CH640058A5 - Verfahren zum messen und aufzeichnen der variation der gesamtkapazitanz und -leitfaehigkeit einer membrane, einrichtung zu dessen durchfuehrung und anwendung des verfahrens. - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum 40 Bei der Anwendung des Verfahrens kann eine Substanz,

Messen und Aufzeichnen der Variation der Gesamtkapazi- deren Wirkung überprüft werden soll, in die Membrane ein-

tanz und -leitähigkeit einer Membrane, insbesondere einer bi- verleibt werden, indem man diese Substanz in den Elektrolyt molekularen Lipoid- oder Proteinmembrane, in Abhängig- einführt, oder wo geeignet, in die Mischung aus welcher die keit von der Frequenz, bei einer Vielzahl von Frequenzen in- Membrane gebildet wird.

nerhalb einem Frequenzbereich von 0,001 Hz bis 1000 Hz, 45 Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, sowie beispielsweise erläutert. Es zeigen:

die Anwendung dieses Verfahrens. Fig. 1 vereinfacht eine schematische Struktur einer bimo-

Die Erfindung ermöglicht den Nachweis und/oder die lekularen Lipoidmembrane,

Feststellung der Wirkung von adsorbierten Chemikalien auf Fig. 2 Kurven zur Darstellung der Frequenzabhängigkeit die bzw. der dielektrischen Zwischenschicht von Membranen 50 der Leitfähigkeit und Kapazitanz einer solchen Membrane, mittels Ultraniederfrequenzspektrometrie, und beruht auf der anwendbar auf eine Lezithin/Cholesterin-Membrane, gebil-Entdeckung, dass die Anwesenheit von Schichten mit unter- det in 1 mM KCL und keinen anderen anwesenden Chemika-schiedlichen dielektrischen und/oder elektrisch leitenden Ei- lien. Einige Zusätze ändern GH (and CH) so, dass die Rolle genschaften innerhalb Membranen wie Zellmembranen, oder des Karbonyl- und Estersauerstoffbereiches und der Kohlenaus den Bestandteilen von Zellmembranen gebildeten Mem- 55 wasserstoffbereiche in diesem Diagramm umgekehrt werden, branen, zu einer Variation der Gesamtkapazität und -leitfa- und higkeit in Abhängigkeit von der Frequenz führt. Diese Streu- Fig. 3 ein Blockschema zur Darstellung einer beispielswei-

ung der Kapazitanz und Leitfähigkeit dieser Membranen in sen Ausführungsform einer erfindungsgemässen Einrichtung.

Abhängigkeit von der Frequenz tritt im Frequenzbereich von Als ein Beispiel der Anwendung der Erfindung wird eine

0,001 Hz bis etwa 1000 Hz auf. 60 Doppelschicht von Phosphatidylcholin (Lezithin)- ein nor-

Der Begriff «Membrane» schliesst jede Sperre oder males Phospholipoid das in Zellmembranen (Phospholipoide Schicht ein, auf welcher ein anzuordnender chemischer Stoff sind ein Hauptbestandteil von Zellmembranen) gefunden adsorbiert wird, und schliesst zum Beispiel biologische Zellen wird, betrachtet. Ein vereinfachter schematischer Aufbau ei-oder Gewebemembranen (einschliesslich Membranen, die aus ner solchen Membrane ist in Figur 1 dargestellt, zusammen den Bestandteilen von Zellmembranen gebildet wurden), und 65 mit dem äquivalenten elektrischen Stromkreis für die verMembranen aus polymerem Material, wie durchlässige, schiedenen unterschiedlichen Schichten innerhalb dieser mehrschichtige Polyamidzellmembranen, ein. Membrane. Die Frequenzabhängigkeit der Kapazitanz und

Messungen der Frequenzabhängigkeit der Membranka- Leitfähigkeit einer solchen Membrane in einer wässrigen Lö-

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sung von I mM KCl ist in Figur 2 dargestellt. Die Art und stimmter chemischer Stoff oder ein bestimmtes Medikament Weise, auf welche die verschiedenen Parameter der einzelnen eine nachteilige Reaktion oder etwas anderes Unerwünschtes Schichten den Verlauf dieser Dispersionskurven beeinflussen, mit den Zellen des Patienten erzeugt, z.B. hängen gewisse Anist in den Diagrammen angegeben. tibiotika von der Anwesenheit von bestimmten Lipoiden ab,

Eine Messung der Veränderungen, die in den Dispersions- s und es wäre möglich, mit Hilfe der vorliegenden Erfindung kurven auftreten, wenn Chemikalien in die Membrane adsor- geeignete Versuche durchzuführen.

biert werden, macht es möglich, zu bestimmen, welche der Die Aufteilung in Kapazitanz und Leitfähigkeit in AbZwischenschicht bzw. Zwischenschichten durch die Adsorp- hängigkeit von der Frequenz tritt bei Ultraniederfrequenzen tion der chemischen Verbindung beeinflusst wird. Die spezifi- von 0,001 bis 1000 Hz auf. Dieser Frequenzbereich wurde aus sehen Veränderungen in den Dielektrik- und Leitfähigkeits- io technologischen Gründen nicht in grossem Umfang mit die-parametern der beeinflussten Zwischenschicht bzw. Zwi- sen Membranen erforscht bis zum Zeitpunkt der Arbeit die zu schenschichten ermöglicht eine weitere Charakterisierung der der vorliegenden Erfindung führte.

Wirkung von dieser chemischen Verbindung. Wenn zum Bei- Die Membrane 1 wird über einer Öffnung in einer Kunstspiel das Lokalanästetikum Benzylalkohol in der äusseren Stofftrennwand, welche eine aus Kunststoff (z.B. unter der Lösung vorhanden ist, führt die adsorption dieser Verbin- 15 Handelsbezeichnung «PERSPEX» oder «PLEXIGLASS» dung in die Membrane zu einer Abnahme in der Kapazitanz bekannten Kunststoff) bestehende Kammer 2 in zwei Abteile CH des Kohlenwasserstoffbereiches, wenn die äussere Lösung 3,4 unterteilt, gebildet. Die beiden Abteile 3,4 werden mit eine niedrige Salzkonzentration, z.B. 1 mM KCl, aufweist, Elektrolytlösungen (z.B. KCL oder NaCl etc.) gefüllt, denen was eine Zunahme in der Dicke dieser Schicht anzeigt, und die interessierenden Reagenzien hinzugefügt werden.

ebenfalls zu einer Erhöhung in der elektrischen Leitfähigkeit 20 Die in der Trennwand sich befindende Öffnung wird un-GH dieser Schicht. tergetaucht, so dass wenn die Membrane 1 gebildet ist, sie die Wenn das üblicherweise verwendete Anästhetikum Pro- Elektrolytphasen voneinander trennt. Ein von den an den En-cain in der Lösung vorhanden ist, nimmt die Kapazitanz des den dieser beiden Abteile 3,4 angeordneten Elektroden 5,6 Kohlenwasserstoffbereiches zu, was eine Abnahme in der ausgehender Strom verläuft daher durch die Membrane 1. Dicke dieser Schicht anzeigt. Procain erniedrigt auch die Ka- 25 Der über der Membrane 1 auftretende Potentialabfall wird pazitanz des Karbonylsauerstoffbereiches. mittels zweier anderer Elektroden 7,8, die ausser an ihren Geringe Unterschiede in der Struktur der zu gegebenen Spitzen isoliert und im Elektrolyt auf jeder Seite der Mem-Klassen gehörenden Verbindungen werden in entsprechenden brane 1 und sehr nahe bei ihr angeordnet sind, festgestellt. Unterschieden in den charakteristischen Wirkungen, welche Aus Kunststoff, z.B. aus dem unter der Handelsbezeich-diese Klasse an Verbindungen auf die Substruktur oder Zwi- 30 nung «PERSPEX» bekannten Material, bestehende Blöcke schenschicht der Membrane hat, reflektiert. Daher hat zum werden zur Bildung einer Kammer 2 mechanisch bearbeitet, Beispiel Benzokain, ein Lokalanästhetikum das sehr nahe für Strom und Spannung mit Silber/Silberchlorid (Ag/AgCl)-dem Procain verwandt ist, ähnliche Wirkungen auf die Sub- Elektroden 5,6,7,8, die bis auf ihre Spitzen isoliert sind, verstruktur, aber seine Wirkung auf die Kohlenwasserstoff- sehen, dann zusammengeschraubt, so dass zwischen ihnen Schicht ist geringer als die Wirkung von Procain. 35 eine dünne Kunststofftrennwand mit einem Loch in der

Es wird angenommen, dass das beschriebene Ultranieder- Grössenordnung von 1,5 bis 2,0 mm in ihrer unteren Hälfte,

frequenzspektrometrieverfahren für die pharmazeutische In- eingeklemmt wird.

dustrie von grosser Bedeutung sein könnte, da: Die zum Füllen der Zelle verwendeten Lösungen bestehen

( 1 ) es mit dessen Hilfe möglich ist, die Wirkungen von aus KCl bei Konzentrationen zwischen 1 und 1000 mM.

chemischen Reagenzien in Membranen, die nahe den Mem- 40 Wenn erwünscht, können auch andere Elektrolytlösungen branen von lebenden Zellen verwandt sind, zu spezifizieren. verwendet werden. Die interessierenden Reagenzien werden

(2) es erlaubt, einen Vergleich dieser Wirkungen zwischen mit der gewünschten Konzentration dem Elektrolyt hinzuverschiedenen chemischen Verbindungen (homolog oder an- gefügt.

ders) zu machen. Dies würde die Suche nach neuen Substan- Die am meisten gebräuchliche Lösung die zur Herstellung zen mit vollständig neuen oder gegenwirkenden oder verstär- « der Membranen 1 verwendet wird, ist ein n-Tetradekan als kenden Wirkungen oder dem Besitz von anderen wünschens- Lösungsmittel gesättigt mit dem bzw. den geeigneten Phos-

werten pharmakologischen Eigenschaften beschleunigen. pholipoid(en) (z.B. Lecithin, oxydiertes Cholesterol, oder ge-

(3) es erlaubt, die Wirkungen von neuen Medikamenten mischte Lipoidfraktionen extrahiert von den Membranen auf die Membranzwischenschichten mit bekannten, wirksa- oder besonderen Zellen oder Organellen, z.B. Mitochondrien-men und klinisch verwendeten Verbindungen zu vergleichen, so lipoiden, menschlichen Erythrozytmembranlipoiden etc.). In-Dies beschleunigt das Testen und die klinische Einführung teressierende Reagenzien können dieser Lösung ebenfalls hin-von neuen Medikamenten. zugefügt werden.

Die Einrichtung und das Verfahren gemäss der vorliegen- Zur Abscheidung der Lipoidlösung über der Öffnung den Erfindung sind insbesondere zum «Fingerprinting» von werden vorzugsweise drei verschiedene technische Ausfüh-

Arzneimitteln in Körperzellen oder -geweben geeignet. Zum 55 rungsarten angewandt, (a) Ein bestimmtes Quantum von Li-

Beispiel im Falle eines bewusstlosen Patienten in einem Spi- poidlösung wird mittels der übriggebliebenen wenigen Haare tal, welcher unfähig ist auszusagen, ob er vor dem Verlieren einer fein getrimmten Zobelhaarbürste aufgenommen und der Bewusstlosigkeit irgendwelche Medikamente oder chemi- über die Öffnung gestrichen, (b) Spritztechnik. Einige Mikro-

sche Substanzen zu sich genommen hat oder nicht, wäre es üter Lipoidlösung werden über der Öffnung deponiert, und möglich, eine Blutprobe zu nehmen, die Zellen auf ein «Mili- 60 die Membrane bildet sich aus dem deponierten Film.

pore»-Filter abzuschleudern und mit Hilfe des Verfahrens In beiden von diesen Fällen bildet sich spontan eine bimo-

und der Vorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung auf lekulare Membrane aus dem ursprünglich über der in der die Anwesenheit von Medikamenten oder anderen chemi- Trennwand sich befindenden Öffnung deponierten dicken sehen Substanzen zu überprüfen. Füm-

Eine weitere Anwendung der vorliegenden Erfindung 65 (c) Die Doppelschicht wird durch die Gegenüberstellung wäre, verwendet im umgekehrten Sinn, die Überprüfung der von zwei Monoschichten erzeugt. Diese Monoschichten wer-

Wirkung von einem oder die Reaktion auf einen besonderen den auf wässrigen Lösungen geformt, deren Oberflächen sich chemischen Stoff oder Medikament, d.h. zu sehen, ob ein be- anfänglich unterhalb der in der Trennwand sich befindenden

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Öffnung befinden. Die Monoschichten werden in einander gegenüberliegende Lage gebracht indem der Flüssigkeitsspiegel der wässrigen Lösungen über die in der Trennwand sich befindende Öffnung angehoben wird.

Das Verfahren zur Bildung der endgültigen Membrane deren Dicke < 10 nm (0,00001 mm) ist, kann auf zwei verschiedene Arten überwacht werden:

(i) mittels optischer Mittel. Der dicke Film reflektiert Licht, aber wenn die Dicke viel geringer als eine Wellenlänge des sichtbaren Lichtes ist, erscheint sie schwarz, d.h. nicht reflektierend.

(ii) durch Messung der Kapazitanz bei einer festen Frequenz. Wenn der Film dünner wird, erhöht sich die Kapazitanz bis die bimolukulare Membrane gebildet ist, worauf die Kapazitanz praktisch konstant bleibt.

Die elektronische Einrichtung ist, wie aus Fig. 3 ersichtlich, wie folgt ausgebildet:

Von einem Kristalloszillator 9 abgeleitete 10 MHz Rechteckschwingungen werden einem Digitalfrequenzteiler 10 zugeführt. Das Ausmass der Frequenzteilung befindet sich über ein digitales Interface 11 eines Computers 12 unter der Kontrolle des letzteren. Eine Sinusschwingung der gewünschten Frequenz kann dann durch Lesen eines nur lesbaren Speichers 13 (read-only-memory), der mit einer Sinustabelle vor-prammiert ist, in einen Digital-Analog-Umformer 14 synthetisiert werden. Die Frequenz dieses sinusförmigen Ausgangssignales kann auf diese Weise unter der Kontrolle des Computers 12 von 0,001 Hz bis 1000 Hz variiert werden.

Der sinusförmige Strom wird einer geeigneten Standardimpedanz 15 und der Membrane 1 in Serie zugeführt. Die über die beiden Elemente erzeugten Spannungen werden mittels zweier verstärkender Differentialelektrometer (differen-tial electrometer amplifiers 16 und 17), deren Ausgangssignale durch einen Analog-Digital-Umwandler 18 überprüft werden, überwacht, die Uberprüfung wird durch die gleichen Impulse getriggert, die zur Erzeugung der Sinusschwingung verwendet werden, so dass die beiden Verfahren sehr eng phasenstarr sind. Eine gute Rauschunterdrückung wird erreicht, indem man über einige Zyklen überprüft, wobei die Anzahl computergesteuert wird.

Die vom Analog-Digital-Umwandler 18 abgegebenen ; Daten werden im Speicher des Computers 12 gespeichert und unter Verwendung des Computers 12 mittels der Methode der kleinsten Quadrate der Sinusfunktion der entsprechenden Frequenz angepasst.

Die Amplituden und Phasenwinkel der derart bestimmten lc Sinusfunktionen werden verwendet um die frequenzabhängige Kapazitanz und Leitfähigkeit der Membrane 1 über den spezifizierten Frequenzbereich zu berechnen.

Alle die beschriebenen Verfahrensschritte werden mit Hilfe des Computers 12 für einen kompletten Satz von vorbe-15 stimmten Frequenzen durchgeführt. Am Ende der Messungen werden die kompletten Verteilungskurven auf einer graphischen Anzeige 19 erzeugt. Der verwendete Computer 12 ist eine kleine kompakte Anlage, welche, wie aus Figur 3 ersichtlich, permanent mit den anderen elektronischen Einrichtun-2< gen verbunden ist.

Bei der Durchführung der Messung werden vier Elektroden 5,6,7 und 8 verwendet, zwei für den Strom und zwei unabhängige Elektroden zur Messung der über die Membrane 1 erzeugten Potentialdifferenz. Dieses «Vier-Anschhiss»-Ver-2< fahren vermeidet die Effekte die sonst bei diesen Ultraniederfrequenzen durch die Elektroden-Lösungs-Zwischenschicht eingeführt werden und die Erscheinung der von der Frequenz abhängigen Verteilung überdecken können. Obwohl gegenwärtig Ag/AgCl-Elektroden sich als geeignet erweisen, sind 30 auch andere Elektroden möglich.

Die gesamte Einheit kann in einem Behälter der nicht grösser als 300 mm x 250 mm x 300 mm zu sein braucht, angeordnet werden.

Die Amplitudenauflösung ist 0,1 % und die Phasenwin-35 kelauflösung 0,01°.

Das System erlaubt Messungen über den Frequenzbereich von 0,001 Hz bis 1000 Hz.

C

3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

640 058 2 PATENT AN SPRÜCHE pazitanz und -leitfähigkeit über einen genügend grossen Fre-
1. (1), erste Elektroden (5,6) mit je einer Elektrode davon in je- dadurch gekennzeichnet ist, dass sie Mittel zur Abstützung ei-

   dem der Elektrolyten zur Durchleitung eines Wechselstromes ner solchen einen Teil einer zwei Elektrolyten unterteilenden,

   durch die Membrane (1), Mittel (9,10) zur Erzeugung einer isolierenden Trennwand bildenden Membrane, erste Elektro-

   Wechselspannung bei verschiedenen Frequenzen innerhalb den mit je einer Elektrode davon in jedem der Elektrolyten des Frequenzbereiches von 0,001 Hz bis 1000 Hz und Anle- 25 zur Durchleitung eines Wechselstromes durch die Membrane, gung derselben an die ersten Elektroden (5,6), zweite Elektro - Mittel zur Erzeugung einer Wechselspannung bei verschiede-den (7,8) mit je einer Elektrode in jedem der Elektrolyten uncl nen Frequenzen innerhalb des Frequenzbereiches von 0,001

   getrennt von den ersten Elektroden (5,6), Mittel (17) zur Hz bis 1000 Hz und Anlegung derselben an die ersten Elek-

   Messung der zwischen den zweiten Elektroden (7,8) erzeug- troden, zweite Elektroden mit je einer Elektrode in jedem der ten Wechselspannungsdifferenz, und Mittel zur Bestimmung 30 Elektrolyten und getrennt von den ersten Elektroden, Mittel der Gesamtkapazitanz und -leitfähigkeit der Membrane bei zur Messung der zwischen den zweiten Elektroden erzeugten jeder von einer Vielzahl von Frequenzen in diesem Frequenz- Wechselspannungsdifferenz und Mittel zur Bestimmung der bereich und zur Aufzeichnung derselben, aufweist. Gesamtkapazitanz und -leitfähigkeit der Membrane bei jeder

   1. Verfahren zum Messen und Aufzeichnen der Variation quenzbereich bei diesen Ultraniederfrequenzen erlauben auf der Gesamtkapazitanz und -leitfähigkeit einer Membrane in diese Weise eine Bestimmung der individuellen Dielektrik-Abhängigkeit von der Frequenz, bei einer Vielzahl von Fre- und Leitfähigkeitsparameter dieser innerhalb dieser Membra-quenzen innerhalb eines Frequenzbereiches von 0,001 Hz bis s nen sich befindenden Zwischenschichten, welche deutlich un-1000 Hz, dadurch gekennzeichnet, dass man aufeinanderfol- terschiedliche Zeitkonstanten aufweisen. Jede dieser inner-gend einen elektrischen Wechselstrom bei jeder von der Viel- halb der Membrane sich befindenden Schicht zeigt sich als zahl von in diesem Frequenzbereich sich befindenden Fre- deutliches Merkmal in den Verteilungskurven der Kapazitanz quenzen mittels ersten Elektroden durch die in einem Elektro- und Leitfähigkeit gegenüber der Frequenz.

   lyten eingetauchte Membrane hindurchleitet, und die Ge- io Das erfindungsgemässe Verfahren der eingangs genann-samtleitfähigkeit und -kapazitanz der Membrane mittels ten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass man aufeinanderfol-zweiten Elektroden bei jeder dieser Frequenzen misst und die gend einen elektrischen Wechselstrom bei jeder von der Vielermittelten Werte aufzeichnet. zahl von in diesem Frequenzbereich sich befindenden Fre-
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die quenzen mittels ersten Elektroden durch die in einem Elektro-Verwendung einer bimolekularen Lipoid- oder Protein- 15 lyten eingetauchte Membrane hindurchleitet, und die Ge-membrane. Samtleitfähigkeit und -kapazitanz der Membrane mittels
3. 3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach zweiten Elektroden bei jeder dieser Frequenzen misst und die Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zur Ab- ermittelten Werte aufzeichnet.

   Stützung einer solchen, einen Teil einer zwei Elektrolyten un- Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Einrichtung zur terteilenden, isolierenden Trennwand bildenden Membrane 2<> Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, welche
4. 4. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zum von einer Vielzahl von Frequenzen in diesem Frequenzbe-Nachweis und/oder zur Feststellung der Wirkung einer che- 35 reich und zur Aufzeichnung derselben, aufweist.

   mischen Substanz auf einer Membrane. Gegenstand der Erfindung ist ausserdem eine Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens zum Nachweis und/oder zur Feststellung der Wirkung einer chemischen Substanz auf einer Membrane.