DE19536668C1 - Elektrodialysevorrichtung und -verfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Trennung unter­ schiedlich geladener Teilchen im elektrischen Feld, insbeson­ dere eine Elektrodialyse-Vorrichtung, mit einer eine Anode aufweisenden Anodenkammer und einer eine Kathode aufweisenden Kathodenkammer, wobei die Anodenkammer und die Kathodenkammer jeweils durch eine Membran von dem Bereich, in dem sich die Probenflüssigkeit befindet, abgetrennt sind, sowie die Verwendung dieser Vorrichtung.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann somit bei allen Trenn­ verfahren Anwendung finden, bei denen elektrokinetische Er­ scheinungen, nämlich die Wanderung von Teilchen im elektri­ schen Feld in Flüssigkeiten auftreten. Mit der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung können somit nicht nur eine Elektrodialyse sondern auch eine Elektrophorese oder Elektrodekantation durchgeführt werden. Jedoch handelt es sich vorzugsweise um eine Elektrodialyse-Vorrichtung.

Derartige Vorrichtungen bzw. Gerätschaften sind seit langem bekannt. Bezüglich eines Gerätes zur Elektroelution wird auf die in DE-A-33 37 669 beschriebene Vorrichtung verwiesen.

Die bisher bekannten Vorrichtungen haben jedoch den Nachteil, daß es mit ihnen nicht möglich ist, äußerst geringe Flüssig­ keitsvolumina einzusetzen.

Das Trennverfahren der Elektrodialyse wurde bisher primär zur Meerwasserentsalzung, zur Trinkwasser-Gewinnung aus Brack­ wasser, in der Lebensmittelindustrie zur Molke-Entsalzung und bei der Weinbereitung zur Verhinderung der Weinstein­ abscheidung eingesetzt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrich­ tung bereitzustellen, mit der sehr kleine Probenflüssigkeits­ volumina einer Elektrodialyse unterzogen werden können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ferner, einen Weg aufzuzeigen, wie niedermolekulare Nichtelektrolyte von Verunreinigungen in Form von Salzen und anderen ionischen Komponenten getrennt werden können.

Gelöst werden diese Aufgaben durch die Lehren der Ansprüche.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen somit die Anoden­ kammer und die Kathodenkammer im Stirnbereich jeweils einen Membrankopf auf, in dem die Membran gehaltert bzw. eingespannt ist. Zwischen diesen Membranköpfen befindet sich die Proben­ flüssigkeit, die dort frei schwebt und z. B. aufgrund ihrer Oberflächenspannung gehalten wird. Um dies zu ermöglichen, wird die Fläche und der Abstand der Membranköpfe entsprechend gewählt. Mit anderen Worten, bei der erfindungsgemäßen Vor­ richtung ist keine Kammer für die Probe bzw. für die zu elektrodialysierende Flüssigkeit vorhanden. Diese Flüssigkeit schwebt quasi zwischen den einander gegenüberliegenden Stirn­ bereichen. Mit dem Begriff "Stirnbereich" soll zum Ausdruck gebracht werden, daß dies derjenige Bereich in der Umgebung der Membranen ist, die einander gegenüberliegen und somit auch am dichtesten zueinander angeordnet sind.

Natürlich wird man auch die Fläche der einander gegenüberlie­ genden Membranen und Membranköpfe so wählen, daß zumindest die Membranen von der Probenflüssigkeit benetzt werden.

Die Form der Anodenkammer und Kathodenkammer kann im Prinzip beliebig sein, beispielsweise bottichartig etc., sofern die Kammern jeweils einen wie oben beschriebenen Stirn­ bereich/Membrankopf haben, der beispielsweise in Form eines seitlichen Ansatzes etc. ausgebildet sein kann. Natürlich kön­ nen die Kammern auch außerhalb der Umgebung der Membranen mit­ einander verbunden etc. sein. Entscheidend ist lediglich, daß die Probenflüssigkeit schwebend zwischen den beiden Membranen bzw. den diese Membranen halternden Membranköpfen zu liegen kommt bzw. gehalten werden kann.

Bedingt dadurch, daß sich die Probenflüssigkeit nicht in einer Probenkammer befindet, sondern durch Oberflächenkräfte zwi­ schen den Membranen gehalten wird, ist es möglich, extrem kleine Volumina, beispielsweise von Tropfengröße, zu elektro­ dialysieren.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die Kammern als Stäbe ausgebildet, wobei eine der Stirnseiten der Stäbe den Membrankopf darstellt. Mit anderen Worten, die beiden Stäbe, die natürlich hohl sind, zeigen mit zwei, die Membranen hal­ ternden Membranköpfen zueinander. Zwischen diesen Membran­ köpfen befindet sich die Probenflüssigkeit.

In die andere Stirnseite dieser Stäbe kann die entsprechende Elektrode eingesetzt sein, welche natürlich in den Hohlraum innerhalb der Stäbe hineinragt. Die Stäbe können dabei einen runden oder auch einen mehreckigen Querschnitt aufweisen.

Nach einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist die er­ findungsgemäße Vorrichtung mit einer dünnen Zuführungsleitung für die Probenflüssigkeit und einer dünnen Abführungsleitung für die Probenflüssigkeit ausgestattet. Die beiden Enden bzw. Spitzen dieser Leitungen münden dabei jeweils im Bereich zwi­ schen den Membranköpfen der Kammern. Bei diesen Leitungen han­ delt es sich vorzugsweise um einen Nano- oder Mikroinjektor.

Die Probe bzw. die zu elektrodialysierende Flüssigkeit kann dabei mit diesem Injektor zwischen die Membranen eingebracht und nach der Dialyse durch die Abführungsleitung abgesaugt werden. Damit kann die erfindungsgemäße Vorrichtung für Mikro­ probenmengen, wie sie in der analytischen Chemie, der klini­ schen Chemie und der Biochemie anfallen, eingesetzt werden.

Handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung um eine Elektrodialysevorrichtung, dann sind die Elektrodenkammern vorzugsweise mit einer Zuleitung und einer Ableitung versehen. Dadurch wird eine kontinuierliche Perfusion der Anoden- und Kathodenkammer mit einer Dialyseflüssigkeit ermöglicht, so daß die Elektrodialyse on-line betrieben werden kann.

Nach einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist die An­ odenkammer mit einer ionenselektiven, insbesondere anionen­ selektive, und die Kathodenkammer mit ebenfalls einer ionen­ selektiven, insbesondere jedoch einer kationenselektiven Membran ausgestattet.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es somit möglich, unter Verwendung von ionenselektiven Membranen im elektrischen Feld Elektrolyte aus einer Lösung niedermolekularer oder hoch­ molekularer Nicht-Elektrolyte abzutrennen.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kommen im übrigen per se bekannte Membranen zum Einsatz. Diese Membranen werden je nach dem gewünschten Zweck ausgewählt, für den die erfindungsgemäße Vorrichtung eingesetzt werden soll. So wird man beispielsweise für eine Elektrodialyse eine kationenspezifische und eine anionenspezifische Membran einsetzen. Vorzugsweise setzt man Membranen mit hoher Ionenselektivität ein.

Es wurde nun überraschend gefunden, daß man eine erfindungs­ gemäße Elektrodialysevorrichtung zur Abtrennung von Salzen und/oder anderen ionischen Komponenten aus Lösungen einsetzen kann, welche neben diesen Salzen und den anderen ionischen Komponenten Nichtelektrolyte aufweisen. Bei diesen Nichtelektrolyten handelt es sich insbesondere um geladene und ungeladene Peptide und/oder Proteine, um geladene und/oder ungeladene Oligosaccharide und/oder Oligonucleotide. Bei diesen oben genannten Molekülen handelt es sich vorzugsweise um niedermolekulare Moleküle mit einer Molmasse kleiner ca. 5000.

Erfindungsgemäß ist es möglich, die genannten Moleküle von den ebenfalls oben genannten starken Verunreinigungen zu reinigen, so daß die gereinigten Moleküle einer weiteren Analytik, beispielsweise der Massenspektrometrie, zugeführt werden können. Erfindungsgemäß kann dies insbesondere bei biologischen Testsystemen (beispielsweise Tiere, Zellkulturen etc.) Anwendung finden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Von den Figuren zeigen

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungs­ gemäßen Vorrichtung in schematisch dargestellter Weise;

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung ebenfalls in schematischer und vereinfacht dargestellter Weise;

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung, bei der der Abstand der Mem­ branköpfe mit Hilfe einer Motorvorrichtung ein­ stellbar ist;

Fig. 4 die Anodenkammer und die beiden Membranköpfe der in der Fig. 3 gezeigten Vorrichtung mit einer zusätzlichen Zuführungsleitung und Abführungs­ leitung für die Probenflüssigkeit; und

Fig. 5 die Anodenkammer der Fig. 3 mit mehreren aus­ tauschbaren Membranköpfen;
Alle Figuren zeigen schematische Ansichten bzw. stellen Prin­ zipdarstellungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar. Es handelt sich dabei um eine Art Seiten-/Schnittansicht zur Er­ läuterung der erfindungsgemäßen Merkmale. Gleiche Teile bzw. Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren zeigen im übrigen alle eine Elektrodialysevorrichtung. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Vielmehr können die gezeigten Vorrichtungen auch für andere, weiter oben geschilderte Trennverfahren ein­ gesetzt werden. Sie müssen dann natürlich an die Bedürfnisse dieser Trennverfahren auf per se bekannte Weise angepaßt wer­ den. Auf jeden Fall bleiben dabei jedoch die erfinderischen Merkmale verwirklicht.

Die in der Fig. 1) gezeigte erfindungsgemäße Elektro­ dialysevorrichtung 1 besitzt eine stabförmige Anodenkammer 4 und eine ebenfalls stabförmige Kathodenkammer 5. Die Membran­ köpfe 8, 9 dieser Kammern 4, 5 liegen einander gegenüber bzw. sind einander stirnseitig gegenüber angeordnet. In diesen Membranköpfen 8, 9 sind die Membranen 6 bzw. 7 gehaltert. Zwi­ schen den Membranköpfen 8, 9 befindet sich die zu elektrodialy­ sierende Flüssigkeit 10, die allein aufgrund ihrer Oberflä­ chenspannung zwischen diesen einander gegenüberliegenden Flä­ chen bzw. Bereichen gehalten wird.

In die gegenüberliegende Stirnseite der Anodenkammer 4 ist eine Anode 2 in Form einer Platinelektrode eingesetzt, während in die entsprechende Stirnseite der Kathodenkammer 5 eine Ka­ thode 3 eingesetzt ist. Auch bei dieser Elektrode handelt es sich um eine Platinelektrode. In der Anoden- und Kathodenkammer befindet sich natürlich eine Dialyseflüssigkeit (nicht gezeigt), die üblicher Art sein kann.

Die Anodenkammer 4 und die Kathodenkammer 5 können auf belie­ bige Weise gehaltert werden. Zweckmäßigerweise werden sie der­ art gehaltert, daß ihr Abstand zueinander (genauer der Abstand der Membranköpfe 8, 9 zueinander) veränderbar und im gewünsch­ ten Abstand fixierbar ist.

Die in der Fig. 2) gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in der Fig. 1) gezeigten dadurch, daß die Anodenkammer 4 zusätzlich noch mit einer Zuleitung 11 und einer Ableitung 12 und auch die Kathodenkammer 5 mit einer Zuleitung 13 und einer Ableitung 14 ausgestattet sind, durch welche Dialy­ seflüssigkeit zugeführt und auch wieder abgeführt werden kann.

Außerdem ist bei dieser Ausführungsform die Vorrichtung mit einer Zuführungsleitung 15 ausgestattet, die zwischen den Membranköpfen 8, 9 mündet und durch den die zu elektrodialysie­ rende Flüssigkeit bzw. Probe zwischen diese Stirnbereiche eingebracht werden kann.

Ferner ist auch noch eine Abführungsleitung 16 zum Abführen der elektrodialysierten Flüssigkeit vorgesehen, die ebenfalls in dem zwischen den Membranköpfen 8, 9 aufgespannten Raum mün­ det. Auch bei dieser Abführungsleitung 16 kann es sich um einen Mikroinjektor handeln.

Die Probenflüssigkeit 10 kann man im übrigen zwischen die bei­ den Membranköpfe 8, 9 derart einbringen, daß man beispielsweise eine Spritze oder ein ähnliches Gerät einsetzt, mit dem man die Flüssigkeit dosieren kann. Mit Hilfe dieser Spritze bildet man dann am Ende einen Tropfen, den man zwischen die beiden Membranköpfe 8, 9 einbringt. Zudem muß sichergestellt werden, daß dieser Tropfen beide Membranen 6, 7 der Membranköpfe 8, 9 benetzt. Dies ist beispielsweise dadurch möglich, daß man einen Tropfen an der Spitze einer Nadel einer Spritze in Kon­ takt mit einer der beiden Membranen 6, 7 bringt, dann den Trop­ fen durch Zuführen weiterer Probenflüssigkeit "wachsen läßt", so daß er auch mit der anderen Membran bzw. dem anderen Membrankopf in Kontakt kommt. Ferner ist es möglich, den Tropfen dadurch mit den Membranen unter deren Benetzung in Kontakt zu bringen, daß man mindestens eine der Membranen an den Tropfen heranbewegt.

Natürlich muß die Größe der Fläche der Membranen und/oder die Größe der Fläche der zueinander zeigenden Stirnseiten der Membranköpfe sowie die Größe des Probenvolumen unter Berück­ sichtigung des Abstandes der Membranköpfe 8, 9 aufeinander ab­ gestellt werden. Dabei sollte zumindest die gesamte Fläche der Membranen, besser noch die gesamte Fläche der zueinander zei­ genden Stirnseiten der Membranköpfe 8, 9 durch die Probenflüs­ sigkeit benetzt sein bzw. werden.

Mit Hilfe der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Elektrodialy­ sevorrichtungen ist es möglich, Proben auch im Mikromaßstab mit Volumen <100 µl zu elektrodialysieren. Bei der in der Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist es möglich, durch eine konti­ nuierliche Perfusion der Anoden- und Kathodenkammer mit einer Dialyseflüssigkeit die Dialyse on line zu betreiben, wobei die Probe über den Nano- oder Mikroinjektor 15 zwischen die Membranköpfe 8, 9 und nach der Dialyse durch die separate Abführungsleitung 16 abgesaugt wird, bei der es sich auch um einen Nano- oder Mikroinjektor handeln kann. Über diese Zuführungs- und Abführungsleitung 15 bzw. 16 ist es auch möglich, die Probenflüssigkeit kontinuierlich auszutauschen.

Dadurch kann die erfindungsgemäße Elektrodialysekammer auch für Mikroprobenmengen eingesetzt werden, wie sie in der analy­ tischen Chemie, der klinischen Chemie und der Biochemie ge­ handhabt werden. Im on line-Betrieb kann die erfindungsgemäße Elektrodialysekammer auch zur Probenvorbereitung in Kopplung mit HPLC, CE, MALDI, Elektrospray-MS, GC und anderen Analysen­ verfahren wirksam eingesetzt werden.

Bei der in der Fig. 3 gezeigten Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Elektrodialysevorrichtung sind die beiden Kammern 4, 5 L-förmig ausgestaltet. Die unteren Querschenkel des L zei­ gen mit ihren Stirnseiten, an denen sich die Membranköpfe 8, 9 befinden, zueinander. Die Anodenkammer 4 ruht dabei auf einem Motorantrieb, der zur Justierung des Abstandes der Membran­ köpfe 8, 9 dient, damit die Vorrichtung für unterschiedliche Probenvolumina angepaßt wird. Dieser Motorantrieb 19 ruht auf einem Tisch 20 und kann die Anodenkammer 4 in Richtung der An­ odenkammer 5 und natürlich auch wieder weg davon bewegen. Die Anodenkammer 5 ruht auf einem Block 21, der ebenfalls beweg­ lich und mit einem Motorantrieb ausgestattet sein kann.

Im unteren Bereich der Fig. 3 ist der aus den beiden Membran­ köpfen 8 und 9 sowie der Probenflüssigkeit 10 gebildete Be­ reich größer dargestellt. Die beiden Membranköpfe 8, 9 besitzen jeder eine Elektrode 17 zur Messung der Leitfähigkeit der Probe 10. Diese Leitfähigkeit wird mit einem geeigneten Meßinstrument 18 bestimmt.

Die Membranköpfe 8, 9 bei der in der Fig. 3 gezeigten Ausfüh­ rungsform sind im übrigen auswechselbar, worauf weiter unten eingegangen wird. Die Querschnittsform der L-förmigen Anoden 4, 5 kann im Prinzip beliebig und beispielsweise rund, viereckig, quadratisch etc. sein.

Die Fig. 4 zeigt nur einen Teil einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung, die im wesentlichen der in der Fig. 3 gezeigten Vorrichtung entspricht. In der Fig. 4 ist le­ diglich die Anodenkammer 4 und der durch die Membranköpfe 8, 9 sowie die Probenflüssigkeit 10 gebildete Bereich gezeigt. Bei dieser Ausführungsform sind zusätzlich eine Zuführungsleitung 15 und eine Abführungsleitung 16 vorhanden, durch die die Pro­ benflüssigkeit zu- und wieder abgeführt werden kann, wobei dies auch intermittierend oder kontinuierlich geschehen kann.

Fig. 5 zeigt verschiedene Ausführungsformen von auswechselba­ ren Membranköpfen 8, 9, die auf das freie Ende des Querschen­ kels der L-förmigen Anodenkammer 4 bzw. Kathodenkammer aufge­ steckt werden können. Die Anodenkammer 4 bzw. die Kathodenkammer stellt dabei im einfachsten Fall ein im Querschnitt rundes oder viereckige L-förmiges Rohr dar. Natürlich muß dafür Sorge getragen werden, daß der Membrankopf 8 mit der Anodenkammer 4 mit Hilfe einer oder mehrerer Dichtungen 22 flüssigkeitsdicht abgedichtet ist, damit die in der Anodenkammer 4 befindliche Flüssigkeit nicht austreten kann. Durch die verschiedenen in der Fig. 5 gezeigten Formen und Größen der Membranköpfe 8, 9 bzw. der Membranen 6, 7 kann die Vorrichtung für unterschiedlich große Probenvolumina eingesetzt und an die Bedürfnisse angepaßt werden. Die Membranköpfe 8, 9 sind dabei im einfachsten Fall muffenartig auf die entsprechenden Kammern aufschiebbar.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Trennung unterschiedlich geladener Teil­ chen im elektrischen Feld, insbesondere Elektrodialyse- Vorrichtung, mit einer eine Anode (2) aufweisenden Anodenkammer (4) und einer eine Kathode (3) aufweisenden Kathodenkammer (5), wobei die Anodenkammer (4) und die Kathodenkammer (5) jeweils durch eine Membran (6; 7) von dem Bereich, in dem sich die Probenflüssigkeit (10) be­ findet, abgetrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (6; 7) in einander stirnseitig gegen­ überliegenden Membranköpfen (8; 9) der Kammern (4; 5) ange­ ordnet sind, und daß die Fläche und der Abstand der einander gegenüberlie­ genden Membranköpfe (8; 9) so gewählt werden, daß die Probenflüssigkeit (10) freischwebend gehalten wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern (4; 5) als Stäbe ausgebildet sind und eine der Stirnseiten der Stäbe den Membrankopf (8; 9) dar­ stellt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (1) eine dünne Zuführungsleitung (15) und eine dünne Abführungsleitung (16) für die Proben­ flüssigkeit (10) aufweist, deren Spitzen jeweils im Be­ reich zwischen den Membranköpfen (8; 9) der Kammern (4; 5) münden.

4. Vorrichtung nach Anspruchs 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungsleitung (15) und die Abführungsleitung (16) ein Mikro- oder Nanoinjektor sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (6) der Anodenkammer (4) ionenselektiv, insbesondere anionenselektiv, und die Membran (7) der Ka­ thodenkammer (5) ionenselektiv, insbesondere kationen­ selektiv, ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenkammer (4) und die Kathodenkammer (5) je­ weils mit einer Zuleitung (11; 13) und einer Ableitung (12; 14) ausgestattet sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Membranköpfe (8; 9) voneinander verän­ derbar und die Membranköpfe (8; 9) im gewünschten Abstand fixierbar sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranköpfe auswechselbare Membranhalter (8; 9) darstellen, die auf die stirnseitigen Enden der Kammern (4; 5) aufgesetzt und dort gehaltert werden können.

9. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Abtrennung von Salzen und/oder anderen ionischen Komponenten von niedermolekularen Nichtelektrolyten mit einer Molmasse kleiner ca. 5000.

10. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man als Nichtelektrolyte geladene und/oder ungeladene Peptide oder Proteine, geladene und/oder ungeladene Oli­ gosaccharide und/oder Oligonucleotide einsetzt.