DE4307955A1 - Elektrokinetische Vorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrokinetische Vorrichtung zur Trennung molekularer Stoffgemische in ihre einzelnen Komponenten unter der Wir­ kung eines elektrischen Feldes, und bezieht sich insbeson­ dere auf eine Elektrophorese-Vorrichtung.

Elektrophorese-Vorrichtungen werden inbesondere in der Bio­ chemie, Biologie und Medizin für analytische Trennverfahren und für mikropräparative Zwecke vorwiegend bei kolloidalen und makromolekularen Stoffgemischen angewendet. Die Elektro­ phorese beruht, ebenso wie Elektrodialyse, und -osmose auf einer elektrokinetischen Erscheinung, nämlich der Wanderung in einem Trägermittel dispergierter oder kolloidal gelöster geladener Teilchen im elektrischen Gleichstromfeld. Dabei bewegen sich geladene Moleküle und Partikeln jeweils in die Richtung der Elektrode mit entgegengesetztem Vorzeichen. Verschiedenartige Moleküle und Partikeln eines Gemisches wandern aufgrund unterschiedlicher Ladungen und Massen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und werden dabei in ein­ zelne Fraktionen aufgetrennt. Die elektrophoretische Mobili­ tät, d. h. die Wanderungsgeschwindigkeit, ist eine signifi­ kante und charakteristische Größe eines geladenen Moleküls oder Partikels und ist abhängig von den pK-Werten der ge­ ladenen Gruppen und der Molekül- bzw. der Partikelgröße. Sie wird beeinflußt von Art, Konzentration und pH-Wert des Puf­ fers, Temperatur, Feldstärke sowie der Beschaffenheit des Trägermaterials.

Ausführliche theoretische und praktische Grundlagen sind in Reiner Westermeier, Elektrophorese-Praktikum, VCH Verlagsge­ sellschaft mbH, Weinheim, Bundesrepublik Deutschland, 1990 und der darin zitierten Literatur zu finden.

Breite Anwendung hat in verschiedenen Variationen die soge­ nannte Träger-Elektrophorese gefunden, wobei nach Art des Trägers beispielsweise zwischen Agargel-Elektrophorese, Stärkegel-Elektrophorese als Verfahren der Gel- (Dünnschicht­ )Elektrophorese und der Papier-Elektrophorese unterschieden wird. Besonderer Beliebtheit erfreut sich die sogenannte PAGE (von Polyacrylamidgel-Elektrophorese).

Die als Trägermittel eingesetzten Gele dienen hierbei zur Verhinderung der Wärmekonvektion, zur Einschränkung der Diffusion, und als Träger für die fixierten Komponenten des getrennten Stoffgemisches. Als Resultat bei der Träger-Elek­ trophorese liegt ein Elektropherogramm vor, auf dem die ver­ schiedenen Komponenten des Trennungsgemisches in einzelnen Fraktionen (Banden) getrennt vorliegen. Diese Banden können auf an sich bekannte Weise durch geeignete Färbungen sicht­ bar gemacht, kolorimetrisch vermessen oder direkt im durch­ fallenden Licht photometriert oder mit geeigneten Densitome­ tern untersucht werden, wobei auch spezifische chemische oder biochemische Reaktionen benutzt werden können, um die getrennten Substanzen darzustellen und zu identifizieren. Auf diese Weise läßt sich eine Extinktionskurve aufstellen, deren planimetrische Ausmessung direkt Aufschluß über die relativen Anteile der einzelnen Fraktionen ergibt. Eine Trä­ ger-Elektrophorese läßt sich in wenigen Stunden oder gar Mi­ nuten durchführen, gegebenenfalls unter Anwendung von Hoch­ spannung mit Gleichspannungen von mehr als 200 V.

Je nach der Richtung des elektrischen Feldes bzw. der Lage des Trägermittels (Trägergels) werden horizontale und verti­ kale Methoden unterschieden. Bei vertikalen Techniken wird das Trägermittel auf beiden Seitenflächen abgedeckt. Die Proben werden auf der Stirnseite aufgetragen. Bei horizonta­ len Techniken ist meist eine Fläche des Geles offen. Hier können die Proben an beliebiger Stelle aufgetragen werden.

Bei den horizontal arbeitenden Elektrophorese-Vorrichtungen findet insbesondere ein Typ breite Anwendung, bei dem das Trägergel in Folienform auf eine Kühlplatte aufgebracht wird. Durch die Verwendung einer gekühlten oder thermostati­ sierten Apparatur können bessere und reproduzierbarere Tren­ nergebnisse erzielt werden. Zur elektrischen Isolation be­ steht die Kühlplatte aus einem elektrisch nicht leitendem Material, beispielsweise aus Keramik. Wegen der im Vergleich zu elektrisch leitenden Materialien wie Metallen deutlich geringeren spezifischen Wärmeleitfähigkeit muß die Kühl­ platte eine ausreichend grobe Stärke von etwa mehr als 4 mm aufweisen, um eine ausreichende seitliche Wärmeleitung und damit einen guten seitlichen Temperaturausgleich zwischen benachbarten Zonen der Kühlplatte zu gewährleisten. Anderen­ falls würden in der Kühlplatte und damit in dem Trägergel Zonen unterschiedlicher Temperatur entstehen, die eine Ver­ schlechterung der Auflösung und der Reproduzierbarkeit des Trennergebnisses bewirken würden. Im schlimmsten Fall kann, insbesondere bei dicken Gelen, bei denen bei gleicher zuge­ führter elektrischer Leistung mehr Strom fließt und damit höhere Temperaturwerte erzeugt werden, es zu erheblichen Temperaturschwankungen in dem Trägergel kommen, wobei das Gel an den Stellen höchster Temperatur sogar regelrecht ver­ brennen kann. Aus diesen Gründen ist es daher erforderlich, eine der abzuführenden Wärme entsprechende und hauptsächlich in parallel zur Oberfläche des Trägergels gleichmäßig ge­ richteten Kühlleistung vorzusehen.

Zur Temperierung der Kühlplatte und damit des Trägergels und zur Abführung der Wärme wird ein zumeist getrennt von der Trennkammer angeordnetes Kühlaggregat verwendet. Dieses Kühlaggregat besteht aus einer unterhalb der Kühlplatte an­ gebrachten Kühlkammer, die Kanäle zur Aufnahme einer Kühl­ flüssigkeit (zumeist Kühlwasser) besitzt. Zur Versorgung des Kühlaggregates ist ein separat angeordneter Behälter mit ei­ nem ausreichend großen Volumen für das Kühlwasser nebst ei­ ner Förderpumpe und Anschlußleitungen für das Kühlwasser notwendig.

Obwohl eine derart mit Kühlwasser gekühlte Elektrophorese- Vorrichtung an sich zufriedenstellende Ergebnisse liefert, ist die Handhabung derartiger Geräte mit gewissen Nachteilen verbunden. Die bekannte Elektrophorese-Vorrichtung besteht zumeist aus drei separat angeordneten Geräten, nämlich der eigentlichen Trennkammer, einem hiervon getrennt angeordne­ ten Hochspannungsteil zur Bereitstellung der für das elek­ trische Trennfeld benötigten Hochspannung, sowie dem Kühlag­ gregat. Insbesondere wegen der zu der eigentlichen Elektro­ phorese-Kammer zusätzlich benötigten Versorgungseinheit für das Kühlaggregat ergeben sich insbesondere in kleineren La­ bors mit einem nur eingeschränkten Platzangebot Probleme mit der Größe und dem Gewicht bekannter Elektrophorese-Vorrich­ tungen. Die an der Elektrophorese-Kammer angeschlossenen Kühlwasserleitungen sind einem übersichtlichen Laboraufbau hinderlich und im übrigen dafür verantwortlich, daß ein schneller und unproblematischer Ortswechsel der Elektropho­ rese-Vorrichtung nicht möglich ist. Des weiteren stellt die zumeist elektromotorisch angetriebene Pumpe für das Kühlwas­ ser eine unangenehme Lärmquelle im Labor dar. Außerdem ge­ staltet sich die Reinigung der unmittelbar mit dem Kühlag­ gregat verbundenen Kühlplatte schwierig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine elektrokine­ tische Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die eine einfa­ che Handhabung auch bei einem Ortswechsel ermöglicht, dabei im Hinblick auf Größe, Gewicht und Lärmentwicklung auch in kleineren Labors verwendbar ist, und die ohne wesentlichen apparativen Mehraufwand eine bessere Auflösung und Reprodu­ zierbarkeit des Elektrophorese-Resultates ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine elektrokineti­ sche Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1.

Erfindungsgemäß weist die elektrokinetische Vorrichtung zu­ sätzlich zu einer Kühlplatte eine Lagerschicht auf, auf der ein das zu trennende Stoffgemisch enthaltende Trägermittel aufzubringen ist. Die Lagerschicht weist eine solchermaßen relativ geringe Stärke auf, daß ein noch ausreichender elek­ trischer Isolationswiderstand gewährleistet ist; die Lager­ schicht weist andererseits eine solche spezifische Wärme­ leitfähigkeit auf, daß eine hohe wärmestromdichte gewährlei­ stet ist. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist als Materi­ alkonstante zu verstehen und wird in W/(m·K)(Watt/Meter Kelvin) gemessen. Die Wärmestromdichte nimmt mit zunehmender Wärmeleitfähigkeit und abnehmender Stärke der Lagerschicht zu. Eine optimale Lagerschicht weist an sich einen beliebig hohen elektrischen Isolationswiderstand und gleichzeitig eine hohe spezifische Wärmeleitfähigkeit auf. Bekanntlich verhalten sich diese physikalischen Parameter gegensätzlich zueinander; entweder besitzt ein Stoff gleichzeitig gute elektrische Leitfähigkeit und gute Wärmeleitfähigkeit, oder der Stoff leitet die Wärme ebenso wie die Elektrizität sehr schlecht. Erfindungsgemäß wird ein Kompromiß dahingehend er­ möglicht, daß die für die elektrische Isolierung sorgende Lagerschicht möglichst dünn ist, so daß eine hohe Wärmestromdichte gewährleistet ist. Die für eine gute Auflö­ sung des Trennergebnisses der Elektrophorese notwendige hohe seitliche Wärmeleitung wird hauptsächlich durch die auf der dem Trägermittel abgewandten Oberfläche der dünnen Lager­ schicht angebrachten Kühlplatte gewährleistet, die aus einem Material bestehen kann, welches elektrischen Strom und damit auch Wärme hervorragend leitet. Durch einen gegenüber den bekannten Vorrichtungen geringen apparativen Mehraufwand in Form der zusätzlichen Lagerschicht ergibt sich erfindungsge­ mäß eine bessere Kühlung des Trägermittels und dadurch eine gute Abführung der bei dem Elektrophoresevorgang im wesent­ lichen in Wärme umgewandelten elektrischen Energie, so daß insgesamt bessere und reproduzierbarere Trennergebnisse er­ zielt werden können. Darüber hinaus kann die Lagerschicht trennbar von der Kühlplatte angeordnet sein, so daß die La­ gerschicht nach Beendigung des Elektrophorese-Vorgangs zur Reinigung oder Weiterverarbeitung auf einfache Weise aus der elektrokinetischen Vorrichtung herausgenommen werden kann.

Zur Erzeugung einer ausreichenden Kühl- oder Thermostatisie­ rungsleistung befindet sich eine Kühlvorrichtung in Kontakt mit der Kühlplatte, wobei die Kühlvorrichtung derart regel­ bar ist, daß in der Kühlplatte und in der Lagerschicht und damit in dem Trägermittel eine Reaktionstemperatur in dem gewünschten Temperaturbereich einstellbar ist.

Vorzugsweise ist die Kühlplatte gemäß Anspruch 2 aus einem metallischen Material hergestellt, welches eine besonders hohe spezifische Wärmeleitfähigkeit besitzt. Bevorzugte Me­ talle sind beispielsweise Aluminium oder Kupfer.

Zweckmäßig weist die Stärke der Lagerschicht gemäß Anspruch 3 einen derart niedrigen Wert auf, daß sie für sichtbare Strahlung transparent oder zumindest durchscheinend ist. In diesem- Fall kann die Lagerschicht auf der dem Trägermittel abgewandten Oberfläche gemäß Anspruch 4 eine graphische Sym­ bolschicht besitzen, die ein einfacheres Ablesen bzw. Aus­ messen des Trennergebnisses ermöglicht. Von Vorteil ist da­ bei, daß die graphische Symbolschicht nicht mit dem Träger­ mittel oder mit etwaigen Reinigungsmitteln in Berührung kommt, welche die graphische Symbolschicht angreifen würden.

Mit Vorteil besitzt die Lagerschicht gemäß Anspruch 5 eine Stärke von deutlich weniger als 4 mm, vorzugsweise von weni­ ger als 1 mm und insbesondere von etwa 0,1 mm bis etwa 0,5 mm. Höchst insbesondere wird in der Praxis eine Lagerschicht in einer Stärke von 0,25 mm verwendet.

Als Material für die Lagerschicht sind an sich viele Materi­ alarten verwendbar, solange bei einem noch ausreichenden elektrischen Isolationswiderstand gleichzeitig eine hohe wärmestromdichte bei relativ geringer Stärke der Lager­ schicht gewährleistet ist. Ein insbesondere verwendetes Ma­ terial stellt gemäß Anspruch 6 ein keramisches Material dar; das keramische Material weist gemäß Anspruch 7 vorzugsweise einen hohen Anteil von Aluminiumoxid auf, wobei auch andere Zusätze wie beispielsweise Berylliumoxid oder dergleichen denkbar ist.

Vorzugsweise weist die Lagerschicht gemäß Anspruch 8 eine spezifische Wärmeleitfähigkeit in dem gewünschten Tempera­ turbereich von mehr als 20 W/mK auf. Vergleichsweise beträgt die spezifische Wärmeleitfähigkeit von Glas etwa 1,02 W/(m· K), und von Aluminium etwa 230 W/(m·K). Gegenüber Glas als elektrischem Isolator besitzt die Lagerschicht gemäß der Er­ findung somit eine um etwa 20-fach höhere spezifische Wärme­ leitfähigkeit.

Die bei den meisten Elektrophorese-Anwendungen gewünschte Reaktionstemperatur des Trägermittels liegt in dem Tempera­ turbereich von etwa 0°C bis etwa 95°C; diese Reaktions­ temperatur sollte mit einer relativen Genauigkeit von zumin­ dest 1% regelbar sein. In besonderen Fällen, etwa bei der Trennung von DNA, beispielsweise PCR-Nachweis ("Polymerase- Chain-Reaction") ist eine zu regelnde Reaktionstemperatur von etwa 50°C oder darüber erwünscht. In diesem Fall arbei­ tet die Kühlvorrichtung in umgekehrter Weise, also zur Be­ heizung der Kühlplatte.

Bei einer gemäß Anspruch 9 besonders bevorzugten Ausfüh­ rungsform der Erfindung sind die mit dem Trägermittel in Be­ rührung kommenden Elektroden zum Anlegen des elektrischen Feldes an das Trägermittel aus einem Material hergestellt, das in dem gewünschten Temperaturbereich einen geringen Wär­ meausdehnungskoeffizienten besitzt, nicht katalytisch wirkt, und eine chemisch stabile, porenfreie bzw. geschlossene Oberfläche aufweist. Vorteilhafterweise weist ein solches Elektrodenmaterial mit einer außerordentlichen Lebensdauer gemäß Anspruch 10 Glaskohlenstoff auf.

Bei einem insbesondere bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 10 derart elektrisch betreibbar und regelbar, daß eine Reaktionstempe­ ratur in dem gewünschten Temperaturbereich mit einer relati­ ven Abweichung von besser als 1% einstellbar ist. Eine sol­ che Kühlvorrichtung besitzt gemäß Anspruch 11 vorzugsweise zumindest ein Halbleiterkühlelement, bei dem der Peltier-Ef­ fekt zur Erzeugung von Kälte ausgenutzt wird. In an sich be­ kannter Weise wird beim Peltier-Effekt in einem Leiterkreis aus zwei verschiedenen Metallen beim Fliegen eines elektri­ schen Stromes an den Lötstellen Wärme, die Peltier-Wärme er­ zeugt oder vernichtet. Die je Zeiteinheit erzeugte Wärme ist der Stromstärke proportional und wechselt mit ihr das Vor­ zeichen. Durch Reihenschaltung mehrerer Halbleiterkühlele­ mente (bzw. Peltier-Elemente) lassen sich Kühlbatterien mit größerer Leistung aufbauen. Da sich Halbleiterkühlelemente bei umgekehrtem Stromfluß als Heizelemente (Halbleiterheiz­ element) verhalten, kann die Kühlvorrichtung durch einfaches Umpolen des Stromflusses als Heizvorrichtung verwendet wer­ den.

Zur Verbesserung der Kühlleistung weist die Kühlvorrichtung zweckmäßigerweise gemäß Anspruch 13 Kühlrippen und zur noch besseren Ableitung der Wärme gegebenenfalls ein Kühlgebläse auf.

Bei einem besonders günstigen Ausführungsbeispiel sind gemäß Anspruch 14 sämtliche Komponenten, die für den ordnungsge­ mäßen Betrieb der elektrokinetischen Vorrichtung benötigt werden, also beispielsweise eine Einrichtung zur Versorgung mit Nieder- als auch Hochspannung, elektrische Regel- und Steuereinrichtungen, gegebenenfalls vorgeschriebene Sicher­ heitseinrichtungen, Eingabe- und Anzeigevorrichtungen der­ gleichen derart in einem einheitlichen Gehäuse unterge­ bracht, daß die elektrokinetische Vorrichtung ein kompaktes Erscheinungsbild aufweist.

Von weiterem Vorteil ist es, wenn gemäß Anspruch 15 an oder in dem Gehäuse eine Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten von zumindest der Stelle der Vorrichtung, an der das zu trennende Stoffgemisch in das Trägermittel aufzubringen ist, vorgesehen ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispieles einer elektrokinetischen Vorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispieles;

Fig. 3 eine schematische Ansicht einer beispielhaften Lagerschicht und Elektrode für die Verwendung in einer elektrokinetischen Vorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 4 eine schematische Gesamtansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles einer elektrokinetischen Vorrichtung gemäß der Erfindung; und

Fig. 5, 6 und 7 eine Vorder-, Drauf-, und Seitenansicht eines insbesondere bevorzugten Ausführungsbei­ spieles einer elektrokinetischen Vorrichtung ge­ mäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine erstes Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen elektrokinetischen Vorrichtung 1, die zum Zwecke der besseren Darstellung in ihre Komponenten unter­ teilt ist. Es ist eine Lagerschicht 2 mit einer Oberfläche 3 dargestellt, auf der ein (nicht näher dargestelltes), das zu trennende Stoffgemisch enthaltende Trägermittel aufzubringen ist. Die Lagerschicht 2 weist eine solchermaßen relativ ge­ ringe Stärke d auf, daß ein noch ausreichender elektrischer Isolationswiderstand gewährleistet ist, dabei eine hohe Wär­ mestromdichte in Richtung senkrecht zur Oberfläche 3 der La­ gerschicht 2 gewährleistet ist. Im dargestellten Beispiel beträgt die Stärke d der Lagerschicht 2 etwa 0,25 mm. Das Material der Lagerschicht 2 ist ein keramisches Material mit einem hohen Anteil an Aluminiumoxid. Die spezifische Wärme­ leitfähigkeit der Lagerschicht 2 beträgt etwa 20 W/(m·K) und darüber.

Unterhalb der dünnen Lagerschicht 2 ist eine Kühlplatte 4 aus Metall derart angeordnet, daß sich in zusammengebautem Zustand die dem Trägermittel abgewandte Oberfläche der La­ gerschicht 2 und die Oberfläche 5 der Kühlplatte 4 enganlie­ gend berühren, so daß ein guter Kühlkontakt von Kühlplatte 4 und Lagerschicht 2 gewährleistet ist. Die Kühlplatte 4 weist eine hohe spezifische Wärmeleitfähigkeit von Metall und eine solche ausreichend hohe, ansonsten beliebige Stärke auf, daß eine hohe seitliche Wärmeleitung in Richtung parallel zur Oberfläche 5 der Kühlplatte 4 und damit parallel zur Ober­ fläche 3 der Lagerschicht 2 gewährleistet ist, so daß sich ein guter seitlicher Temperaturausgleich zwischen benachbar­ ten Zonen, von denen zwei mit den Bezugsziffern 6 und 7 schematisch dargestellt sind, und damit gleichmäßig kon­ stante Temperatur innerhalb der Kühlplatte ergibt. Im darge­ stellten Fall beträgt die Stärke der Kühlplatte 4 etwa 2 cm.

Unterhalb der Kühlplatte 4 ist eine elektrisch betreibbare und regelbare Kühlvorrichtung 8 in Form eines Peltier-Ele­ mentes in innigem Kühlkontakt zur Kühlplatte 4 angeordnet. Die elektrischen Versorgungs- und Regelungseinrichtungen für das Peltier-Element sind in der Figur nicht näher darge­ stellt. Peltier-Elemente sind in vielen Typen und Aus­ gestaltungen bekannt, so daß deren genauere Beschreibung weggelassen werden kann. Wichtig ist, daß das Peltier-Ele­ ment derart regelbar ist, daß in der Lagerschicht 2 und da­ mit in dem (in Fig. 1 nicht dargestellten) Trägermittel eine gleichmäßig konstante Reaktionstemperatur in einem ge­ wünschten Temperaturbereich von vorzugsweise etwa 0°C bis etwa 95°C mit einer relativen Genauigkeit von zumindest 1% einstellbar ist. Durch einfaches Umpolen der Spannungsver­ sorgung ist das Peltier-Element auch als Heizelement be­ treibbar, so daß in dem auf der Lagerschicht 2 befindlichen Trägermittel auch Reaktionstemperaturen von insbesondere größer als Zimmertemperatur regelbar sind, etwa eine Reakti­ onstemperatur von 37°C.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist ledig­ lich ein einziges eine Stärke von etwa 3 bis 5 mm aufweisen­ des Peltier-Element vorgesehen. Es ist an sich nicht erfor­ derlich, daß die Fläche des Peltier-Elementes 8 mit der be­ nachbarten Fläche der Kühlplatte 4 übereinstimmt; im darge­ stellten Fall ist die Fläche des Peltier-Elementes 8 kleiner als die Fläche der Kühlplatte 4, was im dargestellten Ausführungsbeispiel ausreichend für die Einstellung einer gleichmäßig konstanten Temperatur in der Kühlplatte 4 ist. Bei größeren Flächen der Kühlplatte 4 kann es erforderlich sein, zwei oder mehrere Peltier-Elemente zur Vergrößerung der zur Verfügung stehenden Kühlfläche hintereinander zu schalten.

Zur besseren Abführung der anfallenden Wärmeleistung ist ein Kühlkörper 9 aus Metall vorgesehen, der zur Vergrößerung der Oberfläche in an sich bekannter Weise Kühlrippen 10 besitzt.

In dem hier dargestellten Beispiel ist das eine Stärke von etwa 4 mm aufweisende Peltier-Element 8 vermittels einer Di­ stanzplatte 11, die vorzugsweise aus Metall wie beispiels­ weise Aluminium besteht und eine Stärke von etwa 15 mm auf­ weist, mit dem Kühlkörper 9 verschraubt. Auf diese Weise ist eine feste Verbindung der "warmen" Oberfläche des Peltier- Elementes 8 mit dem Kühlkörper 9 gewährleistet. Die im zusammengebautem Zustand zwischen der "kalten" Oberfläche des Peltier-Elements 8 und der Kühlplatte 4 angeordnete Di­ stanzplatte 11 sorgt gleichzeitig für einen Abstand der Kühlplatte 4 von dem "warmen" Kühlkörper 9. Der diesen Ab­ stand bildende Hohlraum kann zur weiteren wärmemäßigen Tren­ nung mit einer in Fig. 1 nicht näher dargestellten Wär­ meisolation 12 ausgefüllt sein, wie etwa Schaumstoff, Styro­ por oder dergleichen.

Anstelle des Peltier-Elementes sind auch andere Kühlvorrich­ tungen entsprechender Größe und Bauart denkbar, etwa eine Kältemaschine mit einem Minikompressor oder eine miniaturi­ sierte Absorberkältemaschine oder dergleichen.

Die Anordnung bestehend aus Lagerschicht 2, Kühlplatte 4, Distanzplatte 11, Peltier-Element 8 und Kühlkörper 9 ist in allen Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 bis 7 identisch.

Gemäß dem in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Lagerschicht 2, die Kühlplatte 4, die Kühlvorrichtung 8 bestehend aus dem Peltier-Element, und zumindest ein Teil des Kühlkörpers 9 in einem Kasten 13 einzubringen, an dessen oberem Bereich Kontaktstifte 14 und 15 mit jeweils elek­ trisch damit verbundenen Stromschienen 16 und 17 angebracht sind. In jede Stromschiene (und gegenüberliegende Ka­ stenwand) ist ein Trägerelement 18 mit einer daran ange­ brachten Elektrode 19 mit Klemmwirkung einzuhängen, wobei in der Figur lediglich ein Trägerelement mit Elektrode darge­ stellt ist. Die beiden an dem Trägerelement angebrachten Elektroden können auf den Stromschienen 16 und 17 so zuein­ ander hin angeordnet werden, daß ein beliebiger Abstand zwi­ schen den Elektroden eingestellt werden kann, und dabei die elektrische Verbindung jeder Elektrode mit der Spannungsver­ sorgung aufrechterhalten bleibt. Durch die Klemmwirkung der in der Stromschiene eingehängten Trägerelemente 18 kann ein gewisser Druck der Elektroden auf das Trägermittel einge­ stellt werden.

Zur Abdeckung der Elektrophorese-Vorrichtung 1 und als Schutzmaßnahme für die Bedienungsperson ist eine Abdeckkappe 20 vorgesehen, die aus elektrisch isolierendem Material be­ steht und Zuführungen 21 und 22 besitzt, die mit den Kon­ taktstiften 14 und 15 zu verbinden sind. Zur Beobachtung des Elektrophorese-Vorganges kann die Abdeckkappe 20 ein durch­ sichtiges Glasfenster 23 besitzen.

Fig. 2 zeigt das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Schnittansicht. Man er­ kennt hier des weiteren, daß die Abdeckkappe 20 Bestandteil eines Gehäuses 24 ist, in welchem neben den bereits darge­ stellten Komponenten ferner ein Gebläse 25 mit einem Lüfter­ rad 26 untergebracht ist. In dem den Kühlrippen 10 gegen­ überliegenden Teilen des Gehäuses 24 sind Öffnungen 55 vor­ gesehen, vermittels derer die von den Kühlrippen 10 erzeugte Wärme nach außerhalb des Gehäuses 24 an die Umgebungsluft abgeführt wird.

Fig. 3 zeigt in größeren Einzelheiten das Trägerelement 18 mit zugehöriger Elektrode 19, sowie ein besonderes Beispiel einer Lagerschicht 2 zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Elektrophorese-Vorrichtung. Bei dieser Lagerschicht 2 ist eine auf der dem Trägermittel abgewandten Oberfläche 27 eine aus bzw. mit graphischen Symbolen 28 bestehende bzw. verse­ hene Schicht vorgesehen. Im dargestellten Beispiel bestehen die graphischen Symbole aus einer Lineatur, etwa mit mm- oder cm-Einteilung. Diese Lineatur kann durch die durchsich­ tige Lagerschicht 2 beobachtet werden und dient zur einfa­ cheren Ausmessung des Elektrophorese-Ergebnisses. Dadurch, daß die Symbolschicht 28 auf der dem Trägermittel abgewand­ ten Oberfläche 27 der Lagerschicht 2 angeordnet ist, ist sie vor chemischen Angriffen durch das Trägermittel/Stoffgemisch oder mechanischen Belastungen etwa beim Reinigen der Lager­ schicht, die zum Abrieb der Symbolschicht führen, geschützt.

In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem sämtliche Komponenten, die für den ord­ nungsgemäßen Betrieb der elektrokinetischen Vorrichtung benötigt werden, wie beispielsweise eine (nicht näher darge­ stellte) elektrische Versorgungseinrichtung zur Versorgung der Elektroden 19 mit der über die Zuführungen 21 und 22 und den Kontaktstiften 14 und 15 anzulegenden Hochspannung, elektrische Regel- und Steuereinrichtungen 29, Eingabe- und Anzeigevorrichtungen 30 und dergleichen in dem Gehäuse 24 untergebracht sind. Auf diese Weise weist die elektrokineti­ sche Vorrichtung 1 ein kompaktes Erscheinungsbild auf und ist ohne weitere separat anzuordnende Zusatzeinrichtungen betreibbar.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist des weiteren an dem Gehäuse 24 ein Stützorgan in Form eines so­ genannten Schwanenhalses 31 angebracht, der eine Beleuch­ tungseinrichtung 32 trägt, welche zum Beleuchten des oberen Teils der Elektrophorese-Vorrichtung 1 dient, und insbeson­ dere zum Beleuchten von zumindest der Stelle der Vorrich­ tung, an der das zu trennende Stoffgemisch in das Trägermit­ tel aufzubringen ist.

Das Gehäuse 24 bildet bei dem hier dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel oberhalb der Kühlplatte 4 einen Rahmen bzw. rahmenförmigen Ausschnitt 33, der zumindest einen Teil der Oberfläche 5 der Kühlplatte 4 freigibt, in welchem die La­ gerschicht 2 einzulegen ist und von dem Rahmen 33 in dieser Lage gehalten wird. Nach Beendigung des Elektrophorese-Vor­ ganges kann die Lagerschicht 2 zusammen mit dem hierauf befindlichen Trägermittel aus dem Rahmen 33 entnommen werden und einer weiteren Verwendung zugeführt werden, wie bei­ spielsweise einer Analyse des Elektrophorese-Ergebnisses, und/oder einer Reinigung der Lagerschicht 2.

Zur besseren Reproduzierbarkeit und höheren Genauigkeit des Elektrophorese-Ergebnisses werden die Elektroden 19 auch hier mit einem bestimmten Druck auf das Trägermittel ge­ drückt. Zu diesem Zweck sind Druckorgane vorgesehen, im dar­ gestellten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 Spiralfedern 34, die jeweils in einer Hülse 35 gelagert sind und an deren En­ den die Elektroden 19 befestigt sind.

Die Fig. 5, 6 und 7 zeigen ein weiteres, insbesondere bevor­ zugtes Ausführungsbeispiel einer elektrokinetischen Vorrich­ tung gemäß der Erfindung. Hierbei sind die Elektroden 19 in Form von Stäben mit einem Durchmesser von 3 mm (Länge etwa 130 mm) in einer Nut 36 eines beispielsweise aus Teflon be­ stehenden Elektrodenhalters 37 befestigt. Der Elektrodenhal­ ter 37 ist an den beiden Enden 38 und 39 mit einem Druckor­ gan in Form einer Spiralfeder 34 verbunden, die in einem Hohlraum des beispielsweise aus Plexiglas hergestellten Trä­ gerelements 40 gelagert ist. Das den Elektrodenhalter 37 und damit die Elektrode 19 tragende Trägerelement 40 ist vermit­ tels Stellschrauben 41, 42 in Langlöchern 43, 44 zur belie­ bigen Einstellung des Abstandes der Elektroden zueinander auf der Abdeckkappe 20, welche beispielsweise wiederum aus Plexiglas besteht, befestigbar.

Die Zuführung 21 bzw. 22 für jede Elektrode 19 ist hierbei über jeweils eine Bohrung 45 bzw. 46 zur jeweiligen Elek­ trode 19 geführt, wobei die Zuführung in der Nut 36 von der darin befindlichen Elektrode 19 fixiert ist.

Zur weiteren Sicherheit der Bedienungsperson vor der an den Elektroden 19 anliegenden Hochspannung kann jedes Trägerele­ ment 40 ein jedes Langloch 43 und 44 abdeckendes Schutzteil 47, 48 aufweisen, so daß selbst bei einem beliebigen Abstand der Elektroden gewährleistet ist, daß jedes Langloch 43 und 44 von außen verschlossen ist. Auf diese Weise ist es für eine Bedienungsperson unmöglich gemacht, eine Elektrode 19 etwa mit einem Draht oder dergleichen zu berühren. Des weite­ ren ist eine Sicherheitsvorrichtung 49 vorgesehen, die dafür sorgt, daß bei einem Öffnen der Abdeckkappe 20 die an den Elektroden anliegende Hochspannung ausgeschaltet wird. Die Sicherheitsvorrichtung 49 besteht aus einem Drehknopf 50, vermittels welchem ein Bügel 51 geschwenkt werden kann, der wiederum eine Aussparung 52 besitzt. Fig. 5 zeigt die Sicherheitsvorrichtung 49 bei geschlossener Abdeckkappe 20, wobei in diesem Zustand die Aussparung 52 eine oberhalb ei­ nes Mikroschalters 54 angeordnete Abdeckplatte 53 umfaßt, und das unterhalb der Abdeckplatte 53 befindliche Ende des Bügels 51 den Mikroschalter 54 betätigt, so daß über vorzugsweise zwei mit dem Mikroschalter 54 betätigbare (nicht näher dargestellte) Relais Hochspannung jeweils an die Elektroden angelegt ist. Zur Öffnung der Abdeckkappe 20 ist der Drehknopf 50 und damit der Bügel 51 bei der Ansicht gemäß Fig. 5 entgegen dem Uhrzeigersinn zu schwenken, so daß der Mikroschalter 54 geöffnet wird, und somit die Verbindung der Hochspannung an die Elektroden 19 unterbrochen wird. Durch die einen (an der Gehäusewand vorgesehen, aber nicht näher dargestellten) Schlitz, in den der Bügel 51 eingreift, abdeckende Abdeckplatte 53 wird hierbei verhinderte daß trotz geöffneter Abdeckkappe eine Manipulation an dem Mikroschalter 54 vorgenommen werden kann.

Bei sämtlichen der vorstehend genannten Ausführungsbei­ spielen bestehen die Elektroden 19 aus einem Material, wel­ ches Glaskohlenstoff enthält. Gegenüber den bisher auf dem Markt erhältlichen Elektrophorese-Vorrichtungen mit Elektro­ den aus Graphit, Platin oder Titan besitzt Glaskohlenstoff den Vorteil, daß die Elektroden in dem gewünschten Temperaturbereich einen geringen Wärmeausdehnungs­ koeffizienten besitzen, keinen sogenannten "Memory-" bzw. Gedächtniseffekt ("Verschleppungsfehler") zeigen, nicht katalytisch wirken (keine Kontimination des Analysengutes), und eine chemisch stabile, porenfreie bzw. geschlossene Oberfläche aufweisen. Glaskohlenstoff bzw. glasartiger Koh­ lenstoff ist beispielsweise durch thermischen Abbau (Py­ rolyse) eines räumlich vernetzten Kunstharzes wie beispiel­ weise Phenol- und Furanharze herstellbar und zu beliebigen Formteilen weiterverarbeitbar. Glaskohlenstoff besitzt eine hohe Reinheit, hohe Korrosionsbeständigkeit, hohe Härte und Festigkeit, hohe Oberflächengüte, und dabei gute elektrische Leitfähigkeit.

Claims (15)

1. Elektrokinetische Vorrichtung zur Trennung molekularer Stoffgemische in ihre einzelnen Komponenten unter der Wirkung eines elektrischen Feldes, welche aufweist:

• 1. eine Lagerschicht (2) mit einer Oberfläche (3), auf der ein das zu trennende Stoffge­ misch enthaltende Trägermittel aufzubringen ist, und die
  • 1.1 eine solchermaßen relativ geringe Stärke (d) aufweist, daß
  • 1.2 ein noch ausreichender elektrischer Isolationswiderstand gewährleistet ist,
  • 1.3 die Lagerschicht (2) dabei eine solche spezifische Wärmeleitfähigkeit aufweist, daß eine hohe Wärmestromdichte in Richtung senk­ recht zur Oberfläche (3) der Lagerschicht gewährleistet ist;
• 2. eine Kühlplatte (4), die
  • 2.1 auf der dem Trägermittel abgewandten Ober­ fläche (27) der Lagerschicht (2) in innigem Kühlkontakt zu dieser angeordnet ist, und
  • 2.2 eine derart hohe spezifische Wärmeleitfähig­ keit und Stärke aufweist, daß eine hohe seitliche Wärmeleitung in einer Richtung parallel zur Oberfläche der Lagerschicht und damit ein guter seitlicher Temperaturaus­ gleich zwischen benachbarten Zonen (6, 7) der Kühlplatte (4) gewährleistet ist;
• 3. eine Kühlvorrichtung (8), die
  • 3.1 auf zumindest einem Teil einer zur Lager­ schicht (2) abgewandten Oberfläche der Kühl­ platte (4) in innigem Kühlkontakt zu dieser angeordnet ist,
  • 3.2 derart regelbar ist, daß in der Lagerschicht (2) und damit in dem Trägermittel eine Re­ aktionstemperatur in einem gewünschten Tem­ peraturbereich einstellbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlplatte (4) aus einem metallischen Material, das insbesondere Aluminium oder Kupfer enthält, herge­ stellt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stärke (d) der Lagerschicht (2) einen derart niedrigen Wert aufweist, daß die Lagerschicht (2) für Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich transparent oder zumindest durchscheinend ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschicht (2) auf der dem Trägermittel abgewandten Oberfläche (27) eine aus oder mit graphischen Symbolen (28) bestehende oder versehene Schicht aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschicht (2) eine Stärke (d) von deutlich weniger als 4 mm, vorzugsweise von weniger als etwa 1 mm und insbesondere von etwa 0,1 mm bis etwa 0,5 mm besitzt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Lager­ schicht (2) ein keramisches Material enthält.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material insbesondere einen hohen Anteil von Aluminiumoxid aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschicht (2) eine spezifische Wärmeleitfähigkeit in dem gewünschten Temperaturbereich von etwa 0°C bis etwa 95°C, und insbesondere von etwa 10°C bis etwa 37°C (Körpertem­ peratur) von mehr als 20 W/(m·K) besitzt.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Elektroden (19) zum Anlegen des elektrischen Feldes an das Trägermittel vorgesehen sind, die aus einem Material hergestellt sind, das

• 9.1 in dem gewünschten Temperaturbereich einen geringen Wärmeeausdehnungskoeffizienten be­ sitzt,
• 9.2 nichtkatalytisch wirkt,
• 9.3 eine chemisch stabile, porenfreie bzw. ge­ schlossene Oberfläche aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Elektroden (19) Glaskohlenstoff aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung (8) zumindest ein Halbleiterkühlelement, insbesondere zumindest ein Pel­ tier-Element aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kühlvorrichtung (8) durch umgekehrten Stromfluß als Heizelement betreibbar ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung einen Kühlkörper (9) mit Kühlrippen (10) und gegebenenfalls ein Kühlgebläse (25) besitzt.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche der genannten Komponenten und weitere Komponenten, die für den ord­ nungsgemäßen Betrieb der elektrokinetischen Vorrich­ tung benötigt werden, wie beispielsweise eine Einrich­ tung zur Versorgung mit Nieder- als auch Hochspannung, elektrische Regel- und Steuereinrichtungen, gegebenen­ falls vorgeschriebene Sicherheitseinrichtungen, Ein­ gabe- und Anzeigeeinrichtungen (30) und dergleichen derart in ein- und demselben Gehäuse (24) untergebracht sind, daß die elektrokinetische Vorrichtung (1) ein kompaktes Erscheinungsbild aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß an oder in dem Gehäuse (24) eine Beleuchtungsein­ richtung (32) vorgesehen ist zum Beleuchten von zumin­ dest der Stelle der Vorrichtung, an der das zu tren­ nende Stoffgemisch in das Trägermittel aufzubringen ist.