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Hintergrund
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Die
Klasse von Partikeltrennungstechniken, als Feldflussfraktionierung
oder FFF bekannt, ist in den vergangenen Jahren zunehmend populär geworden.
Dies zeigt sich anhand einer Prüfung
der sehr ausführlichen
und detaillierten Bibliographie, die im Internet unter der Adresse
http://www.rohmhaass.com/fff/fff.html zu finden ist. Diese FFF-Techniken
haben zum Gegenstand, eine Fluid tragende Probe innerhalb eines
langen dünnen
Kanals mit Hilfe eines entlang seiner Längenabmessung angelegten Druckgradienten
fließen
zu lassen. Der Kanal besteht häufig
aus über
ein Abstandselement voneinander getrennten oberen und unteren flachen
Platten von einer Dicke, die deutlich kleiner als die Kanalbreite
ist, wodurch der Kanal verschlossen und seine horizontale Abmessung
definiert wird. In Reaktion auf den Druckgradienten bewegt sich
das Fluid, und seine Geschwindigkeit wird in Abhängigkeit vom bekannten quadratischen
Pouiselle-Profil vermutet. Wo es die Platten und das Abstandselement
berührt,
ist das Fluid stationär,
und seine Geschwindigkeit erreicht ein Maximum in der Mitte des
Kanals. Ein Feld wird dann rechtwinklig zur Fließrichtung angelegt. Die resultierende
Kraft auf die Partikel führt
dazu, dass sie zur Fläche
von einer oder beiden Platten in Abhängigkeit von dem Vorzeichen
der Kraft wandern. Die Betrags- oder Größenabhängigkeit der Kraft hängt von
der Natur des angelegten Feldes ab, jedoch wird in allen diesen
Techniken das Konzentrationsprofil der Partikel von einer Balance
zwischen der angelegten Kraft, die zur Konzentration der Partikel nah
der Oberfläche
führt,
und Diffusionseffekten bestimmt, die zu einer Konzentrationsreduktion
führen. Hier
besteht die Vermutung darin, dass die lokale Konzentration klein
genug ist, dass die Partikel nicht in Verwechselwirkung gelangen.
Falls das Feld zu groß ist,
werden die Partikel auf die Oberfäche gedrückt. Dies ist als sterische
Trennung bekannt und wird in dieser Beschreibung nicht weiter diskutiert.
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Für jede spezifische
Partikelpopulation kann die mittlere Distanz von der Plattenfläche in Abhängigkeit
von der Partikelgröße und -form
sowie der Stärke
der Feldkopplung ganz dramatisch variieren. Da es in der Nähe der Oberfläche der Platten
eine starke Geschwindigkeitsschere gibt, befinden sich die Partikel
mit einer größeren Durchschnittsverdrängung in
dem sich schneller bewegenden Teil des Fluidstromes und werden entlang
des Kanals schneller transportiert. Deshalb werden sie früher herausgelöst als diejenigen,
die sich dichter zur Oberfläche
befinden.
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Viele
unterschiedliche angelegten Felder sind verwendet worden, von denen
jedes die Partikel mit Hilfe eines unterschiedlichen Mechanismus trennt.
Die besonders häufig
benutzten Felder sind i) Schwerkraftfelder, gewöhnlich als Sedimentation bezeichnet,
welche durch Rotation des Kanals in eine Zentrifuge entstehen, ii)
thermischer Natur, erzeugt durch eine Temperaturdifferenz zwischen
zwei isothermischen Platten, iii) hydrodynamischer Natur, im allgemeinen
als Fluss bezeichnet, erzeugt durch einen Fluss durch eine semipermeable
Membran, und iv) elektrischer Natur, erzeugt durch leitende Platten, die
als Elektroden wirken. Es ist dieser letztgenannte FFF-Prozess,
auf den diese Beschreibung primär
gerichtet ist.
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Seit
langem besteht ein Bedarf darin, bessere Elektrodenmittel für elektrische
FFF-Trennungsvorrichtungen zu finden. Der herkömmliche FFF-Kanal besteht aus
zwei festen leitenden Metall- oder Grafitstangen, die durch ein
dünnes
Abstandselement getrennt sind, einen ausgeschnittenen Kanal besitzt.
Typischerweise besteht das Abstandselement aus MYLAR® oder ähnlichem
Material, das sich unter angelegtem Klemmdruck leicht verformen lässt. Das
Abstandselement dient somit dazu die Längserstreckung der Zelle zu
definieren, sorgt für
einen flüssigkeitsdichten
Verschluss und isoliert elektrisch die Platten voneinander. Das
Fluid wird durch Löcher
an den Enden der leitenden Platten in die Zelle eingegeben. Da die
Trennungseffizienz von der Länge
des Kanals und der Stärke
des Feldes abhängt,
neigt man in der Regel dazu, die Zellen besonders lang und den Abstand
zwischen den Elektroden so klein wie möglich zu machen. Außerdem sinkt
bei wachsender Feldstärke
der mittlere Abstand der Partikel von der Elektrodenoberfläche. Es
ist nicht ungewöhnlich,
dass diese Distanz einige wenige Mikrometer beträgt. Deshalb besteht ein starker
Bedarf darin, die Elektrodenoberflächen optisch platt zu machen.
Zusätzlich
zur Verringerung der Oberflächenrauheit
besteht ein Bedarf darin, den Abstand der Platten voneinander über die
gesamte Länge
des Kanals zu erhalten, da die Homogenität des Feldes we sentlich ist,
um gleichmäßige und
reproduzierbare Trennungen zu erzielen, und zwar unter gleichzeitiger
Minimierung einer Zonenverbreiterung und erneuter Probenvermischung.
Schließlich
besteht ein Bedarf an einer Verbesserung der Härte und Stabilität der Platten.
Wie bei allen FFF-Vorrichtungen ist eine Visualisierung des Trennungsprozesses
stets nützlich,
jedoch lässt
sich dieses Merkmal nur selten realisieren, da die Platten im allgemeinen
opak sind.
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Viele
der in noch vorhandenen elektrischen FFF-Separatoren verwendeten
Materialien sind chemisch oder mechanisch instabil. Beispielsweise
tendieren Grafitelektroden, und zwar unabhängig davon, wie gut sie präpariert
sind, dazu, Partikel auszustoßen
und über
die Zeit zu zerstören.
Elektroden aus Titan oxidieren häufig
bei Kontakt mit einigen der häufig
in der Vorrichtung verwendeten mobilen Phasen. Mit Platin beschichtete
Elektroden, die traditionell aus einer sehr dünnen Beschichtung auf Stahlplatten
hergestellt werden, können
den erzeugten typischen elektrischen Feldern nicht Wiederstehen
und neigen zum Zerbrechen unter Freilegung der reaktiven Stahlträgerstrukturen.
Vollständig
aus Platin hergestellte Platten würden ideal sein, jedoch aufgrund ihrer
abschreckend hohen Kosten niemals benutzt.
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Das
Dokument
US-A-5,240,618 offenbart obere
und untere Platten aus Glas mit einer Goldbeschichtung auf der Innenfläche des
Glases.
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Ein
neues Konzept und Design für
die elektrische FFF-Struktur ist entwickelt worden und wird hier nachfolgend
beschrieben. Die neue Plattenstruktur weist alle besonders wünschenswerten
Merkmale für elektrische
FFF-Elektroden auf und schafft auch Mittel zur Visualisierung des
Flusses.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Das
für eine
elektrische FFF-Vorrichtung offenbarte neue Design verwendet beschichtete
Glasplatten als Elektroden. Glas bildet ein ideales Substrat, da
es hart ist und bereits in einer extrem flachen und glatten Form
hergestellt werden kann. Jedoch ist es nicht leitend. Auf die Glasflächen aufgedampfte Metallbeschichtungen
sind mit begrenztem Erfolg verwendet worden, jedoch sind sie nicht
transparent, und an den Elektrodenoberflächen erzeugte Ionen führen zur
Oxidation der Beschichtungen und zum Ablösen dieser Beschichtungen vom
Glas. Eine hervorrang leitende Oberfläche, die die Verwendung eines
Glassubstrat erlauben würde,
wird offenbart, welche aus einem leitenden Oxid wie z. B. einem
Indium-Zinn-Oxid
oder Zinn-Oxid besteht. Die Einführung
von Elektroden mit dieser Zusammensetzung erlaubt der Erfindung
die Verwirklichung der sieben am meisten gewünschten Merkmale für einen
solchen FFF-Kanal, nämlich
1.) Härte,
2.) Flachheit, 3). Glattheit, 4.) chemische Inaktivität, 5.) Durabilität (erzeugt
keine Partikel), 6.) hohe Leitfähigkeit
und 7.) Transparenz. Da die Fläche
optisch glatt ist, sind die zum Verschließen der Zelle erforderlichen
Klemmdrücke
viel geringer, als sie bei anderen Elektroden erforderlich wären.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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1 zeigt
eine auseinander gezogene Darstellung der wesentlichen Elemente
eines elektrischen FFF-Systems.
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2 zeigt
ein bevorzugtes Mittel zur Reduzierung des Widerstandes der beschichteten
Glaselektrode.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Figur
zeigt eine auseinander gezogene Darstellung der Anordnung der Elemente
eines elektrischen FFF-Kanals. Die oberen und unteren Elektroden 1 sind über ein
Abstandselement 2 getrennt, welches im allgemeinen aus
einer MYLAR®-Folie oder einem ähnlichen
Isoliermaterial herausgeschnitten ist. Das Abstandselement ist geschnitten
und geformt, um ein leitfähiges
Mittel zur Führung
des partikeltragenden Fluids vom Einlass 3 durch den Kanal und
in den Auslass 4 zu bilden, und enthält V-förmige Enden zur Minimierung
von Staubereichen. Das Abstandselement wird zwischen den Platten
gehalten, indem es zwischen zwei Kompressionsplatten 6 mit Mutter-
und Bolzenbeschlägen 7 geklemmt
ist. Obwohl nicht unbedingt erforderlich, kann ein zusätzlicher
Anschluss 8 zusätzlich
vorhanden sein, um ein Mittel zur Eingabe der partikeltragenden
Probe zu bilden. Derartige Proben werden gewöhnlich über den Einlass 3 eingegeben.
Nach Eingabe der Probe wird der Fluss gewöhnlich kurz gestoppt, um eine
Entspannung der Probe innerhalb des angelegten elektrischen Feldes
zu ermöglichen. Über den
zusätzlichen
Injektionsanschluss 8 kann die Probe für eine anschließende Entspannung
eingegeben werden, und zwar ohne dass mit dem Kanalfluss begonnen wird,
um die Probe in den Fraktionierungskanal selbst zu überführen. Bei
einer bevorzugten Ausführung
der elektrischen FFF-Vorrichtung kann das Abstandselement auch als
Flüssigkeitsverschluss
dienen, wodurch verhindert wird, dass das Fluid in andere Teile
der Vorrichtung gelangt. Eine oder beide Klemmplatten 6 können darin
ausgeschnittene Inspektionsanschlüsse oder -schlitze 9 zur
Direktion Beobachtung der Flusszelle während des Betriebes oder für Ausrichtzwecke
besitzen.
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Bei
der bevorzugten Ausführung
dieser Erfindung sind die Elektroden 1 transparent und
durch chemische Haftung einer leitenden Metalloxidbeschichtung gebildet.
Derartige Elektroden können aus
mit Zinnoxid beschichteten Platten hergestellt werden, wie sie für Flüssigkristallanzeigen
verwendet werden. Auf diese Weise hergestellte Glasflächen sind
beispielsweise von Owens Corning Glass verfügbar und werden gemeinhin für die Platten
der Flüssigkristallanzeigen
oder als transparente Widerstandsheizmittel verwendet. Nach bestem
Wissen des Erfinders sind sie niemals als Elektroden zum Leiten
von Fluids im Falle der elektrischen FFF verwendet worden. Da das
Substrat Glass ist, ist es einfach, große, flache und glatte Oberflächen zu
schaffen, und seine Transparenz erlaubt die Beobachtung des Trennungsprozesses
mit Hilfe von Farbstoffinjektionen. Ein zusätzlicher Vorteil von transparenten Glasplatten
besteht darin, dass durch Beleuchtung der Probenzelle mit einem
kohärenten
Lichtstrahl eine Reihe von interferonmetrischen Streifen beobachtet
werden kann, die durch Reflektionen an den oberen und unteren Platten
entstehen. Mit Hilfe dieser Streifen lässt sich die Gleichmäßigkeit
des Plattenabstandes direkt messen. Ein gleichmäßiger Plattenabstand ist wichtig,
um zu gewährleisten,
dass die elektrischen und Fließfelder
entlang der Länge
des Kanals nicht variieren. Bis zur Entstehung der vorliegenden
Erfindung wurde der Grad der erzielbaren Gleichmäßigkeit nur bestimmt durch
das Vertrauen auf die Gleichmäßigkeit
und die mechanische Stabilität
des Abstandselementes zwischen den beiden Platten und der vermuteten
Fähigkeit,
die Platten gleichmäßig zu klemmen.
Es war unmöglich,
die Gleichmäßigkeit
des Zellenabstandes in situ während
des Betriebes genau zu messen. Um die interferonmetrische Prüfung der
Probenzelle zu ermöglichen,
müssen
die Kompressionsplatten 6 aus transparenten Werkstoffen
wie Polymethylmethacrylat herge stellt sein. Alternativ können sie
aus ähnlich steifem,
opakem Material bestehen, in das Inspektionsöffnungen 9 zur direkten
Beobachtung der Glasflächen
geschnitten sind.
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Eine
andere Ausführung
der Erfindung besteht in der Verwendung von aus dotiertem Silizium hergestellten
Platten. Derartige Werkstoffe werden allgemein zur Herstellung von
Halbleitervorrichtungen verwendet. Und sind in Sektionen erhältlich,
die groß genug
sind, um als Elektroden zu dienen. Da Silizium in Bezug auf viele
Infrarot-Wellenlängen
transparent ist, können
derartige Platten auch mit Hilfe einer interferonmetrischen Prüfung justiert
werden. Der Standarddotierungsprozess führt im allgemeinen zu einer
Umwandlung der Siliziumplatten in leitende Platten.
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Ein
Nachteil an den mit Zinnoxid plattierten Glaselektroden besteht
darin, dass die Leitfähigkeit jeder
Elektrode viel geringer als die von Metall oder Grafit ist. Ähnliches
gilt für
aus dotiertem Silizium hergestellten Platten. Dies kann einen wesentlichen Spannungsabfall
entlang der Elektrode verursachen. Beispielsweise beträgt der Widerstand
einer Platte aus mit Zinnoxid beschichtetem Glas von 4 cm × 40 cm
etwa 100 Ohm in Abhängigkeit
von der Dicke der Beschichtung. Man kann diesen Widerstand signifikant
reduzieren, in dem ein hochleitender Streifen 10, wie er
in 2 gezeigt ist, entlang einer oder mehrerer Ränder der
Elektrode außerhalb
des fluidtragenden Bereiches der Zelle aufgeklebt, plattiert oder
anderweitig befestigt wird. Es wurde gefunden, dass der Plattenwiderstand
auf etwa 1 Ohm durch Beschichtung des Randes mit einer leitenden
Silberfarbe reduziert werden kann, wie sie beispielsweise von GC Electronics
hergestellt wird.
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Obwohl
die bevorzugten Ausführungen
dieser Erfindungen Metalloxide wie Zinnoxid und Indiumzinnoxid zur
Herstellung einer transparenten leitenden Oberfläche auf flachen Glasplatten
verwenden, gibt es gewiss andere Werkstoffe einschließlich leitender
Polymere und ähnlicher
nicht metallischer Werkstoffe, welche zur Erzielung einer gleichen
Wirkung verwendet werden können.
Ein Vorteil einer Zinnoxidbeschichtung liegt darin, dass ihre mechanische
Härte die
Oberfläche
vor Beschädigungen
während
einer Reinigung schützt.
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Während dieser
Beschreibung wurden die elektrischen FFF-Trennungen anhand der Trennung von
Partikeln erörtert.
Gegenstand sein können
aber auch Makromoleküle,
welche Proteine, DNA, Oligomere, Dendrimere, Polymere, Gele enthalten,
aber nicht darauf beschränkt
sind, sowie eine Vielzahl von Partikelarten wie Mizellen, Liposomen,
Emulsionen, Bakterien, Vieren, Algen, Protozoen und verschiedene
molekulare Aggregate wie Gele. Zusätzlich sind sämtliche
andere Beschichtungen mit ähnlichen
Eigenschaften wie die bevorzugte Ausführung von Zinn- oder Indiumzinnoxiden
als einfache Variationen dieser Erfindung mit umfasst.
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Wie
dem Fachmann auf dem Gebiet der elektrischen Feldflussfraktionierung
und Chromatographie ersichtlich ist, gibt es viele offensichtliche
Variationen des erfundenen und beschriebenen Kanals, welche von
den zuvor für
die Praxis aufgelisteten Grundlagen nicht abweichen; sämtliche
derartige Variationen bilden offensichtliche Implementationen der zuvor
beschriebenen Erfindung und werden von den nachfolgend angegebenen
Ansprüchen
umfasst.