CH648669A5

CH648669A5 - Verfahren und vorrichtung zur untersuchung einer substanz oder eines substanzgemisches.

Info

Publication number: CH648669A5
Application number: CH8020/80A
Authority: CH
Inventors: Michael Dr Med Dr Rer N Scherz
Original assignee: Scherz Michael
Priority date: 1979-10-31
Filing date: 1980-10-28
Publication date: 1985-03-29
Also published as: JPS6334981B2; NO803200L; IT8050018A0; GB2062247B; NL189579C; IT1146968B; JPS5673340A; DE2943942A1; DE2943942C2; NL8005938A; BE885940A; US4323364A; CA1151241A; FR2468904A1; AT383685B; GB2062247A; SE445955B; ATA528680A; NO156997C; NO156997B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung einer Substanz oder eines Substanzgemisches, deren Moleküle unter dem Einfluss der Gravitationskraft eine Auslenkung der Ladungsschwerpunkte erfahren.

5 Viele chemische Verbindungen und Elemente mit unsymmetrischem Aufbau der im Molekül angeordneten Atome weisen ein permanentes elektrisches Dipolmoment auf. In der üblichen Verteilung sind die Dipolvektoren auf alle Raumkoordinaten statistisch verteilt, so dass keine makroskopisch io wahrnehmbaren elektrischen Ladungen bzw. Spannungen vorhanden sind. Dadurch sind die Moleküle solcher Verbindungen und Elemente durch die Einwirkung der Gravitationskraft als Ganzes oder wenigstens in ihren Grundteilen ausrichtbar. Aber auch andere Stoffe ohne permanentes elek-15 trisches Dipolmoment lassen sich aufgrund der Masseträgheit ihrer Grundteile durch Gravitationskraft beeinflussen.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, ein Verfahren zur Unersuchung von Substanzen und Substanzgemischen anzugeben unter der Voraussetzung, dass ihre Mole-2oküle unter dem Einfluss der Gravitationskraft eine Auslenkung oder Ausrichtung der Ladungsschwerpunkte erfahren können. Das Kennzeichnende der Erfindung ist darin zu sehen, die zu untersuchende Substanz in einen Aggregatzustand überfuhrt wird, in dem eine Auslenkung der Ladungsschwer-2s punkte möglich ist, dass die Moleküle durch ein angelegtes Gravitationsfeld orientiert werden und dass ferner aus der durch den Orientierungsvorgang bewirkten Ladungsvertei-lung eine Messgrösse abgeleitet wird, welche für die Art der Moleküle der zu untersuchenden Substanz charakteristisch 30 ist.

Dieses allgemeine Grundprinzip lässt sich ausserordentlich weitreichend für qualitative und quantitative Analysen, zur Strukturaufklärung bekannter und unbekannter Substanzen sowie zur Bestätigung oder zum Ausschluss gleichartiger 35 stofflicher Zusammensetzungen von Proben, zur Aufzeichnung eines chemischen Reaktionsablaufes, zur Identifizierung kurzlebiger Zwischenprodukte usw. anwenden. Grundsätzlich kann jede Substanz bzw. jedes Substanzgemisch auch ideale und nicht ideale Lösungen einer solchen gravitations-40 spektrischen Untersuchung unterworfen werden. Der Begriff Substanz bzw. Substanzgemisch bedeutet im Zusammenhang der hier vorliegenden Beschreibung sowohl flüssige als auch gregatzustände, homogene und nicht homogene Stoffgemi-4S sehe in flüssiger bzw. fliessfähiger Form aber auch Festkörper bei entsprechender begrenzter Bewegbarkeit ihrer Moleküle.

Die zu untersuchenden Substanzen werden weder chemisch noch physikalisch in ihrer Zusammensetzung verändert.

50 Nach Beendigung der Untersuchung, nachdem das Gravitationsfeld wieder abgebaut ist, liegen die untersuchten Substanzen ohne Substanzverlust vor. Feste Substanzen werden zweckmässig zunächst in einem für sie geeigneten Lösungsmittel gelöst. _

55 Die erforderliche Einwirkung des Gravitationsfeldes wird zweckmässig durch Zentrifugieren, vor allem durch Ultrazen-trifugieren erzeugt, wobei besonders mit Hilfe einer Ultrazentrifuge so hohe Gravitationskräfte erzeugt werden können, dass eine hohe Selektivität und Spezifität der Untersuchung 60 erreicht wird. Eine andere Möglichkeit zur Erzeugung des Gravitationsfeldes besteht z.B. in einer plötzlichen Abbrem-sung der bewegten Probe.

Die erforderliche Messgrösse kann zweckmässig als elektrische Spannung aus der an entsprechenden Elektroden in-65 fluenzierten Ladungen erzeugt werden.

Ein besonders günstiges Verfahren lässt sich so durchführen, dass der Verlauf der Messgrösse in Abhängigkeit vom Verlauf der veränderlichen, insbesondere kontinuierlich ge-

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steigerten Gravitationskraft als Gravitationsspektrum darge- Veränderung des Gravitationsfeldes schreibend dargestellt stellt wird. Dabei ergeben sich Kurvenzüge mit Anstiegsästen wird. Als Messgrösse können dabei vor allem Spannung,

und Plateauebenen, die der Orientierung bzw. Ausrichtung Strom und Ladung direkt oder indirekt, beispielsweise foto-

der Bauteile des Moleküls im Gravitationsfeld zugeordnet elektrisch, ermittelt werden.

werden können. 5 Die zwei gegenüberliegenden Elektroden können vorteil-

Ein weiterer Vorteil kann gegebenenfalls dadurch erreicht haft über Leitungsanschlüsse direkt in die Schaltungsanord-

werden, dass zusätzlich zu dem Gravitationsfeld ein elektri- nung des elektrischen Messystems eingeschaltet sein. Bei einer sches und/oder magnetisches Zusatzfeld mit einer Vorzugs- anderen, gegebenenfalls zweckmässigen Ausbildung werden richtung angelegt wird. Dieses Zusatzfeld kann vorteilhaft die Elektroden als Platten eines Kondensators betrachtet, des-

wenigstens eine Hauptkomponente in der Richtung aufwei- io sen Ladung die Eingangsgrösse des elektrischen Messystems sen, in der die Dipole unter der Einwirkung des Gravitations- bildet. Eine günstige Ausführungsform kann vorsehen, dass feldes orientiert werden. Günstig erscheint ein elektrisches die Elektroden gegenüberliegenden Wandflächen einer aus und/oder magnetisches Zusatzfeld mit konstanter Feldstärke. Isoliermaterial bestehenden Kammer der Zentrifuge bilden.

Die Lage und Grösse des Zusatzfeldes wird gegebenenfalls Vorteilhaft werden die Elektroden aus Edelmetall, beispiels-

zweckmässig durch experimentelle Untersuchungen so ermit- 15 weise aus Platin oder Gold, gefertigt.

telt, dass der gewünschte, zur Messung bzw. Trennung ausge- In der Zeichnung wird das Verfahren gemäss der Erfin-

nutzte Effekt in optimaler Grösse auftritt. dung anhand einer schematischen Vorrichtung näher erläu-

Durch ein solches elektrisches Zusatzfeld kann bei Sub- tert; es zeigen:

stanzen mit elektrischer Leitfähigkeit vorteilhaft während der Fig. 1 eine Prinzipanordnung einer Ultrazentrifuge zur

Gravitationseinwirkung ein Elektrolysevorgang eingeleitet 20 Durchführung des Messverfahrens,

werden. Damit erscheint es beispielsweise bei der Trennung Fig. 2 ein einfaches Gravitationsspektrum zum Nachweis radioaktiver Substanzgemische möglich, während der Ultra- einer Substanz,

zentrifugation entweder bestimmte Anteile in das abzutren- Fig. 3 ein Gravitationsspektrum zum Nachweis der beinende Prdukt einzubringen oder deren Einritt in das abzu- .den Komponenten eines Substanzgemisches,

trennende Produkt zu verhindern. 25 Fig. 4 ein Gravitationsspektrum zum Nachweis verschie-

Eine weitere zweckmässige Ausbildung kann vorsehen, dener Jodisotopen in entsprechenden Jodverbindungen, bei gelösten makromolekularen Substanzen mit elektrischer In Fig. 1 ist eine Ultrazentrifuge schematisch dargestellt, Leitfähigkeit wenigstens während der Gravitationseinwir- welche zwei Kammern 1,2 mit wandseitigen Edelmetallelek-kung einen Elektrophoresevorgang durchzuführen. Dadurch troden 3,4;5,6 aufweist. Die Elektroden 3,4;5,6 sind hinterein-ergibt sich die Möglichkeit bei makromolekularen Systemen, 30 andergeschaltet und mit Schleifringen 7,8 verbunden, deren beispielsweise mit Proteinen, bei denen bereits durch Zentri- Spannung über Schleifkontakte 9,10 abgenommen wird. Un-fugation oder Ultrazentrifugation eine Sedimentation erreicht ter Zwischenschaltung eines Verstärkers 11 ist ein schreibenwird, als wesentliche Verbesserung eine schärfere und höhere des Registriergerät 12 angeschlossen, welches zusätzlich mit Auflösung der Banden sowie eine merkliche Zeitersparnis im einem Drehzahlgeber 13 im Bereich der von einem Antriebs-Zentrifugiervorgang zu erzielen. Unter Umständen ist es da- 35 motor 14 antreibbaren Zentrifugenwelle 15 in Verbindung bei zweckmässig die Elektrophorese auch nach Beendigung steht.

der Gravitationseinwirkung fortzusetzen. In den Kammern 1,2 wird in einem geeigneten Lösungs-Das angelegte Zusatzfeld kann anstelle einer konstanten mittel gelöstes Monochlormethan eingefüllt. Diese Substanz Feldstärke auch eine variable Feldstärke, beispielsweise mit erscheint wegen ihres permanenten Dipolmomentes zur Anvorgegebenem zeitlichen Verlauf, aufweisen. Diese Anwen- 40 wendung des Verfahrens besonders geeignet. Die Zentrifuge dung des elektrischen Zusatzfeldes eignet sich insbesondere wird danach in Betrieb gesetzt und die Drehzahl langsam bis zur präparativen Trennung von kolloiden Systemen. auf etwa n=20 000 U/min gesteigert (ca. 100 000 g). Durch

Das erläuterte Verfahren besitzt auch dann besondere Be- das Registriergerät 12 erfolgt die Aufzeichnung der Spannung deutung, wenn die Zusammensetzung einer Substanz bzw. ei- U als Funktion der Drehzahl n.

nes Substanzgemisches unbekannt ist. Aus charakteristischen 45 Es ergibt sich der in Fig. 2 dargestellte S-förmige Kurven-Übereinstimmungen lassen sich Aussagen über Gemischan- verlauf. Die Lage des Wendepunktes W ist unter der Vorausteile sowie über die Identität von Vergleichssubstanzen gewin- setzung konstanter Temperatur und definiertem Lösungsmit-nen. Derartige Untersuchungen sind für Naturwissenschaft tel für die Substanz spezifisch und ermöglicht eine qualitative und Technik, wie beispielsweise bei der Untersuchung von Aussage über die Zusammensetzung des zu untersuchenden körpereigenen Substanzen bestimmte charakteristische Mess- so Stoffes.

grossen bzw. Gravitationsspektren an sich unbekannter Stof- Eine quantitative Aussage lässt sich aus den Spannungs-

fe auftreten, die physiologischen Vorgängen sowie pathologi- unterschieden bzw. den Unterschieden anderer abgeleiteter sehen Zuständen unterschiedlichen Schweregrades zugeord- elektrischer Messgrössen, z.B. des Stromes, die bei der Gravi-

net werden können. tationseinwirkung erzielt werden, ebenfalls erlangen. Ergibt

Eine zweckmässige Vorrichtung zur Durchführung des 55 beispielsweise eine einmolare Lösung eine Spannung von

Verfahrens enthält eine Zentrifuge, insbesondere eine Ultra- 0,6 mV, so tritt bei einer '/2 molaren Lösung eine Spannung

Zentrifuge, welche wenigstens eine Kammer mit einer Elektro- von 0,3 mV und bei einer >/4 molaren Lösung eine Spannung de aufweist, die mit einem elektrischen Messystem verbunden von 0,15 mV auf. Das Verfahren gestattet auch eine Aussage ist. Bevorzugt wird eine Anordnung mit mindestens zwei in über den Richtungssinn des untersuchten Dipolmomentes in

Abstand gegenüberliegenden Elektroden, wobei die Anwen- «so der entsprechenden Substanz.

dung von mehr als zwei Elektroden dann besondere Bedeu- Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind in einem ge-

tung besitzt, wenn nach der Einwirkung der Gravitations- eigneten Lösungsmittel unterschiedliche Mengen von Mo-

kraft elektrische Vektoren in verschiedenen Richtungen auf- nochlormethan und Monojodmethan, d.h. ebenfalls Substan-

treten. Dies kann gegebenenfalls vorteilhaft durch das elektri- zen mit permanenten elektrischem Dipolmoment gelöst. Das sehe Zusatzfeld unterstützt werden. 65 Substanzgemisch wird in die Kammer 1,2 gegeben.

Im allgemeinen wird das elektrische Messystem zweck- Das Registriergerät 12 zeichnet während des Zentrifugie-

mässig so ausgebildet, dass die der Orientierung der Ladungs- rungsvorganges U = f(n) auf.

Schwerpunkte entsprechende Messgrösse als Funktion der Unter dem Einfluss der ansteigenden Gravitationswerte

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orientieren sich die unsymmetrisch gebauten Moleküle der zu untersuchenden Substanzen derart, dass sie eine Vorzugsrichtung einnehmen. Da das Jodatom wesentlich schwerer ist als das Chloratom, werden sich zuerst die Monojodmethanmole-küle und danach bei einer höheren Drehzahl die Monochlor-methanmoleküle ausrichten und zwar derart, dass die Halogenatome in Richtung des Gravitationsfeldes liegen.

Die Messung ergibt eine Treppenkurve mit zwei S-förmigen Kurventeilen, wobei die Wendepunkte Wj, W2 dieser S-förmig gebogenen Kurventeile bzw. die Mittelpunkte der Geradenabschnitte bei konstanter Temperatur in einem definierten Lösungsmittel den für die Substanzen spezifischen Wert darstellen, der ihre Identifizierung, d.h. eine qualitative Aussage über die Zusammensetzung eines zu untersuchenden Stoffes ermöglicht.

Bei dem Verfahrensbeispiel nach Fig. 4 ist in einem geeigneten Lösungsmittel gelöstes Monojodmethan, wobei das Jod in drei verschiedenen Jodisotopen in einem vorgegebenen Massenverhältnis Vorliegt, unter den im Vorangehenden beschriebenen Bedingungen jedoch mit einer höheren Gravitationskraft zentrifugiert worden. Durch die hierdurch erreichbare Feinauflösung des Spektrums ergeben sich mehrere S-förmige Kurventeile mit anschliessenden Plateauabschnitten. Die Lage der charakteristischen Wendepunkte (Wb W2, W3)

des Spannungsverlaufs ist in Fig. 4 erkennbar. Die Kurventeile sind die Resultanten des in der verwendeten Jodverbindung vorgegebenen Isotopengleichgewichtes. Durch die exakte Messmöglichkeit und die eindeutige Zuordnung einer positi-5 ven bzw. negativen Ladung auf den Elektroden kann die Richtung des Dipolmomentvektors räumlich festgestellt werden. Da das Isotopengleichgewicht in den meisten Fällen aus anderen Messungen bekannt ist, lässt sich aufgrund des Gra-vitationsspektrogramms eine Aussage darüber machen, wel-io eher Bauteil des Moleküls in Richtung des Gravitationsfeldes liegt. Das schwere Isitop, das im allgemeinen in einer anderen Konzentration vorliegt als das leichtere Isotop wird sich zuerst ausrichten.

Durch solche Messungen unter Berücksichtigung der nais türlichen Isotopengemischhäufigkeiten ist sowohl eine Strukturaufklärung unbekannter wie auch bekannter Substanzen möglich. Eine zunächst unbekannte Substanz lässt sich in einem Gemisch dadurch bestimmen, dass zu dem natürlichen Isotopengleichgewicht eines bestimmten Atoms passende 2o Kurvenzüge aufgefunden werden. Das Schreiben von zwei Gravitationsspektren von Substanzgemischen ermöglicht eine Aussage über die Gleichheit der Substanzgemische auch ohne Kenntnis ihrer Zusammensetzung allein aufgrund eines identischen Gravitationsspektrums.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

648 669 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Untersuchung einer Substanz oder eines Substanzgemisches, deren Moleküle unter dem Einfluss der Gravitationskraft eine Auslenkung der Ladungsschwerpunkte erfahren, dadurch gekennzeichnet, dass die zu untersuchende Substanz bzw. das Substanzgemisch in einen Aggregatzustand überführt wird, in dem eine Auslenkung der Ladungsschwerpunkte möglich ist, dass die Moleküle durch ein angelegtes Gravitationsfeld orientiert werden und dass ferner aus der durch den Orientierungsvorgang bewirkten Ladungsver-teilung eine Messgrösse abgeleitet wird, welche für die Art der Moleküle der zu untersuchenden Substanz bzw. des Substanzgemisches charakteristisch ist.

2. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Grösse des angelegten Gravitationsfeldes oberhalb von 20 g liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zu untersuchende Substanz bzw. das Substanzgemisch in einem Lösungsmittel gelöst wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einwirkung des Gravitationsfeldes durch Zentrifu-gieren erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einwirkung des Gravitationsfeldes durch Ultrazen-trifugieren erzeugt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Messgrösse in Abhängigkeit vom Verlauf der veränderlichen Gravitationsgrösse als Gravitationsspektrum dargestellt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgrösse die aus influenzierten Ladungen hervorgerufene elektrische Spannung ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Gravitationsfeld ein elektrisches und/ oder magnetisches Zusatzfeld mit Vorzugsrichtung angelegt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzfeld wenigstens eine Hauptkomponente in der Richtung aufweist, in der die Ladungsschwerpunkte unter der

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzfeld eine zeitlich konstante Feldstärke aufweist.

11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei gelösten makromolekularen Substanzen mit elektrischer Leitfähigkeit wenigstens während der Gravitationseinwirkung ein Elektrophoresevorgang durchgeführt wird.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zentrifuge vorgesehen ist, welche wenigstens eine Kammer (1,2) mit mindestens einer Elektrode (3,4; 5,6) aufweist, die mit einem elektrischen Messystem (11,12) verbunden ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwei einander gegenüberliegende Elektroden (3,4; 5, 6) über Leitungsanschlüsse direkt in die Schaltungsanordnung des elektrischen Messystems (11,12) eingeschaltet sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden einen Kondensator bilden, dessen Ladung die Eingangsgrösse des elektrischen Messystems bildet.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (3,4; 5,6) aus Edelmetall bestehen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden gegenüberliegende Wandflächen einer aus Isoliermaterial bestehenden Kammer (1,2) bilden.