DE3931851C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen computergesteuerten Potentialdifferenz- Leitfähigkeitsscanner für Elektrophoresesysteme nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Elektrophorese ist ein Verfahren zur Trennung von geladenen Partikeln mit Hilfe eines elektrischen Feldes. Dabei wird die von Partikelspezies zu Partikelspezies unterschiedliche Eigenschaft der elektrophoretischen Mobilität oder des isoelektrischen Punktes zu einer Auftrennung in die einzelnen Spezies ausgenutzt. Elektrophorese kann sowohl in einem stabilisierenden Trägermedium (Gel) als auch ohne Trägermedium, d. h. im freien Elektrolyten durchgeführt werden. Die Messung von Potentialprofilen und Leitfähigkeitsprofilen entlang der Trennstrecke von Elektrophoresesystemen ermöglicht die Beurteilung einer Trennung hinsichtlich der Optimierung der Trennparameter sowie eine Störungsdiagnose.

Es ist bekannt, zur Detektion von Potentialprofilen eindimensionaler Elektrophoresesysteme einen Detektor mit senkrecht zur Feldrichtung strichförmig auf die Oberfläche einer Detektorträgerplatte aufgebrachten Edelmetallelektroden einzusetzen. Die Aufnahme eines Potentialprofils erfolgt dabei durch mechanisches, sequentielles, schrittmotorgesteuertes Abtasten der zum Detektorträgerplattenrand verlängerten Edelmetallelektroden am äußeren Detektorträgerplattenrand mittels eines Doppelschleifkontaktes (W. Thormann et. al., Electrophoresis Forum 1984, Seiten 114 bis 117).

Der beschriebene Detektor kann wegen der strichförmigen Längenausdehnung der detektierenden Elektroden sowie der mechanischen Abtastung der einzelnen Potentialdifferenzen am äußeren Detektorträgerplattenrand nur für eindimensionale Elektrophoresesysteme, jedoch nicht für solche mit flächiger Geometrie eingesetzt werden. Die mechanische Abtastung beinhaltet aufgrund der reibenden Beanspruchung der Schleifkontakte eine mit der Zahl der Messungen zunehmende Meßungenauigkeit. Die Messung wird ausschließlich in einem Meßbereich durchgeführt, was den Einsatzbereich des Detektors einschränkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, sowohl Potential- als auch Leitfähigkeitsmeßdaten von Elektrophoresesystemen mit ein- oder zweidimensionaler Geometrie, insbesondere von beliebigen Orten auf der Trennfläche einer Kammer zur trägerfreien Durchflußelektrophorese zu erfassen und damit die zu einer Trennparameteroptimierung und/oder Trennprozeßkontrolle notwendigen Daten zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Eine Ansteuerung der Detektionselektroden erfolgt nach Anspruch 1 sowie der Aufbau des Scanners nach Unteranspruch 2, um die modulare Ansteuer- und Meßelektronik räumlich und in ihrer Funktion von der Anordnungsgeometrie der Detektionselektroden unabhängig zu machen. Die Ausgestaltung der Erfindung erfolgt nach Unteranspruch 4, um Störungen der Elektrophorese durch die Bildung von Gasblasen auszuschließen.

Die Ausgestaltung der Erfindung erfolgt nach Unteranspruch 5, um die Leitfähigkeit des Elektrolyten mit ausreichender Genauigkeit in einem weiten Leitfähigkeitenbereich bei eingeschalteter Elektrophoresegleichspannung ermitteln zu können.

Die erhaltenen Meßdaten dienen zur automatisierten und/oder manuellen Trennparameteroptimierung und/oder Trennprozeßkontrolle von elektrophoretischen Trennungen, insbesondere der trägerfreien Durchflußelektrophorese, die bei der analytischen sowie präparativen Aufreinigung und Trennung geladener Partikel, insbesondere natürlicher sowie gentechnologisch hergestellter Biopolymere zum Einsatz kommt.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen in der Ermöglichung einer beschleunigten oder automatisierten Trennparameteroptimierung und/oder Trennprozeßkontrolle elektrophoretischer Trennungen, insbesondere der trägerfreien Durchflußelektrophorese, bei denen bislang die Trennparameter in zeitaufwendigen Versuchsreihen optimiert werden, und Potential- und Leitfähigkeitsdaten von der Trennfläche nicht vorliegen.

Vorteilhaft sind weiterhin die Austauschbarkeit der Detektoreinheit und dadurch erzielte Anpaßbarkeit des Gerätes an unterschiedliche Elektrophoresesysteme und Meßzwecke (Mehrreihendetektion zur Trennparameteroptimierung, Einreihendetektion mit hoher Detektionselektrodendichte zur Trennprozeßkontrolle), die durch die Verwendung von Relais erzielte, nur wenige Millisekunden dauernde Zugriffszeit auf ein Detektionselektrodenpaar, sowie Reproduzierbarkeit der Meßwerte und sichere und preisgünstige Entkopplung von Elektrophoresegleichspannungen bis 4000 Volt, die Kompatibilität des Systems zu jedem Mikrocomputer mit 32-Bit-Parallel-Input/Output-Zusatzkarte.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1: Blockschaltbild des PL-Scanners;

Fig. 2: Schematische Darstellung einer Detektionselektrodeneinheit als modifiziertes Oberteil einer Kammer zur trägerfreien Durchflußelektrophorese und einer einzelnen Detektionselektrode der Detektionselektrodeneinheit;

Fig. 3: Schaltplan der modularen Ansteuerelektronik mit Meßpunktkontrollanzeige;

Fig. 4: Schaltplan der Moduswahleinheit mit Oszillator und Präzisionsgleichrichter/Integrator;

Fig. 5: Schaltplan des Meßverstärkers mit Aktivpaßfilter und Analog/Digitalwandler;

Fig. 6: Schaltplan der Stromversorgungsnetzteile.

Es folgt die Erläuterung der Erfindung (anhand der Zeichnungen nach Aufbau und ggf. auch nach Wirkungsweise der dargestellten Erfindung. Im Blockschaltbild (Fig. 1) sind die einzelnen Baugruppen des Potentialdifferenz- Leitfähigkeits-Scanners wiedergegeben.

Die modulare Ansteuerelektronik (Fig. 1) schaltet ein mit einem binären Datenwort (Fig. 3: ZB0 . . . 7) ausgewähltes Detektionselektrodenpaar der Detektionselektrodeneinheit (Fig. 1 und 2) auf zwei Hauptmeßleitungen (Fig. 3 und 4: MLA, MLB).

Die Moduswahleinheit (Fig. 1: MODUS-WAHL) schaltet den Scanner entweder in den Modus zur Potentialdifferenzmessung oder den zur Leitfähigkeitsmessung. Im Potentialdifferenz-Modus sind die Hauptmeßleitungen mit einem Meßverstärker verbunden. Im Leitfähigkeits-Modus ist in den Meßweg kapazitiv von der Elektrophoresegleichspannung entkoppelt ein 1000 Hz-Oszillator, ein Referenzwiderstand sowie ein Präzisionsgleichrichter/Integrator eingeschleift (Fig. 1).

Dem Meßverstärker ist ein frequenzvariabler, aktiver Tiefpaß nachgeschaltet, der unter Anpassung an die Frequenz der Einzelmeßwertaufnahme hochfrequente Störimpulse, wie sie von den Digitalbausteinen der Schaltung zu erwarten sind, ausfiltert.

Das Gleichspannungssignal wird von einem softwaregesteuerten Analog/Digitalwandler in ein binäres Datenwort umgewandelt, welches vom Steuercomputer abgefragt wird (Fig. 1).

Bei Potentialmessungen ist eine Detektionselektrode des angewählten Paares mit der Schaltungsmasse der modularen Ansteuer- und Meßelektronik des Scanners verbunden, die demnach gegenüber dem Erdpotential eine Spannung bis zu 4000 V aufweisen kann.

Die galvanische Trennung der Ansteuer- und Meßelektronik vom Erdpotential erfolgt bei der Kommunikation mit dem Steuercomputer mittels Optokopplern (Fig. 1: DIGITALE OPTISCHE ENTKOPPLUNG), (Fig. 3: IC 3 . . . 10; Fig. 4: IC11 . . . 13; Fig. 5: IC12 . . . 26), stromversorgungsseitig mittels hochspannungsfester Netztransformatoren. Die Kommunikation mit dem Steuercomputer erfordert zum Betrieb der niedervoltseitigen Treiberbausteine und Optokopplerelemente ein von der Versorgung der Ansteuer- und Meßelektronik separates Netzteil (Fig. 6: NV), dessen Schaltungsmasse mit der Computermasse verbunden ist.

Ein Zugriff auf ein beliebiges Paar von benachbarten Detektionselektroden aktiviert mit den höherwertigen 4 Bits des Zugriffswortes über den Hauptdemultiplexer (Fig. 3: IC14) einen Gruppendemultiplexer und schaltet die zwei Gruppenmeßleitungen über Gruppentrennrelais (Fig. 3: S17,18; 33,34; . . .) auf die zwei Hauptmeßleitungen.

Die niederwertigen vier Bits des Zugriffswortes verbinden über den aktiven Gruppendemultiplexer (Fig. 3, IC20 . . . 35) eines der 16 Detektionselektrodenpaare (Fig. 3: ME1/2, 2/3 . . . 15/16; 16/17 . . . 31/32; . . . 255/256) der Gruppe mit den Gruppenmeßleitungen und damit über die Hauptmeßleitungen mit der Moduswahleinheit (Fig. 1).

Je nach Wert des Steuerbit 4 (Fig. 4: SB4) sind die Hauptmeßleitungen entweder mit dem Meßverstärker verbunden (Potentialdifferenzmessung) (Fig. 4: MLA-VLA, MLB-VLB) oder mit dem Oszillator (Fig. 4: IC1-C3- C4-MLA) und dem Präzisionsgleichrichter/Integrator (Fig. 4: MLB-C5-C6- IC2) (Leitfähigkeitenmessung).

Steuerbit 5 und 6 (Fig. 4: SB5, 6) bestimmen über einen 2-Bit- Demultiplexer (Fig. 4: IC7), welcher der Referenzwiderstände (Fig. 4: R5 . . . 7) mit der Schaltungsmasse verbunden ist. Gemessen wird die Wechselspannung, die in der Reihenschaltung Oszillator-Elektrolyt- Referenzwiderstand nach dem Durchgang des Meßwechselstroms durch den Elektrolyten über dem Referenzwiderstand abfällt. Das Meßsignal wird gleichgerichtet (Fig. 4: IC3, 4) und über eine der beiden Meßverstärkerleitungen (Fig. 4: VLA) zum Meßverstärker geleitet. Die Leitfähigkeit des Elektrolyten wird aus der gemessenen Spannung mittels einer Korrekturfunktion errechnet, die in Eichmeßreihen ermittelt wird.

Aus Gründen der Betriebssicherheit ist der Hauptdemultiplexer mittels einer NOR-Logik (Fig. 5: IC8, 7) über die Hauptdemultiplexeraktivierungsleitung (Fig. 3, 5: DEN) nur aktiviert, wenn die Meßbereichsdekade (Fig. 5: R1 . . . 4) mit dem Eingangsverstärker (Fig. 5: IC1) verbunden ist (Fig. 5: S1 . . . 4), also der Steuercomputer die Information über die am Meßverstärker anliegende Spannung erhalten kann.

Die Ausgestaltung mit geschachtelten Demultiplexern schließt eine Mehrfachansteuerung von Detektionselektrodenpaaren und damit einen Kurzschluß der Elektrophoresespannung über die Meßleitung aus, und gewährleistet die modulare Erweiterbarkeit des Scanners.

Verwendete elektronische Bauelemente

Fig. 3

IC1, 2: CMOS 4584 Schmitt-trigger-inv.
IC3 . . . 10: PC 900 Optokoppler
IC11, 12: TTL 7414 Schmitt-trigger-inv.
IC13, 15 . . . 18: TTL 7407 Treiber mit o. K.
IC19, 37 . . . 53: TTL 7406 Inverter mit o. K.
IC14, 20 . . . 35: TTL 74159 4-Bit Demultiplexer mit o. K.
D1 . . . 272: Universaldiode 1N4148
20 LED
R1 . . . 8: Kohleschichtw. 0,125 W, 5% 2,2 kOhm
R9 . . . 16, 29 . . . 33: Kohleschichtw. 0,125 W, 5% 1 kOhm
R17 . . . 24: Kohleschichtw. 0,125 W, 5% 47 kOhm
R25 . . . 28, 34 . . . 50: Kohleschichtw. 0,125 W, 5% 10 kOhm
S1 . . . 272: Relais mit 2 Schließern nach VDE 0730, Teil 1/3.72, Paragraph 22 n

Fig. 4

IC1: OPAMP 741
IC2: OPAMP CA 3140
IC3, 4: OPAMP LF 356 N
IC5, 10: CMOS 4010 Schmitt-trigger-inv.
IC6,8: TTL 7407 Treiber o. K.
IC7: TTL 74155 2 2-Bit Demultiplexer
IC11 . . . 13: PC 900 Optokoppler
D1 . . . 7: Universaldiode 1N4148
C1, 2: MKS 10 nF, 63 V
C3 . . . 6: Boosterkond. 0,47 µF, 1500 V
C7: MKS, 6,3 µF, 63 V
C8, 9, 10, 12: ELKO, 1000 µF, 16 V
C11: MKS 0,22 µF, 63 V
C13: MKS 0,1 µF, 63 V
R1: Kohleschichtw., 0,125 W, 5% 5,8 kOhm
R2: Kohleschichtw., 0,125 W, 5% 2,7 kOhm
R3: Kohleschichtw., 0,125 W, 5% 100 kOhm
R4, 14, 16: Kohleschichtw., 0,125 W, 5% 10 kOhm
R8: Kohleschichtw., 0,125 W, 5% 3,3 kOhm
R17: Kohleschichtw., 0,125 W, 5% 1,5 kOhm
R18: Kohleschichtw., 0,125 W, 5% 1 kOhm
R19: Kohleschichtw., 0,125 W, 5% 22 kOhm
R5: Metallfilmw., 0,125 W, 1% 100 kOhm
R6: Metallfilmw., 0,125 W, 1% 470 kOhm
R7: Metallfilmw., 0,125 W, 1% 2 MOhm
R9, 10, 11: Metallfilmw., 0,125 W, 1% 3,9 kOhm
R12: Metallfilmw., 0,125 W, 1% 20 kOhm
R13: Metallfilmw., 0,125 W, 1% 10 kOhm
R15: Metallfilmw., 0,125 W, 1% 22,3 kOhm
P1, 2: Trimmpoti lin, 0,25 W 50 kOhm
S1, 2: Relais mit 2 Schließern nach VDE 0730, Teil 1/3.72, Paragraph 22 n
S3 . . . 5: Reedkontakte 12 V

Fig. 5

IC1, 2: OPAMP LF 356 N
IC3: ZN 427 E 8-Bit A/D-Wandler
IC6, 7, 9: CMOS 4010 Schmitt-trigger-inv
IC8: TTL 7432, 4 OR-Gatter
IC10, 11: TTL 7406 Inverter o. K.
IC12 . . . 26: PC 900 Optokoppler
IC27, 29, 30: TTL 7414 Schmitt-trigger-inv.
IC28: TTL 7407 Treiber o. K.
D1 . . . 5: Universaldiode 1N4148
ZD1: Zehnerdiode 100 mA, 15 V
ZD2: Zehnerdiode 100 mA, 4,7 V
8 LED
C2, 4, 8, 10: MKS 0,1 µF, 63 V
C1, 3, 7, 9: ELKO 1000 µF, 16 V
C5, 6: MKS 0,15 µF, 63 V
C11: MKS 3 µF, 63 V
C12: Ker. 220 pF, 63 V
R1 . . . 4: Laborwiderstandsdekade 10 MOhm, 0,1%
R5: Kohleschichtw. 0,125 W, 5%, 22 kOhm
R6, 10: Kohleschichtw. 0,125 W, 5%, 5,6 kOhm
R7: Kohleschichtw. 0,125 W, 5%, 8,2 kOhm
R8: Kohleschichtw. 0,125 W, 5%, 390 Ohm
R9: Kohleschichtw. 0,125 W, 5%, 180 kOhm
R11, 14, 20: Kohleschichtw. 0,125 W, 5%, 1,5 kOhm
R12, 15, 18: Kohleschichtw. 0,125 W, 5%, 1 kOhm
R13, 16, 19: Kohleschichtw. 0,125 W, 5%, 100 kOhm
P1: Stereopoti lin 2 × 100 kOhm
P2, 6: Cermet Spindeltrimmer lin 100 kOhm
P3: Trimmpoti lin 0,25 W, 5 kOhm
P4: Trimmpoti lin 0,25 W, 1 MOhm
P5: Cermet Spindeltrimmer lin 20 kOhm
S1 . . . 4: Relais mit 2 Schließern nach VDE 0730, Teil 1/3.72, Paragraph 22 n

Fig. 6

Angaben zu den verwendeten Bauteilen befinden sich in der Zeichnung

Claims (4)

1. Computergesteuerter Scanner zur Messung von Potentialdifferenzen und Leitfähigkeiten im Elektrolyt von Elektrophoresesystemen, insbesondere zur Verwendung als Trennparameteroptimierungs- und/oder Trennprozeßkontrolldetektor bei der trägerfreien Durchflußelektrophorese, dadurch gekennzeichnet, daß eine Detektionselektrodeneinheit, die eine Vielzahl von in einer oder mehreren, zu den elektrischen Feldlinien parallelen Reihen angeordneten, in direktem Kontakt mit dem Elektrolyten stehenden Detektionselektroden umfaßt, über einen Relaisbaum mit einer Ansteuer- und Meßelektronik verbunden ist, wobei die Ansteuer- und Meßelektronik eine Moduswahleinheit, eine Einheit zur Meßbereichsanpassung, eine kapazitiv entkoppelte Meßbrücke und einen Meßverstärker mit Analogfilter, einen A/D-Wandler und eine digitale optische Hochspannungsentkopplung umfaßt.

2. Computergesteuerter Scanner zur Messung von Potentialdifferenzen und Leitfähigkeiten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Scanner untergliedert ist in eine Detektionselektrodeneinheit und eine modulare Ansteuer- und Meßelektronik, die in der Zahl der damit ansteuerbaren Detektionselektroden mittels zusätzlicher relaisbestückter Ansteuermoleküle erweiterbar ist und mit der Detektoreinheit durch handelsübliche Flachkabelverbinder verbunden wird, so daß Detektionselektrodeneinheiten, die sich in der Zahl und der Anordnungsgeometrie der Detektionselektroden unterscheiden, mit der gleichen Ansteuer- und Meßelektronik betreibbar sind.

3. Computergesteuerter Scanner zur Messung von Potentialdifferenzen und Leitfähigkeiten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Detektionselektrode einer Detektionselektrodeneinheit nach Anspruch 1 und 2 aus Edelmetall gefertigt und rundstabförmig ist, senkrecht in die Wandung, die an den Elektrolyten des Elektrophoresesystems angrenzt, eingelassen ist und mit der zum Elektrolyten weisenden Wandungsfläche plan abschließt, so daß die Querschnittsfläche der Detektionselektrode die detektierende Fläche darstellt, die so klein gewählt ist, daß die größte bei der Elektrophorese im Elektrolyten auftretende Feldstärke bei beliebiger Feldrichtung keinen zu einer Elektrolyse führenden Spannungsabfall über die detektierende Fläche erzeugt.

4. Computergesteuerter Scanner zur Messung von Potentialdifferenzen und Leitfähigkeiten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Leitfähigkeitsmessung kapazitiv von der Elektrophoresegleichspannung entkoppelt ein Oszillator in Reihe mit dem angesteuerten Detektionselektrodenpaar und einem von verschiedenen softwaregesteuert wählbaren Referenzwiderständen mittels Relais in den Meßweg eingeschleift wird.