes bestehenden Nachteile der trägerfreien Elektrophorese vermieden und der in Turbulenzfreiheit bestehende wesentliche Vorteil, der Träger-Elektrophorese zur Erzielung einer kontinuierlichen präparativen Träger-Elektrophorese ausgenutzt.According to the invention, the disadvantages of carrier-free electrophoresis, which exist in particular in turbulence and the requirement for high cooling expenditure, are avoided and the main advantage, which is free of turbulence, of carrier electrophoresis is used to achieve a continuous preparative carrier electrophoresis.
In Bezug auf die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen hierbei die Möglichkeiten, daß das Festkörper-Trägermedium auf einem senkrecht zu den Feldlinien eines homogenen elektrischen Feldes bewegten Endlos-Transportband oder einem als Scheibe ausgebildeten und in einem homogenen oder inhomogenen Feld rotierenden Drehteller angeordnet ist, oder daß das Festkörper-Trägermedium als in einem elektrischen Feld rotierender Zylinder ausgebildet ist.With regard to the device for carrying out the method according to the invention, there are possibilities for the solid-state carrier medium to be arranged on an endless conveyor belt moving perpendicularly to the field lines of a homogeneous electrical field or on a turntable designed as a disk and rotating in a homogeneous or inhomogeneous field , or that the solid-state carrier medium is designed as a cylinder rotating in an electrical field.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.Advantageous embodiments of the invention are given in the subclaims.
Ausführungsformen von Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend näher beschrieben. Es zeigen:Embodiments of devices for performing the method according to the invention are shown in the drawings and are described in more detail below. Show it:
Fig.1 eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Elektrophoreseverfahrens,1 shows a side view of a first embodiment of the device for carrying out the electrophoresis method according to the invention,
Fig.2 eine Draufsicht der Vorrichtung gemäß Fig.1,2 shows a top view of the device according to FIG. 1,
Fig.3 eine Draufsicht einer modifizierten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß Fig. 2,3 shows a plan view of a modified embodiment of the device according to FIG. 2,
Fig.4 eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungs form der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Elektrophoreseverfahrens,4 shows a side view of a second embodiment of the device for carrying out the electrophoresis method according to the invention,
Fig.5 eine Vorderansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 4,5 shows a front view of the device according to FIG. 4,
Fig.6 eine Draufsicht der Vorrichtung gemäß Fig.4, bzw. Fig. 5,6 shows a top view of the device according to FIG. 4 or FIG. 5,
Fig.7 eine Draufsicht einer modifizierten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß Fig. 4, bzw. Fig. 5,7 shows a plan view of a modified embodiment of the device according to FIG. 4 or FIG. 5,
Fig.8 eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung gemäß Fig. 7,8 shows a plan view of a further embodiment of the device according to FIG. 7,
Fig.9 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung Von Teilchen-Bahnkurven bei den Vorrichtungen-gemäß den Fig. 4-7,9 shows a schematic illustration to illustrate particle trajectory curves in the devices according to FIGS. 4-7,
Fig.10 eine Schnittansicht einer dritten Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des er findungsgemäßen Elektrophoreseverfahrens, Fig.11 eine Draufsicht der Vorrichtung gemäß Fig. 10.10 is a sectional view of a third embodiment of the device for carrying out the electrophoresis method according to the invention, 11 shows a top view of the device according to FIG. 10.
In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen kontinuierlichen Elektrophoreseverfahrens dargestellt. Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 besteht aus einem unendlichen Band aus einem Trägermedium (1) (z. B. einem Gel). Das Trägermedium wird nach innen von einem Förderband (2) und nach außen von einem Gehäuse (3) gehalten. Das Förderband (2) wird innen gestützt. Rollen (4) sind mit einem Motor verbunden, der das Förderband (2) und damit das Trägermedium bewegt. Hierzu muß das Förderband (2) einen größeren Reibungswiderstand als das Gehäuse (3) aufweisen. Elektroden (5) (Fig. 1, 2, 3) sind seitlich des Trägermediums (1) in jeweils einer Elektrodenkammer angeordnet. Die zu trennenden Teilchen, z. B. Moleküle, befinden sich in einem Behälter (6) (Fig. 1, 2, 3) in Lösung. Die Lösung durchtränkt das Trägermedium ( 1 ) und befindet sich ebenfalls in den beiden Kammern für die Elektroden. Für die Einbringung der Moleküle in den Träger kommen nun zwei Methoden in Betracht:1 shows a first embodiment of the device for carrying out the continuous electrophoresis method according to the invention. 1 consists of an infinite band of a carrier medium (1) (z. B. a gel). The carrier medium is held on the inside by a conveyor belt (2) and on the outside by a housing (3). The conveyor belt (2) is supported on the inside. Rollers (4) are connected to a motor that moves the conveyor belt (2) and thus the carrier medium. For this purpose, the conveyor belt (2) must have a greater frictional resistance than the housing (3). Electrodes (5) (Fig. 1, 2, 3) are arranged on the side of the carrier medium (1) in an electrode chamber. The particles to be separated, e.g. B. molecules are in a container (6) (Fig. 1, 2, 3) in solution. The solution soaks the carrier medium (1) and is also in the two chambers for the electrodes. Two methods can now be used to introduce the molecules into the carrier:
1. Es wird ein zusätzliches elektrisches Feld verwendet, wozu im Behälter (6) eine zusätzliche Elektrode angebracht wird, während die andere Elektrode in einem Rohr (7) angeordnet ist.1. An additional electric field is used, for which purpose an additional electrode is attached in the container (6), while the other electrode is arranged in a tube (7).
2. Es wird eine Pumpe verwendet, die Flüssigkeit aus dem Rohr (7) herauspumpt und die gleiche Flüssigkeit wieder in den Behälter (6) einspeist.2. A pump is used, the liquid is pumped out of the pipe (7) and the same liquid is fed back into the container (6).
Die Teilchen bewegen sich nun mit dem umlaufenden Trägermedium und werden gleichzeitig je nach Größe u. Ladung zu den Elektroden (5) gezogen. Nach der Trennung der Moleküle bestehen auch wieder zwei Möglichkeiten für ihre Entfernung aus dem Trägermedium.The particles now move with the revolving carrier medium and, depending on the size, are simultaneously u. Charge drawn to the electrodes (5). After the molecules have been separated, there are again two options for their removal from the carrier medium.
1. Die Moleküle können an den Seiten vor den Elektroden (5) (Fig. 2) in vielen kleinen Behältern (8) (Fig.2) aufgefangen werden. Diese Behälter sind zu der positiven Elektrode gemäß Fig. 2 hin offen. (Hier wird der Fall behandelt, daß die zu trennenden Teilchen negativ geladen sind. Bei positiv geladenen Teilchen müssen die Elektroden umgepolt werden.) Die Moleküle werden dann mittels einer Membran (9) (Fig. 2) von der Elektrode getrennt. Diese Membran soll die zu trennenden Teilchen zurückhalten, das Lösungsmittel jedoch durchlassen. In den Behältern (8) werden die Teilchen sodann konzentriert und können beliebig entnommen werden. Dabei muß jedoch das entnommene Volumen durch frisches Lösungsmittel ersetzt werden.1. The molecules can be collected on the sides in front of the electrodes (5) (Fig. 2) in many small containers (8) (Fig.2). These containers are open to the positive electrode according to FIG. 2. (The case in which the particles to be separated are negatively charged is dealt with here. In the case of positively charged particles, the electrodes must be reversed.) The molecules are then separated from the electrode by means of a membrane (9) (FIG. 2). This membrane is intended to hold back the particles to be separated, but to let the solvent through. The particles are then concentrated in the containers (8) and can be removed as desired. However, the volume removed must be replaced with fresh solvent.
2. Die Teilchen bzw. Moleküle werden auf der der Einspeisung gegenüberliegenden Seite von Behältern (10) (Fig. 3) aufgefangen. Auch hier gibt es wieder zwei Möglichkeiten für die Entfernung der Teilchen aus dem Trägermedium und deren Ansammlung in den Behältern (10).2. The particles or molecules are collected on the opposite side of the feed from containers (10) (Fig. 3). Again, there are two options for removing the particles from the carrier medium and collecting them in the containers (10).
a) Durch eine Pumpe kann ein Strom des Lösungsmitte zwischen den Rohren (11) und (12) (Fig.1, 3) erzeugt werden. Mit die'sem Strom werden die Teil chen mitgeführt. Die Behälter (10) sind wiederu durch eine Membran von dem Rohr (12) getrennt. Die Membran hält die Teilchen zurück und läßt das Lösungsmittel hindurchtreten, wodurch die Teilchen in den Behältern (10) angereichert werden. Das Rohr (11) ist in Richtung zu den Behäl tern (10) hin offen. Es kann oberhalb oder unterhalb des Förderbandes (2) liegen. Liegt es unterhalb, so muß das Förderband (2) für das Lösungsmittel durchlässig sein. Diese (Elutions-) Vorrichtung kann vorwiegend bei Trägern verwandt werden, die für Flüssigkeit gut durchlässig sind.a) A flow of the middle of the solution between the tubes (11) and (12) (Fig. 1, 3) can be generated by a pump. The particles are carried along with this current. The containers (10) are again separated from the tube (12) by a membrane. The membrane retains the particles and allows the solvent to pass through, thereby enriching the particles in the containers (10). The tube (11) is towards the container tern (10) open. It can be above or below the conveyor belt (2). If it is below, the conveyor belt (2) must be permeable to the solvent. This (elution) device can mainly be used for carriers which are well permeable to liquids.
b) Die Teilchen werden durch ein elektrisches Feld aus dem Träger entfernt. Die hierzu erforderlichen Elektroden liegen in den Rohren (11) und (12).b) The particles are removed from the carrier by an electric field. The electrodes required for this are in the tubes (11) and (12).
Die Auffangvorrichtung und die Einspeisung müssen nicht am Ende oder Anfang der Vorrichtung angeordnet sein, sondern können sich .parallel verschoben an einer beliebigen Stelle, jedoch möglichst weit voneinander entfernt, befinden.The collecting device and the feed do not have to be arranged at the end or beginning of the device, but can be displaced in parallel at any point, but as far apart as possible.
In den Fig. 4 bis 9 ist eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen kontinuierlichen Elektrophoreseverfahrens dargestellt. Bei dieser Ausführungsform wird das Trägermedium im elektrischen Feld gedreht. Das Trägermedium (1) (Fig. 4, 5, 6, 7, 8) liegt hierbei auf einem Drehteller (22) (Fig. 4,5), der von einem Motor (23) angetrieben wird. Die gelösten zu trennenden Teilchen befinden sich in einem Behälter (25). Sie werden mit Hilfe eines elektrischen Feldes oder mit eindr Pumpe zentral oder ein wenig außerhalb des Zeritrums des Trägermediums eingebracht. Werden die Teilchen mit einer Pumpe eingebracht, dann ist die Welle zum Motor als Hohlwelle ausgebildet, deren Bohrung (24) zu einer Pumpe führt. Werden die Teilchen durch ein elektrisches Feld eingebracht, so ist im Behälter (25) (Fig. 4, 5) eine Elektrode angeordnet. Die zugehörige zweite Elektrode befindet sich dann in einem Schlauch, der als Steigleitung bis auf das Flüssigkeitsniveau des Behälters (25) gezogen wird. Hierbei muß der Drehteller (22) zumindest im Zentrum porös sein. Die Teilchen folgen dann der Rotationsbewegung des Trägermediums und werden gleichzeitig zu den Elektroden (26) (Fig. 6,7) hingezogen. Die Elektroden und das Trägermedium befinden sich hierbei in dem Lösungsmittel der zu trennenden Teilchen. Für die Bahnkurve der Teilchen gilt bei zentraler Einbringung folgende Differentialgleichung:4 to 9 show a second embodiment of the device for carrying out the continuous electrophoresis method according to the invention. In this embodiment, the carrier medium is rotated in the electric field. The carrier medium (1) (Fig. 4, 5, 6, 7, 8) lies on a turntable (22) (Fig. 4.5) which is driven by a motor (23). The dissolved particles to be separated are in a container (25). They are introduced with the help of an electric field or with a pump centrally or a little outside the cerium of the carrier medium. If the particles are introduced with a pump, the shaft to the motor is designed as a hollow shaft, the bore (24) of which leads to a pump. If the particles are introduced by an electric field, an electrode is arranged in the container (25) (FIGS. 4, 5). The associated second electrode is then located in a hose which is drawn as a riser pipe up to the liquid level of the container (25). The turntable (22) must be porous at least in the center. The particles then follow the rotational movement of the carrier medium and are simultaneously drawn towards the electrodes (26) (Fig. 6, 7). The electrodes and the carrier medium are in the solvent of the particles to be separated. The following differential equation applies to the trajectory of the particles with central introduction:
X = - ω y + Vχ ω= Winkelgeschwindigkeit der RotationX = - ω y + V χ ω = angular velocity of the rotation
Y = ω x Vχ = die durch das elektr. Y = ω x V χ = that caused by the electr.
Feld hervorgerufene Geschwindigkeit der TeilchenField-induced velocity of the particles
Die Lösungen dieser Gleichungen sind. für verschiedene Teilchensorten in Fig. 9 dargestellt.The solutions to these equations are. for different types of particles shown in Fig. 9.
Auch hier bestehen wiederum zwei Möglichkeiten für die Entfernung der getrennten Teilchen aus dem Trägermedium:Again, there are two options for removing the separated particles from the carrier medium:
1. Die Teilchen können tangential zur Trägerscheibe bzw. dem Drehteller (22) in vielen Behältern (27) (Fig. 7) gesammelt werden. Die Behälter sind zur Trägerscheibe bzw. zum Drehteller (22) hin offen und werden in Richtung der Elektroden durch eine Membran begrenzt. Die Teilchen werden in diesen Behältern gesammelt und können kontinuierlich entnommen werden.1. The particles can be collected tangentially to the carrier disk or the turntable (22) in many containers (27) (Fig. 7). The containers are open towards the carrier disk or the turntable (22) and are delimited in the direction of the electrodes by a membrane. The particles are collected in these containers and can be removed continuously.
2. Die Teilchen können senkrecht zur TrägerScheibe durch viele Behälter (28) (Fig. 6, 4, 5) entnommen werden, was durch ein zusätzliches elektrisches Feld erfolgen kann. Die eine zugehörige Elektrode ist hierbei in einem Behälter (29) (Fig. 4) angeordnet, der von Behältern (28) durch eine Membran abgetrennt ist. Die Membran ist durchlässig für Lösungsmittel und hält die zu trennenden Teilchen zurück. Die andere Elektrode befindet sich in einem Steigrohr (21), das sich unterhalb des porösen Drehtellers (22) befindet. Die Teilchen können auch durch eine Pumpe aus dem Trägermedium in die Auffangbehälter gepumpt werden. Dazu ist eine Peristaltikpumpe geeignet, die zwischen dem Steigrohr (21) und dem Behälter (29) angeordnet ist. Die Einspeisung der Teilchen muß nicht im Zentrum des Trägermediums (1) (Fig. 4, 5) erfolgen, sondern kann an einer beliebigen Stelle geschehen.2. The particles can be removed perpendicular to the carrier disk through many containers (28) (Fig. 6, 4, 5), which can be done by an additional electric field. One associated electrode is arranged in a container (29) (FIG. 4), that of containers (28) through a membrane is separated. The membrane is permeable to solvents and retains the particles to be separated. The other electrode is located in a riser pipe (21), which is located below the porous turntable (22). The particles can also be pumped from the carrier medium into the collecting container by a pump. A peristaltic pump is suitable for this purpose, which is arranged between the riser pipe (21) and the container (29). The feeding of the particles does not have to take place in the center of the carrier medium (1) (FIGS. 4, 5), but can take place at any point.
Die Entnahme der getrennten Teilchen wird zweckmäßig mittels einer Peristaltikpumpe durchgeführt, die Flüssigkeit aus den Behältern (28) entnimmt und gleichzeitig Lösungsmittel in sie einspeist. Ähnlich kann die Zuführung neuen Materials erfolgen. Das Frischmaterial wird dann am Boden des Behälters (25) eingespeist und Lösungsmittel in der Nähe der Oberfläche entnommen. Dabei können Einspeisungs- und Entnahmestelle durch eine Membran getrennt werden. Die Rohre (12) (Fig. 4, 5, 6, 7) sind Steigleitungen für Blasen, die sich an den Elektroden bilden.The removal of the separated particles is expediently carried out by means of a peristaltic pump, the liquid is removed from the containers (28) and at the same time solvent is fed into it. Similarly, the feeding of new material can take place. The fresh material is then fed into the bottom of the container (25) and solvent is removed near the surface. The feed and removal points can be separated by a membrane. The tubes (12) (Fig. 4, 5, 6, 7) are risers for bubbles that form on the electrodes.
Eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung gemäßAnother embodiment of the device according to
Fig. 7 ist in Abbildung 8 dargestellt. Hier wird ein elektrisches Zentralfeld durch die Punktelektrode (8') und den Draht (9') gebildet, wobei für die Feldstärke gilt:
Figure imgf000011_0001
7 is shown in Figure 8. An electrical central field is formed here by the point electrode (8 ') and the wire (9'), the following applies to the field strength:
Figure imgf000011_0001
Die Teilchen werden über den Behälter (5') eingespeist und wandern in Richtung der Elektrode (8'). Durch die Drehung des Trägermediums (1) werden sie getrennt und gelangen sodann in die Behälter (7'). In den Fig. 10 und 11 ist eine dritte Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen kontinuierlichen Elektrophoreseverfahrens dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist das Trägermedium als Hohlzylinder (31) geformt. Die zu trennenden Teilchen sind zunächst in dem Behälter (32) in Lösung. An die Elektroden (33) und (34) wird elektrische Spannung angelegt, wodurch die Teilchen in das Trägermedium (31) hineingezogen werden. Nun wird das als Hohlzylinder ausgebildete Trägermedium mit konstanter Winkelgeschwindigkeit in Drehung ver setzt. Die Teilchen bewegen sich dann je nach Größe und Ladung in einem raumfesten Koordinatensystem auf Spiralen mit verschiedener Steigung und können in den Behältern (35) getrennt aufgefangen werden. Die Behälter (35) sind zur Elektrode (34) hin durch eine Membran getrennt, die die getrennten Teilchen zurückhält und das Lösungsmittel durchläßt. Stangen (36) dienen hierbei als Halterung. Eine Steigleitung (37) dient zur Ableitung von Blasen, die an der Elektrode (34) entstehen. Der Flüssigkeitsspiegel reicht bis auf das.Niveau im Behälter (32). Durch Verdickung, Ausbeulung oder Verengung des Trägermediums können zusätzlich noch Feldgradienten aufgebracht werden. Außerdem können noch Dichte- oder pH-Gradienten im Träger aufgebracht werden. Diese Maßnahmen dienen zur Fokussierung der Teilchen und können bei sämtlichen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen Anwendung finden.The particles are fed in via the container (5 ') and migrate in the direction of the electrode (8'). They are separated by the rotation of the carrier medium (1) and then get into the container (7 '). 10 and 11 show a third embodiment of the device for carrying out the continuous electrophoresis process according to the invention. In this embodiment, the carrier medium is shaped as a hollow cylinder (31). The particles to be separated are initially in solution in the container (32). Electrical voltage is applied to the electrodes (33) and (34), as a result of which the particles are drawn into the carrier medium (31). Now the carrier medium designed as a hollow cylinder is set in rotation with constant angular velocity. Depending on their size and charge, the particles then move in a fixed coordinate system on spirals with different gradients and can be collected separately in the containers (35). The containers (35) are separated from the electrode (34) by a membrane which retains the separated particles and lets the solvent through. Rods (36) serve as a holder. A riser (37) is used to discharge bubbles that arise at the electrode (34). The liquid level reaches the level in the container (32). Field gradients can also be applied by thickening, bulging or narrowing of the carrier medium. Density or pH gradients can also be applied in the carrier. These measures serve to focus the particles and can be used in all of the embodiments described above.
Um eine Diffusion der Teilchen senkrecht zu den Feldlinien zu vermeiden, können in der dritten und ersten Anordnung parallel zu den elektrischen Feldlinien Trennwände in das Trägermedium eingebaut werden, die die zu trennenden Teilchen zurückhalten. Außerdem kannstatt das elektrisches Feldes in allen Ausführungen durch ein beliebiges anderes Kraftfeld ersetzt werd In order to avoid diffusion of the particles perpendicular to the field lines, in the third and first arrangement parallel to the electrical field lines, partition walls can be built into the carrier medium, which hold back the particles to be separated. In addition, all versions of the electric field can be replaced by any other force field

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Verfahren zur kontinuierlichen präparativen Trennung von Molekülen und ähnlichen Partikeln, bei dem sich die Partikel mit einem in einem elektrischen Feld transportierten Lösungsmittel mitbewegen und je nach1. A process for the continuous preparative separation of molecules and similar particles, in which the particles move with a solvent transported in an electric field and depending on
Ladung und Größe mit unterschiedlicher Geschwindigkejt in Richtung der Feldlinien gezogen und entsprechend getrennt werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein das Lösungsmittel mit den zu trennenden Partikeln aufnehmendes Festkörper-Trägermedium kontinuierlich in dem elektrischen Feld relativ zu der Zuführungs- bzw. der Sammelvorrichtung der zu trennenden Partikeln bewegt wird.Charge and size are drawn at different speeds in the direction of the field lines and are separated accordingly, characterized in that a solid-state carrier medium receiving the solvent with the particles to be separated is continuously in the electric field relative to the feed or collecting device for the particles to be separated is moved.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörper-Trägermedium ein Gel ist.2. The method according to claim 1, characterized in that the solid carrier medium is a gel.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörper-Trägermedium senkrecht zu den Feldlinien eines homogenen elektrischen Feldes bewegt wird. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the solid carrier medium is moved perpendicular to the field lines of a homogeneous electric field.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörper-Trägermedium in einem homogenen elektrischen Feld rotiert.4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the solid carrier medium rotates in a homogeneous electric field.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörper-Trägermedium in einem inhomogenen elektrischen Fe.ld rotiert.5. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the solid carrier medium rotates in an inhomogeneous electrical Fe.ld.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld ein Zentralfeld ist.6. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the electric field is a central field.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld zylindrisch ist. 7. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the electric field is cylindrical.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörper- Trägermedium (1) auf einem senkrecht zu den Feldlinien eines homogenen elektrischen Feldes bewegten Endlos- Transportband (2) angeordnet ist.8. Apparatus for carrying out the method according to claim 1, characterized in that the solid carrier medium (1) is arranged on an endless conveyor belt (2) which is moved perpendicular to the field lines of a homogeneous electrical field.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörper- Trägermedium (1) auf einem als Scheibe ausgebildeten und in einem homogenen Feld rotierenden Drehteller (22) angeordnet ist.9. Device for performing the method according to claim 1, characterized in that the solid carrier medium (1) is arranged on a rotary disc (22) designed as a disc and rotating in a homogeneous field.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der als Scheibe ausgebildete Drehteller. (22) in einem inhomogenen elektrischen Feld rotiert.10. The device according to claim 9, characterized in that the turntable designed as a disc. (22) rotates in an inhomogeneous electric field.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspru 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörper-Trägermedium (1) als in einem elektrischen Feld rotierender Zylinder (31) ausgebildet ist.11. A device for performing the method according to Anspru 1, characterized in that the solid carrier medium (1) is designed as a rotating in an electric field cylinder (31).
12. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß nicht ein elektrisches Feld benutzt wird, sondern irgendein Kraftfeld, wie z. B. das Gravitationsfeld.12. The method and device according to claim 1 to 11, characterized in that not an electric field is used, but any force field, such as. B. the gravitational field.
13. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermedium kein Festkörper ist, sondern eine viskose Flüssigkeit. 13. The method and device according to claim 1 to 12, characterized in that the carrier medium is not a solid, but a viscous liquid.
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