DE4116179A1 - Elektrophoresekammer - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Elektrophoresekammer
variabler Größe mit modularem Aufbau.
Die Elektrophorese ist eine sehr leistungsfähige
analytische Methode für die Trennung von Proteinen,
aber man kennt auch zahlreiche Techniken der
präparativen Elektrophorese, die jedoch überwiegend für
Trennungen in einem Maßstab von Milligramm-Mengen an
Proteinen eingesetzt werden. Ein Hauptproblem bei der
Maßstabserweiterung ("scale up") ist die Ableitung der
beim Stromdurchgang entstehenden Joule′schen Wärme. Um
sie abzuleiten, werden unterschiedliche Wege
beschritten.
Eine besonders erfolgreiche Technik ist die präparative
isoelektrische Fokussierung in Schichten granulierter
Gele, mit deren Hilfe Gramm-Mengen von Proteinen mit
hoher Auflösung getrennt werden konnten (Radola, B.J.,
Methods Enzymol. 1984, 104, 256-275).
In diesem Trennsystem ist die Schichtdicke auf ca. 1 cm
begrenzt, auch kann die Trennstrecke nicht verlängert
werden, so daß das Trennvolumen lediglich durch
Variation der Breite der Schicht vergrößert werden
kann. Einer solchen Maßstabserweiterung sind aber enge
praktische Grenzen gesetzt. Auch andere aus der
Literatur bekannte präparative Systeme mit
zylindrischer Geometrie lassen sich weder bei radialer
noch axialer Kühlung in einen größeren Maßstab
übertragen (Rilbe, H. und Petterson, S., in:
Arbuthnott, J.P. und Beeley, J.A. Isoelectric Focusing,
Butterworth, London 1975, pp. 44-57).
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine
Vorrichtung für die präparative Elektrophorese zur
Verfügung zu stellen, die die Trennung von größeren
Substanzmengen ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird eine Elektrophoresekammer
vorgeschlagen, die aus einer Vielzahl kühlbarer
Elemente zur Aufnahme eines Trennmediums besteht.
Die erfindungsgemäßen Elemente (1) sind von U-förmiger
Struktur, wobei ihre inneren Flächen (2) eine Kammer
(3) zur Aufnahme des Trennmediums bilden. Jedes Element
enthält mindestens eine Einlaßöffnung (4a) und eine
Auslaßöffnung (4b) für das Kühlmittel. Die
gegenüberliegenden äußeren Seitenflächen (5) des
Elements enthalten Vorrichtungen zum Abdichten der
Trennkammer. Dies kann beispielsweise durch in
Vertiefungen (6) eingelegte Dichtungen - beispielsweise
aus Silikon - erfolgen. Zweckmäßigerweise sind die
erfindungsgemäßen Elemente (1) aus einem gut
wärmeleitenden Material gefertigt, um die in der Kammer
während der Elektrophorese entstehende Wärme gut an das
Kühlmedium abzugeben. Geeignete Materialien sind
beispielsweise Metalle, wie zum Beispiel Aluminium,
Kupfer, Eisen, Messing und andere Legierungen. Es ist
selbstverständlich, daß die Elemente in diesen Fällen
mit einem elektrisch nicht leitenden Überzug, z. B. aus
einem Kunststoff, überzogen sein müssen, um einen
elektrischen Kurzschluß zu vermeiden. Im Inneren sind
die erfindungsgemäßen Elemente hohl, oder weisen
geeignete Kühlflüssigkeitskanäle (7) auf, die Einlaß
und Auslaßöffnung (4a), (4b) miteinander verbinden.
In einer besonderen Ausführungsform enthält das
erfindungsgemäße Element im hinteren Bereich - der den
Boden der Trennkammer bildet - eine Vorrichtung, durch
die ein inertes Gas, z. B. Luft, Stickstoff, Argon in
die Trennkammer geblasen werden kann. Die aufsteigenden
Gasbläschen sorgen für eine gute Durchmischung des
Elektrolyten in dem jeweiligen Element, wodurch
einerseits einem vertikalen Konzentrationsprofil
entgegengewirkt wird, und andererseits ein besserer
Wärmeaustausch zwischen dem Elektrolyten und den
gekühlten inneren Flächen (2) erfolgt.
In der einfachsten Ausführungsform besteht die
Vorrichtung aus einem in eine zweite Vertiefung (8)
eingelegten Schlauch zum Durchleiten des Gases, der im
Bodenbereich (9) des Elementes (1) an seiner oberen
Seite kleine Öffnungen (10) zum Austritt der
Gasbläschen aufweist. Diese Öffnungen (10) können durch
kleine nach oben gerichtete Röhrchen (11) stabilisiert
werden.
Selbstverständlich kann eine solche Vorrichtung zur
Erzeugung von Gasbläschen auch direkt in die
Konstruktion des Elementes (1) integriert werden, so
daß beispielsweise der Boden (9) kleine Öffnungen (10)
enthält, die mit einem Kanal verbunden sind, durch den
das Gas eingeleitet wird.
Hinsichtlich der Abmessungen eines Elementes können
folgende Parameter angesetzt werden. Die Trennkammer
sollte etwa 8 bis 13 cm in ihrer Breite und Höhe
betragen, wobei geringere Werte problemlos erreicht
werden können, bei größeren Werten ist die
aufzubringende Kühlleistung der limitierende Faktor.
Die Tiefe eines Elementes beträgt im allgemeinen 1 bis
2 cm, wobei ein unterer Bereich durch die
Materialstärke des verwendeten Materials definiert ist
und ein oberer Bereich in Konkurrenz zu dem Bestreben
steht, bei vorgegebener Länge der zusammengebauten
Elektrophoresekammer eine möglichst große Anzahl von
einzelnen Elementen zu integrieren.
Die erfindungsgemaße Elektrophoresekammer besteht neben
den einzelnen Elementen (1) aus zwei Endstücken (12)
zur Aufnahme der Elektroden (13) und zum Abschluß des
Systems.
Obwohl die Ausführung der Elektroden im Rahmen üblicher
Ausführungsformen variiert werden kann, hat es sich als
vorteilhaft erwiesen, eine netzartig aufgebaute
Elektrode aus platinierten Titanelektroden einzusetzen.
Alternativ kann auch eine netzartige Elektrode
eingesetzt werden. Ein "grobmaschiges" Netz (1-3
mm Maschenweite) aus einem inerten Material (z. B.
Kunststoff), wird meanderförmig von einem leitenden
Material, bevorzugt einem Platindraht, durchzogen.
Geeignet sind ebenfalls Netze, die ausschließlich aus
einem Platin- oder Platin- Iridium-Draht geflochten
sind. Geeignet sind auch Graphit-Elektroden. Aus
Kostengründen sind Netze aus platiniertem Titan
bevorzugt. Die Fläche der Elektrode entspricht in etwa
der Innenfläche (14) der Elemente. Aufgrund der hohen
Feldstärke zwischen 50 bis 200 Volt/cm, und der damit
verbundenen Gasentwicklung im Elektrodenraum ist es
vorteilhaft, wenn die beiden Elemente, die die beiden
Elektroden enthalten, ein wesentlich größeres Volumen
aufweisen als die anderen Elemente. Hierdurch wird zu
starkes Schäumen vermieden.
Zur Aufnahme der Elektroden kann ein Endstück zwei
Nuten enthalten, in die die Elektrode eingeschoben
wird. Während das Endstück auf der Trennkammer
zugewandten Fläche dieselben Konstruktionsmerkmale
aufweisen wie ein Element, ist die Rückseite
geschlossen, so daß durch Zusammenfügen mehrerer
Elemente und zweier Endstücke eine flüssigkeitsdichte
Trennkammer gebildet wird.
Die Außenseiten (15) und die Unterseiten (16) der
Elemente wie auch der Endstücke können Vorrichtungen,
z. B. in Form von Aussparungen enthalten, damit alle
Elemente in einer Spannvorrichtung eingepaßt werden
können.
Um einer Konvektion während der Trennung
entgegenzuwirken, ist es notwendig, die einzelnen
Segmente durch halbdurchlässige Trennelemente
voneinander abzutrennen.
Dazu können technische Gewebe mit kleiner Porenweite
eingesetzt werden wie sie beispielsweise in der
deutschen Offenlegungsschrift 37 36 087 beschrieben
sind, auf die hiermit hinhaltlich Bezug genommen wird.
Solche feinmaschigen Polyestergewebe können entweder
direkt zwischen zwei Segmente gelegt werden, oder aber
auf Rähmchen gezogen in die dafür vorgesehene Nuten der
Segmente eingeschoben werden.
Die halbdurchlässigen Trennelemente müssen nach
Beendigung der Trennung durch Einschub passender
Gummischeiben vollständig voneinander getrennt werden,
um die Entleerung der einzelnen Segmente durchführen zu
können.
Geeignet sind ebenfalls ultradünne gewebegestützte
Polyacylamidgele oder Agarosegele mit einer Stärke von
ca. 0,05 bis 2 mm, bevorzugt 0,05 bis 0,1 mm, die
membranartige Eigenschaften aufweisen. Bei Verwendung
derartiger netzgestützter Gele ist vor der
Fraktionierung keine zusätzliche Abtrennung durch
Gummischeiben erforderlich, da durch die Gelschicht
eine Vermischung der Segmentinhalte während der
Fraktionierung verhindert wird.
Solche dünnen gewebegestützte Gele können auch direkt
zwischen zwei Elemente gelegt werden, ohne daß
weitere konstruktive Maßnahmen notwendig sind.
Infolge des durch die äußere Spannvorrichtung
ausgeübten Druckes sind die Gele zwischen den Elementen
fixiert.
Abbildung 1 zeigt eine Aufsicht auf die aus mehreren
Elementen (1) und zwei Endstücken (12), die ebenfalls
die Elektroden (13) enthalten, bestehende
Elektrophoresekammer (A). Die Spanneinrichtung zum
Zusammenhalt der Elemente wie auch die elektrischen
Einrichtungen sind nicht dargestellt. An den Seiten
sind die Auslaß- bzw. Einlaßöffnungen (4a), (4b) für das
Kühlmedium dargestellt. Im oberen Endstück und im
ersten oberen Element sind beispielhaft die Nuten (17)
eingezeichnet, in die nach beendeter Elektrophorese
Trennelemente (18) zur Vermeidung von Stoffaustausch in
die Nute (17) eingeschoben werden können. Die
Trennelemente bestehen aus einfachen Gummischeiben
Abbildung 2 zeigt ein einzelnes Element mit Ein- und
Auslaßöffnungen (4a), (4b). Die inneren Flächen (2) der
Seiten und die inneren Flächen (2) des Bodenbereichs
(9) und mehrere Elemente bilden die Kammer für die
Elektrolytlösung. Die äußeren Seitenflächen (5)
enthalten nicht dargestellte Vorrichtungen zum
flüssigkeitsdichten Abdichten zweier benachbarter
Elemente.
Abbildung 3 zeigt einen Schnitt entlang der Achse AA
der Abbildung 2. Straffiert dargestellt ist der
Kühlflüssigkeitskanal (7), der Ein- und Auslaßöffnungen
(4a), (4b) miteinander verbindet.
In Abbildung 4 sind Vertiefungen (6) zur Aufnahme von
Dichtungsprofilen, z. B. aus einem Siliconschlauch,
dargestellt. Die der Kammer zugewandte Vertiefung 8
enthält einen Siliconschlauch, der im Bodenbereich (9)
der Kammer Röhrchen (11) mit kleineren Öffnungen (10)
enthält. Durch diesen Schlauch wird ein inertes Gas in
den Bodenbereich zur Durchmischung der Elektrolytlösung
geleitet.
Abbildung 5 zeigt ein Endstück (12) mit Vertiefung (6)
für das Dichtungsprofil und eine Nute (17) für die
Elektroden. Die Vertiefungen (8) sind in Abbildung 5
nicht dargestellt.
Claims (8)
1. Elektrophoresekammer zur Aufnahme einer
Elektrolytlösung bestehend aus einer Vielzahl
U-förmiger Elemente (1) sowie zweier
Abschlußelemente (12) zur Aufnahme der Elektroden,
dadurch gekennzeichnet, daß die U-förmigen
Elemente Vorrichtungen zur Kühlung ihrer
Innenflächen enthalten.
2. Elektrophoresekammer nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß jedes U-förmige Element im
Inneren einen Hohlraum (7) (Kühlflüssigkeits
kanäle) aufweist und mindestens eine Einlaßöffnung
(4a) und mindestens eine Auslaßöffnung (4b) für
ein Kühlmittel enthält, wobei die
gegenüberliegenden äußeren Seitenflächen (5) eines
Elements (1) Vorrichtungen zum Abdichten der
Elektrophoresekammer enthalten.
3. Elektrophoresekammer nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Elemente
(1) Vorrichtungen (17) für Trennelemente (18)
enthalten, um einen Stoffaustausch zwischen zwei
Elementen zu verhindern.
4. Elektrophoresekammer nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Trennelemente (18)
membranartige Eigenschaften aufweisen.
5. Elektrophoresekammer, dadurch gekennzeichnet, daß
sie eine Vorrichtung zur Durchmischung der
Elektrolytlösung innerhalb jeden Elements enthält.
6. Elektrophoresekammer nach einem der Ansprüche l
bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Element
(1) in seinem unteren Bereich, der den Boden der
Elektrolytkammer bildet, eine Vorrichtung enthält,
durch die ein inertes Gas in die Elektrolytkammer
geblasen werden kann.
7. Elektrophoresekammer nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur
Durchmischung gleichzeitig eine Abdichtfunktion
erfüllt und zwischen zwei Elementen (1) angeordnet
ist.
8. Element zum Aufbau einer Elektrophoresekammer,
dadurch gekennzeichnet, daß es eine U-förmige
Struktur aufweist, eine Vorrichtung zur Kühlung
der Innenflächen, gegebenenfalls eine Vorrichtung
zum Durchmischen des Elektrolyten und
Vorrichtungen zum flüssigkeitsdichten Abdichten
benachbarter Elemente aufweist.
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