CN1299112C - 对用于chef脉冲场电泳系统的塔盘电极加电压的电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及对用于CHEF脉冲场电泳系统塔盘电极加电压的电路。所述电路由交流发电机连接到电源的两个相同的施加电路形成，其连接方式是两个电路每次只有一个接收电能。没有施加电路由几个电阻器和二极管组成，它们串联连接而形成电压分压器。电压转发器连接到在两个电阻器结合处形成的结点。没有转发器连接到对同一电位极化的一对电极。二极管的引入是为了校正施加到电极的电压模式中的误差。当电泳期间出现电导率变化时，该电路能够维持每一电极中的电位。在用于CHEF脉冲场电泳系统的塔盘中，每一施加电路产生有相同值不同方向的均匀的电场。可使用所述电路极化有不同电极数目和排布及它们之间分离的塔盘。

Description

对用于CHEF脉冲场电泳 系统的塔盘电极加电压的电路
描述回忆
国际专利分类索引：G01N 27/26
技术领域
本发明涉及用于电泳的电器设备，特别涉及用于产生交替改变其施加方向的均匀电场的轮廓箝位电位的产生。
背景技术
电泳
电泳是通过它们在电场内不同的迁移分离分子的一种技术。当施加迫使它们迁移的电场时，分子能够被置于凝胶中并被筛分。充负电的分子向阳极迁移，充正电的分子向阴极迁移。这样分子在凝胶内的带根据它们的大小被分离。为了产生电场，通常配置连接到直流电源的两个平行电极。
DNA分子当它们溶解在中性或碱性pH缓冲剂中时是充负电的。当施加电场时，DNA分子被拉长且它们的电荷-质量比变得与其分子大小相关。上述的原因与DNA分子以类似于蛇运动方式通过凝胶的孔迁移的事实，决定了大于20000碱基对的分子即使它们受到分子筛分，也不能在恒定电场的电泳中被分离。
脉冲场凝胶电泳
脉冲场凝胶电泳(PFGE)由Schwartz和Cantor在1984年生成(Cell，37，pp 67-75，1984；US Patent 4,473,452 of September 25th，1984)，并增加了能够在电泳中被分离的DNA分子的范围。借助于选择的持续时间的电泳冲的施加，关于分离的凝胶周期交变它们的施加方向，作者获得了大于20000碱基对的大的完整的DNA分子在琼脂糖凝胶内带模式中被分离。电场施加方向的变化引起DNA分子迁移的重新定向，同时这一重新定向的持续时间与分子大小相关。结果的带模式已被命名为‘电泳模式’，‘分子蜡硅型(kariotypes)’，‘电泳蜡硅型’等。
这样，任何脉冲场凝胶电泳系统的构成为：
1.带有附件的电泳腔体
2.使电场按所需的强度和脉冲持续时间交变的适当的电子装置。
3.使电极极化的方法。
在最初PFGE设备中产生的电场，诸如由Schwartz与Cantor描述的电场(Cell，37，pp 67-75，1984；US Patent 4,473,452 ofSeptember 25th，1984)，以及由Carle与Olson描述的其它电场(Carle G.F.，Olson M.V.Nucleic.Acid Rec.，12，pp 5647-5664，1984)，它没有提供电场沿凝胶均匀强度值，于是DNA分子在这种凝胶中的轨迹和迁移速度与它们在凝胶内占据的位置相关。
在PFGE中均匀电场的产生
理论上，平行放置并分开一定距离的两个无限电极产生均匀电场。但是这种电泳腔体的设计是不实际的。为了使用有限电极获得沿分离凝胶均匀强度电场的方法，Chu(Chu G.，Vollrath D.，Davis R.W.Sceince，234，pp 1582-1985，1986)提出以下方法：
1.选择正多边形(方形，三角形或六边形)作为封闭轮廓，在其边上放置电极阵列以便在多边形内产生均匀强度值的一电场。
2.使设想的笛卡尔平面的‘X’轴(y＝0)与正多边形的边之一重合。
3.0伏特电位施加到置于y＝0的那些电极。
4.‘V0’伏特电位施加到置于与‘X’轴距离y＝A的正多边形相对边的电极。
5.在位于正多边形腔体边及与‘X’轴距离‘yi’的其余的电极中，施加电位‘V(yi)’，其中V(yi)＝V0·yi/A。
6.这样，正多边形内部产生的电位类似于由两个无限和彼此平行分开距离‘A’电极产生的电位类似。
7.如果置于两对相对边的电极极性以电子方式交换，则形成结果的电场的力线之的角度。这一角度在PFGE中被命名为‘重定向角度’。
8.当边的两个不同对的电极中的极性被电子交换时获得的重定向角度在方形中将是90°，在六边形中将是60°或120°。
六边形阵列中的电极的构型在当前PFGE系统中已经使用。该系统命名为轮廓箝位均匀电场(Contour Clamped HomogeneousElectirc Field)或CHEF，并由Chu在1986年引入(Chu G.，Sceince，234，pp 1582-1585 December 16，1986)。
当前的CHEF系统的缺陷之一在于电极紧密的轮廓受限于先前描述的正多边形。
箝位CHEF系统电极中的电压并获得凝胶内均匀强度电场的方法
主要已提出三个方法，它们在复杂性和电子元件方面有进步。
1.简单电压分压器(Chu G.，Volltrath D.，Davis R.W.Sceince，234，pp 1582-1585，1986)
2.与推挽式结构晶体管对相关的电压分压器(Maule J.，GreenD.K.Anal.Biochem.191，pp 390-395，1990)。
3.使用运算放大器更好地控制施加在CHEF系统每一电极的电压(Clark S.M.，Lai E.，Birren B.W.，Hood L.Sceince，241，pp 1203-1205，1988)
CHEF系统中的简单电压分压器
在CHEF电极中箝位电位值的方法之一是使用串联的电阻器网络。这一网络形成值零和‘V0’中的电压分压器。我们将在电压分压器两个串联晶体管之间交换位置命名为结点，并在每一结点连接六边形的一电极。
位于y＝0和y＝A中，就是说在六边形两个相反边的电极，连分别接到电位‘0’和‘V0’。有其它两组电极，六边形两个连续的边的电极形成每一组。这些电极的每一个连接到定义了应当施加到这一电极的电位的电压分压器的结点。所加的电位值按上节提及那样计算。因，在六边形两个不同边的两个电极，但它们处于对更负电极(Y＝0)相同距离‘yi’，它们应当处于由V(yi)＝V0·yi/A给出的相同电压值。
为了实现在PFGE中必须的电场施加方向的变化，电位差施加到其它两个不同电极组。这是使用继电器和二极管进行的，它们通过用于电场切换的系统把应当以零伏特和‘V0’极化的电极连接到电源的输出。
然而，使用串联电阻器箝位电压有其不便。当电阻器网络与缓冲剂溶液接触时，后者的行为是作为与网络电阻器平行连接的新的电阻器。从电阻器向电极注入的电流及相反改变了每一电极中的电位值，并影响电场的均匀性。电压的变化依赖于注入或从缓冲剂溶液抽取的电流量，这转而依赖于缓冲剂等溶液浓度、温度、体积及pH的变化。这种变化随机影响了缓冲剂的电导，并因而影响了随纯电阻电路交换的电流的量值(Maule J.，Green D.K.Anal.Biochem.191，pp390-395，1990)。电压模式中的这些随机变化是不可控的，因而它们以不同的方式影响在每一实验中获得的结果及电泳模式的可再生性。
如果通过电阻器序列的电流大大大于缓冲剂循环的电流，则那些变化能够被降低(Maule J.，Green D.K.Anal.Biochem.191，pp 390-395，1990)。然而，溶液的缺陷在于，它引起不必要的电能浪费，并迫使使用较昂贵的较高功率的元件(特别是电阻器)。
与推挽结构中晶体管对相关联的电压分压器。
为了解决对电阻电压分压器简述的问题，提出使用由半导体元件制成的电流源(Maule J.，Green D.K.Anal.Biochem.191，pp 390-395，1990)。那些电流源把每一电极从它们在分压器电阻器序列中的对应的结点分离。每一结点与它们对应的电极之间放置一对称为‘推挽’结构的晶体管。它们从每一电极注入和抽取电流，然后在电极中重复，来自分压器结点的电压没有受到缓冲剂溶液电导变化。所述的系统能够在PFGE中电场施加的两个方向极化电极。然而，这有某些限制：
1.应当以相同电压值V(yi)＝V0·yi/A被极化的电极对，从不同的结点获得其电位，因而并不能总达到在所有需要的电极对的电压相等性。
2.电极越近，正电极从它们连接的推挽NPN型晶体管接收的电流越多。同时电极越近，负电极向它们连接的推挽PNP型晶体管漏的电流越多。不同极化的晶体管同时激活的这一事实在电压模式中引入误差。
3.在施加电场的两个方向之一设置电位模式的电阻器与在利用方向这样作的电阻器相同。因此，不能独立调节每一电场中的电位。两个方向之一引入的任何变化必然影响另一方向。
4.电路在推挽结构中具有与CHEF腔体具有的电极同样多的晶体管对。推挽结构中的晶体管对是并联的。当某些晶体管损坏时，很难确定被损坏的对。
5.在推挽结构的晶体管对中，晶体管之一总是激活而另一个是非激活的。这就是说，在所有的时刻，一半的晶体管不激活。然而，那些晶体管不能从电路消除，因为当电场在另一方向施加时，某些对改变激活的晶体管。因而，由于在每一电场晶体管非激活的总数远超过晶体管总量，故连接到推挽结构中的晶体管对的电压分压器网络是效率不高的。
6.所有的晶体管对连接到电源而没有任何元件限制电流。单个晶体管的故障引起电源的正和负输出之间的短路。于是能够肯定，短路是不安全的。
使用运算放大器更好地控制加在CHEF系统每一电极中的电压。
其它更复杂的系统使用运算放大器进行加在其它六边形阵列每一电极的电位个别控制(US Patent 5,084,157)。那些系统能够改变施加电场两个方向之间的角度，但是借助于增加系统的电子复杂性，其结构如其操作那样复杂。此外，进行电位控制的元件不能被适当对隔离元件隔离。必须数字转换，这意味着设备新的复杂性和成本增加。
另一方面，Riveron与cols.(Cuban patent，application No.：2000-306)展示了为获得PFGE中直的可再生带模式必须产生电泳腔体内均匀强度电场。它们确定了，除了系统在封闭的轮廓中适当电极的极化之外，只有保证缓冲剂和凝胶的电阻均匀性，才能获得施加的电场的均匀性。如果电阻如以下描述
R＝(1/σ)·(d/A)
其中：(σ)是电解质电导，(d)是相反极性电极之间的分离，而(A)是电流流过的截面积。
推导出，为使电阻在整个腔体均匀，必须在缓冲剂表面不能存在湍流，在凝胶中没有变形也没有凹凸更改或修改电流流过截面积。
因而如果PFGE系统仍然有很复杂的电子电路极化电极，就不能保证缓冲剂电阻的均匀性，它们不能保证直带模式和可再生的实验。对于小腔体这种情形变得更为严重。
发明内容
网为了正确说明本发明中提出的电路，必须定义基准系统。
基准系统
我们将把封闭的电极轮廓(来自CHEF系统的PFGE腔体)看作是放置在正多边形‘m’个边上的几个电极的组，其中‘m’是偶数。在我们的基准系统(图1)中L1边任意定义，并放置在笛卡尔平面的‘X’轴上。相对的边(命名为L(m/2)+1)位于与‘X’轴距离‘A’处。这样，正多边形其余的边对称地分布到L1和L(m/2)+1边的两侧。在边L1和L(m/2)+1左侧的正多边形那些边将被命名为边‘C’，而在右侧那些命名为边‘D’。
每一侧放置‘ k’个电极，其中‘k’是1与10之间的自然数。将有‘k’个电极放置在L1侧，其在‘X’轴上座标y0＝0。还将有‘k’个电极位于L(m/2)+1侧，与‘X’轴距离为‘A’，座标yn+1＝A。
位于‘C’和‘D’侧的所有电极将被命名为E1C，E2C，...，EnC及E1D，E2D，...，End，其中‘n’等于‘k·(m-2)/2’。电极的命名对‘C’和‘D’侧是按以下顺序作出的，从L1侧开始直到L(m/2)+1侧。电极E1C，E2C，...，EnC及电极E1D，E2D，...，End。两个EiC和Eid电极放置在‘X’轴相同的距离，其中‘i’是1与‘n’之间的自然数。那些([E1C，-E1D]，[E2C，E2D]...，[Enc，End])的每一个将被命名为Pi电极对。
本发明的电路在电极的封闭轮廓内部实现了均匀电场
为了说明该电路，首先来看使用先前的基准系统如何实现均匀电场。假设在电泳期间所有的电极以从电源获得的在0和‘V0’伏特之间给定的电压被加电如下。
1.对放置在L1侧的‘k’个电极施加0伏特。
2.对放置在相对L(m/2)+1侧的‘k’个电极施加‘V0’伏特。
然而当在放置在L1和L(m/2)+1侧的电极中施加电位差时，在PFGE腔体内设置一电场，其强度在腔体的所有区域中不是均匀的。这意味着，在PI个电极对中出现与距离yi不成比例的电压。因而，在其余的电极中，应当有施加的电压值，其使整个电泳腔体内部的电场均匀化。然后对Pi个电极对施加电压Vi＝V0·yi/A。
这样，封闭的轮廓电极被极化以产生确定的施加方向上均匀的电场。类似的推理可用于实现相同量值的均匀电场，但其力线有另一方向。只需定义正多边形的另一边为L1。
本发明中，提出PFGE的两个电场都能够以两个相等的箝位电路加电。那些箝位电路连接在现有电路的正和负输出之间以改变电场或交流发电机(alternator)，使得在同一时间只有一个箝位电路接收电能。
那些电路的每一个在电极中施加电压，在CHEF系统的腔体内施加的方向之一产生均匀强度的电场。电场将被施加的两个方向之一的电路连接按以下方式进行：
I.交流发电机的负输出之一通过二极管连接到L1侧(放置在‘X’轴上的边)所有的‘k’个电极。对应于交流发电机这一负输出的正输出通过二极管连接到位于L(m/2)+1侧的那些‘k’个电极，即连接到位于放置在离‘X’轴距离‘A’处边上的电极。
II.通过在交流发电机负输出与L1侧‘k’个电极之间二极管的连接按以下方式进行：
a)正多边形L1侧的每一电极连接到二极管的阳极，
b)那些二极管的阴极，每一电极一个，都连接到一起并连接到第二二极管的阳极，
c)第二个二极管的阴极连接到交流发电机的负输出。
III.通过在交流发电机正输出与L(m/2)+1侧‘k’个电极之间二极管的连接按以下方式进行：
a)正多边形L(m/2)+1侧的每一电极连接到二极管的阴极，
b)那些二极管的阳极，每一电极一个，都连接到一起并连接到第二二极管的阴极，
c)第二个二极管的阳极连接到交流发电机的正输出。
IV.由‘n+1’个电阻器RI及可变数量二极管形成的电压分压器的末端也连接到交流发电机的负和正输出。这样，总电压(V0-0)按正比于分离每一Pi电极对(Eic-EiD)对‘X’轴的‘yi’距离的值被划分。
V.在电压分压器的Ri与RI+1电阻器之间形成的每一NI结点连接到电压中继器的输入。每一电压中继器的输出连接到Pi电极对之一。电压中继器具有两个功能，一个是在它们的输出(Pi电极对)中继在它们的输入来自NI结点的电压。另一功能是针对PFGE期间缓冲剂电导的变化维持这一电压不变。
电压中继器是两种类型
1.当电压中继器连接在分压器的NI结点与Pi电极对之间时，其中‘i’是‘[(n/2)+1]’与‘n’之间的自然数，这一电压机器由以下电路元件形成：
NPN型晶体管，其基极连接到电压分压器的NI结点，其集电极连接到距离发电机正输出而其发射极连接到两个二极管的阳极，二极管的各自的阴极连接到已经提及的Pi电极对的电极。
2.当电压中继器连接在分压器的NI结点与Pi电极对之间时，其中‘i’是1与‘n/2’之间的自然数，这一电压中继器由以下电路元件形成：
PNP型晶体管，其基极连接到电压分压器的NI结点，其集电极连接到距离发电机负输出而其发射极连接到两个二极管的阴极，二极管的各自的阳极连接到已经提及的Pi电极对的电极。
选择每一Ri电阻器的值保证在每一Pi电极对的的电压正比于将它们与位于正多边形L1侧电极分离的距离。
其它电路与此相同，但以不同方式连接到Ei电极。根据即将产生的电场力线之间所需的角度，多边形的另一侧重新定义为L1侧，且基准系统转动必要的角度以便新的L1侧面处于‘X’轴。‘C’和‘D’侧，Ei电极和Pi电极对从L1侧开始重新定义。
从先前的原因可推导出，来自每一电路的Pi电极对是不同的。这就是为什么需要二极管，且它们不能直接连接到电压中继器晶体管的发射极。二极管允许把来自电极对的两个电极结合在一起，当电压中继器激活时保证它们具有相同的电位，因为电场在该方向施加。当电场设置在另一方向时，连接老的Pi电极对的二极管保持串联连接，但极性相反。这样保证了在这时连接不同电位的电极的老的电极对之间的电路分支，至少有一个二极管被相反极化。它们有非常高的电阻且分支的电极变为电隔离。
通过向电极源电流或从其漏电流直到其电压等于其结点电压，降低了缓冲剂电导的变化对分压器每一Ni结点的影响。使用“发射极跟随者”中的晶体管作为电流源。位于负输出附近的电极对应当总是从缓冲剂抽取电流，因为它们的电位趋向高于在其对应的基准结点的电位。因此，使用一PNP型晶体管，其把这一电流漏向电源的负输出。位于正输出附近的电极对应当总是从把电流源向缓冲剂，因为它们的电位趋向低于在其对应的结点的电位。为此使用一NPN型晶体管，其从正输出获得电流。这样，基准结点的电位受到的影响不明显。
缓冲剂温度、浓度、pH、高度等的变化出现在电泳期间。这些扰动趋向改变电极的电压模式。抵消这些响应必须的电流也是由晶体管管理的。
每一电极对电位类似于其基准电位，但在一定的值它不同。这差别是由与电极对修改的晶体管基极到发射极和二极管电压降落引起的。这一电压降落是硅半导体元件PN结的特征，且其近似为0.7伏特。
出现在分压器中心的晶体管和二极管极性的变化在电压模式中引入了误差。这一误差能够通过与电压分压器中心电阻器串联插入二极管被补偿。这样，基准结点的电位以相同的量值但与每一对晶体管和二极管电压降落相反的意义被修改。
最后，必须与使位于L1和L(m/2)+1侧并连接到交流发电机的负和正输出的二极管串联插入一二极管。这为使在交流发电机的输出和每一电极之间的通路中的电压降落数(由前向极化PN结引起)均匀化是必须的。这些通路具有两个PN结用于位于‘C’和‘D’侧的电极。
因而，本发明中提出的电路由通过另一适当电子电路连接到电源两个相同的部分组成，以便以需要的强度和脉冲持续时间改变电场。
附图说明
图1.基准系统，用来描绘在CHEF的PFGE腔体中能够被本发明的电路极化的电极的分布。电极置于一‘m’个边的正六边形上，其中‘m’是4到50之间的一个偶数。‘k’个电极置于多边形的每一边，其中‘k’是1和10之间的的一自然数。多边形的边之一(命名为L1)与笛卡尔平面的‘X’轴重合。多边形的相对边(命名为L(m/2)+1)位于与‘X’轴距离y＝A处。L1和L(m/2)+1边的左侧是‘C’侧，且其右侧是‘D’侧。
图2.六边形CHEF腔体的18个电极分布的轮廓。符号A+和A-指示连接到电源的正和负输出的电极(通过交流发电机电路)，以在该方向建立电场。符号B+和B-指示连接到电源的正和负输出的电极(通过交流发电机电路)，以在该方向建立电场。
图3.由连接到电源输出(通过交流发电机电路)二极管和电阻器形成的电压分压器。这一电路产生极化有18个电极的六边形CHEF腔体的电极部分。电压中继器连接到在电阻器之间形成的结点。
图4.电压中继器。晶体管的基极连接到电压分压器的结点，且发射极连接到两个二极管，它们又连接到应当被极化为相同电位的一对电极。在上部指示了带有NPN晶体管的电压中继器，晶体管的集电极连接到电源的正输出(通过交流发电机电路)。在下部示出带有其集电极连接到电源负输出(通过交流发电机电路)的PNP晶体管的电压中继器。
图5.左侧示出极化带有18个电极的六边形模型CHEF腔体中A+和B+组电极的电路。位于上部的二极管的阳极通过开关连接到电源的正输出。右侧示出示出极化带有18个电极的六边形模型CHEF腔体中A-和B-组电极的电路。位于下部的二极管阴极通过开关连接到电源的负输出。
图6.六边形CHEF腔体的36个电极分布的轮廓。符号A+和A-指示连接到电源的正和负输出的电极(通过交流发电机电路)，以在该方向建立电场。符号B+和B-指示连接到电源的正和负输出的电极(通过交流发电机电路)，以在该方向建立电场。
图7.由连接到电源输出(通过交流发电机电路)二极管和电阻器形成的电压分压器。这一电路产生极化有36个电极的六边形CHEF腔体的电极部分。电压中继器连接到在电阻器之间形成的结点。
图8.在顶部示出极化带有36个电极的六边形模型CHEF腔体中A+和B+组电极的电路。位于电路上部的二极管的阳极通过开关连接到电源的正输出。底部示出示出极化带有36个电极的六边形模型CHEF腔体中A-和B-组电极的电路。位于下部的二极管阴极通过开关连接到电源的负输出。
具体实施方式
以下例子是所描述的电路的示例，但它们不限于这一专利达到的任何措施。
例子1.极化18个电极的六边形腔体电极的电路
电极阵列
图2中，示出一组电极101到118，置于正六边形上每边三个电极。在电场施加的方向之一(命名为A)电极101，102和103(命名为A+组)以接近电源正输出的电位最大电位被极化。电极110，111和112(命名为A-组)以接近0伏特的负电位被极化。其余的电极按对组织(表1)。来自同一对的每一电极将以相同的电压被极化，与从每一对到A-组的电极的距离成正比。
在电场施加的另一方向(命名为B)电极113，114和115(命名为B+组)以接近电源正输出电位的最大电位被极化。电极104，105和106(命名为B-组)以接近0伏特的最小电位被极化。其余的电极按对组织(表1)。来自同一对的每一电极将以相同的电压被极化，与从每一对到B-组的电极的距离成正比。
在这一具体的电极阵列中，两个相继电极之间的‘dist’距离是相同的。然而118-104电极对和A＝组的电极之中的距离是一半，即‘dist/2’。113-109，116-112及103-107对分别对于A-，B+和B-组的电极出现相同情形。
表1.电极对与它们连接的电压中继器晶体管类型。
    ‘A’方向     ‘B’方向 晶体管类型
    118     104     116     112     NPN
    117     105     117     111
    116     106     118     110
    115     107     101     109     PNP
    114     108     102     108
    113     109     103
行表示应当以相同电压被极化的电极数，以便在腔体中A和B两个施加方向产生均匀电场，电极配置类似于图1中。
串联的七个晶体管201和202必须在每边有三个电极的这一CHEF腔体产生基准电位(图3)。电阻器201有相同的值，电阻器202为这值的一半。电阻器201和202的阶梯通过距离发电机开关连接在电源的正(+)与负(-)输出之间。这一电压分压器产生出现在结点203和204中的基准电位。
电压中继器205和206从基准结点203和204取得电压，以便在A和B方向适当极化电极。
电压中继器205和206详细示于图4。NPN型晶体管301的基极连接到结点203。晶体管301的集电极通过开关连接到正输出(+)。晶体管301的发射极连接到两个二极管302的阳极，它们又通过阴极连接到其电位对应于该特定结点203的电极。
PNP型晶体管303的基极连接到结点204。晶体管303的集电极通过开关连接到负输出(-)。晶体管303的发射极连接到两个二极管304的阴极，它们又通过阴极连接到其电位对应于该特定结点204的电极。
表1中指出以NPN(电压中继器204)和PNP(电压中继器205)型晶体管极化的电极。
A+和B+组的电极(图5)连接到由它们的阳极连接在一起的二极管401的阴极。二极管401的阳极连接到另一二极管402的阴极，该二极管又由其阳极通过开关连接到电源的正输出。
A-和B-组的电极连接到由它们的阴极连接在一起的二极管403的阳极。二极管403的阴极连接到另一二极管404的阳极，该二极管又由其阴极通过开关连接到电源的正输出。二极管402和404保证了极化A+，B+，A-和B-组的电极的分支有由PN结激发的阵列其余电极相同的电压降落。
二极管207(图3)补偿由电压分压器中晶体管和二极管极性变化引起的误差。
在表II中展示了理论电压和在CHEF腔体电极中测量的电压。电极放置在图2那样的六边形边上。相对边中的分开是11,6cm。腔体充以20℃的225ml缓冲剂溶液TBE 0,5x(TBE 1x：Tris 89mM，Boric acid 89mM，EDTA 2mM，pH8,4)。使用类似于展示的电路产生电压。电阻器为470,0ohm，两个电阻器平行放置以达到电阻器202的值的一半。使用MJE340和MJE350晶体管和IN4007二极管。从调节到120,0伏特固定电压的‘Macrodrive l’电源在正(+)和负(-)输出中在A和B方向获得电能。
表II.在有位于六边形边上的18个电极的CHEF腔体的电极中理论值和由展示的电路产生的值。
  理论电压(V)                             实际电压(V)
             A方向                B方向
    118,6   101，102y 103:118,7   115，114y 113:118,7
    108,8   118:108,8   104:108,9   116: 108,8   112:108,8
    89,3   117:89,2   105:89,2   117:89,2   111:89,2
    69,8   116:69,7   106: 69,7   118:69,7   110:69,6
    50,2   115:50,2   107:50,3   101:50,4   109:50,3
    30,7   114:30,8   108:30,8   102:30,8   108:30,8
    11,2   113:11,2   109:11,2   103:11,2   107:11,2
    1,4   112，111y 110:1,4   104，105y 106:1,4
根据图2的电极号码为重体。
考虑在硅半导体元件每一PN结(在二极管和晶体管的基极到发射极中)中0,7伏特典型的压降计算理论电压。为了计算晶体管被认为是零基极电流的理想元件。
例子2.极化具有非均匀分布的36个电极的六边形点状电极的电路
图6中，示出一组点状电极501到536，放置在每边六个电极的正六边形上。在电场施加的一个方向(命名为A)，电极501到506(命名为A+组)以接近电源正输出的电位的最大电位被极化。电极519到524(命名为A-组)以接近0伏特的最小电位被极化。其余的电极按对组织(表III)。来自同一对的每一电极将以正比于从每一对到A-组电极的距离的相同的电压被极化。
在电场施加的另一个方向(命名为B)，电极525到530(命名为B+组)以接近电源正输出的电位的最大电位被极化。电极507到512(命名为B-组)以接近0伏特的最小电位被极化。其余的电极按对组织(表III)。来自同一对的每一电极将以正比于从每一对到B-组电极的距离的相同的电压被极化。
这种情形下，在两个相继电极之间的距离不相同。例如，电极501和502之间的距离不同于电极502和503之间的距离。
为了产生每边六个电极的这一CHEF腔体中基准电位，需要串联连接的十三个电阻器601，602和603(图7)。应当选择电阻器601，602和603的电阻值，使得对于A和B方向的每一个，每一电极处的电位分别正比于每一电极和A-和B-组电极之间的距离。这种情形下，电阻器601为348ohm，电阻器602为470ohm及电阻器603为235ohm。电阻器601，602和603的链通过开关连接到电源的正(+)和负(-)电位。这一电压分压器产生出现在结点604和605中的基准电位。电压中继器606和607从中继器结点604和605取得电压，以便在A和B方向正确极化电极。电压中继器606和607与中继器205和206(图3)相同。二极管608与电阻器串联插入，以校正由电压中继器606和607内的激活的晶体管极性改变引起的电压模式中的误差。
二极管用于与出现在例子1中类似的电路，以便极化A+，A-，B+和B-组的电极(图8)。这种情形下，使用二极管701和703极化A+，A-组的电极，因为这一特定的电极阵列出现每边六个二极管。二极管702和704的功能类似于例子1的功能，即保证所有电极电位受到相同压降数的影响。
表III.在有位于六边形边上的36个电极的CHEF腔体的电极中理论值和由展示的电路产生的值。
  理论电压(V)                            实际电压(V)
                 A方向                 B方向
  118,80   501，502，503，504，505，506:118,75  525，526，527，528，529，530:118,75
  113,18   536:113,15   507:113,15   524:113,15   531:113,15
  104,85   535:104,70   508:104,70   523:104,75   532:104,75
  93,62   534:93,40   509:93,40   522:93,40   533:93,40
  85,28   533:85,05   510:85,05   521:85,00   534:85,00
  74,05   532:73,90   511:73,85   520:73,85   535:73,85
  65,72   531:65,65   512:65,55   519:65,55   536:65,65
  54,48   530:54,40   513:54,30   518:54,30   501:54,40
  46,15   529:46,15   514:46,15   517:46,10   502:46,10
  34,92   528:34,90   515:34,95   516:34,95   503:34,95
  26,58   527:26,60   516:26,60   515:26,60   504:26,55
  15,35   526:15,35   517:15,35   514:15,35   505:15,35
  7,02   525:6,95   518:6,95   513:6,95   506:6,95
  1,4   524，523，522，521，520，519:1,4   512，511，510，509，508，507:1,4
行示出电极数目和电压，它们应当被极化为相同电位以便在两个A和B施加方向产生均匀电场。第一列示出对应于每一电极对的理论电位。根据图6的电极号码以重体出现。理论电压是以同例子1中相同的考虑计算的。
在表III中展示了理论电压和在CHEF腔体电极中测量的电压。电极放置在图6那样的六边形边上。相对边中的分开是11,6cm。腔体充以20℃的225ml缓冲剂溶液TBE0,5x(TBE 1x：Tris89mM，Boric acid 89mM，EDTA 2mM，pH8,4)。使用类似于展示的电路产生电压。从调节到120,2伏特固定电压的‘Macrodrive l’电源在正(+)和负(-)输出中在A和B方向获得电能。
已展示的例子是本发明的示例，且它们不构成它们范围我限制。可使用类似于所示的电路极化不同尺寸和形式、电极数目和分布的腔体。这只要改变电路元件数目即可作到：晶体管，二极管和电阻器以及这些最后元件的电阻值，且它们在本发明的范围内。
所提出的解决方案的优点。
1)有电极不同形状、尺寸、数目和分布的CHEF型腔体电极被正确极化。
2)电路比先前的电压箝位系统简单，然而电极中产生的电压模式与先前系统产生的同样精确或更为精确。
3)所使用的电源的正和负输出之间的电路短路不可能。
4)实现了位于相同理论等电位线的电极对相等的极化。
5)在两个方向产生电场的电路是独立的。
6)所使用的晶体管数至少比先前系统中少三倍。
7)电路更为经济并较容易修理和维护。

Claims (13)

1.箝位脉冲场凝胶电泳的轮廓箝位均匀电场系统腔体的电极中电压并产生两个相同强度但不同方向的均匀电场的电路，该电路需要具有正和负输出的电源，用于电场切换的另一电路，或带有两个正和两个负输出的交流发电机，及充有缓冲剂溶液的电泳腔体，拥有置于正多边形的‘m’个边上的一电极阵列的腔体，每边‘k’个电极，其中L1边被任意选择并使其与笛卡尔平面的‘X’轴重合，边L(m/2+1)平行于L1边，且命名为‘C’和‘D’边的其它边分别位于边L1和L(m/2+1)的左和右，在多边形每一边EiC-EiD电极等间隔，这样存在由位于与L1边相同距离电极形成的‘n’个EiC-EiD电极对Pi，其中‘n’等于k·(m-2)/2而‘i’是1与‘n’之间的一自然数，电路构成如下：
●电路由两个等同的箝位电路形成，且通过设置使电场均匀的正多边形的电极处的电位，每一电路独立设置两个可能的电场方向之一，在所述电场的电位中，零伏特对应于L1边上所放置的电极，当电场切换时，L1边是所述正多边形的另一边，
●分别在每一电场方向提供用来把位于L1和L(m/2+1)边上的电极连接到所述电源的正和负输出的二极管，
●提供在每一箝位电路内产生电压基准的电阻器和二极管，以便极化每一Pi电极对的EiC-EiD电极，
●提供晶体管针对缓冲剂溶液电导变化稳定每一Pi电极对的EiC-EiD电极电位，但来自于每个Pi电极对的两个Eic-Eid电极由一个单个晶体管所驱动，
●提供二极管对把每一Pi电极对的两个EiC-EiD电极通过所述单个晶体管永久连接到电压基准的同一结点，并在一个电场方向以相同电位极化这两个EiC-EiD电极，但在另一电场方向电隔离所述两个EiC-EiD电极，
●提供二极管补偿电压模式中的误差，
●提供二极管以便永久连接两个独立的电路到同一电极阵列。
2.如权利要求1中所述的电路，包括每一箝位电路连接到交流发电机，使得在同一时间只有一个箝位电路接收电能。
3.如权利要求1中所述的电路，包括位于L1边上的每一电极连接到二极管的阳极，这些二极管的阴极结合在一起并连接到第二个二极管的阳极，且这一第二个二极管的阴极连接到所述电源的负输出。
4.如权利要求1中所述的电路，包括位于L(m/2+1)边上的每一电极连接到二极管的阴极，这些二极管的阳极结合在一起并连接到第二个二极管的阴极，且这一第二个二极管的阳极连接到所述电源的正输出。
5.如权利要求1中所述的电路，包括产生电压基准的电阻器和二极管形成由‘n+1’个电阻器Ri和连接到所述电源的正和负输出的多达10个二极管所构成的电压分压器，其中‘n’等于k·(m-2)/2。
6.如权利要求1中所述的电路，包括所述单个晶体管为发射极跟随器结构，其基极连接到电压基准的结点之一，其发射极通过一对二极管连接到相应Pi电极对，当‘i’为1与n/2之间的一自然数时，晶体管为PNP型，其集电极连接到所述电源的负输出，并当‘i’为[(n/2)+1]与n之间的一自然数时，晶体管为NPN型，其集电极连接到所述电源的正输出。
7.如权利要求1中所述的电路，包括每一二极管对由两个二极管所形成，所述二极管的阴极连接到相应晶体管的发射极，且其阳极连接到相应Pi电极对的两个电极，其中‘i’为1与n/2之间的一自然数。
8.如权利要求1中所述的电路，包括每一二极管对由两个二极管所形成，所述二极管的阳极连接到相应晶体管的发射极，且其阴极连接到相应Pi电极对的两个电极，其中‘i’为[(n/2)+1]与n之间的一自然数。
9.如权利要求1或5中所述的电路，包括补偿电压模式中的误差的所述二极管是形成电压分压器以产生电压基准的二极管。
10.如权利要求1或3中所述的电路，包括补偿电压模式中的误差的所述二极管是连接到L1边的电极的二极管阴极与所述电源的负输出之间连接的第二个二极管。
11.如权利要求1或4中所述的电路，包括补偿电压模式中的误差的所述二极管是连接到L(m/2+1)边的电极的二极管的阳极与所述电源的正输出之间连接的第二个二极管。
12.如权利要求1中所述的电路，包括永久连接两个独立电路到同一电极阵列的所述二极管是连接到这些电极的二极管。
13.如权利要求1中所述的电路，包括其需要一电泳腔体，拥有位于轮廓的‘m’个边上的电极阵列，每边‘k’个电极，包括‘m’是4与50之间的偶自然数，且‘k’是1与10之间的一自然数。
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