DE4307955C2 - Elektrokinetische Vorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektroki­ netische Vorrichtung zur Trennung molekularer Stoffgemische in ihre einzelnen Komponenten unter der Wirkung eines elek­ trischen Feldes und bezieht sich insbesondere 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 Elek­ trophorese beruht, ebenso wie Elektrodialyse und -osmose, auf einer elektrokinetischen Erscheinung, nämlich der Wan­ derung in einem Trägermittel dispergierter oder kolloidal gelöster geladener Teilchen im elektrischen Gleichstrom­ feld. 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 da­ bei in einzelne Fraktionen aufgetrennt. Die elektrophoreti­ sche Mobilität, d. h. die Wanderungsgeschwindigkeit, ist ei­ ne signifikante und charakteristische Größe eines geladenen Moleküls oder Partikels und ist abhängig von den pK-Werten der geladenen Gruppen und der Molekül- bzw. der Partikel­ größe. Sie wird beeinflußt von Art, Konzentration und pH- Wert des Puffers, Temperatur, Feldstärke sowie der Beschaf­ fenheit des Trägermaterials.

Ausführliche theoretische und praktische Grundlagen sind in Reiner Westermeier, Elektrophorese-Praktikum, VCH Verlags­ gesellschaft 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- Elektrophorese liegt ein Elektropherogramm vor, auf dem die verschiedenen Komponenten des Trennungsgemisches in einzel­ nen Fraktionen (Banden) getrennt vorliegen. Diese Banden können auf an sich bekannte Weise durch geeignete Färbungen sichtbar gemacht, kolorimetrisch vermessen oder direkt im durchfallenden Licht photometriert oder mit geeigneten Den­ sitometern untersucht werden, wobei auch spezifische chemi­ sche oder biochemische Reaktionen benutzt werden können, um die getrennten Substanzen darzustellen und zu identifizie­ ren. Auf diese Weise läßt sich eine Extinktionskurve auf­ stellen, deren planimetrische Ausmessung direkt Aufschluß über die relativen Anteile der einzelnen Fraktionen ergibt. Eine Träger-Elektrophorese läßt sich in wenigen Stunden oder gar Minuten durchführen, gegebenenfalls unter Anwen­ dung von Hochspannung mit Gleichspannungen von mehr als 200 V.

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

Bei den beispielsweise aus JP 60-154 150, Pat. Abstr. of Ja­ pan, Sect. P, Volk 9, 1985, Nr. 329 bekannten horizontal arbeitenden Elektrophorese-Vorrichtungen findet insbeson­ dere ein Typ breite Anwendung, bei dem das Trägergel in Fo­ lienform auf eine Kühlplatte aufgebracht wird. Durch die Verwendung einer gekühlten oder thermostatisierten Appara­ tur können bessere und reproduzierbarere Trennergebnisse erzielt werden. Zur elektrischen Isolation besteht die Kühlplatte aus einem elektrisch nicht leitendem Material, beispielsweise aus Keramik. Wegen der im Vergleich zu elek­ trisch leitenden Materialien wie Metallen deutlich geringe­ ren spezifischen Wärmeleitfähigkeit muß die Kühlplatte eine ausreichend große Stärke von etwas mehr als 4 mm aufweisen, um eine ausreichende seitliche Wärmeleitung und damit einen guten seitlichen Temperaturausgleich zwischen benachbarten Zonen der Kühlplatte zu gewährleisten. Anderenfalls würden in der Kühlplatte und damit in dem Trägergel Zonen unter­ schiedlicher Temperatur entstehen, die eine Verschlechte­ rung der Auflösung und der Reproduzierbarkeit des Trenner­ gebnisses bewirken würden. Im schlimmsten Fall kann, insbe­ sondere bei dicken Gelen, bei denen bei gleicher zugeführ­ ter elektrischer Spannung mehr Strom fließt und damit höhe­ re Temperaturwerte erzeugt werden, es zu erheblichen Tempe­ raturschwankungen in dem Trägergel kommen, wobei das Gel an den Stellen höchster Temperatur sogar regelrecht verbrennen kann. Aus diesen Gründen ist es daher erforderlich, eine der abzuführenden Wärme entsprechende und hauptsächlich parallel zur Oberfläche des Trägergels gleichmäßig gerich­ tete 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 sind ein separat angeordneter Behälter mit einem ausreichend großen Volumen für das Kühlwasser nebst einer 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 Nachtei­ len verbunden. Die bekannte Elektrophorese-Vorrichtung be­ steht zumeist aus drei separat angeordneten Geräten, näm­ lich der eigentlichen Trennkammer, einem hiervon getrennt angeordneten Hochspannungsteil zur Bereitstellung der für das elektrische Trennfeld benötigten Hochspannung sowie dem Kühlaggregat. Insbesondere wegen der zu der eigentli­ chen Elektrophorese-Kammer zusätzlich benötigten Versor­ gungseinheit für das Kühlaggregat ergeben sich insbesondere in kleineren Labors mit einem nur eingeschränkten Platzan­ gebot Probleme mit der Größe und dem Gewicht bekannter Elektrophorese-Vorrichtungen. Die an der Elektrophorese- Kammer angeschlossenen Kühlwasserleitungen sind einem über­ sichtlichen Laboraufbau hinderlich und im übrigen dafür verantwortlich, daß ein schneller und unproblematischer Ortswechsel der Elektrophorese-Vorrichtung nicht möglich ist. Des weiteren stellt die zumeist elektromotorisch ange­ triebene Pumpe für das Kühlwasser eine unangenehme Lärm­ quelle im Labor dar. Außerdem gestaltet sich die Reinigung der unmittelbar mit dem Kühlaggregat verbundenen Kühlplatte schwierig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine elektroki­ netische Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die eine einfache Handhabung auch bei einem Ortswechsel ermöglicht, dabei im Hinblick auf Größe, Gewicht und Lärmentwicklung auch in kleineren Labors verwendbar ist und die ohne we­ sentlichen apparativen Mehraufwand eine bessere Auflösung und Reproduzierbarkeit des Elektrophorese-Resultates ermög­ licht.

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 aus einem keramischen Ma­ terial hergestellte Lagerschicht auf, auf der ein das zu trennende Stoffgemisch enthaltende Trägermittel aufzubrin­ gen ist. Die Lagerschicht weist eine solchermaßen relativ geringe Stärke auf, daß ein noch ausreichender elektrischer Isolationswiderstand gewährleistet ist; die Lagerschicht weist andererseits eine solche spezifische Wärmeleitfähig­ keit auf, daß eine hohe Wärmestromdichte gewährleistet ist. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist als Materialkon­ stante zu verstehen und wird in W/(m · K)(Watt/Meter · Kel­ vin) 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 ermöglicht, daß die für die elektrische Isolierung sorgende Lagerschicht möglichst dünn ist, so daß eine hohe Wär­ mestromdichte gewährleistet ist. Die für eine gute Auflö­ sung des Trennergebnisses der Elektrophorese notwendige ho­ he seitliche Wärmeleitung wird hauptsächlich durch die auf der dem Trägermittel abgewandten Oberfläche der dünnen La­ gerschicht angebrachten Kühlplatte gewährleistet, die aus einem Material bestehen kann, welches elektrischen Strom und damit auch Wärme hervorragend leitet. Durch einen ge­ genüber den bekannten Vorrichtungen geringen apparativen Mehraufwand in Form der zusätzlichen Lagerschicht ergibt sich erfindungsgemäß eine bessere Kühlung des Trägermittels und dadurch eine gute Abführung der bei dem Elektrophorese­ vorgang im wesentlichen in Wärme umgewandelten elektrischen Energie, so daß insgesamt bessere und reproduzierbarere Trennergebnisse erzielt werden können. Darüberhinaus kann die Lagerschicht trennbar von der Kühlplatte angeordnet sein, so daß die Lagerschicht nach Beendigung des Elektro­ phorese-Vorgangs zur Reinigung oder Weiterverarbeitung auf einfache Weise aus der elektrokinetischen Vorrichtung her­ ausgenommen werden kann.

Zur Erzeugung einer ausreichenden Kühl- oder Thermostati­ sierungsleistung befindet sich eine Kühlvorrichtung in Kon­ takt mit der Kühlplatte, wobei die Kühlvorrichtung derart regelbar 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 aus einem metallischen Ma­ terial hergestellt, welches eine besonders hohe spezifische Wärmeleitfähigkeit besitzt. Bevorzugte Metalle sind bei­ spielsweise 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 Symbolschicht besitzen, die ein einfacheres Ablesen bzw. Ausmessen des Trennergebnisses ermöglicht. Von Vorteil ist dabei, daß die graphische Symbolschicht nicht mit dem Trä­ germittel oder mit etwaigen Reinigungsmitteln in Berührung kommt, welche die graphische Symbolschicht angreifen wür­ den.

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

Als Material für die Lagerschicht sind an sich viele Mate­ rialarten 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 ein keramisches Material dar; das keramische Material weist gemäß Anspruch 6 vorzugsweise einen hohen Anteil von Aluminiumoxid auf, wobei auch andere Zusätze wie beispielsweise Berylliumoxid oder dergleichen denkbar sind.

Vorzugsweise weist die Lagerschicht gemäß Anspruch 7 eine spezifische Wärmeleitfähigkeit in dem gewünschten Tempera­ turbereich von mehr als 20 W/mK auf. Vergleichsweise be­ trägt 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 ge­ mäß der Erfindung somit eine etwa 20-fach höhere spezifi­ sche Wärmeleitfähigkeit.

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 zu­ mindest 1% regelbar sein. In besonderen Fällen, etwa bei der Trennung von DNA, beispielsweise PCR-Nachweis ("Polyme­ rase-Chain-Reaction") ist eine zu regelnde Reaktionstempe­ ratur von etwa 50°C oder darüber erwünscht. In diesem Fall arbeitet die Kühlvorrichtung in umgekehrter Weise, also zur Beheizung der Kühlplatte.

Bei einer gemäß Anspruch 8 besonders bevorzugten Ausfüh­ rungsform der Erfindung sind die mit dem Trägermittel in Berührung kommenden Elektroden zum Anlegen des elektrischen Feldes an das Trägermittel aus einem Material hergestellt, das in dem gewünschten Temperaturbereich einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, nicht katalytisch wirkt, und eine chemisch stabile, porenfreie bzw. geschlos­ sene Oberfläche aufweist. Vorteilhafterweise weist ein sol­ ches Elektrodenmaterial mit einer außerordentlichen Lebens­ dauer Glaskohlenstoff auf.

Bei einem insbesondere bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Kühlvorrichtung derart elektrisch betreibbar und regelbar, daß eine Reaktionstem­ peratur in dem gewünschten Temperaturbereich mit einer re­ lativen Abweichung von besser als 1% einstellbar ist. Eine solche Kühlvorrichtung besitzt gemäß Anspruch 9 vorzugs­ weise zumindest ein Halbleiterkühlelement, bei dem der Pel­ tier-Effekt zur Erzeugung von Kälte ausgenutzt wird. In an sich bekannter Weise-wird beim Peltier-Effekt in einem Lei­ terkreis aus zwei verschiedenen Metallen beim Fließen eines elektrischen Stromes an den Lötstellen Wärme, die Peltier- Wärme erzeugt oder vernichtet. Die je Zeiteinheit erzeugte Wärme ist der Stromstärke proportional und wechselt mit ihr das Vorzeichen. Durch Reihenschaltung mehrerer Halbleiter­ kühlelemente (bzw. Peltier-Elemente) lassen sich Kühlbatte­ rien mit größerer Leistung aufbauen. Da sich Halbleiter­ kühlelemente bei umgekehrtem Stromfluß als Heizelemente (Halbleiterheizelement) verhalten, kann die Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 10 durch einfaches Umpolen des Stromflusses als Heizvorrich­ tung verwendet werden.

Zur Verbesserung der Kühlleistung weist die Kühlvorrichtung zweckmäßigerweise Kühlrippen und zur noch besseren Ablei­ tung der Wärme gegebenenfalls ein Kühlgebläse auf.

Bei einem besonders günstigen Ausführungsbeispiel sind ge­ mäß Anspruch 11 sämtliche Komponenten, die für den ord­ nungsgemäßen Betrieb der elektrokinetischen Vorrichtung be­ nötigt werden, also beispielsweise eine Einrichtung zur Versorgung mit Nieder- als auch Hochspannung, elektrische Regel- und Steuereinrichtungen, gegebenenfalls vorgeschrie­ bene Sicherheitseinrichtungen, Eingabe- und Anzeigevorrich­ tungen und dergleichen derart in einem einheitlichen Gehäuse untergebracht, daß die elektrokinetische Vorrichtung ein kompaktes Erscheinungsbild aufweist.

Von weiterem Vorteil ist es, wenn gemäß Anspruch 12 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 ei­ nes insbesondere bevorzugten Ausführungsbeispieles einer elektrokinetischen Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein 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 aufzu­ bringen ist. Die Lagerschicht 2 weist eine solchermaßen re­ lativ geringe Stärke d auf, daß ein noch ausreichender elektrischer Isolationswiderstand gewährleistet ist, dabei eine hohe Wärmestromdichte in Richtung senkrecht zur Ober­ fläche 3 der Lagerschicht 2 gewährleistet ist. Im darge­ stellten Beispiel beträgt die Stärke d der Lagerschicht 2 etwa 0,25 mm. Das Material der Lagerschicht 2 ist ein kera­ misches Material mit einem hohen Anteil an Aluminiumoxid. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit der Lagerschicht 2 be­ trägt 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 engan­ liegend berühren, so daß ein guter Kühlkontakt von Kühl­ platte 4 und Lagerschicht 2 gewährleistet ist. Die Kühl­ platte 4 weist eine hohe spezifische Wärmeleitfähigkeit von Metall und eine solche ausreichend hohe, ansonsten belie­ bige Stärke auf, daß eine hohe seitliche Wärmeleitung in Richtung parallel zur Oberfläche 5 der Kühlplatte 4 und da­ mit parallel zur Oberfläche 3 der Lagerschicht 2 gewährlei­ stet ist, so daß sich ein guter seitlicher Temperaturaus­ gleich zwischen benachbarten Zonen, von denen zwei mit den Bezugsziffern 6 und 7 schematisch dargestellt sind, und da­ mit gleichmäßig konstante Temperatur innerhalb der Kühl­ platte ergibt. Im dargestellten 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 dar­ gestellt. Peltier-Elemente sind in vielen Typen und Ausge­ staltungen bekannt, so daß deren genauere Beschreibung weg­ gelassen werden kann. Wichtig ist, daß das Peltier-Element derart regelbar ist, daß in der Lagerschicht 2 und damit 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 Spannungs­ versorgung 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 Reak­ tionstemperatur von 37°C.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist le­ diglich ein einziges eine Stärke von etwa 3 bis 5 mm auf­ weisendes Peltier-Element vorgesehen. Es ist an sich nicht erforderlich, daß die Fläche des Peltier-Elementes 8 mit der benachbarten Fläche der Kühlplatte 4 übereinstimmt; im dargestellten Fall ist die Fläche des Peltier-Elementes 8 kleiner als die Fläche der Kühlplatte 4, was im dargestell­ ten Ausführungsbeispiel ausreichend für die Einstellung ei­ ner gleichmäßig konstanten Temperatur in der Kühlplatte 4 ist. Bei größeren Flächen der Kühlplatte 4 kann es erfor­ derlich sein, zwei oder mehrere Peltier-Elemente zur Ver­ größerung der zur Verfügung stehenden Kühlfläche hinterein­ ander zu schalten.

Zur besseren Abführung der anfallenden Wärmeleistung ist ein Kühlkörper 9 aus Metall vorgesehen, der zur Vergröße­ rung 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 Distanzplatte 11, die vorzugsweise aus Metall wie bei­ spielsweise Aluminium besteht und eine Stärke von etwa 15 mm aufweist, 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" Oberflä­ che des Peltier-Elements 8 und der Kühlplatte 4 angeordnete Distanzplatte 11 sorgt gleichzeitig für einen Abstand der Kühlplatte 4 von dem "warmen" Kühlkörper 9 Der diesen Ab­ stand bildende Hohlraum kann zur weiteren wärmemäßigen Trennung mit einer in Fig. 1 nicht näher dargestellten Wär­ meisolation 12 ausgefüllt sein, wie etwa Schaumstoff, Sty­ ropor oder dergleichen.

Anstelle des Peltier-Elementes sind auch andere Kühlvor­ richtungen entsprechender Größe und Bauart denkbar, etwa eine Kältemaschine mit einem Minikompressor oder eine mi­ niaturisierte 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 Kühlvorrich­ tung 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 elektrisch damit verbundenen Stromschienen 16 und 17 ange­ bracht sind. In jede Stromschiene (und gegenüberliegende Kastenwand) ist ein Trägerelement 18 mit einer daran ange­ brachten Elektrode 19 mit Klemmwirkung einzuhängen, wobei in der Figur lediglich ein Trägerelement mit Elektrode dar­ gestellt 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 zwischen den Elektroden eingestellt werden kann, und dabei die elektrische Verbindung jeder Elektrode mit der Span­ nungsversorgung aufrechterhalten bleibt. Durch die Klemm­ wirkung der in der Stromschiene eingehängten Trägerelemente 18 kann ein gewisser Druck der Elektroden auf das Träger­ mittel eingestellt werden.

Zur Abdeckung der Elektrophorese-Vorrichtung 1 und als Schutzmaßnahme für die Bedienungsperson ist eine Abdeck­ kappe 20 vorgesehen, die aus elektrisch isolierendem Mate­ rial besteht und Zuführungen 21 und 22 besitzt, die mit den Kontaktstiften 14 und 15 zu verbinden sind. Zur Beobachtung des Elektrophorese-Vorganges kann die Abdeckkappe 20 ein durchsichtiges Glasfenster 23 besitzen.

Fig. 2 zeigt das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Schnittansicht. Man erkennt hier desweiteren, daß die Abdeckkappe 20 Bestand­ teil eines Gehäuses 24 ist, in welchem neben den bereits dargestellten Komponenten ferner ein Gebläse 25 mit einem Lüfterrad 26 untergebracht ist. In dem den Kühlrippen 10 gegenüberliegenden Teilen des Gehäuses 24 sind Öffnungen 55 vorgesehen, vermittels derer die von den Kühlrippen 10 er­ zeugte Wärme nach außerhalb des Gehäuses 24 an die Umge­ bungsluft 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 erfindungsgemä­ ßen Elektrophorese-Vorrichtung. Bei dieser Lagerschicht 2 ist eine auf der dem Trägermittel abgewandten Oberfläche 27 eine aus bzw. mit graphischen Symbolen 28 bestehende bzw. versehene Schicht vorgesehen. Im dargestellten Beispiel be­ stehen die graphischen Symbole aus einer Lineatur, etwa mit mm- oder cm-Einteilung. Diese Lineatur kann durch die durchsichtige Lagerschicht 2 beobachtet werden und dient zur einfacheren Ausmessung des Elektrophorese-Ergebnisses. Dadurch, daß die Symbolschicht 28 auf der dem Trägermittel abgewandten Oberfläche 27 der Lagerschicht 2 angeordnet ist, ist sie vor chemischen Angriffen durch das Trägermit­ tel/Stoffgemisch oder mechanischen Belastungen etwa beim Reinigen der Lagerschicht, die zum Abrieb der Symbolschicht führen, geschützt.

In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung dargestellt, bei dem sämtliche Komponenten, die für den ordnungsgemäßen Betrieb der elektrokinetischen Vorrich­ tung benötigt werden, wie beispielsweise eine (nicht näher dargestellte) elektrische Versorgungseinrichtung zur Ver­ sorgung der Elektroden 19 mit der über die Zuführungen 21 und 22 und den Kontaktstiften 14 und 15 anzulegenden Hoch­ spannung, elektrische Regel- und Steuereinrichtungen 29, Eingabe- und Anzeigevorrichtungen 30 und dergleichen, in dem Gehäuse 24 untergebracht sind. Auf diese Weise weist die elektrokinetische Vorrichtung 1 ein kompaktes Erscheinungs­ bild auf und ist ohne weitere separat anzuordnende Zusatz­ einrichtungen betreibbar.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist desweiteren an dem Gehäuse 24 ein Stützorgan in Form eines sogenannten 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 Träger­ mittel 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 be­ findlichen 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 dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 Spiralfedern 34, die jeweils in einer Hülse 35 gelagert sind und an de­ ren Enden die Elektroden 19 befestigt sind.

Die Fig. 5, 6 und 7 zeigen ein weiteres, insbesondere be­ vorzugtes Ausführungsbeispiel einer elektrokinetischen Vor­ richtung 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 Te­ flon bestehenden Elektrodenhalters 37 befestigt. Der Elek­ trodenhalter 37 ist an den beiden Enden 38 und 39 mit einem Druckorgan in Form einer Spiralfeder 34 verbunden, die in einem Hohlraum des beispielsweise aus Plexiglas hergestell­ ten Trägerelements 40 gelagert ist. Das den Elektrodenhal­ ter 37 und damit die Elektrode 19 tragende Trägerelement 40 ist vermittels Stellschrauben 41, 42 in Langlöchern 43, 44 zur beliebigen Einstellung des Abstandes der Elektroden zu­ einander auf der Abdeckkappe 20, welche beispielsweise wie­ derum 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 Träger­ element 40 ein jedes Langloch 43 und 44 abdeckendes Schutz­ teil 47, 48 aufweisen, so daß selbst bei einem beliebigen Abstand der Elektroden gewährleistet ist, daß jedes Lang­ loch 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 be­ rühren. Desweiteren ist eine Sicherheitsvorrichtung 49 vor­ gesehen, die dafür sorgt, daß bei einem Öffnen der Abdeck­ kappe 20 die an den Elektroden anliegende Hochspannung aus­ geschaltet wird. Die Sicherheitsvorrichtung 49 besteht aus einem Drehknopf 50, vermittels welchem ein Bügel 51 ge­ schwenkt werden kann, der wiederum eine Aussparung 52 be­ sitzt. Fig. 5 zeigt die Sicherheitsvorrichtung 49 bei ge­ schlossener Abdeckkappe 20, wobei in diesem Zustand die Aussparung 52 eine oberhalb eines Mikroschalters 54 ange­ ordnete Abdeckplatte 53 umfaßt, und das unterhalb der Ab­ deckplatte 53 befindliche Ende des Bügels 51 den Mikro­ schalter 54 betätigt, so daß über vorzugsweise zwei mit dem Mikroschalter 54 betätigbare (nicht näher dargestellte) Re­ lais Hochspannung jeweils an die Elektroden angelegt ist. Zur Öffnung der Abdeckkappe 20 ist der Drehknopf 50 und da­ mit der Bügel 51 bei der Ansicht gemäß Fig. 5 entgegen dem Uhrzeigersinn zu schwenken, so daß der Mikroschalter 54 ge­ öffnet wird und somit die Verbindung der Hochspannung an die Elektroden 19 unterbrochen wird. Durch die einen (an der Gehäusewand vorgesehenen, aber nicht näher dargestellten) Schlitz, in den der Bügel 51 eingreift, abdeckende Abdeck­ platte 53 wird hierbei verhindert, daß trotz geöffneter Ab­ deckkappe eine Manipulation an dem Mikroschalter 54 vorge­ nommen 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 Elek­ troden aus Graphit, Platin oder Titan besitzt Glaskohlen­ stoff den Vorteil, daß die Elektroden in dem gewünschten Temperaturbereich einen geringen Wärmeausdehnungskoeffi­ zienten besitzen, keinen sogenannten "Memory-" bzw. Ge­ dächtniseffekt ("Verschleppungsfehler") zeigen, nicht kata­ lytisch wirken (keine Kontimination des Analysengutes) und eine chemisch stabile, porenfreie bzw. geschlossene Ober­ fläche aufweisen. Glaskohlenstoff bzw. glasartiger Kohlen­ stoff ist beispielsweise durch thermischen Abbau (Pyrolyse) eines räumlich vernetzten Kunstharzes wie beispielweise Phenol- und Furanharze herstellbar und zu beliebigen Form­ teilen weiterverarbeitbar. Glaskohlenstoff besitzt eine ho­ he Reinheit, hohe Korrosionsbeständigkeit, hohe Härte und Festigkeit, hohe Oberflächengüte und dabei gute elektri­ sche Leitfähigkeit.

Claims (12)

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

• 1. eine aus einem keramischen Material hergestellte Lagerschicht (2) relativ geringer Stärke (d) mit einer Oberfläche (3) für ein das zu trennende Stoffgemisch enthaltendes Trägermittel;
• 2. eine aus einem metallischen Material hergestellte Kühlplatte (4), die
  • 2.1 auf der dem Trägermittel abgewandten Oberfläche (27) der Lagerschicht (2) in innigem Kühlkontakt zu dieser angeordnet ist, und
  • 2.2 eine derart hohe spezifische Wärmeleitfähigkeit und Stärke aufweist, daß eine hohe seitliche Wärmeleitung in einer Richtung parallel zur Oberfläche der Lagerschicht und damit ein guter seitlicher Temperaturausgleich zwischen benachbarten Zonen (6, 7) der Kühlplatte (4) gewährleistet ist;
• 3. eine Kühlvorrichtung (8), die
  • 3.1 auf zumindest einem Teil einer zur Lagerschicht (2) abgewandten Oberfläche der Kühlplatte (4) in innigem Kühlkontakt zu dieser angeordnet ist,
  • 3.2 derart regelbar ist, daß in der Lagerschicht (2) und damit in dem Trägermittel eine Reaktionstemperatur in einem gewünschten Temperaturbereich einstellbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlplatte (4) aus Aluminium oder Kupfer besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke (d) der Lagerschicht (2) einen derart niedrigen Wert aufweist, daß die Lagerschicht (2) für Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich 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 graphischen Symbolen (28) bestehende oder mit graphischen Symbolen (28) 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 weniger als 1 mm und insbesondere von 0,1 mm bis 0,5 mm besitzt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material insbesondere einen hohen Anteil von Aluminiumoxid aufweist.

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

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

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

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung (8) durch umgekehrten Stromfluß als Heizelement betreibbar ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche der genannten Komponenten und weitere Komponenten, die für den ordnungsgemäßen Betrieb der elektrokinetischen Vorrichtung benötigt werden, in ein und demselben Gehäuse (24) untergebracht sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß an oder in dem Gehäuse (24) eine Beleuchtungsein­ richtung (32) vorgesehen ist.