DE2808344C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 3.

Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind aus der US-PS 3 470 080 bekannt, wobei die abgetrennte molekulare Species in eine Flüssigkeit geleitet wird, welche dann insgesamt entfernt wird. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß die molekulare Species bei Entnahme nur in verdünnter Form vorliegt.

Ferner ist es aus der US-PS 3 932 263 bekannt, zwei getrennte Pufferzellen zu verwenden, wobei Elektroden mit den in den Pufferzellen befindlichen Pufferlösungen in Berührung stehen. Diese Elektroden dienen zur Elektrophorese in einem gleichförmigen Gel zwischen den Pufferzellen, wobei die im Gel abgetrennte molekulare Species in der Pufferlösung verdünnt wird oder im Gel zurückbleibt. Ebenso wird die molekulare Species durch Verfahren verdünnt, bei welchen das abgetrennte Material durch Aufschneiden oder Zermahlen des Gels entnommen wird.

Demgegenüber ist es in vielen Fällen wünschenswert, eine molekulare Species aus einer Probe zu konzentrieren. Daher ist es Aufgabe der Erfindung, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art eine molekulare Species einer Probe aus einem großen Volumen unerwünschten Materials in einem kontinuierlichen Flußprozeß zu trennen und zu konzentrieren.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Mit der Erfindung wird demnach eine molekulare Species, die in verdünnter Form vorliegt, auf einer Membran konzentriert, von der sie leicht entfernt werden kann.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Unteranspruch 2 gekennzeichnet.

Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß mit ihr das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 3 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 4 bis 11 gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Probenkonzentrators;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Ausführungsform nach Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 2;

Fig. 4 eine Seitenansicht einer Probenkonzentrationszelle, die in den Probenkonzentrator von Fig. 1 verwendet wird;

Fig. 5 eine Ansicht der in Fig. 4 gezeigten Probenkonzentrationszelle von unten;

Fig. 6 eine Draufsicht auf die Probenkonzentrationszelle von Fig. 4;

Fig. 7 eine Draufsicht auf eine weitere Probenkonzentrationszelle, die in dem Probenkonzentrator von Fig. 1 Verwendung finden kann;

Fig. 8 eine Seitenansicht der Probenkonzentrationszelle nach Fig. 7;

Fig. 9 eine Rückansicht der Probenkonzentrationszelle nach Fig. 7;

Fig. 10 eine Vorderansicht der Probenkonzentrationszelle nach Fig. 7;

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht eines zylindrischen Einsatzes zur Verringerung des Volumens, der in den Ausführungen nach den Fig. 4, 5 und 6 nützlich ist;

Fig. 12 eine perspektivische Ansicht eines parallelepipedförmigen Einsatzes zur Volumenverminderung, das in Zusammenhang mit den Ausführungen nach den Fig. 7, 8, 9 und 10 nützlich ist;

Fig. 13 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführung der Probenkonzentrationszelle; und

Fig. 14 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer weiteren Ausführung eines Teils des Probenkonzentrators.

In den Fig. 1 und 2 ist eine erste Ausführungsform eines Probenkonzentrators 10 mit einer Probenkonzentrationszelle 12 und einer Elektrophoreseeinrichtung 14 dargestellt, wobei die Elektrophoreseeinrichtung 14 eine Elektrophoresezelle 16 und eine elektrische Stromversorgung 18 aufweist. Die Probenkonzentrationszelle 12 ruht in der Elektrophoresezelle 16, wobei die Bodenseite in Berührung mit der Zelle 16 steht, und die elektrische Stromversorgung 18 mit der Probenkonzentrationszelle 12 über die elektrophoretische Zelle 16 elektrisch verbunden ist.

Um ein elektrisches Potential an der Elektrophoresezelle 16 vorzusehen, besitzt die elektrische Stromversorgung 18 der elektrophoretischen Einrichtung 14 eine erste und eine zweite Elektrode 20 und 22, die in die Elektrophoresezelle 16 eingeführt werden können, wobei die Elektrode 20 mit dem positiven Anschluß der Gleichspannungsversorgung 18 und die Elektrode 22 mit dem negativen Anschluß durch elektrische Leitungen verbunden wird. Die Stromversorgung 18 und die Elektroden 20 und 22 können jeder für die Elektrophorese geeignete Typ sein, die erhältlich sind und üblicherweise Spannungen bis etwa 2000 V Gleichspannung liefern.

Um die elektrische Spannung an der Probenkonzentrationszelle 12 in der Ausführungsform nach Fig. 1 anzulegen, enthält die Elektrophoresezelle 16 Kunststoffwandabschnitte, die zwei Pufferabteile 26 und 28 bilden, die mit Wasserschlangen 33 gekühlt werden, wobei die Abteile 26 und 28 voneinander durch eine vertikale, längliche Trennwand 30 getrennt sind, die sich längs der Pufferabteile 26 und 28 innerhalb der vier einschließenden Seitenwände 32 und des Bodens 34 der Elektrophoresezelle 16 erstreckt. Die Wände 30 und 32 und der Boden 34 der Elektrophoresezelle 16 sind aus einem beliebigen Kunststoff, der für die Aufbewahrung einer Pufferlösung geeignet ist, wie beispielsweise Polycarbonat.

Die Trennwand 30 kann zu Kühlzwecken hohl sein und ist in ihrer Breite so dimensioniert, daß die Probenkonzentrationszelle 12 fest aufgenommen wird.

In einer später beschriebenen weiteren Ausführung sind zwei äußere Abteile zwischen den Wänden 32 und der Trennwand 30 in den Abteilen 26 und 28 durch zwei semipermeable Membrane gebildet, die sich entlang der Länge der Pufferabteile 26 und 28 parallel zu der Trennwand 30 erstrecken, wobei eine Membran zwischen der Trennwand 30 und dem einen Seitenwandabschnitt und die andere Membran zwischen der Trennwand 30 und einem gegenüberliegenden Seitenwandabschnitt angeordnet ist. Die äußeren Pufferabteile enthalten eine Pufferlösung mit einer höheren Konzentration als die Pufferlösung in den inneren Abteilen. Jede der Elektroden 20 und 22 hat elektrischen Kontakt mit der Pufferlösung in jeweils einem anderen äußeren Pufferabteil.

Wie am besten aus den Fig. 2 und 3 zu entnehmen ist, ist in der Trennwand 30 eine Kammer mit einem Rohrsystem 31 ausgebildet, das sich durch die Wände 32 erstreckt und mit einer Kühlmittelquelle verbunden werden kann, um das obere Ende der Trennwand 30 und der darauf ruhenden Konzentrationszelle 12 zu kühlen.

Während besondere, getrennte elektrophoretische und Probenkonzentrationszellen 12 in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind, sind auch andere Aufbauten der Probenkonzentration möglich, beispielsweise solche, die eine einstückig gebildete Probenkonzentrations- und Elektrophoresezelle aufweisen. Auf jeden Fall sollte die Elektrophoresezelle Elektroden oder einen Aufbau zur Aufnahme von Elektroden, die eine Spannung über einem Abschnitt der Probenkonzentrationszellen erzeugen, und vorteilhafterweise Abteile für eine Pufferlösung besitzen, die zur Schaffung eines Ionenflusses in dem durch die elektrische Spannung hervorgerufenen Feld nützlich ist.

In Fig. 4 ist eine Ausführung einer Probenkonzentrationszelle 12 mit einer äußeren, vertikalen, zylindrischen Wand 36 und einer Bodenwand 38 dargestellt, die ein Abteil 37 (Fig. 4 und 6) zur Aufnahme von Fluiden bilden.

Wie in Fig. 4 dargestellt, besitzt der Boden 38 eine Nut 40 mit einer Breite, die das gleiche Maß wie die Breite der Trennwand 30 hat, so daß die Probenkonzentrationszelle 12 auf der Trennwand 30 (Fig. 2) ruht, wobei die Oberkante der Wand 30 in die Rille 40 paßt, um jede Probenzelle an Ort und Stelle zu halten und geeignet auszurichten.

Zwei Seitenschenkel 41 A und 41 B ragen von den Wänden der Nut 40 in der Nähe ihres Bodens und im Abstand von der Oberwand der Nut 40 herab, um die Pufferlösung daran zu hindern, sich die Trennwand 30 hinauf zu bewegen, um elektrisch die beiden Pufferabteile 26 und 28 kurzzuschließen. Die Vorsprünge sorgen für einen Abstand der Wände der Nut 40 von den Seiten der Trennwand 30, um eine Kapillarwirkung zu verhindern. Natürlich können auch Vorsprünge an der Wand 30 oder Kanäle oder andere Anordnungen für diesen Zweck genauso verwendet werden.

Obwohl nur eine Zelle 12 in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, die auf der Trennwand 30 ruht, liegt es nahe, daß auch eine Anzahl derartiger Zellen auf der Wand ruhen kann, wobei Abschnitte der Zellen sich zu jeder Seite der Wand erstrecken, wo sie in engem Kontakt mit der Pufferlösung in den Pufferabteilen 26 und 28 stehen. Die Trennwand 30 ist für diesen Zweck vorteilhafterweise niedriger als die Außenwand 32. Wenn mehr als eine Zelle verwendet wird, muß beachtet werden, daß die parallelen, elektrischen Verbindungen, die dadurch gebildet werden, gesteuert werden, um das erwünschte Ergebnis zu erhalten.

Um ein Potential zu erhalten, das an eine Pufferlösung in den Pufferabteilen 26 und 28 angelegt wird, besitzt die Bodenwand 38 (Fig. 4 und 6) der Probenkonzentrationszelle 12 zwei Öffnungen 42 und 44, die durch eine den Pufferpfad bildende Ausnehmung 45 verbunden sind, wobei jede Öffnung auf einer anderen Seite der Nut 40 angebracht ist. Wie es am besten aus Fig. 4 entnommen werden kann, erstreckt sich die Öffnung 44 durch einen zylindrischen Vorsprung von der Bodenwand 38 nach unten, um eine längere Öffnung zu bilden. Die Öffnungen sind im Querschnitt kreisförmig und am Boden durch eine poröse Membran, wie beispielsweise eine Zellophanmembran, geschlossen, um den inneren Boden der Trennzelle 12 (Fig. 6) zu bilden, so daß nach unten in den Boden 38 erstreckende und an ihrem Boden durch Membrane verschlossene zylindrische Tröge 42 und 44 gebildet sind, wodurch eine Berührung mit dem Puffer in den Pufferabteilen 26 und 28 hergestellt wird.

Der Trog 42 besitzt eine größere, zylindrische Bodenfläche als der Trog 44 und ist üblicherweise über dem einen der Pufferabteile 26 und 28 angeordnet, das die Elektrode 20 aufnimmt, an der eine positive elektrische Spannung liegt. Der kleinere Trog 44 liegt über dem anderen Pufferabteil, das die Elektrode 22 aufnimmt, an der eine negative elektrische Spannung liegt. Der große Trog 42 ist der Probentrog oder der Trog mit dem Ausgangsgemisch, und der kleinere Trog 44 ist der Aufnahme- oder Konzentrationstrog. Für eine Anwendungen kann der größere Trog 42 über dem Abteil 26 mit der negativen Spannung und der Trog 44 über dem Abteil 28 mit der positiven Spannung angeordnet werden.

Während die Probenkonzentrationszelle 12, die in den Fig. 4 bis 6 gezeigt ist, im wesentlichen napfförmig ist, besteht dazu jedoch keine Notwendigkeit; sie muß lediglich eine Bahn enthalten, die einen Ionenfluß zwischen zwei anderen Abschnitten ermöglicht, von denen der eine ein Konzentrat eines ersten Materials mit einer verhältnismäßig hohen Wanderungsrate bei Anliegen eines elektrischen Feldes aufweist, das nicht leicht durch die semipermeable Membran, die den Trog 44 abschließt, passieren kann, und der andere das Ausgangsgemisch enthält, das ein erstes Material, das mit einem zweiten Material verdünnt ist, aufweist, wobei das zweite Material entweder eine niedrigere oder gar keine Wanderungsrate bei Vorliegen eines elektrischen Feldes besitzt, so daß das Konzentrat sich von dem Ausgangs- oder Probenabschnitt zu dem Aufnahme- oder Konzentratsabschnitt bewegen oder durch die semipermeable Membran, die den Trog 44 abschließt, passieren kann. Um einige Materialien zu trennen, sind beispielsweise getrennte Proben- und Konzentrationströge unnötig, sondern eine flache Bodenfläche oder eine einzige Rille reicht aus, beispielsweise wenn das Konzentrat von einem Gel getrennt wird, da das Gel von dem Konzentratsabschnitt getrennt bleibt, selbst wenn es auf der gleichen Höhe der Probenkonzentrationszelle wie das Konzentrat oder darüber ruht.

In den Fig. 7 bis 10 ist eine Probenkonzentrationszelle 46 gezeigt, die im wesentlichen die Form eines oben offenen, rechtwinkligen Parallelepipeds mit aufrecht stehenden, vertikalen Wänden 48 und einem Boden 50 besitzt. Wie es am besten in den Fig. 8 und 9 zu sehen ist, besitzt der Boden 50 an der Außenseite eine rechtwinklige Nut 52, die im wesentlichen die gleiche Form und Größe der Oberseite der Trennwand 30 (Fig. 2) aufweist, so daß die Probenkonzentrationszelle 46 daran befestigt werden kann. In der rechtwinkligen Nut 52 liegen nach innen ragende Schenkel 53 ähnlich den Vorsprüngen 41 A und 41 B in Fig. 4, um einen Abstand der Wände der Nut 52 in genügender Größe von den Seiten der Trennwand 30 zu schaffen, um eine Kapillarbewegung des Puffers entlang der Trennwand 30 nach oben von den Abteilen 26 und 28 aus zu verhindern, was diese Abteile elektrisch kurzschließen würde.

In dem Boden der einen Seite der rechtwinkligen Nut 52 ist eine erste Öffnung oder ein erster Trog 54, der die Form eines rechtwinkligen Parallelepipeds aufweist, und auf der gegenüberliegenden Seite liegt eine kleinere Öffnung oder Trog 56, der im wesentlichen die gleiche Form besitzt, wobei jeder der Tröge 54 und 56 zum Boden durch eine unterschiedliche Zellophanmembran oder unterschiedliche Abschnitte der gleichen Membran abgedichtet ist, um einen porösen Kontakt zwischen den Trögen 54 und 56 und einem Puffer an den Stellen 50 A und 50 B zu schaffen. Wenn die Probenkonzentrationszelle 46 in engem Kontakt mit dem Puffer in jeweils einer der Pufferkammern 26 A und 28 A befestigt ist, bilden die Öffnungen 54 und 56 mit ihren jeweiligen Membranböden den Probentrog 54 bzw. den Konzentrattrog 56. Der Probentrog 54 ist mit dem Konzentrattrog durch eine verbindende und den Pufferpfad bildende Ausnehmung 58 in der oberen Fläche der Bodenwand 50 verbunden, um den Fluß des Materials, das zwischen der Probenzelle und der Konzentratszelle getrennt wird, zu ermöglichen und um eine bedeckende Pufferlösung aufzunehmen, um diesen Fluß zu erleichtern.

Damit eine große Menge der verdünnten Probe konzentriert werden kann, besitzt die Probenkonzentrationszelle 46 einen Einlaß 60 A und einen Auslaß 62 A, von denen jeder in der Wand 48 auf einer unterschiedlichen Seite des Probentroges 54 liegt. Der Einlaß 60 besitzt einen sich nach unten erstreckenden zylindrischen Rezeß 61 A, der mit einem ersten Ende des Probentrogs 54 in der Nähe dessen Bodens durch ein Rohr 63 A und mit einem Einlaßrohr 65 A in einer Höhe über dem oberen Ende der verbindenden Ausnehmung 58 in Verbindung steht, und der Auslaß 62 besitzt einen nach unten weisenden, zylindrischen Rezeß 61 B, der mit dem zweiten Ende des Probentrogs 54 in die Nähe dessen Bodens durch ein Rohr 63 B und mit einer Auslaßöffnung 65 B in einer Höhe über dem oberen Ende der verbindenden Ausnehmung 58 in Verbindung steht.

Diese Zusammenschlüsse sind so angeordnet, daß sie den kontinuierlichen Fluß einer verdünnten Probe durch den Probentrog 54 in einer Höhe unterhalb des darin liegenden Puffers für eine kontinuierliche Entfernung des zu konzentrierenden Materials zu dem Konzentrationstrog 56 ermöglichen, wobei die Auslaßöffnung 65 B genügend groß ist, um eine Saugwirkung zu verhindern. Vorzugsweise besitzt der Puffer eine niedrigere Dichte als die Probe, so daß die Probe über die Oberseite der Membran fließt, wobei der Puffer auf der Oberseite der Probe schwimmt.

Ähnliche Verbindungen mit einem Einlaß 60 B, einem Auslaß 62 B, Ausnehmungen 61 C und 61 D, Rohren 63 C und 63 D und Einlaßrohren 65 C und 65 D sorgen für einen kontinuierlichen Fluß des Konzentrats durch den Konzentrattrog. Dies ist möglich, da das Konzentrat dichter als der Puffer ist und entlang des Bodens des Konzentrattroges fließt.

Ganz allgemein erstrecken sich die semiporösen Membranen, die den Proben- und Konzentrattrog schließen, entlang eines Teils der Bodenfläche der Konzentrationszelle auf jeder Seite der Nut 40 oder 52, um den Boden der Tröge 42, 44, 56 und 58 aus Gründen eines einfachen Abdichtens und Herstellens der Proben- und Konzentrationströge zu bedecken. In einer Ausführung ist die semiporöse Membran an ihrem Ort durch Acrylringe festgehalten, die sich zum Teil in die Nuten 40 und 52 erstrecken und die Wände der Probenkonzentratzelle umgeben, wobei sie den Rand der Membran zwischen sich und den Wänden halten. In dieser Ausführungsform sorgen die Ringe auch für einen Abstand zwischen den Wänden der Zelle und der Trennwand 30, um die Kapillarwirkung zu verhindern. Der Rest der Probenkonzentrationszellen 12 und 46 ist aus einem beliebigen geeigneten Kunststoff, beispielsweise Polycarbonat oder Acryl.

In der Ausführung nach den Fig. 7 bis 10 ist ein Aufbau gezeigt, der einen kontinuierlichen Betrieb ermöglicht, um größere Beträge der verdünnten Probe zu konzentrieren. Natürlich kann diese Art Aufbau auch in anderen Ausführungsformen der Probenkonzentrationszelle, beispielsweise in der Ausführungsform nach den Fig. 4 bis 6, verwendet werden.

In den Fig. 11 und 12 sind zwei unterschiedliche Verringerungsstücke 68 und 70 für das Konzentratschachtvolumen gezeigt, von denen jeder unterschiedliche, längliche Griffe 72 bzw. 74 und unterschiedliche Trogeinsätze 76 bzw. 78 besitzt. Diese Volumenverringerungsstücke gibt es in verschiedenen Größen, um in die Konzentrattröge zu passen, wobei das Verringerungsstück 68 in einen zylindrischen Trog und das Verringerungsstück 70 in einen Trog mit rechtwinkligem Querschnitt paßt, um die Puffermenge über dem Konzentrat in dem Trog für ein leichteres Entfernen des Konzentrats zu verringern.

Vor dem Betrieb des Probenkonzentrats 10 wird eine geeignete Anzahl von Probenkonzentrationszellen 12 oder 46 auf der Trennwand 30 angeordnet, wobei der Probentrog 42 oder 54 über dem Pufferabteil 26 und der Konzentrattrog 44 oder 56 über dem Pufferabteil 28 liegt. Die Trennwand 30 wird von den Nuten 40 oder 52 der Probenkonzentrationszellen 12 oder 46 aufgenommen. Falls das Konzentrat in seinem Volumen wesentlich geringer als das Volumen des Konzentrattroges sein wird, wird ein Verringerungsstück 68 oder 70 in den Konzentrattrog eingeführt, um das Volumen des Puffers in dem Trog zu verringern.

Wenn die Zellen an der Trennwand 30 befestigt sind, wird ein Puffer in die Pufferabteile 26 und 28 eingeführt, und die Elektroden 20 und 22 werden in den Puffer eingesetzt, wobei sich der Puffer bis zum oberen Ende der Trennwand 30 erstreckt, jedoch nicht darüber, so daß die Abteile 26 und 28 mit Ausnahme des Weges durch die Probenzellen 12 oder 46, die sich in die Pufferlösungen erstrecken, elektrisch voneinander isoliert sind. Die Elektrode 20 wird üblicherweise elektrisch mit dem positiven Anschluß und die Elektrode 22 üblicherweise mit dem negativen Anschluß der Strom- oder Spannungsversorgung 18 verbunden. Ein Kühlmittel wird durch das Rohr 31 in der Trennwand 30 geleitet, so daß ein verhältnismäßig großer Strom für eine schnelle Trennung des Konzentrats von der Probe verwendet werden kann, ohne daß das Konzentrat überhitzt wird. Die Temperatur des Kühlmittels wird in Übereinstimmung mit der Notwendigkeit, eine niedrige Temperatur beizubehalten, ausgewählt.

In der Ausführungsform nach den Fig. 4 bis 6 wird die Probe in die Probentröge 42 der Probenkonzentrationszellen 12 eingeführt, und eine Pufferlösung wird über die Probentröge 42, die Konzentrattröge 44 und die Ausnehmungen 45 gebracht, um die Probentröge 42 mit den Konzentrattröge 44 durch die Ausnehmungen 45 zu verbinden. In der Ausführungsform nach den Fig. 7 bis 10 werden Verbindungen mit dem Einlaßrohr 65 A und dem Auslaßrohr 65 B hergestellt, um einen kontinuierlichen Probenfluß herbeizuführen, wobei eine Pufferlösung über den Probenabteilen 54, den Ausnehmungen 58 und den Konzentratabteilen 56 angeordnet wird, um eine elektrische Verbindung herzustellen.

Bei dieser Anordnung wird üblicherweise eine positive Spannung an die Elektrode 20 und eine negative Spannung an die Elektrode 22 gelegt, um eine Stromverbindung von der Elektrode 20 zur Elektrode 22 zu schaffen. Im allgemeinen sind die Probenkonzentrationszellen derart angeordnet, daß der Strom durch die Pufferlösung in dem Pufferabteil 26, durch den Zellophanboden des Konzentrattroges, durch die Pufferlösung in den Probennäpfen, nach unten durch den Zellophanboden des Probentroges, in die Pufferlösung in dem Abteil 28 und schließlich zur Elektrode 22 fließt. Dies verursacht eine Wanderung der negativen Ionen von dem Probentrog zu dem Konzentrattrog und der positiven Ionen zu dem Probentrog, wobei kleine Ionen durch den Zellophanboden des Konzentrattroges in die Pufferlösung in dem Pufferabteil passieren, während das Konzentrat, das getrennt werden soll, durch die Zellophanmembran zurückgehalten wird und in dem Konzentrattrog gesammelt wird und die Substanz, die nicht wandert, in dem Probentrog bleibt. Diese Anordnung von Konzentrationszellen wird mit negativ geladenen Proteinen verwendet, und eine umgekehrte Anordnung würde verwendet werden, um positiv geladene Substanzen zu konzentrieren.

Die verbindenden Pufferpfade (45 in den Fig. 4, 5 und 6 und 58 in den Fig. 7 bis 10) beengen den Fluß des Konzentrats auf eine Fläche, die ein verhältnismäßig gleichförmiges Feld und einen gleichmäßigen Ionenfluß besitzt, so daß ein Niederschlag auf einer Stelle zwischen Probentrog und Konzentrattrog vermieden wird. Um zur Begrenzung des Ionenflusses auf einem Gebiet einer streng gleichmäßigen Feldstärke beizutragen, stimmen die Ausnehmungen 45 und 58 mit den Größen der ihren Enden benachbarten Tröge überein und neigen sich gleichförmig zwischen ihren Enden in der Art des elektrischen Feldes.

Im allgemeinen ist das Konzentrat ein Protein, das getrennt werden soll und durch ein anderes Material, wie beispielsweise eine Saccharoselösung der Art, die in einer Dichtegradientzentrifugierung verwendet wird, verdünnt ist. Natürlich können auch andere Materialien, wie beispielsweise Glycerol, die Grundlage anstatt Saccharose bilden, ebenso wie viele andere der üblichen Stoffe, die in der Chromatographie verwendet werden.

Obwohl die bevorzugte Ausführungsform die Entfernung von Proteinen aus Saccharose oder ähnlichem Material und deren Niederschlag in einem Trog, indem sie am Boden des Troges durch Schwerkraft gehalten werden, beschreibt, können auch andere Materialien von einem Gel, wie beispielsweise Polyacrylamidgel, getrennt und an einer anderen Stelle in der Probenkonzentrationszelle niedergeschlagen oder in ein anderes Material bewegt werden. Gleichermaßen kann das Konzentrat von einem Material, wie beispielsweise Saccharose, von einer Dichte in ein anderes Material, beispielsweise eine dichtere Saccharose, Glycerol oder ein anderes Material, das nützlich zu einer weiteren Präparation der Probe oder zur Analyse der Probe ist, bedeckt werden.

Wenn die Probenkonzentrationszelle für die Überführung eines Probenmaterials von einer Substanz zu einer anderen verwendet wird, kann das Probenmaterial in der neuen Substanz konzentrierter sein oder auch nicht. Beispielsweise kann ein Protein von Saccharose in Glycerol übertragen werden, und die Konzentration des Proteins in dem Glycerol kann niedriger, gleich oder höher als in Saccharose sein. Darüber hinaus kann der Probenkonzentrator verwendet werden, um einige Species von Materialien durch die Wände der Trennzelle zu führen und andere in der Zelle zurückzubehalten.

Während die Probenkonzentrationszellen 12 oder 46 primär dazu dienen, das Material, das studiert werden soll, von dem beinhaltenden Medium zu trennen, wobei das Medium deshalb vorhanden ist, weil es in dem Trennprozeß einer molekularen Species von einer anderen oder in der Aufnahme einer getrennten molekularen Species von einem anderen Material zum Sammeln in einem kommerziellen Probenkollektor verwendet wurde, kann es wünschenswert sein, es in ein anderes Material zu bewegen, da man herausgefunden hat, daß einige Proteine aktive Radikale besitzen, die nicht der Atmosphäre ausgesetzt werden sollten oder die in der einen oder anderen Art zu schützen sind. Wenn das Konzentrat in einer Schutzsubstanz bewegt wird, können weitere Informationen über die Natur des Konzentrats erhalten werden.

Wenn das Konzentrat einmal von dem Medium des Ausgangsmaterials getrennt wurde, kann es mit einer Pipette für eine weitere Untersuchung in einem beliebigen, üblichen Analysierapparat oder zur Verwendung als ein präparatives Material entfernt werden. Um das Material zu entfernen, wird der Puffer von den Ausnehmungen der Probenkonzentrationszelle pipettiert. Das Volumenreduzierstück wird entfernt, so daß nur eine kleine Puffermenge in dem Konzentratschacht verbleibt, von der ein Teil entfernt werden kann, wonach das Konzentrat durch Pipettierung entfernt wird.

In Fig. 13 ist eine weitere Ausführungsform 80 der Probenkonzentrationszelle mit einer äußeren, vertikalen, zylinderförmigen Wand 82 und einem Boden 84 gezeigt, die ein Abteil 86 in ähnlicher Form wie in der Ausführungsform nach den Fig. 4 bis 6 zeigt. Diese Ausführung besitzt eine sich nach oben öffnende Rille, die durch eine trogartige Ausnehmung 88 gebildet wird. Die Probenkonzentrationszelle 80 ruht auf der Trennwand (31 in Fig. 2, 108 in Fig. 14), wobei die Oberkante der Wand 31 unter der Ausnehmung 88 liegt und somit keine Ausnehmung besitzt, in die der Wandabschnitt ähnlich den Ausführungsformen nach den Fig. 4 bis 10 paßt. Die Ausnehmung ist weggelassen worden, um die Probleme mit der Kapillarwirkung von Pufferabteilen zu verringern.

Um den Unterschied des Potentials, das über die Pufferlösungen angelegt wird, aufzunehmen, erstrecken sich zwei zylindrische Tröge 90 und 92 von der Ausnehmung 88 nach unten, wobei der Trog 90 etwas länger ist und der Trog 92 einen kleineren zylindrischen Vorsprung 94 besitzt, der sich nach unten im wesentlichen zur gleichen Länge wie der Trog 90 erstreckt. Der Trog 92 ist außer einer Verbindung mit dem zylindrischen Vorsprung 94 abgeschlossen. In der Ausführungsform nach Fig. 13 dient der Trog 90 als Probentrog oder Ausgangsmischtrog und der Trog 92 als der Aufnahmetrog oder Konzentrattrog, wobei das Konzentrat im wesentlichen nach unten in den Vorsprung 94 bewegt wird, der im Durchmesser kleiner ist, so daß das Feld konzentrierter ist. Die Böden der Tröge sind natürlich durch eine poröse Membran in der gleichen Weise wie in der Ausführungsform nach den Fig. 4 bis 6 abgeschlossen.

Zur Lagerung der Probenkonzentrationszelle 80 über der Trennwand erstrecken sich vier Schenkel 96 A bis 96 D nach unten von dem Boden der Probenkonzentrationszelle weg, wobei benachbarte Schenkel 96 A und 96 B durch einen Kunststoffstreifen näher an der Bodenwand 84 verbunden sind als der Boden der Ausnehmung 88, und die Schenkel 96 C und 96 D durch einen entsprechenden Streifen ebenfalls verbunden sind.

Die Schenkel 96 A bis 96 D sind dünne, sich nach unten erstreckende Kunststoffteile, die Teile eines Zylinders sind und deren Ränder mit den Innenrändern der Tröge 90 und 92 ausgerichtet sind, wobei die inneren Ränder der Schenkel 96 A und 96 D mit dem Innenrand des Troges 90 und die inneren Ränder der Schenkel 96 B und 96 C mit dem Innenrand des Troges 92 ausgerichtet sind. Bei dieser Anordnung berühren die entgegengesetzten Seiten der Trennwand die Innenränder der Schenkel 96 A und 96 D auf der einen Seite und 96 B und 96 C auf der anderen Seite. Die Schenkel sind beabstandet, um die Zelle 80 auf der Trennwand (30 in Fig. 2 und 108 in Fig. 14) durch ein Führen entlang der Seiten der Wand zu tragen.

In Fig. 14 ist eine perspektivische Ansicht in auseinandergezogener Darstellung einer weiteren Ausführungsform der elektrophoretischen Zelle 98 mit einem Pufferabteilabschnitt 100 und einem Deckel- und Elektrodenabschnitt, der über den Pufferabteilabschnitt 100 paßt und diesen abschließt, gezeigt.

Um für Pufferabteile zu sorgen, ist der Pufferabteilabschnitt 100 im wesentlichen parallelepipedförmig mit einem Boden 104, vier Seitenwänden 106 A bis 106 D und einer offenen Oberseite, wobei die vier Seitenwände und der Boden ein Abteil für Pufferlösungen bilden. Um Probenkonzentrationszellen zu lagern, erstreckt sich eine mittlere Trennwand 108, die als Parallelepiped geformt, nach oben von dem Boden 106 zu einer Höhe, die geringer als die der Seitenwände 106 A und 106 C ist, die sie zweiteilt, um den offenen Abschnitt des Pufferabteils 100 in zwei Abschnitte zu teilen, wodurch die Probenkonzentrationszellen auf der Oberseite der Trennwand 108 in einer Art ähnlich der, bei der die Probenzellen auf der Trennwand 31 ruhen, zu ermöglichen. Die Trennwand 108 ist hohl und kann eine Anzahl von Kühlschlangen tragen.

Um jeden der zwei Abschnitte des Pufferabteilabschnitts 100 auf jeder Seite der Trennwand 108 in zwei Pufferabteile zu trennen, sind auf dem Boden 104 und den Seitenwänden 106 A und 106 C auf einer ersten Seite der Trennwand 108 Befestigungsführungen 110 A und auf der anderen Seite der Trennwand 108 Befestigungsführungen 110 B ausgebildet, wobei die Befestigungsführungen 110 A und 110 B jeweils eine Ausnehmung in dem Boden 104 und den Seitenwänden 106 A und 106 C besitzen, die auf jeder Seite durch sich nach oben erstreckende Wülste begrenzt sind.

Die Ausnehmungen und Wülste, die die Befestigungsführungen 110 A bilden, sind so geformt, daß sie eine erste Trennmembran 112 A aufnehmen, und die Ausnehmungen und Wülste, die die Befestigungsführungen 110 B bilden, sind derart geformt, daß sie eine zweite Trennmembran 112 B aufnehmen, und zu diesem Zweck erstrecken sie sich parallel zu der Trennwand 108. Die Befestigungsführungen und die Trennmembranen trennen zwei äußere Hochkonzentratabteile von zwei inneren Niederkonzentratabteilen.

Um die Elektroden in den Pufferlösungen in den äußeren Hochkonzentratabteilen zu befestigen, besitzt das Abteil, das zwischen der Trennmembran 112 A und der Seitenwand 106 D und zwischen den Wänden 106 A und 106 C gebildet wird, in dem Boden 104 zwei zylindrische, erhöhte, runde Vorsprünge 114 A und 114 B und einen großen, nach oben ragenden Vorsprung 114 C, der sich über die Höhe der Trennwand 108 erstreckt. Gleichermaßen besitzt das durch die Trennmembran 112 B und die Seitenwand 106 B zwischen den Abschnitten der Wände 106 A und 106 C gebildete Abteil am Boden 104 zwei nach oben ragende kreisförmige Vorsprünge 116 A und 116 B und einen größeren, nach oben hervorstehenden Vorsprung 116 C, der die Höhe der Trennwand 108 hat.

Um einen elektrischen Kontakt mit der Pufferlösung in dem äußeren Abteil zu schaffen, ist eine erste Elektrode 118 A an den Vorsprüngen 114 A bis 114 C und eine zweite Elektrode 118 B an den Vorsprüngen 116 A bis 116 C befestigt. Die erste Elektrode 118 A und die zweite Elektrode 118 B sind jeweils als L-förmige dünne Metallstreifen ausgebildet und besitzen einen langen Bodenabschnitt und einen aufrecht stehenden Arm mit einem sich nach außen erstreckenden Ansatz. Der lange Bodenabschnitt der Elektrode 118 A besitzt eine erste und eine zweite Öffnung 120 A und 120 B, die mit den Mittelöffnungen in den kreisförmigen Vorsprüngen 114 A und 114 B ausgerichtet sind, und der nach außen ragende Ansatz hat eine dritte Öffnung 120 C, die mit der Öffnung in dem größeren Vorsprung 115 C ausgerichtet ist.

Die Elektrode 118 A ist dazu ausgelegt, in das äußere Abteil zu passen, wobei der Metallstreifen sich parallel zur Trennwand 112 A erstreckt und die haltenden Öffnungen 120 A bis 120 C über die Öffnungen in den Vorsprüngen 114 A bis 114 C passen. Gleichermaßen besitzt die Elektrode 118 B drei Öffnungen 122 A, 122 B und 122 C, die jede mit einer unterschiedlichen Mittelöffnung in den Vorsprüngen 116 A, 116 B und 116 C ausgerichtet werden kann, um die Elektrode 116 B in einer ähnlichen Weise wie die Elektrode 118 A zu befestigen.

Um die Elektroden 118 A und 118 B festzuhalten, besitzen ein erster und ein zweiter Festhalter 124 A und 124 B jeweils einen Kopfabschnitt, der größer als die Öffnungen 120 A und 120 B ist, und einen Schaft, der durch die Öffnungen 120 A und 120 B paßt und im Reibeingriff mit den Öffnungen in der Mitte der Vorsprünge 114 A und 114 B steht, und Festhalter 126 A und 126 B Köpfe, die größer als die Öffnungen 122 A und 122 B sind, und Schäfte, die durch die Öffnungen 122 A und 122 B passen und im Preßsitz mit den Mittelöffnungen in den zylindrischen Vorsprüngen 116 A und 116 B sitzen. Die Elektroden 118 A und 118 B sind am Boden des Grundpufferabteils gelagert, und die Festhalter 124 A, 124 B, 126 A und 126 B sind mit ihren Schäften durch die Öffnungen in den entsprechenden Löchern in den Vorsprüngen angeordnet, um die Elektroden 118 A und 118 B an ihrem Ort zu halten.

Um eine elektrische Verbindung mit den Elektroden 118 A und 118 B von der Außenseite des Pufferabschnittes 100 zu bilden, besitzen erste und zweite elektrische Kontakte 128 A und 128 B jeweils einen mittleren, zylindrischen Abschnitt 130 A und 130 B, die jeweils einen unteren zylindrischen Abschnitt 132 A und 132 B und einen oberen stiftförmigen Abschnitt 134 A und 134 B voneinander trennen. Die unteren zylindrischen Abschnitte 132 A und 132 B besitzen Ausmaße, so daß sie jeweils durch die Öffnungen 120 C und 122 C passen und eng in die Mittelöffnungen in den Vorsprüngen 114 C und 116 C liegen. Die mittleren zylindrischen Abschnitte 130 A und 130 B sind größer als die Öffnungen 120 C und 122 C, so daß sie auf die Oberseite der Elektroden 118 A und 118 B passen, wenn sie an ihrer Stelle befestigt sind, und die oberen, stiftförmigen Abschnitte 134 A und 134 B stellen den elektrischen Kontakt außerhalb der Pufferlösung mit dem Leiter her, wie es im nachfolgenden beschrieben wird. Die unteren zylindrischen Abschnitte 132 A und 132 B besitzen Mittelöffnungen in ihrer Bodenfläche, was einen leichteren Eingriff des Metalls um den Boden der nach oben ragenden Vorsprünge 114 A und 114 B ermöglicht, um die Elektroden an ihrem Ort zu halten.

Die Trennstücke 112 A und 112 B sind Kunststoffteile aus weißem Polypropylen, die übereinander gefaltet sind und Fenster aus einem semipermeablen Material besitzen, die es dem elektrischen Strom ermöglichen, zwischen den Abteilen zu passieren, die jedoch das hochkonzentrierte Abteil getrennt von dem Niederkonzentrationsabteil halten. Die übereinander gefalteten Abschnitte besitzen an ihren Enden hakenähnliche Teile, die gegen die aufrecht stehenden Teile in den Führungen 110 A und 110 B passen, um die Trennstücke an ihrem Ort zu halten.

Um den Probenkonzentrator bei seiner Verwendung abzuschließen, ist ein Kunststoffdeckel 136 als Parallelepiped geformt und besitzt nach unten verlaufende Wände 138, die um die Wände des Grundpufferabschnitts 100 passen, sowie einen Kunststoffdeckelabschnitt 140. Um einen Auslaß für Fluide zu bilden, der für einige Anwendungsbereiche nützlich sein kann, ist eine haubenförmige Öffnung 142 vorgesehen, die in eine Kerbe in der Wand 106 des Pufferabschnitts 100 paßt. Um die Einführung von Proben in die Probenzelle und die Entfernung des Konzentrats zu ermöglichen, besitzt der Deckel eine Vielzahl von Öffnungen 144.

Für eine elektrische Verbindung durch den Deckel 136 weist der Deckel 136 zylindrische Teile 146 und 148 auf, von denen jedes ein hohler Zylinder ist, der durch die Oberseite des Deckels 136 führt, wobei der Boden teilweise geschlossen ist, um eine kleine Mittelöffnung und eine offene Oberseite zu schaffen. Die kleine zylindrische Öffnung in dem Boden der Zylinder 146 und 148 ist mit den oberen, stiftförmigen Verbindungsteilen 134 A und 134 B ausgerichtet, wenn der Deckel 136 richtig auf dem Basispufferabschnitt 100 angeordnet ist, so daß die Stifte 134 A und 134 B sich nach oben hinein erstrecken, um eine elektrische Verbindung außerhalb des Deckels herzustellen.

Um die Stifte 134 A und 134 B mit einer Spannungsversorgung zu verbinden, besitzen Buchsen 150 A und 150 B jeweils ein unterschiedliches, hohles, leitendes Verbindungsteil 132 A und 132 B mit einer Ausnehmung, die dazu geeignet ist, eng über den entsprechenden Stift 134 A und 134 B zu passen. Die Leiter 152 A und 152 B sind mit Kabel 154 A und 154 B verbunden und in einem isolierenden Teil 156 A und 156 B befestigt. Das isolierende Teil 156 A paßt entsprechend in den Zylinder 146 und das isolierende Teil 156 B in den Zylinder 148, so daß die Leiter 150 A und 150 B in die Zylinder 146 und 148 eingeführt werden können, um eine elektrische Verbindung mit den Elektroden 118 A und 118 B zu der Spannungsversorgung herzustellen.

Wie aus der obigen Beschreibung ersehen werden kann, besitzt das Verfahren und die Vorrichtung nach dieser Erfindung den Vorteil, daß sie schnell Verdünnungsmaterial mit hoher Ausbeute konzentrieren können.

Claims (11)

1. Verfahren zum Konzentrieren von mindestens einer molekularen Species aus einer Probe, bei dem die zu konzentrierende molekulare Species elektrophoretisch von einer Stelle (42; 54) benachbart zu einer ersten Membran durch einen Puffer zu einer zweiten Stelle (44; 56) benachbart zu einer zweiten Membran bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe in einen ersten Trog (42; 54) eingebracht wird, der von der ersten Membran verschlossen ist, während deren andere Seite in einer Pufferlösung liegt und die zu konzentrierende molekulare Species von der ersten Stelle in nur einer Richtung nach oben durch eine Pufferlösung und zu einem unteren, zweiten Trog (44; 56) gegen die mit der Pufferlösung in Kontakt stehende zweite Membran bewegt wird, von der sie nach dem Konzentrieren entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Molekulararten in einer Anzahl von Zellen getrennt werden, die auf einer Trennwand (30; 108) zwischen ersten und zweiten Pufferabteilen (26; 28) angebracht sind, wobei die erste Membran in Kontakt mit dem Puffer in dem ersten Abteil und die jeweils zweite Membran davon in Kontakt mit dem zweiten Abteil steht.

3. Vorrichtung zum Konzentrieren von mindestens einer molekularen Species aus einer Probe, mit einer Zelle (12; 46) die erste und zweite Abschnitte aufweist, wobei der erste Abschnitt einen mit einer ersten Membran verschlossenen Trog (42; 54) aufweist, um eine Probe auf einer Seite der Membran aufzunehmen und einen Puffer auf der anderen Seite der Membran zu kontaktieren, und wobei der zweite Abschnitt einen Konzentrierungstrog (44; 56) aufweist der durch eine hinreichend kleine zweite Membran verschlossen ist, welche es gestattet, daß die eine molekulare Species gehalten wird, und so gestaltet ist, daß sie zumindest eine der getrennten molekularen Species auf einer Seite der Membran aufnimmt und den Puffer an der anderen Seite der Membran kontaktiert, und mit Mitteln (18, 20, 22) zum Einrichten eines elektrischen Potentials zwischen der anderen Seite der die Probe haltenden Membran und der anderen Seite der das Konzentrat haltenden Membran, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Membranen durch einen Pufferpfad (45; 58) in einer Konzentrationszelle (12; 46) oberhalb von sowohl der ersten als auch der zweiten Membran verbunden sind, wobei die Spannungsquelle eine Gleichspannungsquelle ist, um die eine molekulare Species von dem Probentrog (42; 54) zu dem Konzentrationstrog (44; 56) zu bewegen, auf der sie als konzentrierte Substanz entfernbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Membranen Cellophanmembranen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle (12; 46) zusammen mit dem Probentrog (42; 54) und dem Konzentrationstrog ein Abteil (37) mit einem Boden (38; 50) und Seitenwänden (36; 48) bildet; daß der Probentrog (42; 54) Innenwände besitzt, die eine erste Öffnung bilden; daß die erste Membran die erste Öffnung im Boden (38; 50) verschließt; daß der Konzentrationstrog (44; 56) Innenwände besitzt, die eine zweite Öffnung bilden; und daß die zweite Membran diese zweite Öffnung im Boden (38; 50) verschließt, wodurch die Probe in die erste Öffnung einbringbar ist und eine Pufferlösung zwischen den ersten und zweiten Öffnungen eine Strömungsverbindung herstellt, während die getrennte molekulare Species in dem Konzentrationstrog (44; 56) aufgenommen wird.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet durch eine Elektrophoresezelle (16; 98) mit Wänden (32, 34; 104, 106 A-D, 140), die erste und zweite Pufferabteile (26, 28) bilden, wobei eine der Wände, welche das erste und zweite Pufferabteil (26, 28) bilden, eine Trennwand (30; 108) zwischen dem ersten und zweiten Pufferabteil (26, 28) aufweist und die ersten und zweiten Pufferabteile (26, 28) Mittel (110 A, 110 B) für die Aufnahme unterschiedlicher Elektroden (20, 22; 118 A, 118 B) besitzen, wodurch eine Potentialdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Pufferabteil (26, 28) und der Zelle (12; 46) einrichtbar ist; und durch Haltemittel zum Anbringen der Zelle (12; 46) an der Trennwand (30; 108), so daß eine Membran in dem ersten Abteil (26) und die andere Membran in dem zweiten Abteil (28) liegt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Haltemittel Innenwände aufweist, welche eine Nut (40; 52) in der Außenfläche des Bodens (38; 50) der Probenkonzentrationszelle (12; 46) bildet, die zur Aufnahme der Trennwand (30; 108) dient.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, gekennzeichnet durch eine Ausnehmung (45; 58) im Innenboden der Probenkonzentrationszelle (12; 46), welche den ersten Trog (42; 54) mit dem zweiten Trog (44; 56) verbindet.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwände der Nut (40) Vorsprünge (41; A, B; 53 A, B) aufweisen, so daß die Innenwände von der Trennwand (30; 108) beabstandet sind, um eine Kapillarbewegung der Pufferlösung zur Oberkante der Trennwand (30; 108) zu verhindern.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, gekennzeichnet durch ein entfernbares Verringerungsstück (68; 70) zur Verringerung des Volumens des zweiten Troges (44; 56)

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, gekennzeichnet durch Mittel zur Ermöglichung einer kontinuierlichen Strömung der Probe durch die erste Stelle, so daß die erste molekulare Species aus einem kontinuierlich fließenden Strom entfernt werden kann.