DE68927019T2

DE68927019T2 - Kassette mit einem kapillaren Detektor für Elektroforese

Info

Publication number: DE68927019T2
Application number: DE68927019T
Authority: DE
Inventors: Victor Paul Burolla; Ian Keith Glasgow
Original assignee: Beckman Instruments Inc
Current assignee: Beckman Coulter Inc
Priority date: 1988-04-29
Filing date: 1989-03-14
Publication date: 1997-01-23
Anticipated expiration: 2009-03-15
Also published as: DE68927019D1; EP0339780B1; JP2510956Y2; EP0339780A3; EP0339780A2; US5198091A; JPH02140355U

Description

Ausgangspunkt der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf die Elektrophorese. Insbesondere bezieht sie sich auf die Kapillar-Elektrophorese, bei der ein Kapillarrohr in einer Kassette angeordnet ist und die Elektrophorese in dem Kapillarrohr der Kassette erfolgt.

Zusammenfassung des Standes der Technik

Die Elektrophorese ist grundlegend die Bewegung geladener Teilchen in einem angelegten elektrischen Feld. Die Kapillar- Elektrophorese ist bekannt. Bei dieser Art von Elektrophorese wird ein Kapillarrohr zunächst mit einem Elektrolyt gefüllt. Danach wird eine Probe an einem Ende des Kapillarrohres in dieses injiziert. Ein Detektor wird mit einem Punkt an dem Kapillarrohr typischerweise benachbart zum anderen Ende des Kapillarrohres ausgerichtet, das von der Probe entfernt ist. Ein elektrisches Potential wird an das Kapillarrohr zwischen den jeweiligen äußeren Enden dieses Kapillarrohres angelegt. Dieses elektrische Potential wird üblicherweise dadurch angelegt, daß jedes äußere Ende des Kapillarrohres in eine getrennte Phiole mit Elektrolyt eingetaucht wird, wobei jede Phiole ein unterschiedliches elektrisches Potential aufweist.
Bei angelegtem elektrischem Potential treten zwei getrennte Strömungseffekte auf.
Der erste dieser Strämungseffekte ist ein Gesamtproben-Strämungseffekt. Die Probe bewegt sich als eine Masse in dem Kapillarrohr, das vorher mit dem Elektrolyt gefüllt wurde. Es tritt eine Strömung über die gesamte Säule auf.
Der zweite dieser Strömungseffekte ist die elektrophoretische Strömung. Diese Strömung führt dazu, daß die Bestandteile der Probe, die eine unterschiedliche elektrische Ladung aufweisen, sich gegenüber der Hauptströmung des Strömungsmediums in dem Kapillarrohr bewegen.
Die Klassifizierung oder Trennung der Probe wird üblicherweise an einem Detektor erfaßt. Der Detektor kann entweder den elektrischen Widerstand längs des Kapillarrohres messen oder es kann alternativ eine optische Messung durchgeführt werden, beispielsweise der Absorption oder der Fluoreszenz. In gleicher Weise können die Messungen die Änderung des optischen Brechungsindex (der üblicherweise als Schlieren bezeichnet wird) einschließen. Massenspektroskopie und andere verwandte Techniken können ebenso verwendet werden.
Die Kapillar-Elektrophorese war bisher ein relativ schwieriges Laborverfahren. Das Kapillarrohr mußte einzeln abgeschnitten, mechanisch mit dem Rest des Systems verbunden und bezüglich eines Detektors angeordnet werden. Hierbei tritt eine aufwendige Handhabung des brüchigen Kapillarrohres auf.
Die Positionierung des Kapillarrohres gegenüber den Detektor war alles andere als einfach. Insbesondere weisen Kapillarrohre üblicherweise einen Innendurchmesser von 50 µm und einen Außendurchmesser von 350 µm auf.
Diese Kapillarrohre sind üblicherweise durch einen Schutzüberzug geschützt. Dieser Schutzüberzug muß zunächst entfernt werden, wobei die Techniken zur Entfernung des Schutzüberzuges die Verwendung einer Flamme, eines Erhitzens oder eines chemischen Ätzens einschließen. Danach muß das Kapillarrohr mit irgendwelchen Detektorbauteilen an dem Abschnitt ausgerichtet werden, an dem die Beschichtung entfernt wurde. Weil das Kapillarrohr sehr klein ist, ist die Ausrichtung alles andere als einfach.
Die Probe muß einzeln in das Kapillarrohr injiziert werden. Es sind zwei Verfahren für diese Injektion bekannt.
Das erste Verfahren erfordert die Verwendung einer elektrischen Ladung. Bei diesem Verfahren wird das Kapillarrohr zunächst mit einem Elektrolyten gefüllt und ein elektrisches Potential wird von einem Ende eines in eine Probe eingetauchten Kapillarrohres zum entgegengesetzten Ende des Kapillarrohres angelegt. Die Ladung führt dazu, daß die Probe in das Kapillarrohr gezogen wird.
Unglücklicherweise wird bei diesem Verfahren die Probe einer gewissen Klassifizierung oder Trennung unterworfen, wenn sie in das Kapillarrohr eintritt, und zwar aufgrund des Vorhandenseins der Kräfte der Elektrophorese. Daher ist für viele Proben das Einführen der Probe durch eine elektrische Ladung nicht wünschenswert.
Zusätzlich kann die Probe einer hydrodynamischen Strömungsinjektion unterworfen werden. Bei dieser Injektion wird ein Ende der beiden Enden eines Kapillarrohres gegenüber dem anderen äußeren Ende des Kapillarrohres angehoben. Weil das Kapillarrohr bereits mit dem Elektrolyt gefüllt wurde, tritt eine Strömung auf. Durch die Maßnahme des Anhebens des Endes des Kapillarrohres in einer Probe kann eine Strömung der Probe in das Kapillarrohr erfolgen.
Leider legt ein derartiges System der Geometrie des Mechanismus Beschränkungen auf, in dem das Kapillarrohr gehalten wird. Für das Kassettensystem zur Aufnahme eines Kapillarrohres, wie es hier vorgeschlagen wird, ist eine derartige Injektion schwierig. Weiterhin ergeben sich Schwierigkeiten, wenn versucht wird, die Menge der in das Kapillarrohr eingeführten Probenflüssigkeit präzise und reproduzierbar zu steuern.
Es ist weiterhin erforderlich, daß das Kapillarrohr gekühlt wird. Diese Kühlung ist erforderlich, weil das kleine Kapillarrohr einer elektrischen Widerstandserwärmung während der Zeitperiode ausgesetzt ist, zu der das Elektrophorese-Potential angelegt ist. Ein kleiner Strom, der bei einer hohen Spannung in dem Kapillarrohr fließt, erzeugt Wärme. Es gibt zwei Gründe für das Kühlen des Kapillarrohres gegenüber einer elektrischen Widerstanderwärmung.
Zunächst wird, wenn das Kapillarrohr in wesentlichem Ausmaß erwärmt werden kann, die Klassifizierung in schwerwiegender Weise beeinträchtigt. Eine derartige Beeinträchtigung tritt durch eine durch Wärme induzierte Diffusion der sognenannten Bänder von unterschiedlich geladenen Teilchen auf, die durch das Kapillarrohr mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten wandern. Einfach ausgedrückt heißt dies, daß die Wärme und die daraus resultierende Diffusion das eigentliche Klassifizierungsergebnis beeinträchtigen oder unmöglich machen kann, das den eigentlichen Zweck der Elektrophorese bildet.
Zweitens kann die Erwärmung bis zu einem Punkt erfolgen, bei dem das Elektrolyt in dem Kapillarrohr verdampft. In diesem Fall wird die Kontinuität des elektrischen Feldes längs des Kapillarrohres zerstört. Weiterhin kann eine Beschädigung des Kapillarrohres auftreten.
Es ist weiterhin erforderlich, daß voneinander entfernte Enden des Kapillarrohres elektrisch voneinander isoliert sind. Wenn voneinander entfernte Enden des Kapillarrohres entweder in Berührung miteinander oder in enge Nähe zueinander gelangen, so kann eine Lichtbogenbildung und eine entsprechende Zerstörung sowohl des Kapillarrohres als auch der gerade ablaufenden Elektrophorese auftreten.
Das Dokument EP 24 19 40 lehrt ein Konzept, das die Verwendung eines Schablonenstranges zum Einformen oder Eingießen eines Kapillarkanals in Kunststoff in Kombination mit Detektoren umfaßt. Der Zweck der Einformung eines derartigen Kanals besteht in der Schaffung einer verbesserten Möglichkeit zur Konstruktion der Leitfähigkeitsdetektoren zur Verwendung bei der Kapillar- Elektrophorese. Dieses Dokument beschreibt, daß es erwünscht ist, eine Leitfähigkeitsdetektion durchzuführen, doch müssen die Elektroden klein und genau senkrecht zur Achse des Trennkanals sein. Das Dokument ist auf das Erreichen dieser Ziele gerichtet. Gemäß einem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung wird eine austauschbare Kapillarrohr-Kassette geschaffen, wobei die Kassette:
ein Kapillarrohr mit einer vorgegebenen Länge und zwei äußeren Enden, die in der Kassette gehaltert sind, wobei die äußeren Enden an voneinander entfernten, mit Abstand angeordneten Stellen der Kassette aus vorspringen, und einen Detektionskanal in der Kassette umfaßt, der mit dem Kapillarrohr ausgerichtet ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Kapillar-Elektrophorese ist in einem Kassettenkörper angeordnet. Der Kassettenkörper wird gekühlt und ergibt einen Pfad für das Kapillarrohr. Das Kapillarrohr ist auf dem Kapillarrohrpfad angeordnet und springt in Vertikalrichtung nach unten vom Boden der Kassette an zwei entfernten, voneinander in Abstand angeordneten Stellen an der Unterseite der Kassette vor.
Diese beiden entfernten, mit Abstand voneinander angeordneten Stellen ordnen die vorspringenden Enden des Kapillarrohres in der gleichen Höhenlage an, um die Strömung in dem Kapillarrohr auf eine Strömung zu beschränken, die durch eine elektrische Kraft oder durch eine Strömungsmitteldruck-Injektion hervorgerufen wird. Diese äußeren Enden sind um ihren Umfang herum gegenüber der Kassette an den Stellen abgedichtet, an denen sie aus der Kassette austreten. Die äußeren Enden springen über eine ausreichende Strecke von der Unterseite des Kassettenkörpers aus nach unten vor, damit sie in einen Elektrolyten zum Füllen des Kapillarrohres (vorzugsweise mit einem hohen Druck an einem Ende des Kapillarrohres -- ungefähr 69 mal 10³ pa (10 psi), in eine Probe zum Füllen des Kapillarrohres (mit einem niedrigen Meßdruck an einem Ende des Kapillarrohres -- ungefähr 6,9 mal 10³ pa (1 psi) oder in einen Elektrolyten an einem elektrischen Anschluß zum Hervorrufen einer Elektrophorese in dem Kapillarrohr (mit dem gleichen Druck an beiden Enden des Kapillarrohres) eintauchbar sind. Ein Abschnitt des Kapillarrohres benachbart zu einem Ende ist mit Detektorbauteilen ausgerichtet, die durch die Kassette umgrenzt sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Kapillarrohr in einem hohlen Kassettenkörper angeordnet, spiralförmig um einen Dorn gewickelt und durch ein Kühlmittel gekühlt, das in zwangsumlauf versetzt werden kann, um durch Konvenktion Wärme abzuführen, die während der Elektrophorese erzeugt wird. Eine alternative Konstruktion schließt einen Bornitrid-Block mit einer serpentinförmigen Vertiefung ein. Ein Kapillarrohr wird mit der erforderlichen Länge in den spiralförmigen Kanal eingelegt und ist an den Überkreuzungspunkten isolisert, um eine unerwünschte Lichtbogenbildung zu verhindern, und das Kapillarrohr ist mit dem Block mit Hilfe einer wasserlöslichen Bornitridpaste verklebt. In beiden Fällen bildet die Kassette einen unmittelbar austauschbaren Platz für die Elektrophorese, und die Kassette kann in bequemer Weise für eine automatische Elektrolyt- und Probeninjektion, eine automatisierte Elektrophorese und eine automatisierte Detektion verwendet werden, ohne daß spezielle Verbindungsstücke mit dem Kapillarrohr verbunden werden. Ein Auswechseln der Kassette ermöglicht ein schnelles Ändern der Länge, der Detektionsart und der Kapillarrohre lediglich durch Ersetzen der Kassetten.

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile

Ein Ziel dieser Erfindung besteht darin, eine Detektor-Kassette für die Kapillar-Elektrophorese zu schaffen, in der das Kapillarrohr vorher auf eine gewünschte Länge abgeschnitten, über einen kompakten Pfad eingefädelt und gegenüber einer Detektorvorrichtung positioniert ist, wobei die Kassette in ein Kapillar-Elektrophorese-Gerät eingesetzt und in diesem verwendet werden kann. Entsprechend wird eine abgeschlossene Kassette verwendet. Die Kassette legt eine Bahn für das bei der Elektrophorese verwendete Kapillarrohr fest. Eine vorher abgeschnittene Länge des Kapillarrohres ist in der Kassette angeordnet. Das Kapillarrohr ist an einem Ende für eine Detektion über Detektorbauteilen in der Kassette angeordnet. Das Kapillarrohr springt an seinen beiden äußeren Enden von der unteren Oberfläche der Kassette an zwei mit Abstand voneinander angeordneten nach unten hin vorspringenden Stellen vor. Jedes Kapillarrohr-Ende springt über eine ausreichende Strecke vor, um die Injektion von Elektrolyt oder Proben in Verbindung mit Phiolen zu ermöglichen, in denen Elektrolyt mit dem erforderlichen Elektropotential angeordnet ist. Der Umfang des Kapillarrohres ist gegenüber jeder Kassette am Austrittsende abgedichtet.
Ein Vorteil dieser Kassette besteht darin, daß sie sehr leicht ausgewechselt werden kann. Unterschiedliche Kapillarrohre können in einfacher Weise durch unterschiedliche Kassetten zur Verfügung gestellt werden. Weiterhin entfällt eine Handhabung des empfindlichen Kapillarrohres.
Ein weiterer Vorteil der Kassette besteht darin, daß unterschiedliche Längen des Kapillarrohres in einfacher Weise in Kassetten mit der gleichen Größe untergebracht werden können. Durch die Maßnahme des Zurückschlingens des Pfades auf sich selbst können vergrößerte Längen der Kapillarrohre alle in einer Kassette mit der gleichen Größe untergebracht werden.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das Kapillarrohr zum Zeitpunkt der Herstellung der Kassette für eine Detektion benachbart zu einem seiner beiden äußeren Enden ausgerichtet werden kann. Entsprechend muß sich der Techniker, der Proben durch die Elektrophorese hindurchlaufen läßt, nicht mehr um die Ausrichtung des Kapillarrohres mit dem Detektor kümmern.
Ein weiterer Vorteil der Kassette besteht darin, daß sie in einfacher Weise alle Arten von Detektoranordnungen berücksichtigt, die derzeit bei der Elektrophorese verwendet werden. Eine Widerstandsdetektion, eine Lichtabsorption, eine Fluoreszenzdetektion, eine Schliereneffektdetektion und eine Massenspektroskopie können alle verwendet werden. Derartige Detektoren können an einem Ende des Kapillarrohres angeordnet werden, wobei das Detektionssystem die erforderliche Kühlung des Kapillarrohres nur über eine minimale Länge unterbricht.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der Teil des Detektorsystems, der in die Kassette eingebaut ist, auf einem Minimum gehalten werden kann. Die Detektorvorrichtungen, die außerhalb der Kassette verwendet werden, können den größten Teil der erforderlichen komplizierten gerätemäßigen Ausführung bilden und außerhalb der Kassette befestigt werden. Entsprechend bleibt die Konstruktion der Detektorvorrichtung bezüglich der Kassette einfach. Die komplizierten Teile der Detektoranordnung sind auf Geräte außerhalb der Kassette selbst beschränkt.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Abdichtung des Kapillarrohres um dessen Umfang herum an seinen mit Abstand angeordneten Austrittsenden aus der Kassette. Aufgrund der Abdichtung des Umfanges des Kapillarrohres gegenüber der Unterseite der Kassette können die sich nach unten hin erstreckenden Kassetten-Kapillarrohre an ihren mit Abstand voneinander angeordneten äußeren Enden in Flüssigkeit in den Phiolen eingetaucht werden. Das erforderliche Füllen der Kapillarrohre mit Elektrolyt und die Injektion der Proben kann erfolgen. Es müssen lediglich die Phiolen manipuliert werden, wobei sie gegenüber der Kassette abgedichtet und unter Druck gesetzt werden.
Ein Vorteil der Abdichtung des Kapillarrohrumfanges gegenüber der Unterseite der Kassette besteht darin, daß die Oberfläche der Kassette benachbart zu den sich nach unten hin erstreckenden Kapillarrohren als Oberfläche verwendet werden kann, gegen die eine Druckdichtung ausgebildet werden kann. Entsprechend ist durch Eintauchen des Endes des Kapillarrohres in eine Phiole mit entweder Elektrolyt oder Probe und durch Abdichten der Phiole gegenüber der Unterseite der Kassette eine Druckinjektion des Elektrolyten oder der Probe möglich. Insbesondere bewirkt nach der Herstellung einer Abdichtung einer Phiole das Aufbringen eines Druckes auf den Innenraum der abgedichteten Phiole den Eintritt der Flüssigkeit unter Druck in das Kapillarrohr.
Ein Vorteil dieses Grundgedankens der Erfindung besteht darin, daß die Kassette in inniger Weise an der Injektion der Probe teilnimmt. Die Handhabung des Kapillarrohres während dieser Injektion ist nicht erforderlich. Die Druckinjektion in ein Elektrophorese-Kapillarrohr wird stark vereinfacht.
Ein weiteres Ziel dieser Erfindung besteht in der Verwendung der Kassette dazu, das Kapillarrohr auf der richtigen Temperatur für die Elektrophorese zu halten. Gemäß einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung ist die Kassette mit einem hohlen Innenraum versehen. Die hohle Kassette ist mit einem Kühlmittel gefüllt. Wenn die Kassette verwendet wird, tritt eine Kühlung des Kapillarrohres gegen die elektrische Widerstandserwärmung auf, die durch das Elektrophorese-Potential hervorgerufen wird. Diese Kühlwirkung erfolgt durch die resultierende Konvektion der erzeugten Wärme an das Kühlmittel.
Ein Vorteil dieses Grundgedankens besteht darin, daß Maßnahmen für die Zirkulation eines Kühlmittels getroffen werden können. Entsprechend kann die Temperatur ihres Kapillarrohres während der Kapillar-Elektrophorese innerhalb vorhersagbarer Grenzen gehalten werden.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung wird die Kassette aus einer Platte aus thermisch hochleitendem Material hergestellt. Ein derartiges Material kann eine Platte aus Bornitrid einschließen. Dieses Bornitrid ist auf einer Seite der Platte mit einem spiralförmigen Kanal ausgebildet. Das Kapillarrohr ist in diesen spiralförmigen Kanal eingefädelt. Sobald das Kapillarrohr in den spiralförmigen Kanal eingefädelt wurde und sich an seinem Platz befindet, wird es seinerseits in der Nut 'verklebt'. Diese Verklebung erfolgt vorzugsweise unter Verwendung einer wasserlöslichen Bornitridpaste. Die Paste wird an Ort und Stelle abgeformt, trocknet und bildet ein einstückiges Kühlmedium von dem Kapillarrohr zur Platte.
Ein Vorteil dieses Grundgedankens besteht darin, daß, wenn die Kassette verwendet wird, eine Kühlung des Kapillarrohres gegenüber der elektrischen Widerstandserwärmung erfolgen kann. Einfach gesagt heißt dies, daß die Bornitrid-Kassette an zumindest einer Seite mit einem 'Kühlkörper', wie z.B. einem aus reinem Aluminium bestehenden Metallblock, ausgerichtet ist. Dieser Metallblock wird vorzugsweise gekühlt. Während der Elektrophorese wird die Widerstandserwärmung durch die Ableitung der in dem Kapillarrohr erzeugten Wärme über die Platte aus Bornitrid und in den benachbarten Kühlkörper verringert.
Der Vorteil dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die durch Wärmeleitung erfolgende Wärmeübertragung an das Bornitrit sich als noch besser herausgestellt hat, als die Konvektion. Unter der Annahme eines elektrischen Potentials von 1,5 kV/cm in einem Kapillarrohr mit einem Innendurchmesser von 50 µm und eines Stromes von 200 bis 400 µA kann eine Wärmeübertragung in der aus massivem Bornitrid bestehenden Kassette auf Temperaturpegel von lediglich 10 Grad Unterschied gegenüber der Umgebungsbetriebstemperatur aufrechterhalten werden. Eine derartige wärmeübertragung kann mit der wärmeübertragung von einem Kapillarrohr über ein vollständig halogenisiertes Kühlmittel verglichen werden, wobei die Kapillartemperaturdifferenz auf 25ºC gegenüber der Umgebungsbetriebstemperatur gehalten wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen weiter ersichtlich, in denen:
Fig. 1 eine perspektivische, teilweise weggebrochene Ansicht einer Kapillar-Elektrophorese-Kassette mit einem Kapillarrohr ist, das aus der Kassette an beiden äußeren Enden nach unten hin vorspringt, wobei ein innenliegender Dorn oder Wickelkern zum Aufwickeln des Kapillarrohres gezeigt ist und die Kassette ein Kühlmittel, vorzugsweise mit Zwangsumlauf, zum Kühlen des Kapillarrohres aufweist,
Fig. 2 eine Einzelheit der Kassette benachbart zum Detektor entlang der Linien 2-2 nach Fig. 1 ist,
Fig. 3 eine Vorderansicht einer abgeänderten Ausführungsform der Kassette ist und einen massiven Block aus leitendem Material zeigt, der mit einem spiralförmigen Kanal für die Einführung eines Kapillarrohres ausgeformt ist,
Fig. 4A eine Unteransicht der Kassette nach Fig. 3 ist,
Fig. 4B eine perspektivische Ansicht der Kassette nach Fig. 4A bei Anordnung in einem Halter ist, wobei der Umfang des Kapillarrohres gegenüber dem Halter an der Stelle abgedichtet ist, an der das Kapillarrohr aus dem Halter nach unten hin vorspringt,
Fig. 5 eine Einzelheit des Kanals in der Kassette nach Fig. 3 ist,
Fig. 6 eine Einzelheit des Kanals benachbart zum Detektor der Kassette nach Fig. 3 ist,
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht der Kassette nach Fig. 3 bei Verwendung in einer Elektrophorese-Anwendung ist, wobei die Kassette mit einem Kühlkörper ausgerichtet ist und die nach unten hin vorspringenden Kapillarrohrenden in Phiolen eingetaucht sind, die entweder Lösungsmittel oder eine Probe enthalten,
Fig. 8A und B jeweilige perspektivische Vorder- und Rückansichten der derzeit bevorzugten Kassette gemäß der Erfindung sind, die in einer auseinandergezogenen Ansicht die Bauteile der Kassette und ihre relative Anordnung zeigen,
Fig. 9 eine Einzelheit, die zeigt, wie die Abdichtung des Kapillarrohres bei der Ausführungsform nach den Fig. 8A und 8B bewirkt werden kann.
Gemäß Fig. 1 ist die Kassette C ein Behälter von ungefähr 10,16cm (4 Zoll) mal 10,16cm (4 Zoll) mit einer Dicke von 2,54cm (1 Zoll). Die Kassette ist aus Isoliermaterial hergestellt. Ein Isoliermaterial, wie z.B. ein im Handel erhältliches Kunststoffmaterial, kann verwendet werden.
Die Kassette besteht aus zwei Hauptabschnitten. Diese beiden Hauptabschnitte sind miteinander verbunden oder aneinander befestigt, um eine innenliegende Kammer 20 zu schaffen, die das Kapillarrohr enthält.
Wie dies weiter unten näher erläutert wird, enthält diese innere Kammer weiterhin ein Strömungsmittel, um eine konstante Temperatur in dem Kapillarrohr aufrechzuerhalten.
Der innere Abschnitt 14 bildet den Hauptkörper der Kassette 10. Der äußere Abschnitt 16 der Kassette 10 schließt einen Kühlmitteleinlaß 22 und einen Kühlmittelauslaß 24 ein. Das Kühlmittel kann ein Strömungsmittel, wie z.B. destilliertes Wasser, oder ein vollständig halogenisierter Kohlenwasserstoff sein. Vollständig halogenisierte Kohlenwasserstoffe werden gegenüber destilliertem Wasser bevorzugt, weil eine Verunreinigung der Kohlenwasserstoffe nicht so schnell eine unerwünschte Leitfähigkeit des Kühlmittels hervorruft.
Es ist verständlich, daß ein Kühlmittelumlauf im Inneren der Kassetten nicht erforderlich ist, dieser Umlauf wird lediglich bevorzugt.
Das Kapillarrohr ist von einer ersten Öffnung 30 aus, die für eine Schraubdichtung 32 mit Gewinde versehen ist, entlang einer Spindel 34 und auf einen Dorn 36 eingefädelt. In Abhängigkeit von der Länge des zu verwendenden Kapillarrohres können mehrere spiralförmige Windungen um den Dorn 36 herum vorgesehen sein. Es wurden Kapillarrohre mit Längen von 20 cm bis 100 cm verwendet. Typischerweise verläßt das Kapillarrohr den Dorn 36 und verläuft dann durch eine Dichtung 38 hindurch zu einer Detektoröffnung D. An der Detektoröf fnung D verläuft das Kapillarrohr wiederum durch eine Dichtung 39 nach außen durch eine Öffnung 40.
Sobald das Kapillarrohr eingefädelt und an seinem Platz gebracht wurde, werden mit Außengewinde versehende Dichtungen 32 in die Öffnungen 30, 40 eingesetzt. Diese Abdichtungen bewirken ein flüssigkeitsdichtes Hindurchlaufen des Außenumfanges des Kapillarrohres durch die Kassette. Wie dies weiter unten ersicihtlich wird, ermöglichen es diese Abdichtungen der Kassette, an der Druckinjektion von Flüssigkeit in das Kapillarrohr beteiligt zu sein.
Es ist wichtig, festzustellen, daß das Kapillarrohr Q an seinen äußeren Enden 31 und 41 nach unten hin über die Unterseite 44 der Kassette hinaus vorspringt. Um die vorspringenden Kapillarrohrenden gegen eine Beschädigung zu schützen, können zwei abtrennbare entf embare Schutzklappen 42 auf beiden Seiten der Kassette verwendet werden. Diese Schutzklappen hängen jeweils von einer Seite der Kassette herunter und verhindern ein Brechen des vorspringenden Kapillarrohres.
Der Dorn 36 besteht ebenso wie die Kassette selbst aus Isoliermaterial, wie z.B. aus einem im Handel erhältlichen Kunststoffmaterial. Es ist wichtig, daß der Dorn die Windungen des Kapillarrohres voneinander trennt. Beispielsweise wird bevorzugt, daß die Seiten des Dorns mit Gewindegängen 47 versehen sind. Diese Gewindegänge 47 verhindern es, daß zwei Abschnitte des Kapillarrohres mit stark unterschiedlichen Potentialen einander berühren. Wenn eine derartige Berührung auftreten würde, so könnte der Unterschied der eletkrischen Potentiale einen Lichtbogen zwischen den jeweiligen Kapillarrohrabschnitten hervorrufen. Ein derartiger Lichtbogen würde das Kapillarrohr zerstören sowie die gerade ablaufende Elektrophorese vernichten.
Einige Aufmerksamkeit sei der Detektoröffnung D gewidmet.
Bei einer Ausführungsform, die für eine UV-Absorptionsdetektion verwendet wird, ist eine Platte 60 vorgesehen. Die Platte 60 weist eine V-förmige Nut 62 auf, und das Kapillarrohr Q ist mit der V-förmigen Nut 62 ausgerichtet. Die Platte ist weiterhin mit einer Okularöffnung 63 versehen, die mit der Nut ausgerichtet ist. In der Praxis werden diese Nut und die Okularöffnung unter Verwendung einer chemischen Frästechnik hergestellt, so daß die Ausrichtung des Kapillarrohres mit der Öffnung durch Einlegen des Kapillarrohres in die Nut bewirkt wird. Diese Okularöffnung ermöglicht es, daß Licht von einer Seite der Kassette zur anderen Seite der Kassette gelangt.
Wenn die Ausrichtung des Kapillarrohres mit der Okularöffnung erfolgt ist, so erfolgt ein Festklemmen des Kapillarrohres an der Platte 60.
Es ist verständlich, daß an dem Abschnitt des Kapillarrohres benachbart zur Öffnung D der Schutzüberzug, wie z.B. ein Polyimidüberzug, entfernt ist. Diese Entfernung des überzuges ermöglicht es, daß das Silikaglas des Kapillarrohres für eine direkte optische Detektion freiliegt.
Es ist verständlich, daß die Detektoröffnung in der Kassette so klein wie möglich gehalten wird. Dies dient dazu, die Länge des Kapillarrohres, die nicht mit den Kühlmittel in Berührung steht und daher nicht gekühlt wird, zu einem Minimum zu machen.
Der Leser wird verstehen, daß das spezielle Detektorschema, das an der Öffnung D verwendet wird, sich ändern kann. Bei dem speziellen in Fig. 1 gezeigten Detektorschema richtet ein vorspringender Zylinder 80 die Kassette mit einer (nicht gezeigten) Detektorvorrichtung aus. Eine Detektoröffnung 82 enthält eine Glasfaseroptik 86, die an dem Kapillarrohr Q anliegt. Durch die Glasfaseroptik hindurchlaufendes Licht trifft auf das Kapillarrohr auf 4 Dieses Licht versetzt die durch die Elektrophores getrennten Materialbänder in Fluoreszenz. Licht tritt aus dem Detektorbereich aus dem äußeren Gehäuse 16 zu einem (nicht gezeigten) Detektor aus.
Die Detektoröffnung D kann weiterhin den Lichteintritt für Licht bilden, das durch das Kapillarrohr für eine Absorption hindurchläuft. In diesem Fall tritt Licht aus der Kassette an der Detektoröffnung D im Abschnitt 14 des Gehäuses aus.
In gleicher Weise können übliche elektrische Widerstandsmessungen längs des Kapillarrohres durchgeführt werden. Bei einer derartigen Messung wird der sich ändernde elektrische Widerstand längs des Kapillarrohres aufgrund des Hindurchlaufens des klassfizierten Materials unter der Elektrophorese gemessen. In gleicher Weise kann eine Messung auf der Grundlage des sich ändernden optischen Brechungsindex der sich vorwärtsbewegenden klassifizierten Bestandteile (Schlieren) sowie eine Massenspektroskopie verwendet werden.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Länge des Kapillarrohres in der Nähe der Detektoröffnung D auf einem Minimum gehalten wird. Dies ergibt sich daraus, daß das Kühlmittel nicht um das Kapillarrohr herum angeordnet werden kann. Entsprechend kann eine unerwünschte Erwärmung auftreten, wenn der nicht gekühlte freiliegende Abschnitt des Kapillarrohres nicht auf einem absoluten Minimum gehalten wird.
Es ist zu erkennen, daß der Detektor so nahe wie möglich am äußeren Ende 41 des Kapillarrohres gehalten wird. Dies dient dazu, die prozentuale Länge des Kapillarrohres zu einem Maximum zu machen, die für die Trennung verwendet wird. Hierdurch wird weiterhin die Spannung zu einem Minimum gemacht, die an das gesamte Kapillarrohr angelegt werden muß, um den erforderlichen Potentialgradienten in dem Abschnitt des Kapillarrohres vor dem Detektor zu erzielen.
Nachdem die Ausführungsform dieser Erfindung bezüglich der Fig. 1 und 2 beschrieben wurde, kann nunmehr eine abgeänderte Ausführungsform bezüglich der Fig. 3 bis 7 gezeigt werden.
In Fig. 3 ist eine Kassette C' gezeigt, die aus einem Block aus Bornitrid besteht. Dieser Block weist Abmessungen von ungefähr 10,16cm (4 Zoll) mal 10,16cm (4 Zoll) mit einer Dicke von 0,47cm (3/16 Zoll) auf. Der Block schließt einen spiralförmigen Pfad 5 ein. Der spiralförmige Pfad 5 schließt mehrfache spiralförmige Kanäle ein, die in irgendeinem gewünschten Muster in dem Block geformt sind. Zwei Beschränkungen müssen hinsichtlich des spiralförmigen Pfades S berücksichtigt werden.
Hinsichtlich der Krümmung 100 in dem oberen Abschnitt der Kassette C' ist zu erkennen, daß der Krümmungsradius auf einen Radius beschränkt werden muß, bei dem das Kapillarrohr und dessen Polyimid-Beschichtung nicht brechen oder reißen kann.
Zweitens sollte an Kanälen wie z.B. dem Querkanal 102, an dem die Kanäle sich bei 107, 108, 109 und 110 schneiden, die Tiefe eines der sich kreuzenden Kanäle vergrößert werden. Weiterhin wird nach dem Einfädeln eines Kapillarrohres Q in einen Kanal mit vergrößerter Tiefe ein Isoliserüberzug benötigt. Dieser Isolierüberzug wird aufgebracht, bevor ein überlappender Abschnitt des Kapillarrohres Q an der Überkreuzungsstelle bei 107, 108, 109 und 110 eingefädelt wird. Dieser Isolierüberzug verhindert, daß das elektrische Potential an überlappenden Abschnitten des Kapillarrohres Q einen Lichtbogen hervorruft und die gewünschte Elektrophorese zunichte macht.
Während ein normaler Kanal eine Tiefe von 0,086cm (34/100 Zoll) aufweist, kann ein tiefer Kanal die Größenordnung von 0,16cm (64/1000 Zoll) aufweisen, um die beiden übereinanderliegenden Kapillarrohre und die erforderliche elektrische Isolation zwischen diesen aufzunehmen.
In Fig. 5 ist ein Kapillarrohrkanal mit einem Kapillarrohr Q an einem typischen Schnitt des spiralförmigen Pfades 5 gezeigt. Der Kanal ist an seinem Boden breiter als an seiner Oberseite.
Diese Konfiguration wird dadurch erreicht, daß eine innenhegende Nutöffnung unter einem Winkel von 60 Grad vorgesehen wird. Diese 60 Grad-Öffnung schließt eine 30 Grad-Abweichung gegenüber der Vertikalen an jeder der Kanalseitenwände ein. Dieser Kanal weist eine gleichförmige Form über den gesamten spiralförmigen Pfad S mit Ausnahme des Kanals 105 (Fig. 6) auf, der von der Detektoröffnung D' zur Grundfläche der Kassette verläuft.
Unter Bezugnahme auf Fig. 4A ist zu erkennen, daß der Kanal 105 mit einem quadratischen Querschnitt ausgebildet ist. Dieser Kanal erstreckt sich von der Detektoröffnung D' zu dem Punkt, an dem das Kapillarrohr Q von der Kassette C' aus nach unten vorspringt.
Sobald das Kapillarrohr Q in den spiralförmigen Kanal mit der gewünschten Länge (üblicherweise im Bereich von 20 bis 100cm) eingelegt wurde, wird eine Bornitridpaste gleichförmig über den Kanal des spiralförmigen Pfades S aufgebracht. Die Bornitridpaste, die typischerweise wasserlöslich ist, trocknet an Ort und Stelle und läßt einen massiven Block zurück. Dieser massive Block weist typischerweise eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf.
Diese große Wärmeleitfähigkeit hat sich als wirkungsvoller bei der Kühlung des Blockes gegenüber der Widerstandserwärmung herausgestellt, die bei der Elektrophorese auftritt (siehe obere rechte Ecke der Fig. 7).
Eine kurze Ausführung sollte hinsichtlich der Detektoröffnung D' gemacht werden. Speziell und bei dieser Ausführungsform ist es nicht mehr erforderlich, das Kapillarrohr Q beim Durchqueren der Öffnung D' abzudichten.
Weiterhin wird das Kapillarrohr Q beim Durchqueren der Öffnung D' an beiden Seiten unmittelbar benachbart zum Detektorpunkt gekühlt. Hierdurch ergibt sich eine überragende Kühlwirkung.
Gemäß Fig. 4B wird die Abdichtung der äußeren Enden des Kapillarrohres gegenüber der Kassette durch Einsetzen des Bornitritblockes in ein Kunststoffgehäuse 143 mit Öffnungen 140 entlang dessen Bodenfläche 141 erreicht. Wie vorher wird zur Erzielung der Abdichtung des Kapillarrohres gegenüber der Bodenfläche ein Dichtungsmittel in Öffnungen 142 eingeführt, die mit den Öffnungen 140 in Verbindung stehen, wodurch die Öffnungen gefüllt werden.
Die Betriebsweise der Kassette C' wird ohne weiteres unter Bezugnahme auf Fig. 7 verständlich. Typischerweise wird die Kassette C' mit einem Kühlblock 120 ausgerichtet. Mit dem Kühlblock 120 sind Kühlmittelquellen 121, 122 verbunden. Die Kassette C' wird mit einer Seite des Blockes 120 ausgerichtet, der vorzugsweise aus reinem Aluminium besteht. Eine wirkungsvolle Kühlung entlang der gesamten Länge des Kapillarrohres Q tritt auf. Beispielsweise wurde festgestellt, daß der verwendeten massive Bornitridblock es ermöglicht, daß die Widerstandserwärmung auf einem Pegel von 10 Grad oberhalb der Umgebungsbetriebstemperatur gehalten wird, anstatt auf 25 Grad für eine Kühlmittel-Konvektionskühlung des Kapillarrohres Q.
In Fig. 8A ist das Innere der Kassette C'' gezeigt. Die Kassette C'' bildet ein Innenvolumen V, wobei dieses Volumen V ein Kühlmittel um das Kapillarrohr Q herum enthält.
Das Kapillarrohr Q wird anfänglich durch eine Luftöffnung hindurchgefädelt, die sich aus der Unterseite der Kasette (nicht sichtbar) herauserstreckt. Das Kapillarrohr wird dann mit einer ausreichenden Anzahl von Windungen um einen Dorn 136 herumgelegt, der schraubenlinienförmige Gewindegänge 111 aufweist. Die Gewindegänge 111 weisen eine ausreichende Tiefe und einen ausreichenden Abstand auf, damit voneinander entfernte Abschnitte des Kapillarrohres keinen elektrischen Kontakt ergeben oder einen Lichtbogen durch das Kapillarrohr während des Elektrophoreseverfahrens hervorrufen. Wie dies in der auseinandergezogenen perspektivischen Ansicht nach Fig. 8A gezeigt ist, wird der Dorn zuerst bewickelt und danach in das Volumen V in der Kassette 10 eingesetzt.
Das Kapillarrohr Q ist typischerweise mit der ersten Windung um den Dorn M ausgerichtet. Nach der erforderlichen Anzahl von Windungen zur Aufnahme der gewünschten Länge des Kapillarrohres wird dieses Kapillarrohr über eine Austrittsfläche 115 geführt. An dieser Oberfläche wird das Kapillarrohr graduell in Vertikalrichtung nach unten umgelenkt und verläßt die Austrittsoberfläche 115 am Punkt 116. Danach läuft das Kapillarrohr über den Detektionsbereich D, entlang eines vertikalen Austrittskanals 119 und dann aus der Unterseite 130 der Kassette heraus. Das Kapillarrohr Q ist mit einem Stab 118 in dem Detektionsbereich D ausgerichtet, wobei dieser Stab eine kleine Mittelöffnung für den Durchgang von Licht aufweist. Wie dies weiter unten erläutert wird, ermöglicht es der Durchgang von Licht durch die Kassette C'' am Detektionsbereich D, die klassifizierten Bestandteile zu identifizieren.
Unter der Annahme, daß das Kapillarrohr vollständig in das Innere der Kassette C'' eingefädelt wurde, wird danach ein O-Ring vollständig um das Innere der Begrenzungswand des Volumens V eingeführt. Dieser O-Ring läuft über das Kapillarrohr Q und hält dieses Kapillarrohr an seinem Platz fest.
Sobald sich der O-Ring an seinem Platz befindet, wird eine Abdeckung aufgelegt und an ihrem Platz abgedichtet befestigt, wodurch die Kassette umschlossen wird (siehe Fig. 8B).
Aus einer Betrachtung der Ansicht der Fig. 8B ist die hintere Oberfläche der Kassette zu erkennen und zu verstehen. Die Detektoröffnung D weist eine konzentrische und im wesentlichen kreisförmige Anlageoberfläche 125 zur Ausrichtung einer externen Optik mit der Öffnung 126 dadurch auf, daß die Anlageoberfläche 125 mit einer V-förmigen Nut 123 ausgerichtet wird (siehe gestrichelte Linin). In gleicher Weise weist die Platte 124 eine ähnliche Öffnung 127 auf. Wenn daher die Platte 124 die Kassette verschließt, so kann Licht durch die Kassette und durch das Kapillarrohr Q für die erforderliche Erkennung der klassifizierten 'Bänder' gleicher Teilchen hindurchlaufen.
Wenn die kreisförmige Anlageoberfläche 125 mit einer V-Nut ausgerichtet ist, so ist es erforderlich, daß die Kassette C'' bezüglich ihrer Bodenfläche 130 in einer horizontalen Lage gehalten wird. Entsprechend ist eine zweite runde Oberfläche 129 nach unten hin gerichtet vorgesehen, so daß sie auf einer Nivellierstange 131 (siehe gestrichelte Linien) aufliegen kann, wobei diese Nivellierstange an einem Gerät zur Aufnahme der Kassette angebracht ist, das im übrigen nicht gezeigt ist.
Mit Ausnahme der Einprägungen der Kassette zur Ausbildung der Anlageoberfläche 125 und der Nivilieroberfläche 129 ist die Rückseite der Kassette im wesentlichen geradlinig. Es seien einige Hinweise hinsichtlich der beiden Leitungen 121 und 122 gegeben, die strichpunktiert in Fig. 8A gezeigt sind. Diese Leitungen 121 und 122 dienen für den Eintritt und den Austritt von Kühlflüssigkeit, die während der Elektrophorese in der Kassette C verwendet wird. Es ist zu erkennen, daß die Leitungen an der Bodenfläche der Kassette C'' beginnen und sich in das Volumen V erstrecken. Daher kann vor dem Anlegen des elektrischen Potentials längs der äußeren Enden des Kapillarrohres Q das gesamte Volumen der Kassette C'' mit Kühlmittel geflutet werden. In gleicher Weise kann unmittelbar vor der Entfernung der Kassetten eine Entleerung des Innenvolumens V erfolgen.
Unter Bezugnahme auf den in Fig. 9 gezeigten Querschnitt ist die Einzelheit der Abdichtung des Kapillarrohres Q zu erkennen und zu verstehen. Das Kapillarrohr Q ist aus der Öffnung 119 der Kassette C'' herausgeführt. Bei diesem Herausführen erstreckt sich das Kapillarrohr über die erforderliche Strecke über die Unterseite 130 der Kassette hinaus.
Unmittelbar bevor der Block 124 die Kassette C'' verschließt, wird Dichtungsmittel durch Öffnungen 112 und 117 an dem Kapillarrohr Q gepreßt. Dieses Dichtungsmitel, vorzugsweise eine Silikongummi-Masse füllt die Öffnungen 112 und 117, umgibt das Kapillarrohr Q und bewirkt eine Abdichtung des Umfanges des Kapillarrohres Q gegenüber der Kassette C. Wie dies weiter verständlich wird, ermöglicht es diese Abdichtung, daß eine Flüssigkeit unter Druck in das Innere des Kapillarrohres Q eingepreßt wird.

Claims

1. Auswechselbare Kapillarrohr-Kassette (C), mit:

einem Kapillarrohr (Q), das eine vorgegebenen Länge und zwei äußere Enden (31, 41) aufweist und das in der Kassette gehaltert ist, wobei die äußeren Enden von voneinander entfernten, mit Abstand voneinander angeordneten Stellen der Kassette aus vorspringen, und mit einem Detektionskanal in der Kassette, der mit dem Kapillarrohr ausgerichtet ist.

2. Auswechselbare Kassette nach Anspruch 1, bei der die Kassette eine Bodenfläche mit ersten und zweiten mit Abstand angeordneten Auslässen zur Anordnung der äußeren Enden des Kapillarrohres in nach unten hin von der Kassette vorspringender Beziehung aufweist, um den Eintritt der äußeren Enden in Flüssigkeitsvorratsbehälter zu ermöglichen.

3. Auswechselbare Kassette nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Kassette eine Struktur auf einer Oberfläche der Kassette einschließt, die einen Kanal bildet, der lösbar oder auswechselbar das Kapillarrohr entlang eines vorgegebenen Pfades haltert.

4. Auswechselbare Kassette nach Anspruch 1, bei der die den Kanal bildende Struktur eine Nut umfaßt, entlang der das Kapillarrohr eingelegt ist.

5. Auswechselbare Kassette nach Anspruch 4, bei der die Oberfläche (36, 136) zylindrisch ist und der Kanal um die Oberfläche herum durch eine Nut (47, 111) gebildet ist, die in einer Spiralform ausgebildet ist und entlang der das Kapillarrohr eingelegt ist.

6. Auswechselbare Kassette nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Kassette eine im wesentlichen ebene Oberfläche einschließt, in der eine Nut ausgebildet ist, in die das Kapillarrohr eingelegt ist.

7. Auswechselbare Kassette nach Anspruch 6, bei der die Nut in Form einer Spirale (S) auf der Oberfläche ausgebildet ist.

8. Auswechselbare Kassette nach Anspruch 7, bei der ein oder mehrere Überbrückungsnuten (102) vorgesehen sind, die verschiedene Abschnitte der Spirale (S) miteinander verbinden, so daß ein kürzerer Kanal gebildet wird, entlang dessen eine kürzere Länge des Kapillarrohres (Q) eingelegt werden kann, so daß eine Wahlmöglichkeit zur Verwendung von Kapillarrohren mit anderen Längen in der gleichen Kassette geschaffen wird.

9. Auswechselbare Kassette nach Anspruch 8, bei der ein Abschnitt der Kapillarrohrnuten einen anderen Abschnitt der Kapillarrohrnuten überkreuzt, wobei einer der Abschnitte tiefer als der andere der Abschnitte ist.

10. Auswechselbare Kassette nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Kassette eine weitere Struktur einschließt, die einen hohlen Innenraum (20) in der Kassette ausbildet und zumindestens einen Abschnitt des Kapillarrohres (Q) in dem hohlen Innenraum im Inneren der Kassette aufnimmt.

11. Auswechselbare Kassette nach Anspruch 10, bei der der hohle Innenraum in einer derartigen Weise abgedichtet ist, daß ein flüssiges Kühlmittel in dem Innenraum gehalten werden kann.

12. Auswechselbare Kassette nach Anspruch 10, bei der die Kassette einen Einlaß (22) und einen Auslaß (24) in Strömungsmittelverbindung mit dem hohlen Innenraum (20) für die Zirkulation eines Kühlmittels durch den hohlen Innenraum der Kassette aufweist.

13. Auswechselbare Kassette nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei der die Kassette einen zylindrischen Dorn (36) in dem hohlen Innenraum (20) einshcließt, der den zumindestens einen Abschnitt des Kapillarrohres (Q) haltert.

14. Auswechselbare Kassette nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiterhin mit einer Ausrichtplatte (60) zur Ausrichtung des Kapillarrohres (Q) entlang des Detektionskanals versehen ist, wobei die Ausrichtplatte eine Nut (62), die einen Sitz für das Kapillarrohr bildet, und eine Öffnung (63) quer zu der Nut aufweist, um eine optische Detektion der elektrophoretischen Trennung in dem Kapillarrohr zu ermöglichen, wobei die Ausrichtplatte auf der Kassette derart angeordnet ist, daß die Öffnung durch den Detektionskanal sichtbar ist.