JPS6219204A - 電気泳動による分離方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、電気泳動による分離方法及び装置に関し、詳
しくは、電気泳動セルにおいて、半透膜間に形成される
分離室を薄く、小型化して、分離性能にすぐれ、例えば
、タンパク質水溶液、かん水等における所定成分の分離
や濃縮等に有効に使用し得る電気泳動による分離方法及
びその装置に関する。

（従来の技術） タンパク質等のように電荷を有する物質を濃縮し、又は
分離する方法として、電気泳動法が知られている。一般
に、流体内に分散された荷電粒子又は分子は、直流電場
内に置かれるとき、自己が有する荷電と反対符号の電極
に向かって移動する。

この速度を電気泳動速度といい、単位電場における速度
、即ち、易動度は媒質のイオン強度とｐＨによって変化
するが、それらへの依存性はそれぞれのタンパク質に固
有の値であり、従って、所定のイオン強度及びｐＨ条件
下では、各タンパク質は固有の易動度を有する。このよ
うな易動度の差を利用して、タンパク質を濃縮分離する
のが電気泳動法であり、連続的に処理し得る電気泳動法
による分離方法や装置も、従来より種々提案されている
。

このような連続式電気泳動による分離方法の一例として
、例えば、第１図に示すように、一対の対向する外側半
透膜１．１の間に内側半透膜２を配設して、２種のタン
パク質を含有するタンパク質溶液を、そのｐＨをそのな
かの１つのタンパク質の等電点に近接させて、一方の外
側半透膜と内側半透膜との間の第１の空間３に上部より
供給し、この空間においてタンパク質溶液を内側半透膜
に平行に流れさせ、次いで、他方の外側半透膜と内側半
透膜との間の第２の空間４に送ると共に、外側半透膜の
間に直流電場を印加して、第１の空間３において、タン
パク質を水平方向に電気泳動させ、その底部空間５から
電気泳動したタンパク質を含有するタンパク質溶液を得
、第２の空間の上部より等電点タンパク質のみを含有す
るタンパク質溶液を得る方法が知られている（Ｍ、　Ｂ
ｉｅｒ。

Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ＋　ｐｐ、　２９５−
３００　（Ａｃａｄｅｍｉｃ　Ｐｒｅｓｓ（１９５９）
　）。

しかし、この方法によるときは、一対の対向する外側半
透膜の間に内側半透膜を配設してゼルを形成するため、
セル厚が厚くなり、分離装置が大型化して、装置の単位
容積当りの処理量を大きくすることが困難である。

更に、米国特許第２．８５４．３９３号や第３．０９９
，６１５号には、電極間に同一の極性のイオン交換膜を
配設し、又はイオン交換膜と中性膜とを配設して、その
間に分離室を形成し、電極間への電圧印加によって膜に
沿って分離すべき成分の濃厚溶液を集積させ、これを自
然沈降させて分離室の下部から取り出し、一方、希薄溶
液は分離室の上部から取り出す方法が記載されている。

以上のように、従来の方法はいずれも膜間に形成した分
離室に分離すべき成分を含む溶液を供給するが、膜間の
間隔を薄くして、装置の小型化を図る場合、上記間隔を
余りに薄くするときは、膜が相互に接触して、分離性が
低下するために、装置の小型化にも限界がある。特に、
電気泳動によって膜の表面近傍に濃縮分離すべき成分の
ｆｉ縮層を形成させ、希薄層との比重差を利用して、特
定の成分を濃縮分離する分離方法においては、半透膜間
における原液の流れ状態が分離性能に大きい影響を及ぼ
すので、従来、溶液を薄い分離室内へ導入しつつ、同時
に分離室内において安定した原液流れを形成して、尚、
分離性高く、電気泳動分離を行なうことが困難であった
。

（発明の目的） そこで、本発明者らは、かかる電気泳動法を利用する分
離方法における上記した問題を解決するために鋭意研究
した結果、膜間に所定の形状構造を有するスペーサを介
在させることによって、膜の間隔を著しく薄＜シても、
分離室において原液の安定した流れを確保して、安定し
た高い分離性にて電気泳動による分離を行なうことがで
きることを見出して、本発明に至ったものである。

（発明の構成） 本発明による非透過型電気泳動による分離方法は、一対
の半透膜を対向させて、その間に分離室を構成すると共
に、上記半透膜の外側にそれぞれ緩衝液通路を構成し、
上記分離室に濃縮分離されるべき成分を含む原液を導入
するための原液導入口を設け、上記半透膜と直角方向に
直流電場を印加する電極を配設し、分離室に直流電場を
印加することによって、分離室において上記濃縮分離さ
れるべき成分を半透膜の表面近傍に集積させ、上記電場
方向に上記濃縮分離されるべき成分の濃度勾配に基づく
比重勾配を形成させて、半透膜表面近傍の濃縮分離され
るべき成分の濃縮層を分離室から取り出す方法において
、上記半透膜間にスペーサを介在させ、分離室内に半透
膜面に平行に水平に且つ分離室を横切るように、電場方
向に直交する方向に前記原液を導入し、分離室の鉛直方
向に沿う２以上の溶液通路に分配することを特徴とする
。

また、本発明による電気泳動装置は、一対の半透膜を対
向させて、その間に分離室を構成すると共に、上記半透
膜の外側にそれぞれ緩衝液通路を構成し、上記分離室に
濃縮分離されるべき成分を含む原液を導入するための原
液導入口を設け、上記半透膜と直角方向に直流電場を印
加する電極を配設し、分離室に直流電場を印加すること
によって、分離室において上記濃縮分離されるべき成分
を半透膜の表面近傍に集積させ、上記電場方向に上記濃
縮分離されるべき成分の濃度勾配に基づく比重勾配を形
成させて、半透膜表面近傍の濃縮分離されるべき成分の
濃縮層を分離室から取り出す電気泳動装置において、分
離室内に、半透膜面に平行に水平に分離室を横切り、且
つ、電場方向に直交する方向に第１の溶液通路を構成す
ると共に、分離室の鉛直方向に沿う２以上の第２の溶液
通路を構成し・前記第１′）溶液通路が前記原液導入口
　　　　　［と上記第２の溶液通路に連通され、且つ、
分離室の上縁及び下縁にそれぞれ１以上の溶液取出口を
有するスペーサを上記半透膜間に配設してなることを特
徴とする。

第２図は、本発明の方法を行なうための装置を示す原理
図であり、適宜のセル（図示せず）内に一対の電極１１
．１１が対向して配設され、これら電極の間に濃縮分離
すべき成分（以下、単に成分という。）を透過させない
半透膜１２．１２が対向して配設されて、各電極とこれ
に近接する半透膜の間に電極室１３．１３が構成され、
半透膜の間には分離室１４が構成されている。

上記半透膜１２は、成分を透過させない限りは、任意の
ものが用いられる。例えば、成分がタンパク質のように
分子量が大きいときは、タンパク質が透過しない程度の
孔径を有する再生セルロースのような透析膜を用いるこ
とができる。また、無機イオンのような分子量の小さい
荷電物質の分離を行なう場合には、イオン交換膜等の荷
電膜を用いることが好ましい。

分離室１４は、この中に成分を含む溶液（以下、単に原
液という。）を導入する原液導入口１５を有し、原液管
２１によって原液貯槽３１に接続されていると共に、そ
の上縁及び下縁にそれぞれ上部溶液取出口１６及び下部
溶液取出口１７を有し、それぞれ取出管２２及び２３、
及びポンプ２４及び２５を経て、それぞれ貯槽３２及び
３３に接続されている。上記原液導入口１５は、分離室
の側縁に設けられ、後述するように、原液は、原液貯槽
から原液管を経て上記原液導入口から、スペーサによっ
て、電場方向と直交し、且つ、半透膜に平行に水平に分
離室内に導入される。

また、電極室１３は、分離室１４に供給される原液のｐ
Ｈを一定に保つための緩衝液を循環して供給するための
緩衝液通路として機能し、その下端及び上端にそれぞれ
入口１８及び出口１９を有する。緩衝液は、緩衝液貯槽
３４からポンプ２８によって入口管２６を経て上記入口
１８から電極室に供給され、出口管２７を経て、貯槽３
４に戻される。

上記の装置において、原液は、原液貯槽３１から原液管
２１を経て原液導入口１５から分離室に供給され、ここ
で、前述したように、半透膜に直角方向の電場下に置か
れ、他方、電極室１３にはこの原液のｐＨを一定に保つ
ために、ポンプ２８によって緩衝液が循環して流通され
る。原液中の荷電をもつ成分は、それぞれの荷電に応じ
ていずれかの半透膜方向に電気泳動し、他方、この半透
膜を透過して緩衝液が分離室内に侵入するので、成分は
半透膜の表面近傍に集積し、電場方向に成分の濃度勾配
、従って、比重勾配を形成する。即ち、半透膜の表面近
傍には、電気泳動した成分の濃縮層、即ち、濃厚溶液が
形成され、この半透膜の表面近傍を除く部分には、上記
成分の希薄層、即ち、希薄溶液が形成される。従って、
例えば、この濃厚溶液の比重が希薄溶液よりも大きいと
きは、濃厚溶液は分離室内を半透膜に沿って沈降し、一
方、希薄溶液は分離室内を半透膜に沿って上昇する。

従って、例えば、原液が２種のタンパク質を含有すると
き、溶液のｐＨを一方のタンパク質が荷電を有し、他方
のタンパク質が等電点近傍になるように選べば、荷電を
有するタンパク質が半透膜の表面近傍に電気泳動し、集
積して、濃厚溶液を形成し、希薄溶液との比重差に応じ
て、分離室を半透膜表面に沿って上昇し、又は沈降する
ので、この上昇又は沈降速度に等しい取出流量にてこれ
を分離室から取出せば、タンパク質が濃縮された濃厚溶
液を一方の取出溶液として、また、上記タンパク質が希
釈された希薄溶液を他方の取出溶液として得ることがで
きる。

例えば、濃厚溶液が希薄溶液よりも比重が大きいときは
、ポンプ２５によって取出流量を上記のように調整しつ
つ、下部溶液取出口から濃厚溶液を取出し、ポンプ２４
によって取出流量を上記のように調整しつつ、上部溶液
取出口から希薄溶液を取出し、それぞれ貯槽３３及び３
２に導くのである。明らかに取出流量が小さいほど、分
離性は高まる。換言すれば、取出流量を調整することに
よって、分離性を任意に制御しつつ、連続して成分を分
離することができる。

本発明による装置においては、上記半透膜間にこれに密
着して所定の構造を有するスペーサが配設される。本発
明において、スペーサは、分離室の側縁に半透膜面に平
行に水平に分離室を横切り、且つ、電場方向に直交する
方向に第１の溶液通路を構成すると共に、分離室の鉛直
方向に沿う２以上の第２の溶液通路を構成する仕切りを
有し、且つ、前記第１の溶液通路が原液導入口に接続さ
れ、且つ、分離室の上縁及び下縁にそれぞれ１以上の溶
液取出口を有する。好ましくは、上記原液導入口は、分
離室の側縁の上端部又は下端部に設けられる。

第３図及び第４図に本発明による装置において好適に用
いることができるスペーサの実施例を示す。

図示したスペーサ４１は、分離室１４の鉛直方向の側縁
の上端部に原液導入口４２を有すると共に、半透膜面に
平行に水平に分離室を横切り、且つ、電場方向に直交す
る方向に第１の溶液通路４３を構成し、更に、分離室の
鉛直方向に沿う２以上の第２の溶液通路４４を構成する
仕切り４５を有し、前記第１の溶液通路は原液導入口４
２と上記した各第２の溶液通路にそれぞれ連通されてい
る。更に、スペーサは、分離室の上縁に１以上の上部溶
液取出口４６を有すると共に、下縁に１以上の下部溶液
取出口４７を有する。上記分離室を形成する半透膜の一
方５１には、上記原液導入口４２に対応する位置に孔５
２が穿設されており、原液は原液管からこの孔５２を経
て、分離室内に導入される。他方の半透膜５３には、上
記上部溶液取出口４６及び下部溶液取出口４７ｔ、’ｓ
対応する位置に孔５４及び５５を有し、上部溶液は上部
溶液取出口から孔５４を経て分離室から取出され、下部
溶液は下部溶液取出口から孔５５を経て分離室から取出
される。

従って、かかるスペーサを有する装置によれば、原液は
、原液導入口から第１の溶液通路によって分離室内に半
透膜面に平行に水平に且つ電場方向に直交する方向に導
入され、分離室を横切って、それぞれの第２の溶液通路
に分配され、前述したようにして、それぞれの第２の溶
液通路において、半透膜の表面近傍に成分の濃縮層を形
成する。

尚、図示しないが、各半透膜の外側にも電極室を構成す
るためのスペーサが配設され、半透膜５１側のスペーサ
は、半透膜の孔５２に対応する位置に孔を有し、半透膜
５３側のスペーサは、半透膜の孔５４及び５５に対応す
る位置に孔を有して、これらスペーサを介して、分離室
への原液の導入及び溶液の分離室からの取出しが行なわ
れる。更に、図示したセルは、単一の分離室を有するの
みであるが、必要に応じて、分離室と電極室とを相互に
多層に構成することができるのはいうまでもない。この
場合、原液はスペーサ及び半透膜を介して、複数の分離
室に導入され、各分離室から濃厚溶液及び希薄溶液がス
ペーサ及び半透膜を介して取出される。緩衝液も同様に
スペーサ及び半透膜を介して、各電極室に循環される。

第５図は、本発明の装置において好適に用いることがで
きるスペーサ４１の別の実施例を示し、分離室１４の鉛
直方向の中央部に原液導入口４２を有すると共に、半透
膜面に平行に水平分難室を横切り、且つ、電場方向に直
交する方向に第１の溶液通路４３を構成し、更に、分離
室の鉛直方向に沿う２以上の第２の溶液通路４４を構成
する仕切り４５を有する。前記第１の溶液通路は、原液
導入口４２とそれぞれの第２の溶液通路に連通されてい
る。また、スペーサは、分離室の上縁に１以上の上部溶
液取出口４６を有すると共に、下縁に１以上の下部溶液
取出口４７を有する。従って、かかるスペーサを用いる
場合も、原液は、原液導入口から第１の溶液通路によっ
て分離室内に半透膜面に平行に水平に且つ電場方向に直
交する方向に導入され、分離室を横切って、それぞれの
第２の溶液通路に分配され、それぞれの第２の溶液通路
において、半透膜の表面近傍に成分の濃縮層を形成する
。

更に、本発明による装置においては、第６図に示すよう
に、電極１１．１１間に複数の半透膜１２を介在させて
複数の分離室１４を構成し、必要　　　　　「に応じて
、分離室間に電極室１３を構成すると共に、各分離室及
び電極室に前記したようなスペーサを配設して、各分離
室に原液を導入してもよい。

かかる装置によれば、各分離室において、半透膜に沿っ
て成分の濃縮層が形成される。

また、第７図に示すように、用いる半透膜１２の一部又
は全部が電荷を有する膜、例えば、イオン交換膜であっ
てもよい。この装置においては、それに向かって電気泳
動する荷電成分と同じ極性の荷電を有する半透膜を用い
るとき、半透膜の表面近傍に集積する成分は、電極室か
ら分離室への緩衝液の流れによって、半透膜表面から反
発される以外に、半透膜表面から静電的にも反発される
ので、分離室内にて上昇又は沈降の容易な濃縮層を形成
する。

（発明の効果） 以上のように、本発明による電気泳動装置によれば、電
極間に一対の半透膜を対向させて配設して、この間に分
離室を構成し、この分離室内に所定の構造を有するスペ
ーサを配設して、前記第１と第２の溶液通路を形成し、
この分離室に上記半透膜と直角方向に直流電場を印加す
ると共に、分離室内に半透膜面に平行に水平に且つ分離
室を横切るように、上記電場方向に直交する方向に原液
を導入し、鉛直方向に沿う２以上の第２の通路に分配す
るので、分離室においては、半透膜間の間隔が著しく小
さいときも、原液は乱流を生じず、安定に流れることが
でき、従２て、装置を小型化し得て、且つ、分離性高く
、所要成分を濃縮分離することができる。

（実施例） 以下に実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこ
れら実施例によって何ら限定されるものではない。

実施例１ 半透膜として分画分子１８０００の再生セルロース膜を
用いると共に、半透膜間に第４図に示した厚み１龍のス
ペーサを介在させて、第２図に示したような電気泳動セ
ルを構成した。また、成分としてアルブミンを選び、リ
ン酸塩緩衝液（ｐＨ７，４，１／１５Ｍ）にアルブミン
を１１００００ｐｐ濃度に溶解させて原液とし、緩衝液
としてはリン酸塩緩衝液（ｐＨ７，４，１／１５Ｍ）を
用いた。

２５℃の温度で分離室に上記タンパク質溶液を供給し、
電極間に電流密度０．０２Ａ／ｃｎｆにて直流電圧を印
加した。分離室の上部及び下部からの溶液の取出流量Ｊ
ｖとアルブミンの除去率Ｒとの関係を第８図に示す。こ
こに、溶液の取出流量Ｊｖ（ｃＪＩＩ／秒）及びアルブ
ミンの除去率Ｒ（％）はそれぞれ次式によって定義され
る。

また、上記において、第４図に示すスペーサを上下逆に
して用いた以外は同様にしてアルブミン溶液の分離を行
った。結果を第９図に示す。

分離室の上部からはアルブミンの希薄溶液を得、下部か
らはアルブミンの濃厚溶液を得ることができ、この場合
、溶液の取出流量を遅くするほど、分離性が高まる。

実施例２ 第２図に示す装置において、半透膜として陽イオン交換
膜「セレミオンＣＭＶＪ　　（旭硝子側製）を用い、第
４図に示した厚み１ｍｍ＜７）スペーサを半透膜間に介
在させて、電気泳動セルを構成し、食塩水の濃縮を行な
った。

２５℃の温度において、分離室には０．５％食塩水を供
給し、電極室には緩衝液としてリン酸塩緩衝液（ｐＨ７
，４，１／１５Ｍ）を通液し、電極間に電流密度０．０
２Ａ／ｃｆｆｌにて直流電圧を印加した。

分離室の上部及び下部からの溶液の取出流ＮＪｖと食塩
の除去率Ｒとの関係を第１０図に示す。

即ち、上部からは食塩の希薄溶液を組下部からは食塩の
濃厚溶液を得ることができる。また、溶液の取出流量を
小さくするほど、分離性が高まる。

実施例３ 半透膜間に所定厚みの本発明によるスペーサ又は従来の
スペーサを配設して、２５℃の温度で分離室に実施例１
と同じタンパク質溶液を供給し、電極室には実施例１と
同じ緩衝液を循環通液して、電極間に電流密度０．０２
　Ａ　／ｃｕｔにて直流電圧を印加し、分離室の上部及
び下部からの溶液の取出流量Ｊｖをそれぞれ２Ｘ１０−
’秒／印及び２×１０＝４秒／ｃｆｆＩとして、アルブ
ミンの濃縮分離を行なった。結果を第１１図に示す。

第１１図において、分離曲線Ａは、第１２図に示すよう
に、中央部の円孔６２によって分離室を構成するための
従来のスペーサ６１を用いた場合を示す。原液は、分離
室の鉛直方向の中央部から分離室内に半透膜に平行に水
平に、且つ、電場と直交する方向に導入された。分離曲
線Ｂは、上記第１２図に示す従来のスペーサの円孔に６
４メツシユのネットを嵌め込んでなるスペーサを用いた
場合を示す。従来のスペーサを用いた場合は、半透膜間
の間隔が分離性能に大きい影響を及ぼし、間隔が約４璽
１以下のときは、分離性が著しく低下する。また、ネッ
トを嵌め込んでなるスペーサを用いたときは、分離室内
で溶液が乱流を生じるためとみられるが、間隔によらず
に分離性が著しく劣る。

これに対して、本発明に従って、第４図に示す所定の構
造のスペーサを用いたときは、分離曲線りにて示すよう
に、間隔によらずに、安定して高い分離性を達成するこ
とができる。同様に、第４図に示すスペーサを上下逆に
して、分離室の側縁下端部から原液を分離室に導入した
場合も、分離曲線Ｅにて示すように、間隔によらずに安
定して高い分離性能を達成することができる。第５図に
示すスペーサを用いたときは、分離曲線Ｃにて示すよう
に、間隔による影響が緩和されている。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の連続式電気泳動法の一例によるタンパ
ク質の分離方法を示す原理図、第２図は、本発明の方法
による分離方法の原理と装置を示す構成図、第３図は、
本発明による電気泳動装置の要部を示す斜視図、第４図
及び第５図は、本発明の装置において用いるスペーサの
実施例を示す斜視図、第６図及び第７図は、本発明の装
置の別の実施例を示す装置構成図、第８図及び第９図は
、本発明の方法によってアルブミン水溶液を処理した場
合の分離室からの水溶液の取出流量と上部及び下部から
の取出溶液におけるアルブミンの除去率との関係を示す
グラフ、第１０図は、本発明の方法によって食塩水を処
理した場合の分離室からの水溶液の取出流量と上部及び
下部からの取出溶液における食塩の除去率との関係を示
すグラフ、第１１図は、分離性に及ぼすスペーサの影啓
を示すグラフ、第１２図は、従来のスペーサを示す斜視
図である。 １・・・外側半透膜、２・・・内側半透膜、１１・・・
電極、１２・・・半透膜、１３・・・電極室、１４・・
・分離室、１５・・・原液導入口、１６・・・上部溶液
取出口、１７・・・下部溶液取出口、１８・・・緩衝液
入口、１９・・・緩衝液出口、３１・・・溶液貯槽、４
１・・・スペーサ、４２・・・原液導入口、４３・・・
第１の溶液通路、４４・・・第２の溶液通路、４５・・
・仕切り、４６・・・上部溶液取出口、４７・・・下部
溶液取出口、６１・・・スペーサ、６２・・・分離室、
６３・・・原液導入口、６４・・・上部溶液取出口、６
５・・・下部溶液取出口。 特許出願人　日東電気工業株式会社 代理人　弁理士　　牧　野　逸　部 第１図 第３図 第４図 第５図 第８図 第９図 第１θ図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）一対の半透膜を対向させて、その間に分離室を構
   成すると共に、上記半透膜の外側にそれぞれ緩衝液通路
   を構成し、上記分離室に濃縮分離されるべき成分を含む
   原液を導入するための原液導入口を設け、上記半透膜と
   直角方向に直流電場を印加する電極を配設し、分離室に
   直流電場を印加することによつて、分離室において上記
   濃縮分離されるべき成分を半透膜の表面近傍に集積させ
   、上記電場方向に上記濃縮分離されるべき成分の濃度勾
   配に基づく比重勾配を形成させて、半透膜表面近傍の濃
   縮分離されるべき成分の濃縮層を分離室から取り出す方
   法において、上記半透膜間にスペーサを介在させ、分離
   室内に半透膜面に平行に水平に且つ分離室を横切るよう
   に、電場方向に直交する方向に前記原液を導入し、分離
   室の鉛直方向に沿う２以上の溶液通路に分配することを
   特徴とする電気泳動による分離方法。
2. （２）一対の半透膜を対向させて、その間に分離室を構
   成すると共に、上記半透膜の外側にそれぞれ緩衝液通路
   を構成し、上記分離室に濃縮分離されるべき成分を含む
   原液を導入するための原液導入口を設け、上記半透膜と
   直角方向に直流電場を印加する電極を配設し、分離室に
   直流電場を印加することによつて、分離室において上記
   濃縮分離されるべき成分を半透膜の表面近傍に集積させ
   、上記電場方向に上記濃縮分離されるべき成分の濃度勾
   配に基づく比重勾配を形成させて、半透膜表面近傍の濃
   縮分離されるべき成分の濃縮層を分離室から取り出す電
   気泳動装置において、分離室内に、半透膜面に平行に水
   平に分離室を横切り、且つ、電場方向に直交する方向に
   第１の溶液通路を構成すると共に、分離室の鉛直方向に
   沿う２以上の第２の溶液通路を構成し、前記第１の溶液
   通路が前記原液導入口と上記第２の溶液通路に連通され
   、且つ、分離室の上縁及び下縁にそれぞれ１以上の溶液
   取出口を有するスペーサを上記半透膜間に配設してなる
   ことを特徴とする電気泳動装置。