CH628527A5 - Method for moving molecules or ions in a semiconducting transfer medium - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bewegung von Molekülen oder Ionen, wie zum Beispiel organischen Molekülen, Molekülaggregaten in Form von Kolloiden oder Kristalloiden, oder auch anorganischen Ionen, in einem halbleitenden Transportmedium. Die Beweglichkeit der Moleküle oder Ionen wird in dem halbleitenden Transportmedium mit Hilfe intensiver elektrischer Felder bei den oder nahe den minimalen und optimalen Stromstärken induziert. Durch diese Bewegung der Moleküle oder Ionen kann eine Orientierung, eine Lagerung oder ein Transport erzielt werden.

In den beim erfindungsgemässen Verfahren angewandten halbleitenden Transportmedien erfolgt eine extrem rasche Bewegung oder ein Transport der Moleküle oder Ionen, die als elektromolekulare Bewegung, abgekürzt als EMB, und in der englisch-sprachigen Literatur als «electromolecular propulsion», abgekürzt als EMP, bezeichnet wird.

Die elektromolekulare Bewegung wird in der Veröffentlichung in «-Chemical and Engineering News» Band 49, Oktober 1971, Seiten 23 und 24, erläutert, und es wird dort auch bereits hervorgehoben, dass durch diese elektromolekulare Bewegung auch unpolare Materialien bewegt werden können, und die Methodik anstelle der Chromatographie und der Elektrophorese angewandt werden kann.

Durch die elektromolekulare Bewegung erfolgt nicht nur eine rasche Bewegung der Moleküle oder Ionen sondern auch eine grosse Differenzierung und Auflösung der Molekülarten oder Ionenarten. Eine derartige Auflösung macht die Erzielung sehr verfeinerter analytischer Trennungen möglich.

Im Vergleich der herkömmlichen Techniken können bislang unerreichbare oder einzigartige Beweglichkeiten sowie Vielseitigkeiten des Systems erreicht werden. Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Induzieren von Beweglichkeit bei Molekülen, die bislang aufgrund ihrer unpolaren Natur als unbeweglich angesehen worden waren. Im Falle von polaren Molekülen oder Ionen, wie z.B. bestimmten Metallderivaten, wird eine grössere Auflösung erhalten als bei herkömmlichen leitenden oder wässrigen Elektrolyten.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Bewegen von Molekülen oder Ionen in einem Transportmedium, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man an ein halbleitendes Transportmedium eine Spannung von 0,05 bis 30'000 V/cm anlegt, die ausreichend hoch ist um eine Stromdichte im Bereich von 0,001 bis 400 [iA/cm2 zu erzeugen und die gleich oder über dem Schwellen-Stromwert für die Moleküle bzw. Ionen in dem Medium liegt, unterhalb welchem die Moleküle bzw. Ionen praktisch stationär werden, und wobei durch die angelegte Spannung den Molekülen bzw. Ionen eine hohe Bewegungsgeschwindigkeit induziert wird.

Bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist es möglich ein halbleitendes Transportmedium einzusetzen, das ein Arbeiten bei hoher Spannung und niederen Stromdichten erlaubt. In diesem Falle wird an das halbleitende Transportmedium eine Spannung von 50 bis 25'000 V/cm angelegt, die ausreichend hoch ist, um eine Stromdichte im Bereich von 0,2 bis 400 [iA/cm2 zu erreichen, wobei die Spannung gleich oder über dem Schwellen-Stromwert für die Moleküle bzw. Ionen in dem Medium liegt, unter welchem die Moleküle bzw. Ionen praktisch stationär bleiben und wobei durch die angelegte Spannung den Molekülen bzw. Ionen eine hohe Bewegungsgeschwindigkeit induziert wird.

Bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens kann an ein Halbleiterfluid-Transportmedium, das einen Bestandteil der Gruppe der beweglich machenden Mittel und der Initiatoren enthält, eine Spannung im Bereich von 0,05 bis 50 V/cm angelegt werden, die ausreichend hoch ist um eine Stromdichte im Bereich von 0,01 bis 0,2 (iA/cm2 zu erzeugen, und die gleich oder über dem Schwellen-Stromwert für die Moleküle bzw. Ionen in dem Medium liegt, unterhalb welchem die Moleküle bzw. Ionen praktisch stationär bleiben, und wobei dadurch den Molekülen bzw. Ionen eine hohe Bewegungsgeschwindigkeit induziert wird.

Es werden dann im Zusammenhang mit den Beispielen noch Bestandteile genannt, die bei dieser zuletzt genannten Ausführungsart der Erfindung als beweglich machende Mittel oder Initiatoren eingesetzt werden können. Bevorzugte derartige Verbindungen sind organische Verbindungen mit deutlich polaren Eigenschaften, wie zum Beispiel Nitroverbindungen, Aldehyde, Ketone, Nitrole, Alkohole, Phenole, Amide, Ester, Äther, organische Säuren und deren Salze sowie ferner auch anorganische Säuren und Salze.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung wird die Zusammensetzung des halbleitenden Transportmediums so gewählt, dass das Leiten bei einer angelegten Spannung von 0,05 bis 30'000 V/cm möglich ist.

Bevorzugte, bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens in dem halbleitenden Transportmedium bewegte Moleküle bzw. Ionen sind organische Moleküle, zu Kolloiden oder Kristalloiden zusammengelagerte Molekülverbände und anorganische Ionen.

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Im Zusammenhang mit der Entwicklung des erfindungsgemässen Verfahrens wurden geeignete Medien und Systeme hergestellt, innerhalb deren der halbleitende Molekültransport zuverlässig erreicht werden kann.

Das erfindungsgemässe Verfahren wird anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert.

Bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird die Leitfähigkeit des gesamten Systems in den halbleitenden Bereich verlagert, indem das Niveau der Leitfähigkeit der die mobile Phase darstellenden Medien eingestellt wird. Sehr hohe Spannungen können bei geringen Stromstärken aufrechterhalten werden, so dass die thermoelek-trische Wärmeentstehung (I2RT) dennoch die Verwendung leicht verfügbarer Materialien und Techniken für Arbeitssysteme erlaubt. Im Gegensatz zu herkömmlichen elektrochemischen Transportmethoden sind erfindungsgemäss tatsächlich sehr geringe Stromstärken erforderlich, die der halbleitenden Natur des Prozesses entsprechen. Dies schliesst oft die Notwendigkeit zur Anwendung von Einrichtungen für die äussere Wärmekonvektion aus und ermöglicht kleine Arbeitsanordnungen und geringe Anforderungen an die Abmessungen der Stromversorgung. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt darin, dass bei den geringen Wärmewerten die Diffusionsbeeinflussung auf ein Minimum gebracht wird. Die sehr niedrigen Stromstärkewerte, die beim erfindungsgemässen Verfahren ausreichen, sind nahezu optimal für die Molekularbewegung, wie sie durch die anziehend-abstossende Wechselwirkung innerhalb des elektrischen Feldes induziert wird, und unter solchen Bedingungen kann ein sehr intensiver Wanderungseffekt induziert werden, der zum angelegten Spannungspotential proportional ist. Dieser Wanderungseffekt ist für die molekulare Natur des Materials charakteristisch und kann von solch ähnlichen oder verwandten, wenn auch nicht identisch aufgebauten Molekülen scharf differenziert werden. Die charakteristische Mobilität oder Beweglichkeit einer Substanz in cm/sec kann zum Klassifizieren oder Identifizieren von Substanzen verwendet werden. Das hohe Mass molekularer Auflösung oder Differenzierung kann über eine Strecke von wenigen Zentimetern in Sekunden oder Minuten erzielt werden, wobei verhältnismässig weniger Zeit über kleine Strecken — oder durch Verwendung höherer Spannungen erforderlich ist. Es wurde gefunden, dass bestimmte geringe Stromstärkewerte für das EMB-Verfahren nahezu optimal sind, und sie werden hier als Schwellenwertfunktion in Abhängigkeit von der Molekülart der beteiligten Materialien definiert. Der Schwellenwert bezieht sich auf die Anregungs-zustände in einem Solvatations-Adsorptions-System. Die üblichen beobachteten Bereiche sind 2 X KP bis 1,6 X 10~5 A/cm2 für ein Zellulosesubstrat. Solche Schwellenwerte beziehen sich auf minimalen Strombedarf zum Ingangsetzen des EMB-Verfahrens und liegen üblicherweise nahe dem optimalen Strombedarf für ein gegebenes System. Der halbleitende Bereich bezieht sich auf Verfahren zur Erzielung einer geeigneten Leitfähigkeit bei hoher Spannung beim Schwellenwertbereich.

Das erfindungsgemässe Verfahren kann als Halbleitertransport im Flüssigzustand oder Gaszustand durchgeführt werden.

Aufgrund der Fähigkeit zur Durchführung molekularer Verschiebungen und des Einsatzes einer mobilen Phase ist es ein Halbleiterfluid-Verfahren. Dies unterscheidet es von den ortsgebundenen Feststoff- und amorphen Halbleitersystemen. Aufgrund seines Einflusses auf die elektromolekulare Natur der Materialien über Induktion durch und Reaktion mit geeigneten elektrischen Feldern findet dieses Verfahren Anwendung auf die hauptsächlichen Klassen bekannter molekularer Stoffe, einschliesslich anorganischer Ionen, organischer Moleküle, Kolloide und Kristalloide. Daher ist dieses

Verfahren anwendbar auf anorganische Materialien, wie sie sich beispielsweise von Eisen, Kupfer, Nickel, Kobalt, Seltenen Erden, Schwermetallen, Zirkon ableiten, und auf die Trennung ionischer Solvate von Metallderivaten. Es ist auch anwendbar auf andere Materialien, wie z.B. Proteine, Antibiotika, Vitamine, Antihistamine, Aminosäuren, Farbstoffe und Blutbestandteile.

In der präparativen Chemie können unter geeigneten EMB-Bedingungen durchgeführte chemische Reaktionen zum Verschieben von Reaktionsgleichgewichten zugunsten bestimmter Ausbeuten angewandt werden. Es bietet sich eine Möglichkeit zum selektiven Verbrauch des Gleichgewichtsprodukts oder von Verunreinigungen oder Nebenprodukten in der Reaktionszone. Bei der Extraktion wirkt das EMB-Verfahren als ein nur minimale Zeit beanspruchendes Verfahren.

In der angewandten Chemie ist es anwendbar, wo sehr rasches und/oder selektives Durchdringen erforderndes Ver-oder Bearbeiten erwünscht ist, z.B. beim Färben oder Entfärben von Geweben. Die Farbstoffe oder andere nachweisbare Moleküle in einem Gemisch können individuell in einem vorgewählten oder geordneten Muster durch Steuern ihres EMB-Verhaltens individuell abgeschieden werden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass sie die Trennung, Identifizierung oder Untersuchung von Molekülarten aufgrund der unterschiedlichen Schwellenwerte zu-lässt. Sie ermöglicht die Steuerung bei verschiedenen Werten unter verschiedenen Bedingungen des pH, der Temperatur, verschiedener Medien oder anderer interner oder externer Faktoren. Eine Anwendung hierfür wäre ein Verfahren, das zuerst durch Betrieb des Systems bei geringerem Schwellenwert für die erste Trennung und sodann durch Übergang auf sich anschliessende Werte zur Vervollständigung der Auflösung steuerbar ist.

Hauptmerkmale für den Betrieb bei der praktischen Durchführung der Erfindung sind:

1. Einstellen der Arbeits- oder Betriebsphase auf den halbleitenden Bereich, um den Betrieb bei oder nahe den molekularen Schwellenwerten und maximalen oder angemessenen Spannungswerten, die vom System beibehalten werden können, zu ermöglichen.

2. Aufbau des optimalen Stromwerts bei oder nahe dem molekularen Schwellenwert bei der gegebenen Spannung für eine wirksame molekulare Auflösung.

3. Anwendung jener Komponenten innerhalb des Systems und Einstellen der Systemcharakteristika so, dass insgesamt Stabilität, Reproduzierbarkeit und Sicherheit erreicht werden.

Eine brauchbare Analogie dieses Phänomens und seiner Beziehung zur Elektrochemie ist der Vergleich der Halbleiterphysik des festen Zustands mit der früheren thermionischen Elektrotechnik. Einige Ähnlichkeiten sind den folgenden Eigenschaften des EMB-Verfahrens zu entnehmen:

1. Die Anforderungen an Verbrauch (und Abmessung) der Stromversorgung werden auf ein Minimum gebracht.

2. Minimale elektrothermische Verluste erlauben geringe Arbeitsabmessungen und erhöhte Feldintensitäten; dies trägt zu raschen Auflösungszeiten bei geringen Verzerrungswerten bei.

3. Der verschlechternde Einfluss auf das System als Folge der Notwendigkeit hoher Stromstärken und der damit verbundenen Wärmeeffekte wird beseitigt. Beispielsweise kann bei höheren Stromdichten als den erfindungsgemäss angewandten die Mobilität und die Auflösung der Molekülart verändert werden.

4. Umfang und Art und Weise der elektrischen Nutzung ist nicht auf die herkömmlicheren Leitfähigkeitsweisen beschränkt, wie z.B. Ionentransport in flüssiger Phase in wässrigem Elektrolyt. Daher können zahlreiche verschie5

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dene Arten von Materialien beeinflusst, untersucht oder in dem EMB-Verfahren eingesetzt werden. Dazu gehören Materialien und Systeme, deren elektrischer oder ionischer Beitrag zunächst von ihren Molekülstrukturen her betrachtet als dürftig angesehen würde. Ausserdem kann dazu eine grosse Zahl nicht-wässriger, hydrophober und sonst nicht-polarer Substanzen sowie ionischer, polarer, kovalenter, aprotischer oder anderweitiger leitfähiger Substanzen gehören.

5. Der Betrieb bei oder nahe den unteren Schwellenwerten kann bei insgesamt hoher elektrischer Bewegungsleistung erreicht werden. Diese Schwellenwerte sind für ein Material charakteristisch und liegen im allgemeinen bei sehr geringen Stromwerten vor.

Das Verfahren vermag bei Stromwerten zu arbeiten, die gerade ausreichen, um die Bewegung der Molekülart zu bewirken, wobei die elektrothermischen Verluste vernachlässigbare Werte erreichen.

Zu entgegenwirkenden Faktoren gehört Verdunstungskälte, die Wärmekapazität des Behälters, die thermische Kon-vektion und die elektroendosmotische Strömung. Durch den gesteuerten Betrieb bei steigenden Schwellenwerten werden die verschiedenen Molekülarten ihrerseits zur Bewegung bei den geeigneten und charakteristischen Werten angeregt. Dies führt zu einer zusätzlichen hohen Auflösungstechnik, die zu einer differenziellen Molekularunterscheidung fähig ist. Dieses Verfahren zur Unterscheidung wird weiter durch die Bewegungsgeschwindigkeit verbessert, die auch für die beteiligte Molekülart charakteristisch ist. Diese Geschwindigkeit kann durch Modifizieren der Medien beträchtlich variiert werden.

Zum Mechanismus des Bewegungs-Schwellenwertes wird festgestellt, dass dieses Verhalten den Punkt bestimmt, bei dem die gesamte zugeführte Energie der molekularen Anziehung oder Haftung an das Substrat (Oberfläche) entgegenwirkt. Sie besteht aus der von aussen zugeführten elektrischen Energie plus dem, was sonst an Verteilung auf zusätzlich vorhandenen Verteilungsfunktionen beruht. Die Moleküle können dann frei wandern oder durch elektrische Anziehung oder andere konvektive Faktoren bewegt werden. Die elektrische Charakteristik des Systems zeigt eine Nichtlinearität, wie der Strom allmählich nach dem anfänglichen Anlegen einer gegebenen Spannung ansteigt. Die bevorzugten Systeme stabilisieren sich rasch und bleiben während des Trennprozesses elektrisch im Gleichgewicht, obgleich der Prozess ausgeführt werden kann, wenn graduelle Änderungen in den elektrischen Eigenschaften auftreten. In Fällen, in denen fehlende Stabilität zu Schwierigkeiten führt, aber das Medium anderweitig als brauchbar angesehen wird, kann die Geschwindigkeit der Änderung des Widerstands des Systems durch Hinzufügen eines ausreichend grossen äusseren Widerstands herabgesetzt werden, der z.B. etwa gleich gross oder grösser ist als der Innenwiderstand des Systems. Alternativ kann ein aktives elektrisches Element verwendet werden, das die Strom-Span-nungs- oder Temperatur werte innerhalb eines Systems abzu-fühlen vermag und dazu dient, diese Faktoren oder Änderungen mit Hilfe einer Steuerung der Stromquelle zu regeln. Dieses Vorgehen ist auch als Sicherheitsmassnahme von Wert.

Untersuchungen von Komponenten für die Zusammensetzung der Medien haben gezeigt, dass bestimmte Verbindungskombinationen zur Verwendung bei der EMB ungeeignet sind, wenn stabile Stromwerte gewünscht werden. Wird eine konstante Spannung angelegt, weisen diese Kombinationen ständig einen anderen Widerstand auf, wie wenn ein Kondensator aufgeladen würde.

Dieser Effekt wird in Fig. 1 der Zeichnung veranschaulicht. Dort wird auf der Ordinate der Strom und auf der Abszisse die Zeit aufgetragen, wobei bei konstanter Spannung gearbeitet wird. Die Punkte t1 und t, stellen unterschiedliche

Zeitpunkte dar, die in der Grössenordnung von mehreren Minuten oder Sekunden liegen.

Es wird das Verhalten von drei Materialtypen (A), (B) und (C) veranschaulicht. Bei einem Material oder einem Gemisch des Typs (A) steigt der Strom im Laufe der Zeit stetig an, und es können ev. Lichtbogenüberschläge erfolgen.

Der Typ (C) veranschaulicht ein Material oder Gemisch, bei dem eine gewisse Zeit lang ein Stromanstieg festzustellen ist, und dann der Strom wieder abfällt. Dies kann deshalb verursacht werden, weil das Material durch Aufheizen verdampft oder verbrennt, verkohlt oder austrocknet.

Der Typ (B) veranschaulicht ein Material oder Gemisch, das unter dem Gesichtspunkt der elektrischen Steuerung ein bevorzugtes Medium ist, da es Reproduzierbarkeit im Betrieb ermöglicht und die Wiedereinstellung der elektrischen Eigenschaften kein Problem ist. Materialien mit einem elektrischen Verhalten des Typs A können als Komponenten für das Medium frei gewählt werden, um Eigenschaften eines Mediums auszugleichen, das sonst das Verhalten des Typs C zeigt, und umgekehrt. Auch können sich die elektrischen Eigenschaften einer gegebenen Verbindung in Abhängigkeit von den anderen Substanzen, mit denen sie gemischt ist, ändern. Beispiele für Verbindungen, die das Verhalten des Typs A in Gemischen und des Typs B in anderen Gemischen veranschaulichen, werden nachfolgend gegeben. Im allgemeinen wird man eine Komponente für ein Medium wählen, welches das Verhalten des Typs B in Verbindung mit den anderen Komponenten in dem System zeigt.

Verbindungen

Verhaltenstyp

N,N-Dimethylacetamid in Wasser

A

N,N-Dimethylacetamid in Formamid

A

N,N-Dimethylformamid in Wasser

B

cycl. 1,2-Propandiol-carbonat in Wasser

A

Äthylencarbonat in Wasser

B

3-Methylsulfolan in Wasser

A

2-Pyrrolidinon in Wasser

A

N-Methylformamid in Wasser

A

N-Methylacetamid in Wasser

B

Tetrahydrofurfurylalkohol in Wasser

B

Tetrahydrothiophen-dioxid in Formamid

A

Diacetonalkohol in Formamid

A

Diacetonalkohol in Thiodiäthylenglykol

B

Cellosolve in Formamid

A

Cellosolve in Thiodiäthylenglykol

B

Das EMB-Verfahren unterscheidet sich von den bekannten Verfahren der Elektrophorese und der Dieleketrophorese in verschiedener Hinsicht.

Das EMB-Ansprechverhalten scheint durch die Viskosität nicht sehr in nachteiliger Weise beeinflusst zu werden; es wird durch Erhöhung der Dielektrizitätskonstanten in der Lösung verbessert, während die Elektrophorese-Beweglichkeit umgekehrt proportional der Dielektrizitätskonstanten ist, so kann die EMB bei dielektrischen Werten durchgeführt werden, die weit über die Werte hinausgehen, die bei der Elektrophorese praktikabel sind. So ist die EMB in Medien mit einer Dielektrizitätskonstanten bis hinauf zu 190 durchgeführt worden, z.B. in N-Methylacetamid.

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Die Wanderungsgeschwindigkeit in cm/sec von durch EMB transportierten Molekülen liegt deutlich über den mit Dielektrophorese und Elektrophorese erzielten Geschwindigkeiten. Dieser Unterschied wird durch die Fig. 2 der Zeichnung veranschaulicht.

Fig. 2 stellt ein Diagramm dar, in welchem auf der Ordinate der Logarithmus der Wanderungsgeschwindigkeit aufgetragen ist. In Fig. 2 wird dies als log WG bezeichnet. Es sind drei mit den Ziffern (1), (2) und (3) bezeichnete Bereiche eingetragen. Im Bereich (1) tritt Dielektrophorese auf. Der Bereich (2) ist der Bereich des EMB, wo die Leitfähigkeit im halbleitenden Bereich vorliegt. Im Bereich (3) tritt Leitung des Elektrolyten auf.

Vermutlich beruht das EMB-Verfahren auf Protoneti-Do-nator-Akzeptor-Wechselwirkungen und der Bildung von Elek-tronen-Chargentransfer-(Ladungsübertragungs)-Komplexen für den Transport. Es sei in diesem Zusammenhang auf die Veröffentlichung von R. Foster in Organic Charge-Transfer Complexes (1969) hingewiesen.

Praktisch ausgedrückt betrifft ein Hauptaspekt dieses Verfahrens die Verwendung eines verhältnismässig nichtleitenden Mediums. Zahlreiche verschiedene Medien und Techniken können angewandt werden, um die Erfordernisse der angewandten halbleitenden Bereiche zu erreichen. Die Leitung kann durchgeführt werden in Feststoffen, in halbfesten Stoffen, wie z.B. Gelen, sowie in der Gasphase, in Aerosolen, Schäumen und Flüssigkeiten. Auch Kombinationen hiervor sind praktisch, wie etwa Schmelzen, Hochtemperatur-Schmelzen, Pseudo-Kristalle (Parakristalle und meso-morphe Stoffe), Eise, Schlamm, Schmieren oder Suspensionen, Gläser, Kunststoffe, Fasern, Fäden, poröse Materialien und Pulver. Ionenaustauschermaterialien, selektiv durchlässige und membranartige Barrieren, Dialysemembranen, Molekularsiebe und spezielle Ionenquellen-Materialien sind als Träger oder Sperrstoffe geeignet. Das Verfahren kann kontinuierlich oder chargenweise durchgeführt werden.

Viele Substanzen sind verhältnismässig dielektrisch; unter diesen stellen die nicht-polaren organischen Stoffe eine grosse Gruppe dar. Einige von diesen zeigen Zwischenbereiche der Leitfähigkeit oder sind einer geeigneten Einstellung ihrer leitfähigen Natur durch Zusatz relativ kleiner Mengen von Zuschlagstoffen zugänglich. Dies mag ähnlich dem Verfahren des Dotierens oder des Einbringens oder Beimpfens sein, wie es bei Festphasen-Anordnungen angewandt wird. Ein verhältnismässig polares Material kann als Medium verwendet weiden, wie z.B. wässrige Lösungen, indem der Ionengehalt des Systems begrenzt wird, um den gewünschten Leitfähigkeitswert zu erreichen. Auch können dem leitfähigen System unterdrückende Substanzen zugesetzt werden, unter denen wünschenswerte Materialien solche sind, die über den reinen Verdünnungseffekt hinaus, den ihre Anwesenheit zum System beisteuert, einen unterdrückenden Effekt ausüben. Weiter bietet der unterdrückende Effekt nicht-polarer Materialien, die im Gemisch mit sonst leitenden Systemen verwendet werden, eine sehr allgemeine und nützliche Lösung der Steuerung der Leitfähigkeit. Es ist wichtig, festzustellen, dass in bezug auf all diese Techniken andere Faktoren bestimmte zusätzliche Eigenschaften und Merkmale der eingesetzten, für das Wesen der Anmeldung geeigneten Materialien begünstigen können, wie z.B. Mischbarkeit, Kompatibilität, Toxizität, Siedepunkt, Schmelzpunkt, Reaktivität, Kosten, Entfernbar-keit, Dialysierbarkeit und Osmolalität. Häufig wird ein Material mit hoher Dielektrizitätskonstante aufgrund seiner Fähigkeit bevorzugt, die in dem System gebildeten Ladungen (wobei Solvatation oder Wechselwirkung beteiligt ist) oder anderweitig erworbene oder auf chemischen Teilchen induzierte Ladungen zu halten.

Lösungsmittelgemische können unter Vermittlung eines Kupplungsmittels, gewöhnlich von semipolarer Cosolvens-Natur, verwendet werden. Der Ausdruck semipolar wird für ein Material verwendet, das eine gewisse Leitfähigkeit zeigt, die nach Verdünnen mit Wasser (oder einem anderen, ähnlich polaren Material) zunimmt und die nach Zusatz eines löslichen ionischen Salzes zunimmt. So führt im Rahmen der Erfindung die Solvatation eines stark ionischen Materials in einem nicht-polaren Material vermittels eines semipolaren Materials im allgemeinen nur zu einer geringfügigen Steigerung der Leitfähigkeit, während die Lösung des ionischen Materials in dem semipolaren Lösungsmittel alleine mässig leitend sein kann. Tatsächlich kann das nicht-polare Material als die Fähigkeiten für ein massiges Leiten zur Bildung eines Dreikomponentensystems unterdrückend angesehen werden. Das Dreikomponentensystem umfasst daher eine inerte Basis, ein Leitfähigkeitsmittel und ein semipolares Material, wie z.B. Xylol, Amoniumbromid bzw. Dimethylformamid. Weiter kann eine erhebliche Erhöhung der Menge des semipolaren Lösungsmittels die Leitfähigkeit nur minimal verbessern. Der Zusatz eines verhältnismässig kleinen Volumens einer zweiten Art eines semipolaren Lösungsmittels (ein Vierkomponentensystem) kann dann einen erheblichen Leitfähigkeitsanstieg des ganzen Systems bewirken. Kein Cosolvens alleine mit dem nicht-polaren Material, ohne oder mit dem solvatisierten ionischen Material, wird den so erzielten Leitfähigkeitswert erreichen. Diese Technik zur Steigerung der Leitfähigkeit von im wesentlichen nicht-polaren Materialien bildet eine bequeme Arbeitsbasis zur Verwendung von Substanzen, wie z.B. Xylol, p-Cymol, Mineralöl und chlorierten Lösungsmitteln. Ein Vierkomponentensystem ist zur Veranschaulichung z.B. das System Xylol, Ammoniumbromid, Dimethylacetamid und Dimethylformamid.

Die obigen Effekte können auch auf Systeme, die nicht leicht ionisierbar sind, angewandt und die Komponenten durch Faktoren wie die Dielektrizitätskonstante und Proto-nen-Donator-Vermögen der solvatisierenden Moleküle bestimmt werden. Während mittleres Donator-Vermögen solva-tisierte Moleküle entstehen lassen kann, vermag ein hohes Donator-Vermögen in einem hoch dielektrischen System leicht die so erzeugten ionischen Ladungen zu erhalten. Von besonderer Brauchbarkeit sind Medien mit einer Dielektrizitätskonstanten über 10, die dazu neigen, durch Protonen-Donator-Akzeptor-Austausch gebildete Ladungen zu halten.

Die erfindungsgemäss verwendeten Medien zeichnen sich dadurch aus, dass sie bei oder nahe Raumtemperatur flüssig sind, und einen ausreichend hohen Siedepunkt haben, um der Prozesswärme zu widerstehen. Die Siedepunkte liegen im allgemeinen über 140°C, bevorzugt über 165°C. Die Medien müssen den chemischen Stoff nicht lösen können, dem die Mobilität verliehen werden soll, doch ist die Löslichkeit vorzuziehen zur Trennung verschiedener Molekülarten.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele weiter veranschaulicht, die auf die Trennung chemischer Stoffe in den angegebenen Medien gerichtet sind. Die Vorrichtung bestand aus einer in zwei 15-mI-Kammern unterteilten Trennzelle aus Polyäthylen hoher Dichte.

Die Zelle war so gebaut, dass sie den Hochspannungsfeldern widerstand und diesen gegenüber sowie gegenüber einem leitfähigen Leck oder Austreten von Medien, die unter solchen Feldern stehen, und dem Austreten der vielen starken und korrosiven Lösungsmittel, die hier verwendet werden, Sicherheit bot. Eine Platinelektrode in jeder Kammer war mit einer Gleichstromquelle verbunden, die im allgemeinen bei 1,25 m A arbeitete. Die Stromquelle konnte in bestimmten Arbeitsbereichen bei unterschiedlichen Spannungswerten in den Bereichen von 0 bis 100 [iA, 0 bis 1 m A und 0 bis 10 m A

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für Schwellenwertuntersuchungen und die Durchführung der hier beschriebenen Verfahren betrieben werden. Ein Docht aus Filterpapier in jeder Kammer war mit den gegenüberliegenden Enden des Filterpapiersubstrats verbunden, das oben aus der Zelle herausragte. Das Filterpapier hatte eine Breite von 5 cm und eine Länge von 10 cm und war, sofern nicht anders angegeben, Whatman Nr. 3. Normalerweise tritt der Spannungsabfall in diesem System im wesentlichen quer über den imprägnierten Träger hinweg ein, z.B. von 70 bis 90% oder mehr. Die Zelle war durch eine transparente Abdeckung eingeschlossen.

Ein geeignetes Lösungsmittel kann aus der Klasse niedermolekularer Glykole mit einer geringen Menge eines die Leitfähigkeit erhöhenden Zusatzes gewählt werden. Die folgenden Lösungsmittelsysteme sind für verhältnismässig nicht-polare Farbstoffe sowie für andere lösliche organische Materialien brauchbar. Die aufgeführten Lösungsmittel wurden zur Trennung chemischer Stoffgemische, wie z.B. von Farbstoffen, Mercurochrom und Natrium-riboflavinphosphat bei den angegebenen Werten der Spannung und der Stromstärke verwendet. Der Ausdruck «stabilisiert» wird verwendet, um anzudeuten, dass die elektrischen Kenngrössen die angegebenen Werte erreichten und für die wenigen Minuten (im allgemeinen 2 bis 10 min) konstant blieben, in denen der Trenn Vorgang abgeschlossen wurde.

Beispiel

Zusammensetzungen des Lösungsmittels elektrische

Kenngrösse

(stabilisiert)

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0,3 ml Wasser, 0,2 ml Sörensen-Puffer (pH 7,0), 24,5 ml Propylenglykol. Die Wassermenge in dieser Art von Systemen sollte vorzugsweise etwa 2 % nicht übersteigen.

11 kV/mA

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2,0 ml Dimethylacetamid, 1,0 ml Phenol, 25,0 ml Propylenglykol.

8 kV/mA

3

2,5 ml Formamid, 22,5 ml Propylenglykol.

5,5 kV/mA

In den Beispielen 1 bis 3 wurde eine Potentialdifferenz von 11 kV und ein Strom von 1 mA angewandt.

In der Längsrichtung mass das verwendete Filterpapier etwa 10 cm, und es wurde eine Feldstärke in der Grössen-

11 KV

Ordnung von = 1100 Volt/cm angewandt.

10 cm

Das verwendete Filterpapier mass 10 cm X 10 cm, und es hatte dementsprechend eine Querschnittsfläche von 100 cm2. Die Stromdichte wird bestimmt, indem man den Strom (im vorliegenden Fall = 1 mA) durch die Querschnittsfläche (im vorliegenden Fall = 100 cm2) dividiert. Dementsprechend

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ist im vorliegenden Fall die Stromdichte = 0,01 mA/

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cm2 =10 [iA/cm2.

Es sei darauf hingewiesen, dass in die angeführte Formel zur Berechnung der Stromdichte die Dicke des verwendeten Filterpapiers nicht eingeht.

Das in Beispiel 3 angewandte System eignet sich ausgezeichnet zur Farbstoffauflösung des folgenden Gemisches: Saframin O, Toluylen-rot (Neutralrot) und Natriumribofla-

vinphosphat. Dieses Medium ist auch für die Trennung von Gliedern der Rhodamin-Farbstoff-Familie brauchbar.

Anders als bei herkömmlichen Ionentransportprozessen ist das Beweglichmachen von Metallderivaten nicht leicht zu 5 erreichen, selbst wenn die Metallderivate in dem Medium löslich sind. Durch Einstellen des Mediums und der elektrischen Kenngrössen ist jedoch nach dem erfindungsgemässen Verfahren eine sehr feine Auflösung in einem System wie dem folgenden erreichbar, das eine neue Arbeitsweise, wie hier io beschrieben, veranschaulicht. Beispiele geeigneter Metallionen sind Co++, Cu++, Ni++ aus Salzen, wie zum Beispiel den Chloriden und Nitraten.

Auch in den folgenden Beispielen wurde die gleiche Potentialdifferenz, Feldstärke und Filterpapier angewandt, wie 15 in den Beispielen 1 bis 3.

Beispiel

Zusammensetzung des Lösungsmittels elektrische

Kenngrösse

(stabilisiert)

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10 ml Dimethylformamid, 15 ml Pro

8 kV/mA

pylenglykol und (gegebenenfalls)

1 ml Triäthanolamin.

Ein nicht-wässriges System auf Esterbasis wird nachfolgend veranschaulicht und führt auch zu befriedigenden Ergebnissen. Anstelle der Cellosolve in dem Medium können andere, verwandte Verbindungen verwendet werden, wie z.B.

30 Hexyl-cellosolve, Methylcarbitol, Cellosolve-acetat und Car-bitolacetat.

Beispiel

Zusammensetzung des Lösungsmittels elektrische Kenngrösse (stabilisiert)

5

4 ml Formamid, 14 ml Cellosolve, 34 ml Dimethylphthalat.

15 kV/mA

Die folgenden Lösungsmittelsysteme sind zur Trennung von Metallionen und Komplexen brauchbar; von diesen Metallkomplexen wurden Dithizone, Nitroso-B-naphthol, Pyro-catechol-violett, Rhodamin B, 8-Hydroxychinolin und Di-benzoylmethan-Derivate verwendet.

Beispiel

Zusammensetzung des Lösungsmittels elektrische Kenngrösse (stabilisiert)

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30 ml Methoxy-athoxy-äthanol + 30 ml cyclisches 1,2-Propandiolcar-bonat + 3 Tropfen Salpetersäure (1:30 in H20).

6,4 kV/ 1,25 mA

Das Medium des Beispiels 6 ergab eine Mehrzonenauflösung (5 min) mit 8-Hydroxychinolinaten Seltener Erden, 60 wie z.B. Sc und Eu, sowie anderer Metalle, wie z:B. Ni. Die Schwermetall-Derivate von Dibenzoylmethan und Rhodamin zeigten gute bis ausgezeichnete Bewegung, während die Bewegung mit Schwermetallnitraten sehr spärlich war und mit Hafnium (als Chlorid) überhaupt nicht eintrat. Befriedigende 65 Mobilität wurde auch für Co+2, Cu+2 und Ni+2 (als Chloride) erhalten.

Im vorigen Beispiel ergab das Nickelchlorid 3 Zonen, mit Fleckfärbung von blau und violett. Solche reproduzierbaren

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Effekte zeigen die sehr grosse Auflösung der Technik. Dies deutet auch auf die Bildung einer Reihe von Metallkomplexen hin, wie z.B. durch Protonen-Donator-Akzeptor-Austausch, und auf die Fähigkeit der Technik, diese zu differenzieren und aufzulösen. Diese ungewöhnliche Fähigkeit tritt in einer weiteren Situation zu Tage, wo nicht nur mehrere Zonen auftreten, sondern diese sowohl als (+)- als auch als (—)-beweg-liche Einheiten auftreten. Beweglichkeiten von +2 cm/min wurden mit dem folgenden System erzielt:

Bei- Zusammensetzung spiel des Lösungsmittels elektrische Kenngrösse (stabilisiert)

15 ml Methoxyäthoxy--äthanol + 15 ml cycl. 1,2-Propandiolcarbonat + 13 ml Äthylencarbonat + 3 Tropfen Salpetersäure (1:30).

6 kV/mA Co*2 (Chlorid) 2-3 Zonen (+ und Nr2 (Chlorid) 2-3 Zonen (+ und Cu-2 (Chlorid) 4-5 Zonen (+ und 6 min Laufzeit

Farbstoff Saframin 0 bei 500 V und 100 [xA rasch, und eine orangefarbene Verunreinigung blieb unbeweglich. Dies ist ein Beispiel für Trennung von Komponenten durch Erreichen des Schwellenwertes für eine Verbindung in dem Gemisch.

Ansäuern mit einer anorganischen Säure ist nicht wesentlich, wie das folgende Beispiel zeigt:

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Das Medium des Beispiels 7 lieferte auch ausgezeichnete Mobilität für Salze von Europium, Lutetium, Thallium und Ytterbium. Lage, Beweglichkeit und Charakter der erhaltenen Zonen sind für das Material innerhalb des Systems unter gegebenen Bedingungen charakteristisch. So gaben im folgenden System Nickel und Kobalt (als Chloride) 1 bzw. 2 Zonen, während das Gemisch 3 Zonen entsprechend den einzelnen Metallkomponenten ergab. Zudem hatten die Zonen drei Farben mit deutlich unterschiedlichem Rosa und Blau.

Beispiel

Zusammensetzung des Lösungsmittels elektrische Kenngrösse (stabilisiert)

10

12 ml 1,2-Propylenglykol + 3 ml

14 kV/1,5 mA

Dichloressigsäure + 16 ml Äth-

oxy-äthoxy-äthanol.

Auch Basen, wie z.B. Triäthanolamin oder y-Picolin anstelle von Säure enthaltende Medien besitzen die Fähigkeit zur Trennung von Metallen.

Die Anwendbarkeit der Erfindung auf organische Verbindungen wird durch die folgenden Systeme zur Trennung von Sulfa-Arzneimitteln, Sulfamerizin, Sulfaquanidin und Sulfamethazin, weiter veranschaulicht.

25 ■

Bei- Zusammensetzung spiel des Lösungsmittels elektrische

Kenngrösse

(stabilisiert)

30 11 20 ml Methoxy-äthoxy-äthanol + 5,8-5,0 kV/ 12 ml l-Methyl-2-pyrrolidinon + 1,25 mA 0,8 ml Dichloressigsäure. 4 min Laufzeit

Bei- Zusammensetzung spiel des Lösungsmittels elektrische Kenngrösse (stabilisiert)

35

21 ml cycl. 1,2-Propandiolcar-bonat + 9 ml Methoxy-äthoxy--äthanol + 8 ml Y-Butylrolac-ton + 3 Tropfen Salpetersäure (1:30).

7,8-7,6 kV/ 1,25 m A 6 min Laufzeit

Die Gruppen Seltener Erden sowie Hafnium und Zirkon stellen die am schwierigsten aufzulösenden Elemente dar. Weiter sind, ebenso wie Hafnium und Zirkon ein besonders enges Paar bilden, innerhalb der Seltenen Erden 3 grössere Untergruppierungen bekannt. Die folgenden Systeme sind für die Übergangs-Schwermetalle, Salze der Seltenen Erden und Zirkon/Hafnium-Elemente, z.B. solche mit einer Ordnungszahl von 21 und darüber, eingeschlossen, brauchbar.

Bei- Zusammensetzung spiel des Lösungsmittels elektrische

Kenngrösse

(stabilisiert)

15 ml cycl. 1,2-Propandiol-carbonat + 15 ml Methoxy--äthoxy-äthanol + 13 ml Äthylencarbonat + 3 Tropfen Salpetersäure (1:30).

9,6-7,2 kV/ 1,25 mA 3 min Laufzeit

40

45

Das letztere System vermochte, obgleich es für langsam befunden wurde, unterschiedliche Zonen mit der Farbstoff-Familie von Rhodamin 5G, 6G und B sowie ein Gemisch zu liefern.

Die folgenden Medien ergaben hohe Auflösung der vorstehenden Farbstoffe in 20 bis 25 sec und Beweglichkeiten über 12 cm/min.

Bei- Zusammensetzungen spiel des Lösungsmittels elektrische Kenngrösse (stabilisiert)

12 24 ml cycl. 1,2-Propandiolcar-bonat + 12 ml Äthylendiacetat + 6 ml Salicylaldehyd + 3 Tropfen Salpetersäure (1:30).

13 24 ml cycl. 1,2-Propandiolcar-bonat + 12 ml Äthylendiacetat + 6 ml Salicylaldehyd + 2 ml Ammoniumbromid (gesättigte Lösung Methoxy-äthoxy-äthanol) + 2 ml Tributylphosphat + 4 Tropfen Tetramethylam-moniumhydroxid (etwa 25 %

60 in Methylalkohol).

50

55

13,2 kV/0,8 mA

13-12,6 kV/mA

In einem System mit cyclischem Propandiolcarbonat, Salpetersäure, Methoxy-methoxy-äthanol und Tetrahydrofur-furyl-alkohol in Anteilen ähnlich den obigen bewegte sich der

Bemerkt sei, dass Harnstoff oder Propylenglykol in solchen Systemen in Konzentrationen bis zu mehreren Mol die 65 Leitfähigkeit nicht verändern, wenngleich auch die Mobilität von Proteinmolekülen gefördert wird. Diese Substanzen wirken als verdünnende oder unterdrückende Mittel und sind in wässrigen Lösungen für biochemische Trennungen von

628527

8

Substanzen, wie z.B. Proteinen und Enzymen, brauchbar. Die Mobilität von Albumin in solchen Systemen kann die von in Glykol löslichen Farbstoffen übertreffen, wie durch die nachfolgenden Angaben zur Wanderung vom Ausgangspunkt gezeigt:

Beispiel

Zusammensetzungen des Lösungsmittels elektrische

Kenngrösse

(stabilisiert)

14

16 ml Tris-chlorid (0,03 m) +

6 kV/2 mA

40 ml Propylenglykol + 50 ml

Whatman Nr. 1

Glycerin.

Albumin 1

i-H"

löslicher Farbstoff

6 min Laufzeit

Wie weiter unten erörtert, können die vorstehenden Systeme hinsichtlich Geschwindigkeit und Grad an Auflösung unter Verwendung von Startern, unterdrückenden und/oder stabilisierenden Mitteln verbessert werden.

Das erfindungsgemässe Verfahren wurde auch so durchgeführt, dass eine Probe einem Bett aus einem aus Agar, Siliciumdioxid und Gelatine hergestellten Gel zugesetzt wurde. Dieses Vorgehen wurde angewandt, um Farbstoffe, Proteine und andere Arten organischer Verbindungen zu trennen. Die Medien und elektrischen Kenngrössen. waren ähnlich den in den vorangegangenen Beispielen beschriebenen. Trennungen in Masse wurden auch in einer Säule mit pulver-förmigen Mineralien oder Celluloseträgern durchgeführt.

Ein sehr brauchbares System für nicht-polare Substanzen, das Isomere von Methylnaphthalin auflöste und gute Auflösung für Rhodamin B und 6G sowie Lebensmittelfarbstoffe lieferte, ist:

21 ml cycl. Propylencarbonat 9 ml Methoxy-äthoxy-äthanol 12 ml Tetrahydrofurfurylalkohol 3 Tropfen Salpetersäure (1:30).

Bei der vorstehenden Rezeptur wurde von verschiedenen Arten von Verbindungen zur Erfüllung verschiedener wichtiger Funktionen Gebrauch gemacht. Zu Zwecken der Veranschaulichung sind eine Reihe von ihnen ausgewählt zur Ein-gruppierung in verschiedene Kategorien gemäss einigen ihrer üblichen Funktionen in Rezepturen. Diese Kategorien sind jedoch keine starr definierten Begrenzungen für die Verwendung der Verbindungen, und etliche fallen gleichzeitig in mehrere Kategorien über deren Grenzen hinweg. So ist Di-methylphthalat ein Beispiel für ein gutes suppressiv wirkendes Mittel, obgleich es auch als inerte Basis wirkt, wenn es als Basismedium verwendet wird. Weiter kann es unlöslich machend oder die Beweglichkeit beschränkend wirken oder andere Faktoren beeinflussen, um so die Auflösung zu steigern. Wasser ist als recht aktives Lösungsmittel mit massigem Protonen-Donator-Vermögen und hoher Dielektrizitätskonstante brauchbar. Wasser ist jedoch im allgemeinen als Hauptbestandteil bei höheren Spannungswerten in Systemen ohne Aussenkühlung wegen seines niedrigen Siedepunkts weniger brauchbar.

TABELLE I

Basis für das inerte Medium Eigenschaft:

Lösungsmittel minimaler Leitfähigkeit, inerter Träger,

lösungsbegrenzend p-Cymol

Mineralöl n-Decanoi

1-Octanthiol Xylol

5 Inhibitoren (suppressive Mittel)

Eigenschaft:

negativer Einfluss auf die Leitfähigkeit Tributylphosphat Dimethylphthalat io Triacetin

2-Äthyl-hexyl-chlorid

Basis für das neutrale Medium Eigenschaft:

15 geringe oder spärliche Leitfähigkeit mit der Tendenz zur aktiven Änderung der Leitfähigkeit mit Verdünnung mit Lösungsmittel, stark wirksames Mittel zur Förderung der Löslichkeit, Kuppler.

-Butyrolacton 20 cycl. 1,2-Propandiolcarbonat Propylenglykol 2-Phenoxy-äthanoi 2-Äthyl-l,3-hexandiol T etrahydrothiophen-1,1-dioxid 23 Methoxy-äthoxy-äthanol

L eitfähigkei tsmi ttel Perchlorsäure Dichloressigsäure 30 Formamid

Ammoniumbromid Pyridazin-jodid Salpetersäure Mercaptoessigsäure

35

Basis für das aktive Medium Eigenschaft:

geringe Leitfähigkeit mit der Tendenz, die Leitfähigkeit der Basis für das neutrale Medium zu erhöhen.

40 Starker Löslichmacher, Lösungsmittel 2-Chloracetamid Dimethylformamid N,N-Dimethylacetamid l-Methyl-2-pyrrolidon 45 Dimethylsulfoxid cyclisches Äthylencarbonat 2,5-Hexandion

Beweglichmachende Mittel so Isophoron Nitrobenzol Salicylaldehyd

4-Hydroxy-4-methyl-2-pentanon Äthylendiacetat 55 Y-Picolin o-Dichlorbenzol

Initiatoren Eigenschaft:

60 starker Einfluss auf Leitfähigkeit, Protonendonator Lösungsmittelwirkung und Acidität-Alkalinität Diäthyl-äthyl-phosphonat N-Cyclohexyl-2-pyrrolidon Bis-(2-methoxyäthyl)-äther 65 Hexamethylen-phosphorsäuretriamid Aminoäthyl-piperazin Imino-bis-propylamin 2,2'-Imino-diäthanol

2-Aminoäthanol T riäthylentetramin Triäthanolamin Mercaptopropionsäure Mercaptoessigsäure

Ein Ausgangspunkt für die Entwicklung und die Wahl eines Lösungsmittelmediums für besondere chemische Stoffe ist die Bestimmung solcher Medien, die stabilisieren oder mit den Stoffen kompatibel sind und die einen guten bis ausgezeichneten Verteilungskoeffizienten bei einer chromatographischen Standardtechnik für den Stoff auf dem bei verschiedenen pH-Werten zu verwendenden Substrat haben. Dann wird der Leitfähigkeitswert zur Verwendung bei diesem Verfahren durch Zusatz des Lösungsmittels als Hauptbestandteil zu einem kompatiblen Basissystem des Mediums eingestellt, das eine in geeigneter Weise eingestellte Leitfähigkeit hat,

oder die Leitfähigkeit des Lösungsmittels kann so bemessen werden, dass durch Einsatz der Arten von in Tabelle I beschriebenen Mitteln ein Basissystem für das Medium gebildet wird. Mobilität wird normalerweise bei etwa 1,25 mA erreicht, ein Wert, der im allgemeinen über die meisten Schwellen-Stromwerte hinausgeht. Eine weitere Einstellung kann notwendig werden, um die Mobilität oder Beweglichkeit der Teilchen der chemischen Stoffe in Gang zu setzen oder zu verfeinern, und zwar indem die Zusammensetzung des Systems wie oben angegeben eingestellt wird. Beispielsweise kann die Einstellung durch Verwendung von Komplexierungs-mitteln, modifizierenden Mitteln, ähnlichen Lösungsmitteln, wie durch chromatographische Trennung bestimmt, durch pH-Einstellung und weniger aktive Substrate (wie z.B. Poly-tetrafluoräthylen) erfolgen.

Die folgende Aufstellung von Substanzen kann in drei Hauptkategorien, wie nachfolgend angegeben, gesehen werden. Andere zu berücksichtigende Faktoren sind ein grösserer Bereich der Flüssigkeit und der Dielektrizitätskonstanten, geringe Viskosität, Kompatibilität und Mischbarkeit mit Wasser und starker Donator-Akzeptor-Einfluss oder Neutralität:

1. Die Hauptgruppe hat Siedepunkte bei oder über 160°C und ist bei oder nahe Raumtemperatur flüssig. Im allgemeinen besitzt sie gute Lösungsmittelwirkung.

2. Eine Reihe brauchbarer Verbindungen hat Siedepunkte von weniger als 160°C oder Schmelzpunkte etwas über Raumtemperatur. Sie werden häufig in geringeren Prozentsätzen in modifizierten Systemen eingesetzt. Häufig können sie auch mit einer geringeren Menge an Cosol-vens verflüssigt oder in Schmelzsystemen verwendet werden.

3. Die übrigen Verbindungen sind modifizierende Mittel, deren Schmelzpunkte beträchtlich höher liegen können und die in Lösung mit anderen Medien oder in Schmelzsystemen eingesetzt werden.

Auf der Grundlage physikalischer Kenndaten, chromatographischer und Lösungsmittel-Trennversuche und der hier beschriebenen Techniken zum Einstellen der Medien kann eine lange Reihe geeigneter Verbindungen aus bekannten handelsüblichen oder durch Synthese des Fachmanns verfügbaren Materialien entwickelt werden. Daher wird nachfolgend nur eine kurze beispielhafte Zusammenstellung solcher Verbindungen zur Veranschaulichung angegeben, die als Initiatoren geeignet sind.

Aldehyde, Ketone, Nitrile Zimtaldehyd 1,2-CycIohexandion 4-Anisaldehyd p-Chlorophthetol

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Butyrophenon

4-Chlor-3-hydroxybutyronitril Äthyl-cyanacetat Glutarnitril Hexachloraceton Iminodiacetonitril 2,4-Imidoxolidin-dion 2-Hydroxy-acetophenon p-Methoxyphenyl-acetonitril O-Methyl-anisol

2-Methylpiperazin-N,N'-dicarboxaldehyd

N-Morpholino-carboxaldehyd

Nicotinnitril

5-Nitrosalicylaldehyd Nicotinaldehyd Picolinnitril 2-Piperidon Pimelonitril Piperonal

1.4-Piperazin-dicarboxyaldehyd Pyrrol-2-carbaldehyd Pyridin-3-carbaldehyd Tetrahy droionon Veratraldehyd

Alkohole, Glykole, Phenole, Polyglykole

2-Amino-2-methyl- 1-propanol Cedrol

3-Chlor-1,2-propandiol Cyanoäthyl-saccharose Dehydroisophytol Dehydrolinalool Dichlortriäthylenglykol 2,6-Dinitrothymol Furfurylalkohol

3-Hydroxycampher Hydroxyäthylpiperazin 5-Hydroxy-2-(hydroxymethyl)-4H-pyran-4-on 5-Indanol dl-Menthol 2-Mercaptoäthanol N-Methylol-2-pyrrolidon 2,2',2"-Nitrilo-triäthanol 2-Nitro -1 -propanol

Polyäthoxyüerte Lanolin(5+)alkohole

4-Pyridin-propanol

2.5-Tetrahydrofuran-dimethanol l,l,l-Trichlor-2-methyl-2-propanol (und Hydrate) Thiodiäthanol

Ämide und verwandte Verbindungen Harnstoff

N-Äthyl-p-toluol-sulfonamid

N-2-Hydroxyäthyl-acetamid

Methan-sulfonamid

N-Äthylformamid

Picramid

Thioacetamid

2-Furamid

Formamidin-acetat

4-Acetamido-buttersäure

2-Acetoacetamido-4-methylthiazol

Anthranilamid

Chloral-formamid

Diacetamid

N,N'-Diallyl-weinsäure-diamid n-Butyramid

Zimtsäure

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N-Methyl-nicotinamid

N-Isopropyl-salicylamid

5-Hydroxy-valeramid

N-Methyl-propionamid

Iso-nipecotamid

2-Hydroxy-äthoxy-acetamid

N-Hydroxy-acetamid

3,5-Dinitrobenzamid

N,N-Dimethylacetoacetamid

N,N-Diäthyl-l-piperazincarboxamid

N-Äthylacetamid

Hexamethyl-phosphorsäuretriamid

Hexamethyl-phosphorigsäuretriamid

N-formyl-hexamethylenimin

2,2,2-Trichloracetamid p-N itrobenzamid

Sulfamid

N-Fulf onyl-stearami d

Thionicotinamid

Pyrazinamid

2-Hydroxy-äthyIcarbonat 1 -N aphthalin-acetamid tert.-Butylcarbazat Lactamid

N-Methyldiacetamid p-Acetamidobenzaldehyd

Ester

Butylch'oracetat

Bis-(2-chloräthyl)-carbonat

Butyl-stearat

2-Chloräthyl-chIoracetat

Äthyl-methyl-carbamat

Giykol-dimercaptoacetat

Hydroxyäthylacetat

Iso-pentylnitrit

Phenylcarbonat

Methyloleat

Polyäthylenglykol (200)-dibenzoat

Tetrahydrofurfuryl-oleat

Tributyl-borat

Tributyl-citrat

2.2,4-Trimethyl-l,3-pentandiol-diisobutyrat Äther

Dibenzyläther

Dimethoxy-tetraäthylenglykol

Dimethyl-polysiloxane

Diäthoxy-äthylphthalat

N-Butylphenjyläther

Kronenäther (Crown ethers)

o-Äthoxyphenol

1 -Äthoxy-naphthalin

Glycerin-dimethyläther p-Hexyloxyphenol

Methoxyäthyl-ricinoleat

2-Vinyl-oxyäthyläther

Verscliiedene Verbindungen

Lewis-Säuren, -Basen und -Salze

T etranitromethan

N-Acetyl-morpholin

Acriflavin

Aminosäuren

Benzthiazol o-Aminophthalsäurehydrazid Butyl-sulfon

Bis-(2-äthylhexyl)-hydrogenphosphat saures Dimethyl-pyrophosphat

Guar-Gummi

1-Nitrosopiperidin

Indol

Pyridazin

T rimethy lsulf oxonium-jodid

Anorganische Salze, Säuren Cedren

Trimethylensulfid

Chlorpicrin

Lithium-stearat anorganische Salze

Calcium-borgluconat

Aminophosphorsäuren

Diphenyl-selenid

Wismuth-äthylcampherat

Schwefeljodid

Trimethyl-sulfoxoniumjodid

Trichlormethyl-phosphonsäure

Picraminsäura

Aminoäthan-thiosulfonsäure.

Als Teil der Methode, die zur Klassifizierung der Materialien, wie sie hier aufgeführt sind, angewandt werden kann, können diese mit destilliertem Wasser titriert und ihre Leitfähigkeiten erhalten werden. Die so erhaltene Verdünnungs/ Leitfähigkeitskurve gibt die Änderungsgeschwindigkeit der Leitfähigkeit mit der Verdünnung sowie den Punkt der Herabsetzung oder Plateauwerte der Leitfähigkeit an, wie sie in vernünftigen Verdünnungsmitteln erreicht werden, was dazu beiträgt, die Materialien hinsichtlich der verschiedenen, hier diskutierten Kategorien zu charakterisieren, wie etwa als sehr wirksame Lösungsmittel, wirksame Lösungsmittel usw. Die folgenden Angaben veranschaulichen die Anwendung dieser Technik (die Widerstände sind in MQ angegeben). Das sehr niedrige Widerstandsplateau bei den angegebenen Verdünnungswerten zeigt, dass Dichloressigsäure und Mercaptoes-sigsäure zur Kategorie sehr wirksamer Medien gehören. Das etwas höhere Plateau von Äthylencarbonat und 2,5-Hexan-dion bringt diese in die Kategorie der aktiven Medien.

Durch eine solche Methode kann eine angemessene Bewertungsskala zur Auswertung der verschiedenen Medien aufgestellt werden. Diese Technik trägt dazu bei, Medien auf einen gewünschten Leitfähigkeitswert durch Feststellung der Widerstandswerte bei verschiedenen Verdünnungswerten zu bringen.

Probe

Anfangswiderstand 0,3 ml

Widerstand mit 0,05 ml Wasserzusatz

Widerstand mit 1 ml Wasserzusatz

Dichloressigsäure

100

0,042

0,001

Mercaptoessigsäure

1

0,050

0,004

Äthylencarbonat

0,2

0,20

0,065

2,5-Hexandion

7

2,2

0,060

Häufig reicht selbst teilweise Mischbarkeit mit Wasser aus, den zu erwartenden Aktivitätsbereich oder die Eigenschaften anzugeben. Weiter werden diese Untersuchungen durch Titration gegen andere Stoffe als gegen Wasser ausgeweitet. So wurden z.B. Dichloressigsäure, Formamid und Thiodiäthylenglykol verwendet. Diese verkörpern dann ein unterschiedliches Lösungsmittelmischbarkeits-Vermögen und

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5

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-profil. Unter diesen Mitteln hat das Formamid eine sehr hohe Dielektrizitätskonstante und eine grössere Leitfähigkeit als Wasser, während die Leitfähigkeit des Thiodiäthylengly-kols im Bereich des verwendeten Wassers lag und auch den Leitfähigkeitswert des Wassers erreichte, wenn ein Tropfen Wasser zugesetzt wurde; d.h. also, nach nur geringfügiger Verdünnung mit Wasser. Die so durch Verdünnen mit nicht-wässrigen Stoffen hervorgerufenen Leitfähigkeitsveränderungen wurden weiter charakterisiert, indem so durch Zusatz einer sehr kleinen Menge sekundärer Lösungsmittel, die Wasser sein können, hervorgerufene Änderungen in den Plateauwerten beobachtet wurden. Dies trägt dazu bei, eine Beziehung zwischen dem Einfluss sekundärer Lösungsmittel, wie z.B. des aktiven oder sehr aktiven Typs (oder des inerten Typs für die suppressive Aktivität) und dem Leitfähigkeitsprofil herzustellen. Solche Effekte sind für die verdünnten Mittel, denen das sekundäre Verdünnungsmittel zugesetzt wird, variabel oder charakteristisch. Weiter können die Leit-fähigkeits-Titrationskurven mit einem besonderen Verdünnungsmittel von Wert für die Leitfähigkeit untersucht werden, das ein bereits ionisiertes System oder ein System mit höherer Leitfähigkeit sein kann. Z.B. kann die Verdünnung von Hydroxyverbindungen und Äthern mit massig leitfähiger wässriger Ammoniumnitratlösung und Essigsäure genannt werden. Der Vergleich erfolgte, wo beide letzteren Systeme äquivalente Leitfähigkeiten aufwiesen. Die Verdünnung der vorgenannten wässrigen leitfähigen Lösungen durch die Verbindungen 1,3-Butandiol, 2,2-Methoxy-äthoxy-äthanol, 2-Oxydiäthanol, Bis-(2-methoxyäthyl)-äther, Sorbit (40 vol.-% ige Lösung) und Sorbit (57 vol.-%ige wässrige Lösung)

zeigt im allgemeinen einen ähnlichen Leitfähigkeitsabfall über den Titrationsbereich, wenngleich bestimmte eindeutig festgelegte Kurvenformen abgeleitet wurden. So wurden die relative Aktivität und das suppressive Profil der verschiedenen Verdünnungsmittel erkennbar. Mit dieser Technik ist der wesentliche Unterschied mit Bis(2-methoxyäthyl)-äther leicht zu erkennen. Unterschiede wurden auch in den Wirkungen von wässrigem Sorbit bei verschiedenen Konzentrationen, verglichen mit nicht-wässrigen Materialien, auf die ionisierte Ammoniumnitratlösung festgestellt, die sonst weniger ausgeprägt waren als auf verdünnte Essigsäurelösung. Weiter können die verschiedenen Systeme unter dem Aspekt untersucht werden, wie sie die Daten für Gleichgewichtscharakteristiken, Ionisation und/oder Bildung für die interessierenden Stoffe und bei verschiedenen pH-Werten beeinflussen. Ein grosser Sammelband oder eine Bibliothek von Daten kann für diese verschiedenen Möglichkeiten erstellt werden, um eine verkleinerte empirische Basis für die Bedingungen der Systemauswahl zum Einsatz zu erreichen. Als Ergebnis der Erfindung steht eine bereits erarbeitete umfangreiche Tabelle für grundlegende Lösungsmittelsysteme zur Verfügung, aus der künftige Klassifizierung zur Entwicklung von Medien für die Verwendung bei besonderen Species oder Stoffen erfolgen kann.

Wie durch die obigen Beispiele und die Aufstellung der chemischen Stoffe veranschaulicht, gehört zum erfindungsgemässen Verfahren zum Teil das Trennen oder Beweglichmachen von chemischen Teilchen oder Stoffen, bequemerweise auf einem Träger, wie z.B. einem Filterpapier, in einem Medium von geringer Leitfähigkeit, an das eine hohe Spannung angelegt wird. Die Basis oder Grundlage des Mediums um-fasst eine oder mehrere Verbindungen, z.B. anorganische oder organische Verbindungen, wie z.B. Glykole, Äther, Ester, Dione, Lactone, Amide, Nitrile, Alkohole und Wasser. Dem Medium kann ein Mittel zur Einstellung seiner Leitfähigkeit zugesetzt werden, das aus der Gruppe Wasser, Säuren, Basen und Salze gewählt werden kann. Die beim Verfahren angewendete Spannung liegt im Bereich von etwa 50 bis 25 000 V /cm. Bei sehr hohen Spannungen, und insbesondere bei flüchtigen oder gasförmigen Substanzen, kann Kühlung erforderlich sein. Der bevorzugte Bereich ist etwa 200 bis 3000 V/cm, und in diesem Bereich kann das Verfahren ohne Aussenkühlung durchgeführt werden. Die Leitfähigkeit des Mediums wird bevorzugt so eingestellt, dass eine Stromdichte im Bereich von etwa 0,2 bis 100 (iA/cm2 entsteht, bezogen auf die Fläche des Substrats, wie z.B. Filterpapier. Der bevorzugte Bereich ist 1,4 bis 54 (iA/cm2. Für die Arbeit in Masse oder Substanz und mit Aussenkühlung können Stromdichten über 100 (iA/cm2 angewandt werden. Das Transportmedium wird nach geeigneter Einstellung seiner Leitfähigkeit einer ausreichend hohen Spannung bei niederem Stromwert (etwa beim Schwellenwert) ausgesetzt, um die Trennung der chemischen Stoffe oder Teilchen darin mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 cm/sec bis etwa 0,25 cm/min zu induzieren. Bei den obigen Beispielen war unter den angegebenen Bedingungen keine Aussenkühlung erforderlich.

Verfeinerung der Techniken zum Zusammenstellen der Medien kann zu einer Verbesserung der Auflösung bei der Trennung gegebener Komponenten durch EMB führen. Z.B. ermöglicht das Medium aus 5 ml cyclischem Propandiolcar-bonat, 5 ml Propylenglykol, 2 ml N-Methylacetamid und 0,4 ml Tetrahydrofurfurylalkohol die Auflösung von Rhodamin B und 6G des Beispiels 12 in beträchtlich weniger als den in Beispiel 12 erforderlichen 3,6 cm. Die Anwendung verbesserter Auflösung zur Abkürzung der Trennstrecken macht es möglich, die Diffusionseffekte zu minimalisieren.

Es ist möglich, die Auflösung allgemein nach dem folgenden Vorgehen zu verbessern. Ein geeignetes Lösungsmittel wird für den zu transportierenden chemischen Stoff gefunden. Die Natur des zu transportierenden chemischen Stoffs wird dann in Form seiner Protonen-Donator-Akzeptor-Eigenschaften analysiert. Die Donator-Akzeptor-Eigenschaften einer Anzahl chemischer Stoffe sind in der Literatur katalog-mässig aufgeführt. Vgl. z.B. V. Gutmann, Coordination Che-mistry in Non-Aqueous Solutions (1968). Dann sollte dem Medium eine Komponente zugesetzt werden, die sich an einer Protonen-Donator-Akzeptor-Wechselwirkung mit dem chemischen Stoff beteiligt. In vielen Fällen sind die Protonen-Do-nator-Akzeptor-Eigenschaften des chemischen Stoffs noch nicht katalogisiert oder sie sind komplex. In solchen Fällen kann die Art der Komponenten des Mediums, die das Auflösungsvermögen verbessern, durch Testen des Systems bestimmt werden, indem einfach ein sehr starker Protonen-Donator zu einer Probe und dann ein sehr starker Protonen-Akzeptor zu einer anderen gegeben wird. Wenn der starke Donator die Mobilität (Bewegungsgeschwindigkeit) der Verbindung erhöht, werden anschliessend Donatoren unterschiedlicher Stärke getestet, um zu bestimmen, welcher von ihnen die grösste Verbesserung der Beweglichkeit und der Auflösung liefert. Analog wird vorgegangen, wenn der starke Protonenakzeptor die Beweglichkeit des chemischen Stoffs erhöht. Die Zugabe einer Komponente, die mit dem zu transportierenden chemischen Stoff oder Teilchen durch Proto-nen-Donator-Akzeptor-Wechselwirkung in Beziehung zu treten vermag, scheint die anfängliche Bewegbarkeit der chemischen Species zu erleichtern. Die Dielektrizitätskonstante des Mediums wird dann, wenn nötig, auf einen mässig hohen Wert eingestellt. Es kann auch nötig sein, hinsichtlich der elektrischen Instabilität des Mediums durch Zusatz einer kompensierenden Komponente, wie oben im einzelnen angegeben, zu korrigieren.

Als weiterer Aspekt der Erfindung wurde festgestellt, dass eine verbesserte Zusammenstellung der halbleitenden Medien es für bestimmte chemische Species auch ermöglicht, eine EMB-Ansprechbarkeit zu entwickeln, die mit freiem Auge bei verhältnismässig niedrigen Spannungen und geringen Stromwerten, verglichen mit den oben beschriebenen Hoch5

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spannungsvorgängen, zu beobachten ist. Spannungen unter 50 V/cm und sogar unter 20 V/cm auf herkömmlichen Trägermedien wurden angewandt. Man kann z.B. EMB-Trans-port bei Stromwerten bis herab zu etwa 3 X 10~6W bis 1,7 X 10"5W mit Spannungen von 2 bis 4 V bei 1,5 bis 4,2 jiA über mehrere Zentimeter eines Filterpapiers Whatman Nr. 1 erzielen. Dies bedeutet EMB-Betrieb bei Potentialen von mehreren mV/cm bei Zehnteln von fxW/cm2. Die Grenze bei Niederspannungs-EMB ist der Wert, bei dem elektrisches Diffusionsvermögen ins Spiel kommt. Es wurde auch gefunden, dass bestimmte Mittel den Schwellen-Stromwert einer chemischen Species (eines chemischen Stoffs oder von chemischen Teilchen) herabsetzen. Niedrige, an das Medium gelegte Spannungen von 0,05 bis 50 V/cm zur Erzeugung einer Stromdichte von 0,001 bis 0,2 oder bis zu 4 jxA/cm2 können angewandt werden.

Ein Mediensystem wird so modifiziert, dass es ein Ansprechen auf Niederspannungs-EMB und eine Herabsetzung des Schwellen-Stromwerts ermöglicht, und zwar in der gleichen Weise, wie es für die Verbesserung der Auflösung modifiziert wird. Insbesondere werden Starter (Initiatoren) und beweglichmachende Mittel zugesetzt. Starter sind Verbindungen, die in der Richtung wirken, dass sie den Schwellen-Stromwert einer gegebenen chemischen Species herabsetzen, und beweglichmachende Mittel sind Verbindungen, die die Mobilität (Transportgeschwindigkeit) einer gegebenen chemischen Species steigern. Es besteht eine gewisse Überschneidung zwischen den Verbindungsklassen, die als Starter oder Initiatoren bzw. als beweglichmachende Mittel brauchbar sind, d.h., manche Verbindungen wirken sowohl als Starter als auch als beweglichmachende Mittel.

Im allgemeinen sind Materialien, die mit der zu transportierenden chemischen Species auf einen Protonen-Donator-Akzeptor-Wert einwirken, und Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstanten als Starter und beweglichmachende Mittel brauchbar. Beispiele für Verbindungen, die oft sowohl als Starter als auch beweglichmachende Mittel brauchbar sind, sind N-Methylacetamid und Salicylaldehyd.

Mit der Verwendung von Startern können Schwellen-Ströme bis herab zu 0,2 bis 0,002 oder 0,001 [xA/cm2 eingestellt werden, und die EMB kann bei diesen Strömen bei geringeren, aber noch wirksamen Bewegungsgeschwindigkeiten mit Spannungen bis herab zu 0,05 bis 10 V/cm durchgeführt werden. Der Spannungswert von 0,05 V/cm stellte bei der praktischen Durchführung ein praktisches Minimum dar, da Spannungseffekte dieser Grössenordnung, die dem System zu eigen sind, auftraten. Insgesamt kann unter Berücksichtigung sowohl dei Hochspannungs- als auch der Niederspan-nungs-EMB der EMB-Spannungsbereich 0,05 bis 25 000 V/cm sein, wobei die Leistungswerte bis herab zu 1,2 X 10-9 bis 5 X 10-5 W/cm2 sein können.

Die folgenden Beispiele veranschaulichen, wie die Medien, die für den EMB-Transport entsprechend den Kriterien der Halbleitfähigkeit und der Kompatibilität mit chemischen Species, wie in Verbindung mit Hochspannungs-EMB beschrieben, mit Startern zur Herabsetzung des Schwellen-Stroms modifiziert werden.

Beispiel Zusammensetzungen des Lösungsmittels

16 7 ml Propylenglykol, 3 ml Diacetonalkohol (beweglich-machendes Mittel, erhöht auch die Auflösung), 2,2 ml N-Methylacetamid (hohe Dielektrizitätskonstante, wirkt als Starter und bewegiich-machendes Mittel), 1,3 ml Formamid (ebenso).

17 21 ml cycl. Propandiolcarbonat, 9 ml Methoxy-äthyl-äthanol, 12 ml Tetrahydrofurfurylalkohol, 3 Tropfen HNOs verdünnt 1:3 mit Wasser.

Das Medium des Beispiels 16 wurde zum Trennen von Rhodamin-Farbstoffen und auch zur Trennung von Vitamin B12 und Natriumriboflavinphosphat-Gemischen eingesetzt.

Das Medium des Beispiels 17 wurde zur Trennung von Rhodamin B und 6G über weniger als 0,5 cm verwendet. Der Tetrahydrofurfurylalkohol wirkte auf die Beweglichkeit der Verbindungen steigernd und vergrösserte so die Molekularunterschiede. Ohne diese Komponente zeigten die beiden Stoffe fast gleichwertige Bewegung über mehrere Zentimeter.

Für weitere Beispiele kann das Medium des Beispiels 17 verändert werden, um seine Leitfähigkeit durch tropfenweise Zugabe von Leitfähigkeits-Starter- oder beweglichmachenden Mitteln (A) zu erhöhen, um die elektrischen Werte (B) und die Leistungswerte (C) der nachfolgenden Tabelle zu erhalten.

elektrische

Werte für den Gesamt-EMB-

Mittel EMB-Lauf (auf Leistungswert

4x1 cm Filter- in [xW papier)

(A) (B) (C)

Salpetersäure (1:30 in Wasser)

4 V, 4,2 jxA

17

Ammoniumbromid (gesättigt in Glykol)

10 V, 1,1 [xA

11

Formamid

10 V, 1,2 [XA

12

N-Methyl-acetamid

20 V, 2 |xA

40

N-Methyl-formamid

10 V, 4,1 [xA

40

Hexamethyl-phosphor-

10 V, 3,5 [XA

35

säure-triamid

Die EMB kann angewandt werden, um biochemische Stoffe mit hohem Schwellen-Strom beweglich zu machen, wie z B. Proteine, Polypeptide, Nukleinsäuren, Steroide, Lipide, Lipoproteine und Fettsäuren. Proteine und andere biochemische Verbindungen unterliegen leicht thermischen und chemischen Veränderungen und werden gewöhnlich in wässriger Lösung gehandhabt, oft in eisgekühlter, gepufferter Elektrolytlösung. Wasser als Hauptbestandteil in EMB-Medien hat den Nachteil, Elektrolytlösungen zu bilden und ziemlich zu verdusten. So wurde der Anpassung von Systemen mit hohem Wassergehalt an den EMB-Einsatz besondere Aufmerksamkeit gewidmet, ferner auch der Anwendung der EMB auf Proteine und verwandte Substanzen in nicht-wässrigen Systemen. Da die Aktivität biochemischer Verbindungen an ihre strukturelle Integrität und Sensitivität gebunden ist, war ein weiteres Ziel die Zusammenstellung eines vielseitigen Satzes von Medien, die diese Aktivität erhalten.

5

io

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20

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65

13

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Zur allgemeinen Technik für das Formulieren eines wäss-rigen EMB-Mediums für den Proteintransport gehört die Herabsetzung der Leitfähigkeit von Wasser durch Zusatz eines suppressiv wirkenden Mittels, Einstellen der Dielektrizitätskonstanten durch Zusatz eines Materials hoher Dielektrizitätskonstante, wenn nötig, und Zusatz von starken und/oder beweglichmachenden Mitteln, um die Bewegung der Proteine zu fördern.

Wie oben angegeben, wurde gefunden, dass eine Reihe von Verbindungen die Leitfähigkeit von Wasser in verschiedenem Ausmass unterdrücken und dadurch das Problem hoher Leitfähigkeit in wässrigen Medien lindern. Diese Verbindungen wirken auch als mischbare Protein-Lösungsmittel. Die Ergebnisse der Unterdrückung der Leitfähigkeit sind in Form des nachfolgenden Beispiels wiedergegeben.

Beispiel 18

Zahlreiche protein-kompatible Lösungsmittel wurden mit Wasser (VolumenVerhältnis 16/9) kombiniert. Reine Lösungsmittel wurden verwendet, wenn möglich, da die Spurenverunreinigungen in handelsüblich erhältlichen Materialien die Unterdrückung der Leitfähigkeit beeinträchtigen können (dies wird durch die für die Verbindungen (7) und (18) angegebenen Werte veranschaulicht, die die gleiche Substanz sind, aber von zwei verschiedenen Quellen stammen). Relative Werte der Unterdrückung der Leitfähigkeit im Vergleich zur Leitfähigkeit von Wasser waren:

(1) Thiodiäthylenglykol 2,2

(2) 2,6-Dimethylmorpholin 2,6

(3) Methoxy-äthoxy-äthanol 2,6

(4) 2-Pyrrolidon 2,7

Die Leitfähigkeit stärker unterdrückende Verbindungen sind:

(5) Y-Butyrolacton 3,3

(6) Sorbit 3,8

(7) 1,3-Butandiol 3,6

(8) Propylenglykol 3,6

(9) Dimethylformamid 3,6

Eine Gruppe von Unterdrückungsmitteln höherer Stärke sind:

(10) Dimethylacetamid 4,8

(11) Tetrahydrofurfurylalkohol 4,6

(12) Butoxy-äthoxy-propanol 5,0

(13) 6-Hexanolacton 5,0

(14) Oxydiäthanol 5,4

(15) Diacetin 5,6

Die wirklich starke Klasse von Unterdrückungsmitteln für Wasser kann dargestellt werden durch:

(16) 2-[2-(Äthoxy-äthoxy)-äthoxy]-äthanol 8,3

(17) l-{[2-(2-Methoxy-l-methyl-äthoxy)J- 10 -l-methyl-äthoxy}-2-propanol 10

(18) 1,3-Butylenglykol 12

1 Die Wahl eines geeigneten Unterdrücker-Lösungsmittels sollte den Effekt des Unterdrückungsmittels auf die Proteinwanderung berücksichtigen. So können die obigen Verbindungen (10), (11), und (13) die Protein-Beweglichkeit fördern, während (3), (4), (9), (14) und (18) in dieser Hinsicht weniger stark sein können.

Weitere Lösungsmittel für biochemische Verbindungen umfassen Alkohole, wie z.B. Methylcarbitol, Phosphonate, wie z.B. Diäthyl-äthyl-phosphonat, Lactone, wie z.B. 6-Hexanolacton, und Zucker.

Die Kompatibilität des Lösungsmittels mit dem Substrat ist ein weiterer Gesichtspunkt. Bei ungeeigneter Auswahl des Lösungsmittels kann dieses das Substat angreifen, was zu einer veränderten Porosität, Strukturzusammenbruch oder ähnlichen Effekten führt. Geeignete Wahl des Lösungsmittels in Rezepturen der Medien ermöglicht die Anwendung z.B. des Ionenaustauschs von «Dünnschicht-»Platten sowie Filmen 5 von Cellulosederivaten, wie z.B. des Nitrats oder Acetats, oder von Agarose, Acrylamid oder Silicagel, die mit EMB-Me-dien imprägniert sind.

Die Anwendung starker Unterdrückungsmittel im Über-mass kann zu einem System mit einem so hohen Innenwider-io stand führen, dass sich eine erhebliche Widerstandserhitzung ergibt, insbesondere, wo ein Betrieb bei hohem Schwellen-Strom angezeigt ist. So ist die Wahl eines weniger starken Unterdrückungsmittels häufig zufriedenstellend. Die Tc-Anfor-derungen von Proteinen und verwandten Substanzen liegen oft 15 im Bereich von 4,6 mA/50 cm2 oder darüber auf einem Cel-lulosesubstrat, gegenüber 1,2 mA/50 cm2 oder weniger für die meisten anderen Verbindungen.

Eine Senkung des Wassergehalts von EMB-Medien, wie oben beschrieben, kann die Dielektrizitätskonstante des Me-20 diums ändern. Diese Änderung kann durch Zusatz im allgemeinen von Komponenten mit sehr hoher Dielektrizitätskonstanten ausgeglichen werden, wodurch sich die für die EMB wünschenswerte hohe Dielektrizitätskonstante wieder einstellt. Beispiele für geeignete Materialien zur Einstellung 25 dieser Dielektrizitätskonstanten sind etwa Hydroxyäthyl-form-amid, N-Methyl-formamid, Formamid, N-Methyl-acetamid und verwandte Verbindungen. Im allgemeinen sind N-Alkyl-und N-Aryl-amide brauchbar. Häufig neigen diese Verbindungen, besonders wenn sie nur von handelsüblicher Rein-30 heit sind, zur Erhöhung der Leitfähigkeit des Mediums, was dem suppressiven Mechanismus entgegenwirkt. Ein solcher Beitrag zur Leitfähigkeit kann zum Kompensieren eines übermässig hohen Innenwiderstands, verursacht durch eine starkes Unterdrückungsmittel, eingesetzt werden.

35 Hohe Schwellen-Werte biochemischer Species oder Stoffe können in vorteilhafter Weise durch die Verwendung von Startern und beweglichmachenden Mitteln gesenkt und die Beweglichkeit bei der EMB erhöht werden. Viele Proteine erwiesen sich als für den Einfluss von Protonen-Akzeptor-Sub-40 stanzen in steigender Beweglichkeit besonders empfänglich, waren aber verhältnismässig indifferent gegenüber einer Mobilisierung durch Protonen-Donator-Moleküle. Starter- oder Initiatorsubstanzen tragen, auch wenn sie in verhältnismässig geringer Konzentration vorliegen, beträchtlich zur Senkung 45 des Schwellen-Stroms bei, und wenn sie auch als beweglichmachende Mittel wirken, dann auch zur Steigerung der Mobilität der Species. Für Proteine können Initiatoren eingesetzt werden, um die Schwellen-Werte von 4,6 mA/50 cm2 auf 3,4 bis 1,0 mA/50 cm2 (20 [iA/cm2) bei Spannungen im Be-50 reich von 50 bis 25 000 V/cm zu senken. Typische Initiatorsubstanzen, beweglichmachende Mittel und brauchbare Lösungsmittel sind Nitrobutanol, 3-Acetyl-3-chlorpropylacetat, Salicylaldehyd, N-Methyl-acetamid, Borsäure, Phenole, Guaia-kol, Fumar- und Barbitursäure, Piperazin, Furfural, Tribut-55 oxyäthylphosphat, ß,ß,ß-Trichlor-t-butylalkohol, Dimethyl--l,3-dioxolan-4-methanol, 2-Äthyl-sulfonyl-äthanol, Tetrahydrofurfurylalkohol, N-substituierte Pyrrolidone, Dimethyl-sulfoxid, 2,2-Oxydiäthanol, cyclisches Äthylencarbonat, Tetramethylharnstoff, Thiodiäthylenglykol, 1-Äthinylcyclo-60 hexanol, Tetrahydro-3-furanol, 2,6-Dimethyl-m-dioxan-4-ol--acetat und 2,5-Bis(hydroxymethyl)-tetrahydrofuran, andere Amide, insbesondere N-Alkyl- und Dialkyl- und Hydroxy-amide, andere Protonen-Akzeptoren und Puffersysteme. Sehr häufig wirken Substanzen mit hoher Dielektrizitätskonstan-65 ten als beweglichmachende Mittel oder Initiatoren.

Die Elektrophorese von Proteinen erfolgt häufig in einem Puffer von hohem pH (Alkali) wegen der Abhängigkeit von isoelektrischen Punkten bei der Elektrophorese. Der EMB-

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Transport von Proteinen dagegen kann in sauren Medien durchgeführt werden. Puffer können aus der Liste biologisch kompatibler Mittel, wie unten angegeben, hergestellt werden, oder sie können aus den üblicherweise verwendeten Arten wie Tris, Veronal oder Sörensen, bestehen. Zudem können üblichere organische Säuren und Basen eingesetzt werden. Beispiele für saure Puffer, die für den EMB-Transport von Proteinen und verwandten Substanzen brauchbar sind, sind folgende:

Tetramethyl-ammoniumhydroxid/Essigsäure Triäthylentetramin/2,2-Oxydiessigsäure Dimethylamin/ Pikrinsäure Diäthanolamin/Dichloressigsäure T riäthanolamin/ Dichloressigsäure Piperazin/ Dichloressigsäure.

Eine Zusammenstellung von Mitteln zur Verwendung von Puffer-Rezepturen mit minimaler Beeinträchtigung empfindlicher biologischer Systeme wird angegeben, ebenso eine kurze Aufstellung anderer respräsentativer Mittel, die befriedigenderweise hingenommen werden, um im allgemeinen für biologische Arbeiten brauchbar zu sein. Zusätzliche Kriterien für diese letztere Gruppe sind niedriger Schmelzpunkt, ein guter Bereich des flüssigen Zustands, Wasserlöslichkeit, sonstige Löslichkeit, Lösungsmittelaktivität, Inertverhalten oder Funktionalität usw.

TABELLE IV

Biologisch kompatible Puffermittel und zwitterionische Puffer

Cyclohexyl-aminoäthan-sulfonsäure,

N'-2-Hydroxyäthyl-piperazin-N'-2-äthansulfonsäure

Tris(hydroxymethyl)-methylaminopropan-sulfonsäure

TABELLE V

Weitere repräsentative, zur Verwendung in EMB-Medien in biologischen Systemen geeignete Materialien

Acetamidocapronsäure

L-x-Acetamido-ß-mercaptopropionsäure

Acetamidophenol

Acetanilid

Allantoin

Alantolacton

1-Allyl-2,5-dimetholy-3,4-methylen-dioxybenzol n-Amyl-butyrat

Anhydromethylen-zitronensäure

B-L-Arabinose

Arabitol

Arachidonsäure

Benzylacetat

1.3-Bis(hydroxymethyl)-harnstoff

Bis(2-Äthylhexyl)-2-äthylhexylphosphonat

Äthoxy(10-20)glucose

Äthyllinoleat

Äthyl-laevulinat

3 -Äthyl-1 -hexanol

2-Äthyl-2-methyl-succinimid 2-Äthyl-sulfonyläthanol Äthylenglykol-diacetat

1 -Äthinyl-cyclohexanol

Eugenol

Farnesol

Fructose

D-gluconsäure-5-lacton Glutathion

Glycerophosphorsäure

14

2,6,10,15,19,23-Hexamethyltetracosan 3 -Hy droxy-2-butanon

2-Hydroxybenzyl-phosphinsäure N-(2-Hydroxyäthyl)palmitamid

5 5-Hydroxy-2-hexencarbonsäurelacton 2,6,10,15,19,23-Hexamethyl-2,6,10,14,18,22-tetracosahexen 15-Hydroxy-pentadecancarbonsäure-s-lacton 5-Hydroxy-2(hydroxymethyl)-4-pyron

3-Hydroxy-3,7,ll-trimethyldodecancarbonsäure, io Ichthymal

Isoascorbinsäure Isoeugenol

Inosit-hexaphosphorsäure Isopropyl-myristat

15 Isovaleriansäure Isovaleramid Kojisäure Lactobionsäure Linolsäure

20 Liponsäure

Methylal-acetamid Methylnicotinat y-Methyl-a, ß-crotonolacton N-Methyl-pyrrolidinon 25 l-Methoxy-4-propenyl-benzol p-Methoxy-benzaldehyd p-Methoxy-benzylalkohol Myristylalkohol

3,4-(Methylendioxy)benzaldehyd 30 Nicotinamid-ascorbat

Nicotinsäure-monoäthanolamin 2-Nitro-2-propyl-l,3-propandiol Oktancarbon(Kapryl)-säure Oleinsäure 35 Öle, natürliche Orotsäure

N-(Pantothenyl)-ß-aminoäthanthiol Pantothensäure Kakaobutter 40 e-Caprolactam Cholin-Salze

2-(Chlorphenyl)-3-methyl-2,3-butandiol Cineol (Eukalyptol)

Zitronensäure

45 oc, ß-Cyclopentamethylen-tetrazol Diäthyl-äthylphosphonat N,N-Diäthyl-isovaleramid N,N-Diäthyl-m-toluamid

2.2-Dimethyl-l,3-dioxolan-4-methanol 50 2,6-Dimethyl-m-dioxan-4-ol-acetat

Dimethylpolysiloxan

2.3-Epoxy-2-äthyl-hexanamid Eicosamethylnonasiloxan Äthyl-phenyl-äther

55 O-Äthoxybenzamid Propoxy(10-20)glucose Pentaerythrit-chloral Pentaerythrit-tetraacetat

3-Pentanon

60 3-Phenoxyl-l,2-propandiol Phenoxyessigsäure

Polyolyäthylen(20)-sorbitanmonooleat a-Phenylbutyramid 2-Phenyl-2-hydroxy-propionamid 65 2-Phenyl-6-chlorphenol Piperidinium-Salza

Poly(äthylenglykol)-p-nonylphenyl-äther Polyoxyäthylen-stearat

15

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Polyvinylalkohol

Polyvinyl-pyrrolidon

N-Polyoxyäthylen-fettsäureamide

6-Propylpiperonyl-butyl-diäthylenglykol-äther

3-Pyridin-äthanol

2-PyrroIidinon

Polyäthylenglykol-p-isooctylphenyl-äther

Steroide, natürliche und abgeleitete, z.B., ex-Lanolin

Salicylamid

Sorbinsäure

Tannina cis-T erpinhydrat

T etrahydro-3-furanol

Tetrahydrofurfurylalkoholpoly-äthylenglykol

3,7,11,15-Tetramethyl-2-hexadien-l-ol

2,6,10,14-T etramethylpentadecan

Tetraäthylenglykol-dimethyläther

Thiamin und Derivate

Theophyllin und Salze

O-Thiocresol

Thujasäure

Tiglinamid

Tocopherole, Tocole

2,2,2-Trichloräthanol

Triäthylenglykol

3,5,5-Trimethyl-2,4-oxazolidindion

Undecylensäure

Veratrol

Viologens

Vitalfärbungen

Valerolacton

Vitamine K, A und Derivate Netzmittel

Wie oben hergestellte Medien in Kombination mit Wasser, einem oder mehreren Unterdrückungsmitteln, einem oder mehreren Mitteln zur Erhöhung der Dielektrizitätskonstanten und einem oder mehreren Initiatoren (und/oder beweglichmachenden Mitteln) ermöglichen die Trennung von Proteinen innerhalb etwa 1 min über eine Distanz von wenigen Zentimetern auf einem Filterpapier Whatman Nr. 1, während die gleiche Trennung auf dem gleichen Substrat bis zu 16 h über bis zu 15 cm Substrat bei Anwendung der Elektrophorese erfordern würde.

Eine Reihe von Proteinen und verwandter Substanzen sind in Wasser unlöslich. Zum Beispiel sind einige abgeleitete oder konjugierte Proteine sowie einige Polypeptide, Keratine und Prolamine wasserunlöslich. Wenn dieses Problem auch in manchen Fällen durch Verwendung modifizierter wässriger Medien überwunden werden kann, so bietet doch die Verwendung nicht-wässriger Medien zusätzliche Flexibilität.

Eine Alternative zu wässrigen EMB-Systemen für Proteine und andere biochemische Verbindungen ist die Verwendung von anderen Lösungsmitteln, die dem Wasser in der Protonen-Donator-Zahl (DZ = 18,0 für Wasser) und in der Dielektrizitätskonstanten (DK = 81,0 für Wasser) analog sind. Besonders brauchbar sind cyclisches Äthylencarbonat (DZ = 16,4, DK = 89,1, Siedepunkt 245°C) und Propan-diol-l,2-carbonat (DZ = 15,1, DK = 69,0, Siedepunkt 240°C). Diese Lösungsmittel verleihen der Zusammensetzung des Mediums überlegene Wärmestabilität und ermöglichen dabei ein Arbeiten mit grösseren Widerstands- und höheren Spannungsgradienten ohne die Notwendigkeit von Aussenkühlung.

Bestimmte Lösungsmittel zeigen eine intensivere Lösungsmittelwirkung als Wasser für einige Proteine. So können Keratine, die wasserunlöslich sind, in anderen Lösungsmitteln, wie z.B. Dimethylsulfoxid, gelöst werden. Prolamine können in Glykolen, Glykoläthern und bestimmten Alkoholen in Lösung gebracht werden.

Lösungsmittel mit mässigen bis starken Protonen-Akzeptor-Eigenschaften sind zum Lösen von Verbindungen geeignet und können sogar die Grundlage des Mediums bilden. Lösungsmittel dieser Art umfassen Jodmonochlorid, Schwefeldioxid und Fluorwasserstoff. Beispielsweise ist wasserfreier Fluorwasserstoff ein gutes Lösungsmittel für faserartige Proteine, die normalerweise in Wasser unlöslich sind. Kollagensubstanzen sowie Elastine und Retikuline widerstehen besonders dem Inlösunggehen in wässrigen Medien, während sie in nicht-wässrigen Medien löslich sind.

Die Medien für den EMB-Transport von Proteinen können andere Protein-Lösungsmittel umfassen, die im Hinblick auf bestimmte Eigenschaften ausgewählt werden, wie z.B. Glykole, Amide, Äther, Pyrrolidone, Lactone, Sulfoxide, Phenole, Alkohole und Phosphonate.

Geeignete wässrige Systeme für den Transport von Proteinen sind in Übereinstimmung mit der obigen Tabelle der Unterdrückungsmittel unter Anwendung eines Lösungsmittel/ Wasser-Volumenverhältnisses von 16/9 folgende:

16 ml Thiodiäthylenglykol 9 ml Wasser

2 Tropfen Äthanolamm

(Trennung von Proteingemischen einschiesslich Cytochrom C und Myoglobin)

elektrische Kenngrösse 1,8 kV/1,2 mA

16 ml 6-Hexanolacton 9 ml Wasser

3 Tropfen Äthanolamin

(ergab Protein-Bewegung und Auflösung)

elektrische Kenngrösse 1 kV/1,2 mA

16 ml Dimethylacetamid 9 ml H20

4 Tropfen Äthanolamin (Trennung von Protein)

elektrische Kenngrösse 1,6 kV/1,2 m A

Die folgenden drei Beispiele veranschaulichen nicht-wäss-rige Medien, die für solche repräsentativ sind, die für den EMB-Transport von menschlichem und Rinder-Albumin, Hämoglobin, Cytochrom C (einem Enzym), Myoglobin (Muskelprotein) und Pancreatin verwendet worden sind. Ausserdem sind Proteine aus Blut bei Versuchen abgetrennt worden, bei denen die Zellbruchstücke im Ausgangszustand belassen wurden. Bei diesen letzten Trennungen war Phenol eine brauchbare Komponente des Mediums.

Beispiel 19 12 ml cyclisches Äthylencarbonat 6 ml Äthoxyäthoxy-äthanol 6 ml Thiodiäthylenglykol

6 Tropfen Tris-dichloressigsäure-Puffer

Beispiel 20

7 ml cyclisches Äthylencarbonat 7 ml Äthoxy-äthoxy-äthanol

9 ml Oxydiessigsäure 1,5 ml Formamid

6 Tropfen Tris-dichloressigsäure-Puffer

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16

Beispiel 21 10 ml cyclisches Äthylencarbonat 4 ml N-Methyl-pyrrolidon

3 ml Furfurylalkohol 2,5 g Borsäure

4 ml 1,3-Butylenglykol

16 Tropfen Piperazin-dichloressigsäure-Puffer

(pH 3,7) Acridin-orange (Fluoreszenz-Indikator)

Das folgende Beispiel veranschaulicht zur Trennung von Albuminen und insbesondere Globulinen angewandte EMB-Medien und elektrische Bedingungen.

Bei- Zusammensetzung spiel des Lösungsmittels elektrische

Kenngrössen

(stabilisiert)

22 10 ml cycl. Äthylencarbonat, 5,2 kV/2,0-3,6 4 ml Butylenglykol, 4 ml Me- mA thylpyrrolidinon, 2 ml Form- Whatman Nr. 1 amid (Initiator), 2,5 g Borsäure, (10 cm) 3 ml Furfural (pH-Puffer und beweglichmachendes Mittel),

] 6 Tropfen Piperazin-dichlor-essigsäure-Puffer, pH 3,7 (pH-Puffer und beweglichmachendes Mittel), Acridingelb (Fluoreszenz-Indikator)

Das gleiche Medium wurde zur Trennung von Cytochrom C, Hämoglobin, Myoglobin, Albumin, Yohimbin und Atro-pin verwendet.

Die Verwendung von Farbstoffen, die als Kennmittel oder Tracer wirken, kann in manchen Fällen wünschenswert sein, um die Trennung farbloser biochemischer Stoffe optisch zu verfolgen, vgl. Beispiele 21 und 22. Der besondere Farbstoff darf aber nicht in den Trennprozess selbst eingreifen. Bromphenolblau wurde gewöhnlich mit Serumproteinen verwendet. kann aber in der EMB von dem Protein getrennt wandern. Für redox-empfindliche Materialien ist oft Methylenblau geeignet, und Glutathion, entweder in oxydierter oder reduzierter Form, kann zum Puffern gegen Redox-Reaktio-nen eingesetzt werden. Farbstoffe des Saframin-Typs binden sich an proteolytische Enzyme und verändern deren Löslich-keitseigepschaften und können deshalb zu deren Trennung von anderen Materialien brauchbar sein. Einige wenige Milligramm eines leicht anzukuppelnden Fluoreszenz-Tracers, wie z.B. Acridin-orange, ermöglichen visuelle Beobachtung vieler Substanzen, Proteine eingeschlossen, unter UV-Licht, ohne deren Wanderungseigenschaften zu verändern. Andere Tracer, wie z.B. Aufheller, Fluoreszenz-Kuppler, und sogar fluoreszierendes Antikörpermaterial, können zum Verfolgen des Proteintransports brauchbar sein. Weitere Tracer für biochemische und andere Arbeiten sind natürliche Farbstoffe, wie z.B. die Flavine und Primulin, Nil-blau kann besonders brauchbar allein oder in Kombination mit anderen Farbstoffen unter UV- und Tageslicht sein. Neutral-rot mit Aesculin bleibt bei etwa lOOOfacher Verdünnung mit Tageslicht allein empfindlich. Die UV-Farbstoffe sind auch zum Lokalisieren schwacher positiver oder negativer Ladunden in biologischen Strukturen angebracht. Antikörper oder andere kuppelnde Tracer-Stoffe sowie radioaktive Derivate können ebenfalls brauchbar sein, z.B. Rhodamin B-isothiocyanat, Fluorescein-isothiocyanat, p-Isothiocyanato-acridin, 4-Chlormethyl-l-acri-din, l-Äthyl-2-[3-(l-äthylnaphthol-ri,2b]-thiazolin-2--ylidin)-2-methylpropenyl }-naphth [ 1,2]thiazoIiumbromid. Weitere mögliche Tracer sind Phenazin-methosulfat, Rema-

zol-brilliantblau R, Thiazolytblau, Protoporphyrin IX, Citra-zinsäure, Chinin, Lisamin, Rhedamine, Clevesäure und Umbellifero)!.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Anwendung der s Formulierungstechnik der EMB-Medien zur Herstellung gasförmiger halbleitender Medien, was gesteuerte Leitung erlaubt, ohne die Notwendigkeit zum Evakuieren, sehr hoher Temperaturen oder sehr hoher Spannungen. Die Anwendung der Formulierungstechniken für flüssige EMB-Medien auf io die Formulierung gasförmiger Medien führte zur Erzielung hoher Leitfähigkeitswerte ohne die Notwendigkeit hohen Potentials. Mit dem Aufbau eines gasförmigen EMB-Mediums wird bezweckt, den Leitfähigkeitswert des Gases auf den Wert der Halbleitfähigkeit oder einen anderen, für die ge-15 wünschte Anwendung passenden Wert zu erhöhen.

In der Industrie sind Gase auf breiter Basis als Isolatoren eingesetzt worden. Die derzeit praktizierte Leitung von Gasen zielt meist auf die hoch dieleketrischen Eigenschaften von Gasen allgemein. Die Leitung findet gewöhnlich innerhalb 20 einer Ummantelung oder einer anderweitig gesteuerten Umgebung in einem relativen Vakuum unter Verwendung einer Energiequelle (wie z.B. einem thermoelektrischen Faden) zur Steuerung der Leitung statt. In solchen Vorrichtungen ist die Gegenwart von Materialien geringerer dielektrischer Eigen-25 Schäften schädlich oder gar vernichtend. Die Leitfähigkeit von Gasen ist derzeit auch von Bedeutung auf dem Gebiet der Ionisation oder des Plasmazustands. Es wurden Versuche unternommen, Strom durch Bewegung von leitfähigen Gasen relativ zu einem magnetischen Feld zu erzeugen (Magneto-30 gasdynamik), aber es hat sich als notwendig erwiesen, Temperaturen anzuwenden, die so hoch sind, dass Korrosion der Behälter eintrat. Nun ist es möglich geworden, leitfähige Gase bei oder nahe Raumtemperatur durch die Anwendung der EMB zu erhalten, und dadurch wird es möglich, ein prak-35 tisches Mittel zur Erzeugung von Strom zu liefern.

Die Formulierung oder Zusammenstellung gasförmiger EMB-Medien führt zu einer brauchbaren wissenschaftlichen Technik zur Untersuchung der Moleküleigenschaften von. Stoffen. Zudem kann die Erfindung zum Bau von Vorrich-40 tungen für gesteuerte Leitung in Gasen Anwendung finden, die zur drahtlosen Übertragung (z.B. in Transformatorkernen, ohne Wicklung), bei Untersuchungen der Lichtemission,

beim Ladungstransport und Molekültransport in Gasen, elektrisch ausgelöster Gasdiffusion und bei Vorrichtungen mit 4s Niederspannungs-Funkenabstand verwendet werden. EMB-Medienformulierung kann angewandt werden, um Kraftstoff-Verbrennungssysteme und den Kraftstoff selbst in Verbrennungskraftmaschinen so zu modifizieren, dass der Zündabstand vergrössert wird (z.B. ein Auseinanderrücken der Zünd-50 kerzenelektroden auf einen grösseren Abstand zu ermöglichen, um sich so weniger auf explosive Ausbreitung zu verlassen).

Prinzipien ähnlich denen, die auf die Herstellung flüssiger halbleitender EMB-Medien Anwendung finden, finden auch 55 auf die Herstellung gasförmiger halbleitender EMB-Medien Anwendung. Medien, die eine Reihe von Komponenten enthalten, wie z.B. 3- oder 4-Komponentensysteme, sind notwendig, um eine beträchtliche Änderung der Leitfähigkeit des Gases zu bewirken, um es in den halbleitenden Bereich zu 6o bringen. Mittel, deren Zusammenwirken eine Protonen-Donator-Akzeptor-Wechselwirkung, erhöhte Leitfähigkeit und eine höhere Dielektrizitätskonstante ermöglicht oder erleichtert, werden angegeben.

So wirkt z.B. Wasser durch Wasserstoffbrückenbindung in 65 der Dampfphase sowohl als Donator- als auch als Akzeptor-Molekül in Wechselwirkung mit Protonen-Donatoren, die im Bereich von starken Säuren bis zu Alkanolen liegen (z.B. l,l,l,3,3,3-Hexafluorpropan-2-ol), und mit Akzeptoren, wie

17

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z.B. Aminen (einschliesslich Pyridinen), Äthern, Alkoholen und Ketonen. Im allgemeinen haben sich für die Leitung in Gasen als besonders geeignet Lösungsmittel erwiesen, je leitfähiger oder aktiver sie als EMB-Lösungsmittel waren.

Auch fördert ein Zusammenmischen von Materialien eine verbesserte Leitfähigkeit.

So setzte z.B. das Einbringen einiger weniger Tropfen Tri-äthylentetramin auf den Boden eines in ein leicht erwärmtes Sandbad gesetzten Versuchs-Glasrohrs den Widerstand zwischen den Elektroden mit einem Elektrodenabstand von 0,5 cm und 2,5 cm über dem Boden des Rohrs von mehr als IO9 Q in Luft auf IO6 Q herab. Der Zusatz eines kleinen Jod-kristalls setzte den Widerstand auf weniger als 8 X IO5 Q herab. Zusatz von Formamid anstelle von Jod ergab 1,5 X IO6 Q, und beide zusammen senkten den Widerstand auf weniger als 5 X IO5 Q. Mit einigen Medien wurden Widerstände von Hunderten von Q bei niedrigen Spannungen (5-10V) etwa bei Raumtemperatur und atmosphärischem Druck erhalten.

Mittel

Zellwiderstand

Zugabefolge zugesetz- Gesamt-te Menge menge im Gemisch

T etramethylharn-stoff oo (> 100 megQ)

5 Teile

5 Teile

+ N-Methylacetamid

1,70 megQ

1,5 Teile

6,5 Teile

+ I2

75 KQ

1 Teil

7,5 Teile

+ Diäthylamin

18 KQ

1,5 Teile

9 Teile

Mittel, die zum Formulieren oder Zusammenstellen gasförmiger EMB-Medien brauchbar sind, umfassen Jod, andere Halogene, Amine, flüchtige Salze, Amide, Nitroderivate einschliesslich Nitrosylchlorid, Säurechloride, Hydrazin, Oxy-halogenide, Schwefeldioxid, Fluorwasserstoff, Ammoniak oder andere starke Protonen-Donator- oder -Akzeptor-Moleküle, deren Kombinationen und Substanzen, die sie freisetzen. Gemäss den Prinzipien der Formulierung flüssiger Medien, wie oben modifiziert, aus solchen Komponenten zusammengestellte halbleitende Medien bieten eine steuerbar leitfähige gasförmige Umgebung selbst bei Atmosphärendruck in Luft. Die Verwendung hochsiedender Chemikaliep, wie sie für die Verwendung flüssiger EMB-Medien klassifiziert wurden, erfordert erhöhte Temperatur, um den Gas-EMB-Effekt hervorzurufen. Verwendung tiefer siedender Lösungsmittel ist daher für die Herstellung gasförmiger EMB-Medien vorzuziehen.

An gasförmige EMB-Medien können Spannungen von beispielsweise 0,1 bis 30 000 V/cm angelegt werden, was zu einer kontinuierlichen Leitung (anstelle eines Lichtbogenüberschlags) führt. In den Medien können modifizierende Mittel enthalten sein, um sie zu Lichtbogenüberschlägen im Bereich von 110 bis 30 000 V/cm anzuregen, um sie damit für Kraftstoffsysteme brauchbar zu machen, um so die Ausbreitungseigenschaften der Zündfunken und/oder die elektrother-mische Verdampfung vor der Zündung zu modifizieren oder zu erweitern.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die praktische Anwendung der EMB in einem Gel. Die Gelkonsistenz kann zwischen flüssig und fest liegen. Gele sind im allgemeinen empfänglich für eine Einstellung des Widerstands durch Zusatz einer kleinen Menge eines Leitfähigkeitsmittels mit einem Material hoher Dielektrizitätskonstante, wie z.B. Formamid oder ein anderes Amid oder Alkylamid-Derivate und, wenn nötig, ein Kuppler-Lösungsmittel zur Verbesserung der Mischbarkeit. Das EMB-Medium kann in das Gel hineingespült werden, oder das Gel kann mit dem Medium hergestellt wer-5 den. Eine mit der Verwendung von Gelen als EMB-Medium verbundene Schwierigkeit liegt darin, dass aus dem Gelher-stellungsprozess noch verbliebene Nebenprodukte entfernt werden müssen, wenn sie die Einstellung der EMB-Leit-fähigkeit und den Transport beeinflussen.

io Agargel, Polyvinylalkohol, Silicagel, Stärkegel, Carboxy-polymethylen (Carbopol) und «Crash Safe Aviation Jet Fuel» (mit Zusätzen modifiziertes Kerosin) sind Beispiele für Gele, die als EMB-Medien wirken, wenn sie gemäss den oben beschriebenen Prinzipien mit den geeigneten, die Leitfähigkeit 15 modifizierenden Mitteln dotiert sind. Acrylamide könnten ebenso eingesetzt werden. Ein Beispiel eines mit einem EMB-Lösungsmittel hergestellten Gels ist Polyvinylalkohol, der mit Tetrahydrofurfurylalkohol zu einem Gel gemacht wurde. Te-traäthyl-orthosilicat, das mit zahlreichen organischen Gelen 20 ein klares, glasartiges Gel ergibt, ermöglicht Kompatibilität mit zahlreichen organischen EMB-Medien. Auch Gelatine liefert eine klare Gelbasis. Beispiele chemischer Stoffe, die in solchen Gelen transportiert werden können, sind etwa Farbstoffmoleküle, und sogar teilchenförmige Stoffe können mit 25 hohen Geschwindigkeiten in einem «fluid»-Gel, wie z.B. dem «crash safe aviation fuel», bewegt werden.

Spannungs- und Stromwerte werden wie bei der EMB auf Celluloseträgern eingestellt. Ein etwas höherer Strom als 1,2 mA/50 cm2 kann für dünne Gelplatten [bis 3,175 mm 30 (1/8")] auch angewandt werden. Sonst erfordern Gele von 9,53 bis 12,7 mm Dicke (3/8 bis 1/2") oder mehr sorgfältige Wahl des Stroms, um übermässige Wärmeentwicklung zu vermeiden.

Bei EMB-Trennverfahren vermögen Gele zu verstärkter 35 Auflösung oder Trennung aufgrund ihrer feinen Porenstruktur zu führen. EMB-induzierte Bewegung von Farbstoffmolekülen in einem Gel kann als Analysentechnik zur Untersuchung der Struktur und Eigenschaften des Gels selbst eingesetzt werden.

40 Die für Gel-EMB verwendete Vorrichtung unterschied sich von der, die für Flüssig-EMB verwendet wird, dadurch, dass das Filterpapiersubstrat durch das Gel ersetzt wurde.

EMB in einem Gel wird durch die folgenden Beispiele veranschaulicht.

45 .

Beispiel

Zusammensetzung des Lösungsmittels

23 Glykol, Ammoniumbromid und Formamid

50 24 5 Gew./Vol.-% Ceresin oder Mikrowachs in 20% oder 30% Xylol plus EMB-Medium-Komponenten, die zur Verwendung mit Xylol geeignet sind.

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Die Komponenten des EMB-Mediums, die im Beispiel 24 genannt sind, können das auf Seite 5 beschriebene 4-Kom-ponentensystem oder Ammoniumbromid in Methoxy-äthoxy-äthanol, 2(2-Äthoxy-äthoxy)-äthanol, Dimethylformamid, 60 Dimethylacetamid, Dimethylsulfoxid, n-Butanol oder N-Me-thyl-pyrrolidinon sein.

Für verschiedene Zwecke können elektromagnetische Felder zusätzlich zur treibenden Spannung in Verbindung mit der EMB angewandt werden. Ein zweiter Satz Elektroden im 65 Winkel zu dem Satz, der die treibende Spannung anlegt, kann verwendet werden, um die transportieren chemischen Teilchen aus einer geraden Bewegungsrichtung zu werfen. Ähnlich können eine oder mehrere Elektroden im Winkel zu dem Satz,

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der die treibende Spannung anlegt, verwendet werden, um jede leichte seitliche Abweichung oder Ausbreitung einer auf einem Substrat wandernden Species zu kompensieren und dem Diffusionseffekt entgegenzuwirken. Ausserdem kann ein abgeglichenes Elektrodenpaar senkrecht zum Weg der transportierten chemischen Species angeordnet und zum Nachweis des Durchgangs verschiedener Zonen chemischer Species auf der Grundlage der Änderung der elektrischen Kräfte zwischen dem zweiten Satz von Elektroden verwendet werden.

Pulsierende Gleichstromfelder können anstelle einer konstanten Gleichstrom-Triebkraft zur Senkung des Aufheizens des Mediums eingesetzt werden. Als zusätzliche Abwandlung kann ein Wechselstromfeld der Gleichstrom-Triebkraft über-5 lagert werden, um die dielektrischen und halbleitenden Eigenschaften des Mediums zu mittein sowie um aus dem Debye-Falkenhagen-(Lösungsmittel)-Effekt Vorteile zu ziehen.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

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   2

   PATENTANSPRÜCHE

   1. Verfahren zum Bewegen von Molekülen oder Ionen in einem Transportmedium, dadurch gekennzeichnet, dass man an ein halbleitendes Transportmedium eine Spannung von 0,05 bis 30'000 V/cm anlegt, die ausreichend hoch ist um eine Stromdichte im Bereich von 0,001 bis 400 [iA/cm2 zu erzeugen und die gleich oder über dem Schwellen-Strom-wert für die Moleküle bzw. Ionen in dem Medium liegt, unterhalb welchem die Moleküle bzw. Ionen praktisch stationär werden, und wobei durch die angelegte Spannung den Molekülen bzw. Ionen eine hohe Bewegungsgeschwindigkeit induziert wird.
2. 2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an ein halbleitendes Transportmedium, welches ein Arbeiten bei hoher Spannung und niederer Stromdichte erlaubt, eine Spannung im Bereich von 50 bis 25'000 V/cm angelegt wird, die ausreichend hoch ist um eine Stromdichte im Bereich von 0,2 bis 400 [iA/cm2 zu liefern und die gleich oder über dem Schwellen-Stromwert für die Moleküle bzw. Ionen in dem Medium liegt, unter welchem die Moleküle bzw. Ionen praktisch stationär bleiben, und wobei durch die angelegte Spannung den Molekülen bzw. Ionen eine hohe Bewegungsgeschwindigkeit induziert wird.
3. 3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man an ein Halbleiterfluid-Transportmedium, das ein beweglich machendes Mittel und einen Initiator enthält, eine Spannung von 0,05 bis 50 V/cm anlegt, die ausreichend hoch ist um eine Stromdichte im Bereich von 0,001 bis 0,2 [iA/cm2 zu erzeugen und gleich oder über dem Schwel-Ien-Stromwert für die Moleküle bzw. Ionen in dem Medium liegt, unterhalb welchem die Moleküle bzw. Ionen praktisch stationär bleiben, und wobei dadurch den Molekülen bzw. Ionen eine hohe Bewegungsgeschwindigkeit induziert wird.
4. 4. Verfahren nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das halbleitende Transportmedium eine das Leiten bei einer angelegten Spannung von 0,05 bis 30'000 V/cm zulassende Zusammensetzung aufweist.
5. 5. Verfahren nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die in dem halbleitenden Transportmedium bewegten Moleküle bzw. Ionen organische Moleküle, zu Kolloiden oder Kristalloiden zusammengelagerte Molekülverbände oder anorganische Ionen sind.