DE2324879C3

DE2324879C3 - Analytische Zelle fur den Rotor einer Ultrazentrifuge

Info

Publication number: DE2324879C3
Application number: DE2324879A
Authority: DE
Inventors: Volker Prof. Dr. 3400 Goettingen Neuhoff; Egon Dipl.-Chem. 3361 Riefensbeek Roedel
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV; Heraeus Christ GmbH
Current assignee: Heraeus Sepatech GmbH; Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1973-05-17
Filing date: 1973-05-17
Publication date: 1980-02-28
Also published as: DE2324879A1; DE2324879B2; US3937581A

Description

Die Erfindung betrifft eine analytische Zelle für den Rotor einer Ultrazentrifuge, die in einem Zellengehäuse ein Mittelstück enthält, das die zu analysierende Probe aufnimmt und einen in Achsrichtung durchgehenden, sich in radialer Richtung erstreckenden Spalt aufweist

Derartige Zellen sind z. B. aus der kanadischen Patentschrift 7 71 511 bekannt. Die bekannten Zellen

'5 werden bei mit etwa 60 000 und mehr U/min umlaufenden Rotoren von Ultrazentrifugen eingesetzt Sie müssen flüssigkeitsdicht sein und bei den durch die hohe Umlaufgeschwindigkeit bedingten enormen Zentrifugalkräften formbeständig sein. Ihr Aufbau ist

ίο deshalb aufwendig.

Normalerweise haben derartige Zellen einen sektorförmigen Hohlraum mit einem Volumen von ca. 1 ml. Zur Untersuchung einer z. B. 0,l°/oigen flüssigen Lösung ist daher eine Substanzmenge von ca. 1 mg erforderlich.

Diese verhältnismäßig geringe Menge ist allerdings für einige Bereiche der Biochemie noch wesentlich zu groß. Zum Beispiel liegen für neurochemische Untersuchungen Substanzmengen von 10~⁵g und weniger vor. Derart geringe Substanzmengen wurden bereits unter Verwendung dünner Glaskapiliaren in geeigneten Rotoren durch präparative Zentrifugation untersucht (vgl. GIT - Fachzeitschrift für das Laboratorium, 13. Jg., Heft 2, Febiuar 1969, Seite 86/87).

Die präparative Zentrifugation von Substanzproben erlaubt allerdings nur eine Konzentrations- und damit Substanzmengenerfassung.

In der US-PS 30 09 388 ist eine Zentrifuge zur Hämatokritbestimmung beschrieben, bei der ebenfalls radial ausgerichtete, einseitig geschlossene Kapillaren verwandt werden, die von einer Lichtquelle konvergent durchstrahlt sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine analytische Zelle für den Rotor einer Ultrazentrifuge zu schaffen, bei der die optische Untersuchung der Probe, insbesondere das Erfassen des Sedimentationskoeffizienten, mit geringstem Probevolumen durchgeführt werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 oder 2 aufgeführten Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die erfindungsgemäße analytische Zelle hat sich im Einsatz bei Gleichgewichtsläufen mit Ultrazentrifugen gut bewährt, ohne daß Glasbruch der Kapillare eintrat. Dies wird bei der Lösung gemäß Anspruch 1 dadurch erreicht, daß der Zelleninnenraum mit einer Flüssigkeit von gleicher Dichte wie die Probe angefüllt ist.

Dadurch, daß der Brechungsindex dieser Flüssigkeit mit demjenigen des Kapillarenmaterials übereinstimmt, sind Störeinflüsse bei der optischen Auswertung

so ausgeschlossen. Beide Vorteile sind auch gewahrt, wenn das Mittelstück der Zelle aus einer Quarzscheibe besteht. Streulichteinflüsse werden durch Blenden vermieden.

Wesentlich ist, daß das für eine analytische Untersuchung in der erfindungsgemäßen Zelle erforderliche Probevolumen etwa um den Faktor 10 -³ geringer ist.

Die Grenze des Auflösungsvermögens einer für Absorptionsmessungen optimal ausgerüsteten analytischen Ultrazentrifuge liegt bei Verwendung einer üblichen analytischen Monosektorzelle von 12 mm Schichtdicke (d\) und einem Volumen (Vi) von ca. 1 cm³ ζ B. bei Bandensedimentation von Nucleinsäuren im CsCI-Gradienten bei einer Konzentration (Q) der Größenordnung von 5 · 10-³ppm = 5 · 10-⁹g · cm-³.

Für eine Kapillare mit dem Innendurchmesser (ch) von ca. 0,2 mm errechnet sich entsprechend dieser Schichtdicke nach dem Gesetz von Lambert-Beer zur Erreichung desselben Extinktionswertes Edie zugehöri-

ge Konzentration wie folgt:

E = F-(I₁-C₁ = s-d₂-c₂

C₂ = C₁ —i-

Aus den obengenannten Werten ergibt sich:

C₂ = S-IO-.-^-
= 3-HT⁷ gern"³.

Das Füllvolumen (K₂) einer Mikrokapillare von 10 mm Länge und einem Innendurchmesser von 0,2 mm beträgt:

r ■ π ■ h = 0,01 ■ 3,14 · 10 = 0,3 · 10"³ cm³

Die Substanzmenge (/?i₂) in der Kapillare beträgt:
„ _ '»2

10

15

20

25

m₂ = c₂ · V₂ --= 3 · 10"⁷ · 0,3 · 10"³ = 1 · 10-^log

Das ist unter der obengenannten Voraussetzung die absolute Nachweisgrenze, die natürlich vom Wert dss Extinktionskoeffizienten der Probesubstanz beeinflußt wird.

Im Vergleich mit einer üblichen analytischen Zelle von 12 mm Schichtdicke, bei welcher der Wert für die Grenze des Auflösungsvermögens 5 · 10~⁹ beträgt, ist somit durch Anwendung der Kapillartechnik eine Verbesserung von

40

das heißt, um den Faktor 50, zu erwarten.

Ein weiterer erheblicher Vorteil gegenüber den üblichen analytischen Zellen liegt darin, daß die zu untersuchende Probe vom Beginn der Untersuchung bis zum Ende in einem geschlossenen Gefäß, der Kapillare, verbleibt. Dadurch werden Substanzverluste, die regelmäßig bei dem sonst üblichen und erforderlichen Umfüllen der Probe auftreten, mit Sicherheit vermieden, denn das in sich geschlossene, probengefüllte Kapillarröhrchen wird in die Analysenzelle eingesetzt Dieser Vorzug kommt insbesondere dann zum Tragen, wenn radioaktiv markiert bzw. infektiöse Proben, wie z. B. infizierte Blutseren oder hochinfektiöse Viruskulturen, analysiert werden sollen. In solchen Fällen kann es bei der üblichen Analysentechnik sehr leicht zur Kontamination des gesamten Analysensystems kommen. Ein dann unter Umständen erforderliches Verwerfen der analytischen /eile ist sehr kostspielig, ebenso wie deren DekoiUamina'iCn, während hingegen eine Kapillare billig ist. Dei' gleiche Vorzug gilt immer dann, wenn besonders kAslbare Substanzen, deren Herstellung unter UmstäAd<in viele tausend Mark kostet und mit einem hohen Arbeitsaufwand verbunden ist, analysiert werden sollen. In solchen Fällen kommt zudem auch das geringe Probenvolumen von ca. 1 μ 1, das für eine analytische Zentrifugation erforderlich ist, als weiterer Vorteil hinzu.

Das geschlossene Kapillargefäß besitzt den weiteren Vorzug, daß auch noch nacli der analytischen Zentrifugation die unbeschädigte Kapillare der Zelle entnommen werden kann und die darin enthaltene Probe direkt weiteren verschiedenen anderen analytischen Methoden unterworfen oder aber vollständig verlustfrei mit Hilfe einer Kapillarpipette entnommen werden kann.

Es war an sich bekannt (siehe z. B. die US-PS 30 99 388), bei der optischen Untersuchung von Blutproben, wie der Hämatokritbestimmung, verwendete Kapillaren zuzuschmelzen.

Ferner war es bekannt (siehe DE-AS 15 98315), optische Untersuchungen von Proben in einer für analytische Zwecke umgebauten präparativen Ultrazentrifuge vorzunehmen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und anhand nachfolgender Beschreibung erläutert

Es zeigt

F i g. 1 den Rotor einer Ultrazentrifuge mit eingesetzter analytischer Zelle,

F i g. 2 den Aufbau einer analytischen Zelle, wie in den Rotor gemäß F i g. 1 einsetzbar,

Fig.3a eine Ausführungsform der Erfindung in Draufsicht,

F i g. 3b eine Zelle gemäß F i g. 3a in Ansicht

F i g. 3c eine Zelle gemäß F i g. 3a im Schnitt

Fig. 4a ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel (Längsschnitt),

F i g. 4b eine Zelle gemäß F i g. 4a in Draufsicht

F i g. 5a ein weiteres Ausführungsbeispiel der Zelle in Draufsicht,

F i g. 5b die Zelle gemäß F i g. 5a im Vertikalschnitt

F i g. 5c die Zelle gemäß F i g. 5a abgewandelt

F i g. 6a ein Ausführungsbeispiel einer Fensterfassung in Draufsicht,

F i g. 6b eine Fensterfassung gemäß F i g. 6a in Ansicht

Wie der F i g. 1 zu entnehmen ist, wird die analytische Zelle 1 in den Rotor 2 einer analytischen Ultrazentrifuge eingesetzt und die Probe durch Zentrifugieren bei 60 000 U/min und mehr qualitativ untersucht durch optische Auswertung der Sedimentation, wobei eine solche Untersuchung sich über mehrere Stunden erstrecken kann. Die Einrichtung zur optischen Auswertung besteht vorteilhafterweise aus einer Lichtquelle 3, einer Kollimatorlinse 4, wenigstens einem Filter 5, wenigstens einem Fenster 6 und wenigstens einem Spiegel 7 als Reflektor. Zur Erfassung des Sedimentationskoeffizienten wird die Lichtabsorption der Probe in einer Kamera 8 mit Objektiv 9 fotografisch erfaßt, oder sie wird elektronisch registriert und ausgewertet

Versuche mit der Sedimentation von etwa 1 mm³ l%iger Hämoglobinlösung in der erfindungsgemäßen analytischen Zelle verliefen sehr erfolgreich. Die absolute Menge der Probensubstanz betrug nur 10~⁵ g. Die optische Auswertung erfolgte unter Verwendung monochromatischer Interferenzfilter bei einer Wellenlänge des Lichts von 407 nm. Bei diesen Versuchen mit der erfindungsgemäßen analytischen Zelle wurde die Methode beweglicher Trennschichten angewandt Bei Anwendung der Methode der sogenannten »Banden-Überschichtungstechnik«, bei der die Substanz in schmalen Zonen konzentriert ist, lassen sich noch wesentlich geringere Mengen an Probesubstanzen als 10-⁵ g durch optische Auswertung bei der Zentrifugation analysieren. Die in den erfindungsgemäßen

IO

20

analytischen Zellen verwendete Kapillare ist für die Konzentration der Probesubstanz nach der »BandenüberscHchtungstechnik« bestens geeignet, und die in der Kapillare enthaltene Probesubstanz bleibt darin gesammelt und kann nach der Zentrifngation ohne weiteres für andere Untersuchungen weiterverwendet werden. Zum Herausziehen oder Einbringen der Kapillare in die erfindungsgemäße analytische Zelle sind einfache Werkzeuge anwendbar, wie insbesondere durch die Art der Halterung der Kapillare in den nachstehenden Ausführungsbeispielen deutlich wird.

Wie aus F i g. 2 ersichtlich ist, besteht die analytische Zelle aus einem Zellengehäuse 10, Fensterfassungen 11, Fenstern 12, Einlagen Ϊ3 und Beilagen 14. Das Herzstück der analytischen Zelle ist das Mittelstück 15. Die erwähnten Teile der analytischen Zelle werden in das Zellengehäuse 10 eingesetzt und mittels eines Gewinderinges 19 im Zellengehäuse fest verschraubt. Das Mittelstück 15 besteht aus Metall, wie Aluminium oder Titan, oder aus Kunststoff, wie z. B. Epoxidharz.

In das Mittelstück 15 wird, wie aus Fig.3 und 4 ersichtlich, eine Kapillare 20 eingebracht. Die Halterung der an einem Ende 21 geschlossenen und am anderen Ende 22 offenen Kapillare 20 geschieht z. B. durch Ausnehmungen 23 in Form eines Sackloches. Die Lage der Ausnehmungen 23 ist so gewählt, daß die Achse der gebohrten Ausnehmungen 23 mit der Längsachse des sektorförmigen Spaltes 24 (oder eines besonderen Spaltes 26), gesehen in Richtung auf die Stirnseite des Mittelstücks, zusammenfällt. Zur besseren Einbringung der Kapillare ist die Ausnehmung 23 an einem Ende 25 im Durchmesser erweitert. Wie ersichtlich, handelt es sich bei dem abgebildeten Mittelstück um ein Monosektor-Mittelstück. Das Mittelstück stellt zusammen mit den beiden Deckfenstern, vorzugsweise aus Quarzglas, eine Art Küvette dar, welche sich im optischen Strahlengang gemäß F i g. 1 befindet.

In F i g. 4 ist alternativ auch eine andere Form einer Ausnehmung für die Kapillare gestrichelt dargestellt Das Mittelstück 15 kann danach auch eine Ausnehmung 23' in Form eines Schlitzes aufweisen, der sich an den beiden Kopfenden des sektorförmigen Spaltes 24 befindet Die Ausnehmung 23' in Schlitzform ist, in Richtung auf die Stirnseite des Mittelstücks gesehen, gleichfalls in der Längsachse des Spaltes angeordnet. Sie erstreckt sich etwa bis zur halben Dicke des Mittelstücks. Die Kapillare 20 wird von einer Stirnseite des Mittelstücks eingebracht

Der Spalt 26 des Mittelstücks 15' gemäß F i g. 3 ist in der Draufsicht rechteckig und in seiner Breite an der Oberfläche des Mittelstücks gleich oder größer als der Durchmesser der Kapillare 20. Der Spalt 26 verengt sich von beiden Stirnseiten des Mittelstücks zur Bildung eines doppelt V-förmig ausgebildeten Blendenschlitzes. Hierdurch ist eine konvergente Durchstrahlung der Kapillare 20 möglich und damit eine bessere Ausnutzung der Energie der Lichtquelle.

Gemäß F i g. 4a, b kann eine Schlitzblende 30 auch an einem zylindrischen, napfförmigen Einsatzteil 31 aus Metall oder Kunststoff ausgebildet sein, das axial in eine Sackbohrung des Mittelstücks, bis nahe an die Kapillare 20 heran, eingesetzt ist

Die F i g. 5a bis 5c zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen analytischen Kapillarzelle. Sie besteht aus einer planparallel geschliffenen Quarzglasscheibe 33, in die eine kapillarförmige Bohrung 34 mit rundem Querschnitt 35 oder mit eckigem Querschnitt 36 eingearbeitet ist. Die Quarzscheibe kann zur Erhöhung der Stabilität und Erreichung geeigneter Paßmaße in einen zylindrischen Mantel 37 aus einem Material wie Metall oder Kunststoff eingelassen sein, der zugleich den Verschluß 41 enthält, bestehend aus einer Gewindeschraube mit Vakuumdichtung.

Diese Ausführungsform weist gegenüber den vorstehend beschriebenen noch den Vorteil auf, daß die Einbettung in eine Flüssigkeit gleicher Dichte und gleichen Brechungsindexes entfällt, die erforderlichen Streulichtblenden 38, 39 sind unter Bildung eines Schlitzes 40 direkt auf der Quarzglasscheibe aufgebracht, z. B. als aufgedampfter Oberflächenbelag, und nicht zuletzt können die übrigen Bauteile der analytischen Zelle entsprechend Fig.2 teilweise oder ganz entfallen. Damit ergibt sich eine wesentlich geringere Bauhöhe als bei bekannten Mitt.-lstücken. Die gesamte Zelle kann z. B. nur noch ein Drittel bis ein Viertel der Höhe dieser Zellen aufweisen.

Wegen der geringeren Bauhöhe dieser Mittelstücke bzw. der ganzen analytischen Zelle können Scheibenrotoren höherer Festigkeit und damit höherer Drehzahl eingesetzt werden. Solche Rotoren weisen u. U. eine geringere Masse auf, wodurch eine bessere Beschleunigung des Rotors sowie eine Verringerung der erforderlichen Antriebsleistung und des baulichen Aufwandes möglich wird.

In Fig.6a und 6b ist die Fassung eines Fensters 12 dargestellt, welches dem Mittelstück in einer erfindungsgemäßen analytischen Zelle benachbart ist und beim Zusammenbau der Zelle dicht an diesem anliegt. Das Fenster 12 ist dabei in einer Fassung 11 eingefaßt unter Zwischenlage der Beilage 14 und der Einalge 13. Die Fassung 11 ist so gestaltet, daß sie zwei etwa halbkreisförmige Blenden 27 und 28 bildet, zwischen denen ein Schlitz 29 entsteht, dessen Breite etwa dem Durchmesser der Kapillare 20 entspricht

Während die Zellen gemäß den Fig.5a bis c ohne weitere Zubehörteile in den analytischen Rotor einsetzbar sind, sind die Mittelstücke nach den F i g. 3a

""°^r -" "gc^r

In ein solches Mittelstück 15 wird die Kapillare bei Sacklochform der Ausnehmung 23 radial mit einem Hilfswerkzeug, wie Zange, in diese eingeführt Nach dem Einsetzen in die Zelle wird diese durch eine Dichtung und eine Schraube verschlossen. Die Mittelstücke gemäß den F i g. 3 und 4 werden im eingebauten Zustand mit einer Flüssigkeit gleicher Dichte wie die Probe und angenähert gleichem Brechungsindex wie das Kapillarenmaterial (Quarzglas) befüllt

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Analytische Zelle für den Rotor einer Ultrazentrifuge, die in einem Zellengehäuse ein Mittelstück enthält, das die zu analysierende Probe aufnimmt und einen in Achsrichtung durchgehenden, sich in radialer Richtung erstreckenden Spalt aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittelstück (15,15') mit Ausnehmungen (23) zur Aufnahme einer Glaskapillare (20) für die zu analysierende Probenflüssigkeit mit einem Fassungsvermögen in der Größenordnung von bis etwa 1 mm³ versehen ist, daß die Ausnehmungen sich radial in Längsrichtung des Spalts (24, 26) erstrekken, daß der Kapillare eine radial verlaufende Schlitzblende (26; 27 bis 29; 30, 31) mit einer Schiitzbreite kleiner oder gleich dem Innendurchmesser der Kapillare axial unmittelbar vorgeschaltet ist, daß die Ausnehmungen (23, 23') sowie der sonstige Innenraum des Mittelstücks von einer Flüssigkeit gleicher Dichte wie die Probenflüssigkeit in der Kapillare ausgefüllt ist, daß auch der Brechungsindex des Kapillarenmaterials angenähert gleich dem der Flüssigkeit gewählt ist, und daß Mittel vorgesehen sind, um die Kapillare von der Lichtquelle konvergent zu durchstrahlen.

2. Analytische Zelle für den Rotor einer Ultrazentrifuge, die in einem Zellengehäuse ein Mitteistück enthält, das die zu analysierende Probe aufnimmt und einen in Achsrichtung durchgehenden, sich in radialer Richtung erstreckenden Spalt aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittelstück (33) aus einer massiven, pianparallel geschliffenen Quarzglasscheibe besteht und eine radial ausgerichtete verschließbare Kapillarbohrung (34) für die zu analysierende Probenflüssigkeit mit einem Fassungsvermögen in der Größenordnung von bis etwa 1 mm³ aufweist, daß die Stirnflächen des Mittelstücks mit radial verlaufenden Schutzblenden (38 bis 40) mit einer Schlitzbreite kleiner oder gleich dem Durchmesser der Kapillarbohrung versehen sind, und daß Mittel vorgesehen sind, um die Kapillarbohrung von der Lichtquelle konvergent zu durchstrahlen.

3. Analytische Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine oder beide Stirnflächen der Quarzscheibe (33) Blenden (38, 39) aufgedampft sind, die zwischen sich einen Blendenschlitz (40) freilassen, der in seiner Breite kleiner oder gleich dem Durchmesser der Kapillarbohrung (34) ist.

4. Analytische Zelle nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Quarzglasscheibe (33) in einen zylindrischen Mantel (37) aus Metall oder Kunststoff eingebettet ist, der an der Seite der Öffnung der Kapillarbohrung (34) einen Verschluß (41) enthält.

5. Analytische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein einen Blendenschlitz (30) enthaltendes zylindrisches napfförmiges Teil (31) zusätzlich in das Mittelstück (15) eingesetzt ist.