NO156997B - FremgangsmŸte for analyse av substanser. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder en fremgangsmåte for å analysere substanser hvis molekyler er utsatt for en forskyvning av ladningstyngdepunktet under påvirkning fra en gravitasjonskraft.

Mange kjemiske forbindelser og elementer med usymmetrisk opp-bygning av atomene i molekylene oppviser et permanent elektrisk dipolmoment. Ved vanlig fordeling er herunder dipol-vektorene statistisk jevnt fordelt over alle romkoordinater, således at ingen makroskopisk elektrisk ladning eller spenning kan påvises. Imidlertid kan molekylene i sådanne forbindelser og elementer som helhet eller ved visse bestanddeler påvirkes av en gravitasjonskraft til innretting av molekylene. Men også andre stoffer uten permanent elektrisk dipolmoment kan på grunn av massetregheten av sine bestanddeler innstilles av gravitasjonskraft.

Foreliggende oppfinnelse har som formål å angi en fremgangsmåte for analyse av substanser som er oppbygget av molekyler med usymmetrisk ladnings- og massefordeling. Oppfinnelsens særtrekk består herunder i at nevnte molekyler utsettes for et varierende gravitasjonsfelt av sådan størrelse at det opptrer en nyorientering av molekylenes massefordeling og dermed en tilsvarende forskyvning av molekylenes ladningstyngdepunkter, og en elektrisk målestørrelse, som er resultat av ladningstyngdepunktforskyvningen, bestemmes ved hjelp av utstyr anordnet for dette formål.

Dette alminnelige grunnleggende prinsipp kan usedvanlig vidt-rekkende utnyttes ved kvalitative og kvantitative analyser for strukturklarlegning av kjente og ukjente substanser såvel for å bekrefte som for å utelukke likeartede stoffsammensetninger av prøver, samt for opptegning av et kjemisk reaksjonsforløp, identifisering av mellomprodukter med kort levetid o.l. Prin-sippielt kan enhver substans eller substansblanding av ideelle eller ikke ideelle løsninger gjøres til gjenstand for en sådan gravitasjonsspektralanalyse. Begrepet substans eller sub stansblanding'betyr i sammenheng med den foreliggende be-skrivelse såvel flytende substanser som substanser i gassform, innbefattet kombinerte aggregattilstander, homogene og ikke homogene stoffblandinger i flytende eller flytbar form, samt også faste legemer ved tilsvarende begrenset bevegelighet av molekylene.

De substanser som skal analyseres forandres herunder hverken kjemisk eller fysisk i sin sammensetning. Etter endt under-søkelse, når gravitasjonsfeltet atter er fjernet, har de undersøkte substanser ikke vært gjenstand for materialtap. Faste substanser oppløses hensiktsmessig før undersøkelsen i et egnet løsningsmiddel.

Den nødvendige virkning av et gravitasjonsfelt frembringes hensiktsmessig ved sentrifugering, fremfor alt ved ultrasentrifugering, hvorved det særlig ved hjelp av en ultrasentrifuge frembringes så høye gravitasjonskrefter at det oppnås en høy selektivitet og spesialvirkning ved undersøkelsen. En annen mulighet for å frembringe det nødvendige gravitasjonsfelt kan for eksempel være en plutselig nedbremsing av en bevegelig sonde.

Den påkrevede målestørrelse kan hensiktsmessig være elektrisk spenning fra elektroder som påvirkes av de frembragte ladningstilstander.

En særlig gunstig utførelse av fremgangsmåten kan utføres slik at et gravitasjonsspektrum utledes på grunnlag av målestør-relsens variasjonsforløp i avhengighet av en foranderlig, særlig kontinuerlig stigende gravitasjonskraft. Derved oppnås et kurveforløp med stigende avsnitt og nivåplatåer, hvorav orienteringen eller innrettingen av molekylenes bestanddeler i gravitasjonsfeltet kan utledes.

En ytterligere fordel kan eventuelt oppnås ved at det i tillegg til gravitasjonsfeltet påtrykkes et elektrisk og/eller magnetisk tilleggsfelt med en foretrukket retning. Dette tilleggsfelt kan da fortrinnsvis oppvise en hovedkomponent i den retning hvor dipolen orienteres under påvirkning av gravitasjonsfeltet. Herunder synes det gunstig å anvende et elektrisk og/eller magnetisk tilleggsfelt med konstant feltstyrke. Tilleggsfeltets plassering og styrke bestemmes hensiktsmessig ved eksperimentelle undersøkelser på sådan måte at denønskede feltvirkning som skal utnyttes for måling eller separering opptrer med optimal virkning.

Ved hjelp av et sådant elektrisk tilleggsfelt kan det ved substanser med elektrisk ledningsevne med fordel frembringes en elektrolyseprosess under gravitasjonspåvirkningen. For eksempel ved separering av radioaktive substansblandinger har det herunder vist seg å være mulig under ultrasentrifugering enten å føre inn bestemte substansandeler i et produkt som skal utskilles, eller å hindre deres innføring i dette produkt .

I henhold til en ytterligere hensiktsmessig utførelse kan det ved oppløste makromolekylære substanser med elektrisk ledningsevne under gravitasjonspåvirkningen finne sted en elek-troforeseprosess. På denne måte er det ved makromolekylære systemer, for eksempel med proteiner som allerede under sentrifugering eller ultrasentrifugering er blitt gjenstand for en sedimentering, mulig å oppnå som vesentlig forbedring en skarpere og bedre båndoppløsning såvel som en betydelig tidsbesparelse ved sentrifugeringsprosessen. Iblant er det herunder hensiktsmessig også å fortsette elektroforesepro-sessen etter fjerning av gravitasjonspåvirkningen.

Det påtrykte tilleggsfelt kan istedet for en konstant feltstyrke også oppvise variabel feltstyrke, for eksempel med forut fastlagt tidsforløp. En sådan anvendelse av det elektriske tilleggsfelt egner seg særlig for innledende separering av kolloide systemer.

Den omtalte fremgangsmåte er også av særlig betydning når sammensetningen av en substans eller en substansblanding ikke er kjent. Ut fra karakteristiske overensstemmelser kan det utledes opplysninger om blandingsandeler såvel som identi-teten av sammenligningsubstanser. Sådanne undersøkelser er egnet for forskjellige formål innenfor naturvitenskap og teknikk, for eksempel når det ved undersøkelse av kroppsegene substanser opptrer karakteristiske målestørrelser eller gra-vitas jonsspektra for i og for seg ukjente stoffer, som kan settes i sammenheng med fysiologiske prosesser såvel som pato-logiske tilstander av mer eller mindre alvorlig art.

En hensiktsmessig anordning for utførelse av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen kan omfatte en sentrifuge, særlig en ultrasentrifuge, som oppviser minst et kammer med en elektrode som står i forbindelse med et elektrisk målesystem. Fortrinnsvis benyttes en anordning med minst to elektroder i innbyrdes avstand, og anvendelse av mer enn to elektroder har særlig betydning i det tilfelle det etter gravitasjonskraftens påvirkning opptrer elektriske vektorer i forskjellige ret-ninger. Dette kan eventuelt og med fordel understøttes av det elektriske tilleggsfelt.

Vanligvis er det elektriske målesystem hensiktsmessig oppbygget på sådan måte at den målestørrelse som tilsvarer orienteringen av ladningstyngdepunktene registreres som en funksjon av gravitasjonsfeltets forandring. Som målestørrelse kan herunder fremfor alt spenning, strøm og ladning utledes direkte eller indirekte, for eksempel fotoelektrisk.

De to elektroder som ligger overfor hverandre kan med fordel være innkoblet over ledningsforbindelser direkte i det elektriske målesystems kretskobling. Ved en annen apparatopp-bygning som også kan være hensiktsmessig betraktes elektrodene som kondensatorplater, hvis ladning utgjør inngangsstørrelse for det elektriske målesystem. En hensiktsmessig utførelses-form kan være anordnet slik at de veggflater som ligger inntil elektrodene danner et sentrifugekammer av isolerende material. Fortrinnsvis er elektrodene utført i edelmetall, fortrinnsvis platina eller gull.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere forklart ved hjelp av et utførelseeksempel og under henvisning til de vedføyde skjematiske tegninger, hvorpå: Fig. 1 i prinsipp viser en ultrasentrifuge for utførelse av

foreliggende fremgangsmåte,

Fig. 2 viser et enkelt gravitasjonsspektrum for påvisning av

en substans,

Fig. 3 viser et gravitasjonsspektrum for påvisning av to

komponenter i en substansblanding,

Fig. 4 viser et gravitasjonsspektrum for påvisning av forskjellige jodisotoper i tilsvarende jodforbindelser.

I fig. 1 er det skjematisk vist en ultrasentrifuge, som har to kammere 1,2 med edelmetallelektroder 3,4 og 5,6 ved ende-veggene. Elektrodene 3,4 og 5,6 er koblet etter hverandre og forbundet med sleperinger 7,8 hvis spenning tas ut over slepe-kontakter 9,10. Med mellomkobling av en forsterker 11 er det tilsluttet en skrivende registreringsinnretning 12, som dess-uten står i forbindelse med en omdreiningsteller 13 for en sentrifugeaksel 15 som drives av en drivmotor 14.

I kammerne 1,2 fylles monoklormetan oppløst i et egnet løs-ningsmiddel. Denne substans er særlig egnet for å anskuelig-gjøre foreliggende fremgangsmåte på grunn av sitt permanente dipolmoment. Sentrifugen settes så i gang, idet dens omdreiningstall langsomt økes opptil ca. n = 20.000 omdreininger pr. min. (ca. 100.000 g). Ved hjelp av registreringsinnretningen 12 tegnes spenningen U opp som funksjon av omdreiningstallet n.

Som resultat oppnås det S-formede kurveforløp som er vist i fig. 2. Stedet for vendepunktet W er særegent for vedkommende substans under forutsetning av konstant temperatur og fast lagt løsningsmiddel og gir kvalitativ informasjon om sammensetningen av det stoff som undersøkes.

En kvantitativ anvisning er det mulig å oppnå ved hjelp av spenningsforskjellene eller forskjellene mellom andre av-ledede elektriske målestørrelser, for eksempel strømmer, som opptrer under gravitasjonspåvirkningen. Hvis det for eksempel ved en løsning på en mol oppnås en spenning på 0,6 mV, så opptrer det ved en løsning på en halv mol en spenning på 0,3 mV, og ved en løsning på en kvart mol en spenning på 0,15 mV. Fremgangsmåten tillater også utledning av informasjon om retningen av det undersøkte dipolmoment i vedkommende substans.

Ved det utførelseeksempel som er angitt i fig. 3 er det i et egnet løsningsmiddel oppløst forskjellige mengder av monoklormetan og monojodmetan, som likeledes er substanser med permanent elektrisk dipolmoment. Denne substansblanding innføres i kammerne 1,2.

Under sentrifugeringsprosessen tegner registreringsinnretningen 12 opp funksjonen U = f(n).

Under innflytelse av den stigende gravitasjonsverdi orien-terer de usymmetrisk oppbyggede molekyler i den substans som skal undersøkes seg slik at de retter seg inn i en foretrukket retning. Da jodatomet er vesentlig tyngre enn kloratomet vil innrettingen av monojodmetanmolekylene først finne sted, og derpå, ved et høyere omdreiningstall, innrettingen av mono-klormetanmolekylene, idet innrettingene finner sted på sådan måte at halogenatomet ligger i gravitasjonsfeltets retning.

Målingen gir en trappeformet kurve med to S-formede kurve-deler, hvorved vendepunktene W^, W2for disse S-formede krumme kurveavsnitt eller midtpunktene mellom de plane avsnitt ved konstant temperatur i et fastlagt løsningsmiddel angir den særegne verdi for substansene som muliggjør deres identifisering, hvilket vil si en kvalitativ anvisning om

sammensetningen av et stoff som skal undersøkes.

Ved det utførelseeksempel som er angitt i fig. 4 sentrifugeres monojodmetan som er oppløst i et egnet løsningsmiddel, idet jod herunder opptrer i tre forskjellige isotoper i et forut gitt masseforhold, under de arbeidsbetingelser som er angitt ovenfor, men med en større gravitasjonskraft. Ved den fin-oppløsning av spekteret som oppnås på denne måte fremkommer flere S-formede kurveavsnitt som går over i plane avsnitt. Beliggenheten av de karakteristiske vendepunkter (W^, V^,

W^) for spenningsforløpet fremgår klart av fig. 4. Disse kurveavsnitt er resultater av de forut gitte isotoplikevekter i den undersøkte jodforbindelse. Ved hjelp av de foreliggende muligheter for nøyaktig måling og den entydige tilordning av en positiv eller negativ ladning på hver av elektrodene kan retningen av dipolmomentvektoren fastlegges i rommet. Da iso-toplikevekten i de fleste tilfeller er kjent fra andre målinger, kan det på grunnlag av gravitasjonsspektrogrammet utledes opplysninger om hvilken del av molekylet som ligger i retning av gravitasjonsfeltet. Den tunge isotop, som i almin-nelighet forekommer i en annen konsentrasjon enn den lettere isotop, vil herunder først innstilles i feltretningen.

Ved hjelp av sådanne målinger og i betraktning av isotopenes naturlige blandingsforhold er det mulig å fastlegge molekyl-strukturen såvel for ukjente som for kjente substanser. En opprinnelig ukjent substans kan bestemmes i en blanding ved at kurveforløp som passer til den naturlige isotoplikevekt for et bestemt atom fastlegges. Opptegning av to gravitasjonsspektra av substansblandinger gjør det mulig å trekke slutninger med hensyn til substansblandingenes eventuelle innbyrdes likhet uten kjennskap til deres sammensetning og utelukkende på grunnlag av graden av sammenfallende gravitasjonsspektra.

Claims (11)

1. Fremgangsmåte for analyse av substanser som er oppbygget av molekyler med usymmetrisk ladnings- og massefordeling,karakterisert vedat nevnte molekyler utsettes for et varierende gravitasjonsfelt av sådan størrelse at det opptrer en nyorientering av molekylenes massefordeling og dermed en tilsvarende forskyvning av molekylenes ladningstyngdepunkter, og en elektrisk målestørrelse, som er resultat av ladningstyngdepunktforskyvningen, bestemmes ved hjelp av utstyr anordnet for dette formål.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1,karakterisert vedat molekylene underkastes et varierende gravitasjonsfelt av størrelse over 20 g.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 eller 2,karakterisert vedat den substans som skal undersøkes oppløses i et løsningsmiddel.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 1-3,karakterisert vedat gravitasjonsfeltet frembringes ved sentrifugering.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 1-3,karakterisert vedat gravitasjonsfeltet frembringes ved ultrasentrifugering.

6. Fremgangsmåte som angitt i krav 1,karakterisert vedat gravitasjonsfeltets styrkeøkes kontinuerlig og det tilsvarende forløp av den elektriske målestørrelse anvises som et gravitasjonsspektrum.

7. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 6,karakterisert vedat den elektriske måle-størrelse bestemmes som en elektrisk spenning frembragt mellom forskjellige elektroder av de påvirkede molekylladninger.

8. Fremgangsmåte som angitt i krav 1,karakterisert vedat det i tillegg til gravitasjonsfeltet påtrykkes et elektrisk og/eller magnetisk tilleggsfelt med en foretrukket feltretning.

9. Fremgangsmåte som angitt i krav 8,karakterisert vedat tilleggsfeltet gis en hovedkomponent i den retning ladningstyngdepunktene rettes inn under påvirkning av gravitasjonsfeltet.

10. Fremgangsmåte som angitt i krav 8 eller 9,karakterisert vedat tilleggsfeltet gis en tidskonstant feltstyrke.

11. Fremgangsmåte som angitt i krav 8 - 10, hvor nevnte substanser er oppløste makromolekylære substanser med elektrisk ledningsevne, karakterisert vedat det under påvirkning fra nevnte elektriske felt i tillegg til gravitasjonsfeltet også utføres en elektroforese av nevnte makromolekylære substanser.