DE2943942C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse von Substanzen, die in einer Zentrifuge einer Gravitationskraft ausgesetzt werden und bei denen über Elektroden, die mit den Substanzen in Berührung stehen, die Änderung elektrischer Eigenschaften gemessen werden.

Viele chemische Verbindungen und Elemente mit unsymmetrischem Aufbau der im Molekül angeordneten Atome weisen in ihren Molekülen ein permanentes elektrisches Dipolmoment auf. In der üblichen Verteilung sind diese Dipolvektoren auf alle Raumkoordinaten statistisch verteilt, so daß keine makroskopisch wahrnehmbaren elektrischen Ladungen oder Spannungen vorhanden sind. Die Moleküle solcher Verbindungen oder Elemente sind jedoch durch die Einwirkung der Gravitations­ kraft als Ganzes oder wenigstens durch Verfor­ mung in ihren Grundteilen ausrichtbar.

Aus der DD-PS 98 842 ist es bereits bekannt, die Lage von Phasengrenzen oder die Konzentrations­ verteilung von Phasen in Separatortrommeln durch Meßwertgeber zu ermitteln, mit deren Hilfe der komplexe Widerstand bzw. die Dielektrizitätskon­ stante in einer entsprechend angeordneten Meßstrecke bestimmt wird. Aufgrund dieser Messungen können Überwachungen der Phasenverteilung sowie Steuerungen weiterer Arbeitsabläufe durchgeführt werden. Eine eingeprägte elektrische Meßgröße zur Charakteri­ sierung der Moleküle der eingesetzten Stoffe, die aus der Neuorientierung ihrer Ladungsschwerpunkte abgeleitet wird, ist hierbei nicht angegeben. Die Bestimmung der komplexen Widerstände bzw. der Di­ elektrizitätskonstanten in den Meßstrecken er­ folgt unter Anwendung einer Brückenschaltung mit äußeren Energiequellen.

Die DE-OS 8 14 952 beschreibt eine Ultrazentrifuge mit umlaufender Meßvorrichtung, in der der Ab­ lauf des Zentrifugiervorganges durch Bestimmung der dielektrischen oder magnetischen Eigenschaften der Lösung überwacht wird. Die Untersuchungsstrecke kann dabei in beliebig viele Kondensatoren unter­ teilt werden, deren Kapazitätsänderung nach bekannten Meßverfahren, beispielsweise als Frequenzänderung in einem Schwingkreis bestimmbar ist. Auch hier fehlt eine aus der fortgesetzten Neuorientierung der Ladungsschwerpunkte abgeleitete elektrische Meßgröße.

Die partielle Ausrichtung von Molekülen mit Di­ polmomenten in einem elektrischen Feld ist durch die Veröffentlichung Gerthsen-Kneser-Vogel, Phy­ sik 12. Aufl., Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York 1974, 311-318 bekannt. Die Isotopen­ trennung im Gravitationsfeld durch schnellaufende Zentrifugen, ist beispielsweise durch die Litera­ turstelle W. Riezler und W. Walcher, Kerntechnik, B. G. Teubner Verlagsgesellschaft, Stuttgart 1958, 242-243 vorbeschrieben.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, Substanzen beim Zentrifugiervorgang unter der Einwirkung der Gravitationskraft zu analysieren.

Diese Aufgabenstellung wird mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst.

Dieses Analysenverfahren läßt sich außer­ ordentlich weitreichend für qualitative und quan­ titative Analysen, zur Strukturaufklärung bekann­ ter und unbekannter Substanzen, sowie zur Bestäti­ gung oder zum Ausschluß gleichartiger stofflicher Zusammensetzungen von Proben, zur Aufzeichnung eines chemischen Reaktionsablaufs zur Identifi­ zierung kurzlebiger Zwischenprodukte anwen­ den.

Die zu untersuchenden Substanzen werden weder che­ misch noch physikalisch in ihrer Zusammensetzung verändert.

Nach Beendigung der Untersuchung, nachdem das Gravi­ tationsfeld wieder abgebaut ist, liegen die untersuch­ ten Substanzen ohne Substanzverlust vor. Feste Sub­ stanzen werden zunächst in einem für sie geeigneten Lösungsmittel gelöst.

Die erforderliche Einwirkung des Gravitationsfeldes wird durch Zentrifugieren, vor allem durch Ultrazentrifugieren erzeugt, wobei besonders mit Hilfe einer Ultrazentrifuge so hohe Gravitationskräfte er­ zeugt werden können, daß eine hohe Selektivität und Spezifität der Untersuchung erreicht wird.

Dabei ergeben sich Kurvenzüge mit Anstiegsästen und Plateauebenen, die der Orientierung bzw. Ausrichtung der Bauteile des Moleküls im Gravitationsfeld zugeordnet werden können.

Zusätzlich zu dem Gravitations­ feld kann gegebenenfalls ein elektrisches und/oder magnetisches Zusatz­ feld mit einer Vorzugsrichtung angelegt werden. Dieses Zusatzfeld kann wenigstens eine Haupt­ komponente in der Richtung aufweisen, in der die Di­ pole unter der Einwirkung des Gravitationsfeldes orientiert werden. Günstig erscheint ein elektrisches und/oder magnetisches Zusatzfeld mit konstanter Feld­ stärke. Die Lage und Größe des Zusatzfeldes wird ge­ gebenenfalls durch experimentelle Unter­ suchungen so ermittelt, daß der gewünschte, zur Messung bzw. Trennung ausgenutzte Effekt in opti­ maler Größe auftritt.

Das angelegte Zusatzfeld kann anstelle einer konstanten Feldstärke auch eine variable Feld­ stärke, beispielsweise mit vorgegebenem zeitlichen Verlauf, aufweisen.

Das erläuterte Verfahren besitzt auch dann besondere Bedeutung, wenn die Zusammensetzung der Substanzen unbekannt ist. Aus charakteristischen Übereinstimmungen lassen sich Aus­ sagen über Gemischanteile sowie über die Identität von Vergleichssubstanzen gewinnen. Derartige Unter­ suchungen sind für Naturwissenschaft und Technik, aber auch für die Medizin von besonderer Bedeutung, weil beispielsweise bei der Untersuchung von körper­ eigenen Substanzen bestimmte charakteristische Meß­ größen bzw. Gravitationsspektren an sich unbekannter Stoffe auftreten, die physiologischen Vorgängen so­ wie pathologischen Zuständen unterschiedlichen Schweregrades zugeordnet werden können.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann eine Zentrifuge, insbesondere eine Ultrazentrifuge enthalten, welche wenigstens eine Kammer mit Elektroden aufweist, die mit einem elektrischen Meßsystem verbunden ist. Bevorzugt wird eine Anordnung mit mindestens zwei in Abstand gegen­ überliegenden Elektroden, wobei die Anwendung von mehr als zwei Elektroden dann besondere Bedeutung besitzt, wenn nach der Einwirkung der Gravitations­ kraft elektrische Vektoren in verschiedenen Rich­ tungen auftreten. Dies kann gegebenenfalls vorteil­ haft durch das elektrische Zusatzfeld unterstützt werden.

Im allgemeinen wird das elektrische Meßsystem zweck­ mäßig so ausgebildet, daß die Meßgröße als Funktion der Veränderung des Gravitationsfeldes schreibend dargestellt wird. Die Meßgröße kann da­ bei direkt oder indirekt, beispielsweise fotoelektrisch, ermittelt werden.

Die zwei gegenüberliegenden Elektroden können über Leitungsanschlüsse direkt in die Schaltungs­ anordnung des elektrischen Meßsystems eingeschaltet sein. Bei einer anderen Ausbildung werden die Elektroden als Platten eines Kondensators betrachtet, dessen Ladung die Eingangs­ größe des elektrischen Meßsystems bildet. Eine Ausführungsform kann vorsehen, daß die Elektro­ den gegenüberliegende Wandflächen einer aus Isolier­ material bestehenden Kammer der Zentrifuge bilden. Die Elektroden sind z. B. aus Edelmetall, wie Platin oder Gold, gefertigt.

In der Zeichnung wird das Verfahren gemäß der Erfin­ dung anhand einer schematischen Vorrichtung näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 eine Prinzipanordnung einer Ultra­ zentrifuge zur Durchführung des Meß­ verfahrens,

Fig. 2 ein einfaches Gravitationsspektrum zum Nachweis einer Substanz,

Fig. 3 ein Gravitationsspektrum zum Nachweis der beiden Komponenten eines Sub­ stanzgemisches,

Fig. 4 ein Gravitationsspektrum zum Nachweis der verschiedenen Jodisotopen.

In Fig. 1 ist eine Ultrazentrifuge schematisch darge­ stellt, welche zwei Kammern 1, 2 mit wandseitigen Edel­ metallelektroden 3, 4; 5, 6 aufweist. Die Elektroden 3, 4; 5, 6 sind hintereinandergeschaltet und mit Schleif­ ringen 7, 8 verbunden, deren Spannung über Schleif­ kontakte 9, 10 abgenommen wird. Unter Zwischenschal­ tung eines Verstärkers 11 ist ein schreibendes Regi­ striergerät 12 angeschlossen, welches zusätzlich mit einem Drehzahlgeber 13 im Bereich der von einem An­ triebsmotor 14 antreibbaren Zentrifugenwelle 15 in Verbindung steht.

In den Kammern 1, 2 wird in Tetrachlorkohlenstoff ge­ löstes Monochlormethan eingefüllt. Diese Substanz er­ scheint wegen ihres permanenten Dipolmomentes zur An­ wendung des Verfahrens besonders geeignet. Die Zentri­ fuge wird danach in Betrieb gesetzt und die Drehzahl langsam bis auf etwa n = 20 000 U/min gesteigert (ca. 100 000 g). Durch das Registriergerät 12 erfolgt die Aufzeichnung der Spannung U als Funktion der Drehzahl n.

Es ergibt sich der in Fig. 2 dargestellte S-förmige Kurvenverlauf. Die Lage des Wendepunktes W ist unter der Voraussetzung konstanter Temperatur und definier­ tem Lösungsmittel für die Substanz spezifisch und ermöglicht eine qualitative Aussage über die Zusam­ mensetzung des zu untersuchenden Stoffes.

Eine quantitative Aussage läßt sich ebenfalls erlangen. Ergibt beispielsweise eine einmolare Lösung eine Spannung von 0,6 mV, so tritt bei einer ¹/₂ molaren Lösung eine Spannung von 0,3 mV und bei einer ¹/₄ molaren Lösung eine Spannung von 0,15 mV auf. Das Verfahren gestattet auch eine Aussage über den Richtungssinn des untersuchten Dipolmomentes in der entsprechenden Substanz.

Nach Fig. 3 sind in Tetra­ chlorkohlenstoff unterschiedliche Mengen von Mono­ chlormethan und Monojodmethan, d. h. ebenfalls Substan­ zen mit permanentem elektrischem Dipolmoment gelöst. Das Substanzgemisch wird in die Kammern 1, 2 gegeben.

Das Registriergerät 12 zeichnet während des Zentri­ fugierungsvorganges U = f(n) auf.

Unter dem Einfluß der ansteigenden Gravitationskraft orientieren sich die unsymmetrisch gebauten Moleküle der zu untersuchenden Substanzen derart, daß sie eine Vorzugsrichtung einnehmen. Da das Jodatom wesentlich schwerer ist als das Chloratom, werden sich zuerst die Monojodmethanmoleküle und danach bei einer höheren Drehzahl die Monochlormethanmoleküle ausrichten und zwar derart, daß die Halogenatome in Richtung des Gravitationsfeldes liegen.

Die Messung ergibt eine Treppenkurve mit zwei S-förmi­ gen Kurventeilen, wobei die Wendepunkte W ₁, W ₂ dieser S-förmig gebogenen Kurventeile bzw. die Mittelpunkte der Geradenabschnitte bei konstanter Temperatur in einem definierten Lösungsmittel den für die Substanzen spezifischen Wert darstellen, der ihre Identifizierung, d. h. eine qualitative Aussage über die Zusammensetzung eines zu untersuchenden Stoffes ermöglicht.

Nach Fig. 4 ist in einem ge­ eigneten Lösungsmittel gelöstes Monojodmethan, wobei das Jod in drei verschiedenen Jodisotopen in einem vorgegebenen Massenverhältnis vorliegt, unter den im Vorangehenden beschriebenen Bedingungen jedoch mit einer höheren Gravitationskraft zentrifugiert worden. Es ergeben sich mehrere S-förmige Kurventeile mit anschließenden Plateauabschnitten. Die Lage der charakte­ ristischen Wendepunke (W ₁, W ₂, W ₃) des Spannungsver­ laufs ist in Fig. 4 erkennbar. Die Kurventeile sind die Resultanten des in der verwendeten Jodverbin­ dung vorgegebenen Isotopengleichgewichtes. Durch die exakte Meßmöglichkeit und die eindeutige Zuordnung einer positiven bzw. negativen Ladung auf den Elektroden kann die Richtung des Dipolmomentvektors räumlich festge­ stellt werden. Da das Isotopengleichgewicht in den meisten Fällen aus anderen Messungen bekannt ist, läßt sich aufgrund des Gravitationsspektrogramms eine Aussage darüber machen, welcher Bauteil des Moleküls in Richtung des Gravitationsfeldes liegt. Das schwere Isotop, das im allgemeinen in einer anderen Konzentra­ tion vorliegt als das leichtere Isotop, wird sich zuerst ausrichten.

Durch solche Messungen unter Berücksichtigung der natürlichen Isotopengemischhäufigkeiten ist sowohl eine Strukturaufklärung unbekannter wie auch bekannter Substanzen möglich. Eine zunächst unbekannte Substanz läßt sich in einem Gemisch dadurch bestimmen, daß zu dem natürlichen Isotopengleichgewicht eines bestimmten Atoms passende Kurvenzüge aufgefunden werden. Das Schreiben von zwei Gravitationsspektren von Substanz­ gemischen ermöglicht eine Aussage über die Gleichheit der Substanzgemische auch ohne Kenntnis ihrer Zusammen­ setzung allein aufgrund eines identischen Gravitations­ spektrums.

Claims (3)

1. Verfahren zur Analyse von Substanzen, die in einer Zentrifuge einer Gravitationskraft ausgesetzt werden und bei denen über Elektroden, die mit den Substanzen in Berührung stehen, die Änderung elektrischer Eigenschaften gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, daß Substanzen aus Molekülen, die ein permanentes Dipolmoment aufweisen, flüssig oder gelöst in der Zentrifuge einer gesteigerten Drehzahl unterworfen werden und daß während des Zentrifugiervorganges eine elektrische Spannung in Abhängigkeit von der Drehzahl gemessen und die Substanzen durch den sich ergebenden Kurvenverlauf bei gegebener Temperatur charakterisiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Größe des ange­ legten Gravitationsfeldes oberhalb von 20 g liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einwirkung der Gravitationskraft durch Ultrazentrifugieren erzeugt wird.