DE19711898A1

DE19711898A1 - Verfahren und Vorrichtung zur trägerfreien Ablenkungs-Elektrophorese im Intervall-Betrieb

Info

Publication number: DE19711898A1
Application number: DE19711898A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr Weber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-03-21
Filing date: 1997-03-21
Publication date: 1998-09-24
Also published as: EP0968417B1; JP4137186B2; JP2001518191A; EP0968417A1; US6328868B1; DE59812413D1; WO1998043077A1

Description

Die trägerfreie Ablenkungselektrophorese wurde bisher ausschließlich in einem kontinuierlichen Prozeßablauf eingesetzt. Tatsächlich arbeitet dieses Verfahren im kontinuierlichem Betrieb mit hervorragenden Ergebnissen, wenn der negative Einfluß des laminaren Flußprofils auf die Bandbreite der zu trennenden Substanzen minimiert werden kann oder gar nicht wirksam wird. Dies gilt insbesondere für den Prozeß der kontinuierlichen isoelektrischen Fokussierung.

In allen Elektromigrationsverfahren der Ablenkungselektrophorese bewirkt die Bandenverbreiterung durch das laminare Flußprofil des oder der Trennmedien eine gravierende Verschlechterung der Trennleistung. Zur Verbesserung der Trennleistung wird vorgeschlagen alle Elektromigrationsverfahren in einem Intervall-Modus zu betreiben.

Die zu trennende Probe wird bei abgeschaltetem elektrischen Feld in den Trennraum eingeführt. Die Förderung der Probe und der Trennmedien wird gestoppt und nachfolgend das elektrische Feld angeschaltet, d. h. die elektrophoretische Trennung wird im ruhenden und nicht in einem strömenden Medium durchgeführt. Nach beendeter Trennung wird das elektrische Feld abgeschaltet und die getrennten Bestandteile werden mit den Trennmedien aus dem Trennraum in die Auffangefäße transportiert. Bei dieser Prozeßführung wird die Trennung bei ruhenden Medien durchgeführt und folglich ist eine Verschlechterung der Trennprofils durch das laminare Flußprofil ausgeschlossen.

Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur trägerfreien Ablenkungselektrophorese nach dem Oberbegriff des Patentanspruches

Die Grundlagen der trägerfreien Ablenkungselektrophorese in kontinuierlichem Prozeßablauf wurden bereits vor mehr als 30 Jahren in der Literatur beschrieben, u. a. auch im Jahrbuch 1968 der Max-Planck-Gesellschaft S. 117-137. Dieser Prozeß wird auch in der Literatur unter dem Begriff FFE (Free Flow Elektrophorese) oder CFE (continuous flow electrophoresis) beschrieben [1, 2, 3]. FFE-Trennverfahren dienen zur Trennung von Ionen beliebigen Molekulargewichts bis hin zu Biopartikeln, dabei ist es unerheblich, ob die zu trennende Probe selbst geladen ist oder die Ladung durch Anlagerung oder Sorption von Ionen entstand.

Dieses Verfahren wird sowohl für präparative wie auch analytische Trennungen eingesetzt.

Das Verfahren der kontinuierlichen Ablenkungselektrophorese wurde vor einigen Jahren vom Anmelder in wesentlichen Aspekten verbessert und diese Verbesserungen wurden als Patent DE 41 39 472 C1 angemeldet. Die Größenordnung dieser Verbesserungen war bei den verschiedenen FFE-Trenntechniken unterschiedlich:
In allen FFE-Trenntechniken wurde eine deutliche Verbesserung der Langzeitstabilität der Trennung erreicht. Die Trennleistung wurde im Falle der kontinuierlichen isoelektrischen Fokussierung um den Faktor 10-50 verbessert, im Falle der Elektromigrationsverfahren wurde nur eine Verbesserung um den Faktor 2-4 erreicht und diese Verbesserung wurde ausschließlich durch die neuartige "totvolumenfreie" Fraktionierungsmittels des im Patent beschriebenen Counterflow erreicht. Der negative Einfluß des laminaren Flußprofils auf die Trennleistung der Elektromigrationsverfahren wurde durch die o.g. Verbesserungen nicht beeinflußt. Im folgenden wird ein Verfahren der kontinuierliche Ablenkungselektrophorese an Hand des "typischen" Elektromigrationsverfahrens, der Zonenelektrophorese, beschrieben.

In der Abb. 1 ist die Trennkammer mit der Bezugsziffer 1 schematisiert dargestellt. Am unteren Ende der Trennkammer (1) befinden sich mindestens drei Einlaßöffnungen (2, 3, 4), welche über drei Leitungen mit den Förderkanälen einer Multikanalpumpe (5) verbunden sind. Über die zentrale Einlaßöffnung (3) wird das Trennmedium, und über die beiden äußeren Einlässe (2, 4) werden die Stabilisierungsmedien in den Trennraum eingeführt.

Diese Medien strömen unter laminaren Flußbedingungen durch den Trennraum. Parallel zu den Seitenkanten der Trennkammer sind Elektroden (6, 7) angeordnet, die durch eine weitere Pumpe mit hoher Flußgeschwindigkeit im Kreislauf gespült werden. Membranen (8, 9), die den elektrischen Strom leiten, trennen die Elektrodenräume vom Trennraum und verhindern jeglichen Medienaustausch durch hydrodynamischen Fluß.

Wird nun ein Probengemisch mittels einer unabhängigen Dosierpumpe (10) und mit der optimalen Dosierrate in das strömende Trennmedium aufgegeben, so wird diese Probe als feiner feiner Strahl mit dem Trennmedium transportiert.

Wird an die Elektroden eine Hochspannung angelegt, so werden alle geladenen Bestandteile der Medien und der Probe aus der ursprünglichen Richtung ausgelenkt und diese Auslenkung ist umso größer, je mehr Ladungen diese ionischen Bestandteile besitzen.

Bestandteile unterschiedlicher Ladung wandern demnach auf getrennten Bahnen (siehe Abb. 1) durch den Trennraum und erreichen an unterschiedliche Orten eine quer zur Strömungsrichtung angeordnete Reihe von Schlauchöffnungen (11) und werden dann mit den Medien zu separaten Auffanggefäßen (12) geführt. Diese Reihe von Schlauchöffnungen mit einem geringst möglichen Abstand zwischen den Öffnungen wird als Fraktioniervorrichtung bezeichnet und die Anzahl dieser parallel angeordneten Schläuche liegt im Bereich von 30 bis max. 180.

Vom oberen Ende der Trennkammer strömt ein zusätzliches Medium (Counterflow Medium) in entgegengesetzter Richtung (13) zu den Trennmedien und verläßt den Trennraum ebenfalls über die Schlauchöffnungen der Fraktioniervorrichtung.

Eine gemäß der obigem Beschreibung konzipiertes Gerät erbringt Trennungen, die in allen Trenntechniken der kontinuierlichen Ablenkungselektrophorese eine hervorragende Langzeitstabilität der Trennprofile zeigen, aber die Qualität der Trennung (Auflösung) ist nur im Falle der kontinuierlichen isoelektrischen Fokussierung mit den Leistungen der analogen analytischen Trenntechnik vergleichbar.

In allen kontinuierlichen Elektromigrationsverfahren ist die Trennleistung verglichen mit den analogen analytischen Trenntechniken dagegen bescheiden.

In zahlreichen Veröffentlichungen [4, 5, 6] wurden die physikalischen bzw. elektrochemischen Effekte beschrieben, die zur sogenannten Bandenverbreiterung der Analyten während der Trennung in der kontinuierlichen Ablenkungselektrophorese beitragen.

Die wichtigsten dieser Effekte sind:
Verbreiterung durch das laminare Flußprofil
Verbreiterung durch Thermokonvektion
Verbreiterung durch Elektroosmose
Verbreiterung durch elektrokinetische Effekte

Der negative Einfluß aller bis dato beschriebenen elektrokinetischen Effekte kann minimiert bzw. ausgeschlossen werden, wenn Trennmedien mit den geeigneten ionischen Bestandteilen in genügend hoher Ionenstärke verwendet werden und gleichzeitig die Konzentration der Probe nicht überhöht wird.

Es existieren zahlreiche Möglichkeiten den negativen Einfluß der Elektroosmose zu minimieren, z. B. durch die Wahl eines geeigneten Wandmaterials (Kunststoffe anstatt Glas oder Quarz) oder am besten durch die Zugabe von oberflächenaktiven Chemikalien zu den Trennmedien, die die Elektroosmose unterbinden. Dieses Verfahren wird in der Literatur als "dynamisches Coating" bezeichnet
Der negative Einfluß der Thermokonvektion kann sehr einfach reduziert werden, indem eine horizontale Ausrichtung der Trennkammer anstatt einer vertikalen Ausrichtung gewählt wird.

Der negative Einfluß des laminaren Flußprofils ist im Falle der kontinuierlichen isoelektrischen Fokussierung nicht gegeben, solange eine genügend lange Trennzeit gewählt wurde, die auch die Fokussierung der Analyten erlaubt, die im Zentrum des Trennkammerspaltes mit der höchsten linearen Geschwindigkeit transportiert werden.

Im Falle der Elektromigrationsverfahren ist der negative Einfluß dagegen sehr bedeutend. Analyten, die in der Nahe oder in der Grenzfläche zu den Wänden der Trennkammer wandern, durchlaufen die Trennkammer in einer wesentlich längeren Zeit als Analyten im Zentrum des Trennkammerspaltes (siehe Abb. 2) und werden demnach deutlich weiter abgelenkt. Dieser Effekt führt zu einer Bandenverbreiterung, die als Tailing in Richtung der Elektromigration erkennbar wird. In den Abb. 3.1 wird dieser Effekt der Bandenverbreiterung dargestellt beispielhaft für je 2 niedermolekulare Analyte mit entgegengesetzter Ladung und in Abb. 3.2 beispielhaft für hochmolekulare Biopartikel dargestellt.

Bei einer kontinuierliche Prozeßführung eines Elektromigrationsverfahrens unter den Randbedingungen der trägerfreien Elektrophorese ist demnach der negative Einfluß des laminaren Flußprofils für niedermolekulare Analyten nicht zu verhindern. Der absolute Wert der Bandenverbreiterung steigt mit zunehmender Wanderstrecke der Analyten. Auch die Reduzierung der Diffusion durch Verwendung von Trennmedien erhöhter Viskosität ist nicht hilfreich, da dadurch das laminare Flußprofil noch ungünstiger wird (Abb. 2.2) Im Falle der Trennung von Biopartikeln kann eine mengenmäßig reduzierte Probenaufgabe in das Zentrum des Trennkammerspaltes eine Verbesserung der Auflösung erbringen, da wegen der extrem geringen Diffusion die Partikel während einer Verweilzeit von <10 Minuten nicht in den Bereich der Trennkammerwände gelangen können (siehe dazu Abb. 3.2). Diese Minimierung des Einflusses des laminaren Flußprofiles kann aber nur durch eine deutliche Reduzierung des Probendurchsatzes erreicht werden (Faktor 0.3-0.05).

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde unter Verwendung derselben Apparatur aber durch eine Veränderung des Prozeßablaufes den Einfluß des laminaren Flußprofils total auszuschalten.

Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Anstatt der bis dato ausschließlich durchgeführten kontinuierliche Prozeßführung (gleichzeitiger Medientransport und elektrophoretische Trennung) wird ein Prozeß vorgeschlagen, bei dem der Medientransport und die elektrophoretische in zeitlich getrennten Schritten nacheinander durchgeführt werden, d. h. die Trennmedien und die zu trennende Probe werden bei abgeschalteter Hochspannung mit relativ hoher Flußgeschwindigkeit in den Trennraum eingeführt. Der Transport der Medien wird gestoppt, sobald der Trennraum mit Probe gefüllt ist und nachfolgend wird die Hochspannung bei ruhenden Medien angeschaltet. Die elektrophoretische Trennung wird durch Abschalten der Hochspannung beendet und nachfolgend werden die Trennmedien mit den getrennten Bestandteilen der Probe aus dem Trennraum über die Fraktioniervorrichtung in die Auffangefäße transportiert und der Eintrag der Medien und der Probe kann dann wieder gestartet werden.

Der neue Prozeßablauf wird in den Abb. 4.2 bis 4.4 vergleichend mit dem kontinuierlichem Prozeß (Abb. 4.1) dargestellt. Die durch Diffusion des Analyten während der Trennung auftretende weitaus geringere Bandenverbreiterung wird in der Abb. 3.3 dargestellt Wir bezeichnen diese Prozeßführung als "Intervallbetrieb" in deutlicher Unterscheidung zur bisherigen kontinuierlichen Prozeßführung.

Als Beleg für die deutliche Verbesserung der Auflösung durch die Prozeßführung im Intervallbetrieb dient das Ergebnis der Trennung eines Gemisches von geladenen Farbstoffen nach dem Verfahren der Free Flow Zonenelektrophorese.

Der Vergleich wurde an derselben Apparatur und unter vergleichbaren elektrophoretischen Bedingungen durchgeführt (identisches Trennmedium, ähnliche elektrophoretische Wanderungsstrecke, ähnliche elektrophoretische Leistung).

Das beiliegende Photo (Abb. 5) zeigt im Vergleich die Verteilungsmuster der getrennten Analyten in den jeweiligen Sammelgefäßen (Kavitäten der Mikrotiterplatte) mit der neuartigen Prozeßführung im Intervallbetrieb und mit der bisherigen kontinuierlichen Prozeßführung. Im Falle des Intervallprozesses ist die Trennqualität für alle Analyten gleich gut und weitaus besser als im Vergleichsversuch des kontinuierlichen Prozesses.

Da im Intervallbetrieb eine wesentlich kürzere Trennzeit genügt um eine Trennqualität zu erreichen, wie diese bei einer kontinuierlichen Prozeßführung möglich wird, ist im Intervallbetrieb auch eine höhere Durchsatzkapazität zu erzielen.

Aus dem Vorgenannten geht hervor, daß das erfindungsgemäße Verfahren der Free Flow Elektrophorese im Intervallbetrieb sowohl entscheidende Vorteile bei der Trennleistung und oder bei der Durchsatzkapazität der zu trennenden Probe bietet.

Literatur

[1] K. Hannig: Die trägerfreie kontinuierliche Elektrophorese und ihre Anwendung. Z. Anal. Chem 181, 244 (1961)
[2] Roman, M.C. and Browu, P.R: Anal. Chem. Free Flow Electrophoresis. 66(N2), 86-94, (1994)
[3] Braun, R., Wagner, H. und Weber G.: Präparative Free Flow Elektrophorese-in leistungsfähiges Verfahren zur Trennung von Naturstoffen GIT für das Laboratorium 39, 317-322 (1995)
[4] J.A. Giannovario, R. Griffin, E.L. Gray: A mathematical model of free-flow electrophoresis. Journal of Chromatography, 153, 329-352 (1978)
[5] F.G. Boese: Contribution to a matheinatical theory of free flow electrophoresis. J. Chromat. 483, 145-170 (1988)
[6] K. Hannig and H.G. Heidrich: Free-flow Electrophoresis 1990 by GIT Verlag Darmstadt ISBN 3- 921956-88-9

Claims

1. Verfahren zur trägerfreien Ablenkungselektrophorese, bei welcher mindesten ein Trennmedium als Träger und ein zu untersuchendes Probenmedium mit hoher Zuflußrate eine Trennkammer von einem Einlaßende zu einem Auslaßende durchströmen, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrag der Medien und der Probe in den Trennraum erfolgt, wenn keine Spannung an den Elektroden anliegt, nachfolgend der Eintrag der Medien gestoppt wird und die elektrophoretische Trennung durch ein mittels Elektroden erzeugtes elektrisches Feld bei ruhenden Medien und ruhender Probe durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch dadurch gekennzeichnet, daß der elektrophoretische Trennprozeß beendet wird, sobald mittels einer externen Detektionsvorrichtung erkannt wird, daß ein Probenbestandteil oder eine Marker substanz eine bestimmte räumliche Position in der Trennkammer erreicht hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die getrennten Probenbestandteile bei abgeschaltetem elektrischen Feld mit hoher Flußrate über die Fraktioniervorrichtung in die getrennten Probenbehälter transportiert werden.