SE445955B - Forfarande och anordning for analys av substanser, som er uppbyggda av molekyler med ickesymmetrisk laddnings- och massfordelning - Google Patents

Description

l0 l5 20 25 30 35 800754545 blandning också ideala och icke ideala lösningar underkastas en sådan gravitationsspektrisk undersökning. Uttrycket sub- stans resp. substansblandning betecknar i detta sammanhang både flytande och gasformiga substanser inklusive kombinerade aggregattillstånd, homogena och icke homogena ämnesblandningar i flytande resp. flytbar form men också fasta kroppar vid en motsvarande begränsad rörlighet av molekylerna.

De substanser som skall undersökas förändras vare sig kemiskt eller fysikaliskt till sin sammansättning. Då undersökningen avslutats, efter det att gravitationsfältet avlägsnats, före- ligger de undersökta substanserna utan någon substansförlust.

Fasta substanser löses lämpligen först i ett därför lämpat lösningsmedel.

Det erforderliga gravitationsfältet uppnås lämpligen genom centrifugering, framför allt genom ultracentrifugering, varvid speciellt med hjälp av en ultracentrifug så stora tyngdkrafter kan uppnås, att undersökningen får en hög selektivitet och specificitet. Ett annat sätt att åstadkoma gravitationsfältet är genom en plötslig inbromsning av det prov som befinner sig i rörelse.

Den erforderliga mätstorneten kan lämpligen erhållas som elek- trisk spänning mellan de laddningar som påverkar motsvarande elektroder.

Ett speciellt lämpligt förfarande kan utföras så att mätstor- hetens förlopp som en funktion av förloppet av den föränder- liga, speciellt kontinuerligt ökade tyngdkraften framställes som gravitationsspektrum. Därvid erhålles kurvlinjer med stig- ningar och platåplan, som kan tillskrivas orienteringen resp. riktningen av molekylbyggstenarna i gravitationsfältet.

Ytterligare fördelar kan eventuellt uppnås genom att förutom gravitationsfältet pålägges ett elektriskt och/eller magnetiskt tilläggsfält med en föredragen riktning. Detta tilläggsfält LH 15 25 30 35 8007543-5 kan lämpligen uppvisa minst en huvudkomponent i den riktning vari dipolen under inverkan av gravitationsfältet orienteras.

Ett elektriskt och/eller magnetiskt tilläggsfält med konstant fältstyrka synes vara lämpligt. Läget och storleken av tilläggs- fältet bestämmes 1 resp. fall lämpligen experimentellt så att den önskade, för mätning resp. separering utnyttjade effekten uppträder optimalt.

Genom ett sådant elektriskt tilläggsfält kan vid substanser med elektrisk ledningsförmåga lämpligen ett elektrolysförlopp startas under inverkan av tyngdkraften. Därigenom synes det exempelvis vid separering av radioaktiva substansblandningar vara möjligt att under ultracentrifugeringen antingen överföra bestämda delar till den produkt som skall avskiljas eller att förhindra införlivandet därav i den produkt som skall avskiljas.

Genom en annan lämplig utföringsform blir det möjligt att vid lösta makromolekylära substanser med elektrisk ledningsför- måga åtminstone under inverkan av gravitationen utföra ett elektroforesförlopp. Därigenom blir det möjligt att vid mak- . romolekylära system, exempelvis med proteiner, där redan genom centrifugering eller ultracentrifugering en sedimentering upp- nås, som en väsentlig förbättring uppnå en mer skarp och större upplösning av banden liksom en märkbar tidsbesparing vid centrifugeringsförloppet. Under vissa omständigheter är det därvid lämpligt att fortsätta elektroforesen också efter det att inverkan av gravitationen avslutats.

Det pålagda tilläggsfältet kan istället för en konstant fält- styrka också uppvisa en variabel fältstyrka, exempelvis med föregivet tidsförlopp. Denna användning av det elektriska tilläggsfältet lämpar sig speciellt för preparativ separering av kolloida system.

Det beskrivna förfarandet har också speciell betydelse när sammansättningen av en substans resp. en substansblandning är okänd. Genom karakteristiska likheter kan man få upplysningar 10 15' 20 25 30 35 8067543-5 om blandningsdelar liksom om identiteten av jämförelsesubstan- ser. Sådana undersökningar lämpar sig inom naturvetenskap och teknik, såsom exempelvis vid undersökning av kroppsegna sub- stanser vissa karakteristiska mätstorheter resp. gravitations- spektra av i och för sig okända ämnen uppträder, som kan till- skrivas fysiologiska förlopp liksom patologiska tillstånd av olika svårighetsgrad.

En lämplig anordning för utförande av förfarandet kan omfatta en centrifug, speciellt en ultracentrifug, som uppvisar åtmin- stone en kammare med en elektrod, som är ansluten till ett elek- triskt mätsystem. Speciellt lämplig är en anordning med minst två elektroder placerade på avstånd mitt emot varandra, varvid en användning av mer än tvâ elektroder är av speciell vikt då efter påverkan av tyngdkraften elektriska vektorer uppträder i olika riktningar. Detta kan eventuellt med fördel understöd- jas av det elektriska tilläggsfältet.

I allmänhet utformas det elektriska mätsystemet lämpligen så att den mätstorhet som motsvarar orienteringen av laddnings- tyngdpunkterna beskrives som en funktion av förändringen av gravitationsfältet. Som mätstorheter i frågakommer därvid framför allt spänning, ström och laddning, som kan fastställas direkt eller indirekt, exempelvis fotoelektriskt.

De två mitt emot varandra placerade elektroderna kan lämpligen vara kopplade via ledningsanslutningar direkt till kopplings- anordningen i det elektriska mätsystemet. Vid en annan, lämp- lig utformning kan elektroderna betraktas som plattor i en kondensator, vars laddning utgör ingångsstorheten i det elek- triska mätsystemet. Vid en lämplig utföringsform kan de vägg- ytor som ligger mitt emot elektroderna bildaemlav isolerande material bestående kammare i centrifugen. Elektroderna är lämp- ligen tillverkade av en ädelmetall, såsom platina eller guld.

Förfarandet enligt uppfinningen beskrives närmare på bifogade ritning av en schematisk anordning. På ritningen visar 20 25 30 35 8007543-5 Fig. 1 en prineipiell anordning av en ultracentrifug för ut- förar: :le av rnätförfarandet , Fig. ¿ visar ett enkelt gravitationsspektrum för påvisande av en substans, Fig. 3 visar ett gravitationsspektrum för påvisande av två komponenter i en substansblandning, och Fig. 4 visar ett gravitationsspektrum för påvisande av olika jodisutoper i motsvarande jodföreningar.

I fig. l visas schematiskt en ultracentrifug, med två kammare l, 2 med sidoväggar av ädelmetallelektroder 3,4;5,6. Elektro- derna 3,4; 5,6 är seriekopplade och anslutna till släpringar 7,8, vars spänning upptages via släpkontakter 9,10. Via mellan- koppling av en förstärkare ll är en skrivande registreringsan- ordning 12 ansluten, som dessutom står i förbindelse med en varvtaisgivare 13 som hör till en av en motor l4 driven centri- fugaxel 15.

Till kamrarna 1,2 sättes monoklormetan löst i ett lämpligt lös- ningsmedel. Detta ämne synes på grund av det permanenta dipol- momentet vara speciellt lämpligt att använda vid förfarandet.

Centrifugen startas därefter och varvtalet höjes långsamt till ca n = 20.000 varv/min (ca 100.000 g). Registreringsanordning- en 12 nedtecknar spänningen U som en funktion av varvtalet n.

Härvid erhålles den i fig. 2 visade S-formiga kurvan. Läget av inflexionspunkten W är under förutsättning av konstant tem- peratur och ett definierat lösningsmedel specifikt för sub- stansen och möjliggör en kvalitativ bestämning av sammansätt- ' ningen av det ämne som skall undersökas.

En kvantitativ bestämning kan likaså erhållas från spännings- skillnaderna resp. skillnaderna i andra härledda elektriska mätstorheter, t.ex. strömstyrkan, som uppnås under inverkan av gravitationen. Om t.ex. en l-molar lösning ger en spänning av 0,6 mV, ger en l/2-molar lösning en spänning av 0,3 mV och en l/4-molar lösning en spänning av 0115 mV. Förfarandet ger l0 15 20 25 30 35 8007543-5 också upplysning om riktningen av det undersökta dipolmcmentet i motsvarande substans.

I utföringsexemplet enligt fig. 3 har olika mängder av mono- _ klormetan och monojodmetan, dvs likaså substanser med perma- nent elektriskt dipolmoment, lösts i ett lämpligt lösningsme- del. Substansblandningen har satts till kammaren l,2.

Registreringsanordningen 12 visar under centrifugeringsförlop- pet U = f(n).

Under inverkan av det stigande värdet på gravitationen oriente- ras de osymmetriskt uppbyggda molekylerna i de substanser som undersökes så att de intar en föredragen riktning. Då jodatomen är väsentligt tyngre än kloratomen riktas först monojodmetan- molekylerna och därefter vid ett högre varvtal också monoklor- metanmolekylerna, nämligen så att halogenatomerna ligger i gra- vitationsfältets riktning .

Mätningen ger en trappformad kurva med två S-formiga delar, varvid inflexionspunkterna Wl, W2, i dessa S-formigt böjda kurvdelar resp. medelpunkterna av de raka avsnitten vid kon- stant temperatur i ett definierat lösningsmedel ger ett för substanserna specifikt värde, som möjliggör identifiering därav, dvs en kvalitativ bestämning av sammansättningen av ett ämne som skall undersökas.

I exemplet enligt fig. 4 användes monojodmetan löst i ett lämp- ligt lösningsmedel, varvid jod föreligger i tre olika jodiso- toper i ett bestämt mängdförhâllande, som centrifugeras under ovan angivna betingelser, dock med en större gravitationskraft.

Genom den härigenom uppnådda finupplösningen av spektret er- hålles flera S-formiga kurvdelar med därtill anslutna platå- avsnitt. Läget av de karakteristiska inflexionspunkterna (Wl, W2,W3) för spänningsförloppet framgår av fig. 4. Kurvdelarna utgör resultanter av den i den använda jodföreningen bestämda isotopjämvikten. Genom den exakta mätmöjligheten och den en- 10 15 8007545-5 tydiga koordineringen av en positiv resp. negativ laddning till elektroderna kan riktningen av dipolmomentvektorn fast- ställas i rymden. Då isotopjämvikten 1 de flesta fall är känd -genom andra mätningar kan med hjälp av gravitationsspektro- grammet fastställas vilken del av molekylen som ligger i gra- vitationsfältets riktning. Den tunga isotopen, som i allmän- het föreligger i en annan koncentration än den lättare iso- topen inställes först.

Genom sådana mätningar varvid hänsyn tagits till den naturliga isotopblandningsfrekvensen blir det möjligt att bestämma strukturen av både okända och kända substanser. En till en början okänd substans kan bestämmas i en blandning genom att till den naturliga isotopjämvikten av en bestämd atom lämpliga kurvor framtages. Nedteckningen av två gravitationsspektra av substansblandningar gör det möjligt att jämföra substans- blandningar också utan kännedom om sammansättningen därav en- bart på grund av ett identiskt gravitationsspektrum.

Claims (16)

8007543-5 PATENTKRAV

1. Förfarande för analys av substanser, som är uppbyggda av molekyler med ickesymmetrisk laddnings- och massfördelning, k ä n n e t e c k n a t a v att molekylerna utsättes för inverkan av ett gravitationsfält som ändras av en sådan storlek att därvid en nyorientering sker av massfördelningen och där- med laddningstyngdpunkterna, och att medel finns varmeddenvid nyorienteringen av laddningstyngdpunkterna uppträdande elekt- riska mätstorheten bestämmes.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t a V att storleken av det pålagda gravitationsfältet är över 20 g.

3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t a v att den substans som skall undersökas löses i ett lösnings- medel.

4. Förfarande enligt något av kraven 1 - 3, k ä n n e t e c k - n a t a v att gravitationsfältet uppnås genom centrifugering.

5. Förfarande enligt något av kraven 1 - 3, k ä n n e t e c k - n a t a v att gravitatíonsfältet uppnås genom ultracentrifu- gering.

6. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t a V att gravitationskraften i gravitationsfältet kontinuerligt ökas och det åtföljande förloppet av den elektriska mätstorheten fram- ställes som ett gravitationsspektrum.

7. Förfarande enligt något av kraven 1 - 6, k ä n n e t e c k - n a t a v att mätstorheten utgöres av den av influerade ladd- f ningar framkallade elektriska spänningen.

8. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t a v att förutom gravitationsfältet pålägges ett elektriskt och/eller magnetiskt tilläggsfält med föredragen riktning. 8007543-5

9. Förfarande enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a t a v att tilläggsfältet uppvisar åtminstone en huvudkomponent i den riktning vari laddningstyngdpunkterna under inverkan av gravi- tationsfältet inställes.

10.' Förfarande enligt krav 8 eller 9, k ä n n e t e c k n a t a v att tilläggsfältet uppvisar en med avseende på tiden konstant fältstyrka.

11. Förfarande enligt något av kraven 1 - 10, k ä n n e - t e c k n a t a v att vid lösta makromolekylära substanser med elektrisk ledningsförmåga åtminstone under inverkan av graviationen ett elektroforesförlopp genomföras.

12. Anordning för utförande av förfarandet enligt något av kraven 1 e 10, k ä n n e t e c k n a d a v en ultracentrifug, som uppvisar åtminstone en mätkammare (1,2) med minst tvâ elektroder (3,4;5,6) i mátkammaren, som är anslutna till ett elektriskt mätsystem (11,12).

13. Anordning enligt krav 12, k ä n n e t e c k n a d a v att tvâ mitt emot varandra placerade elektroder (3,4;5,6) är kopplade via ledningsanslutningar direkt till kopplingsanord- ningen i det elektriska mätsystemet (11,12).

14. Anordning; enligt krav 12, k ä n n e t e c k n a d a v att elektroderna bildar en kondensator, vars laddning utgör ingångsstorheten i det elektriska mätsystemet.

15. Anordning enligt krav 12, k ä n n e t e c k n a d a v att elektroderna (3,4;5,6) utgöres av ädelmetall.

16. Anordning enligt krav 13, k ä n n e t e c k n a d a v att de mitt emot varandra placerade elektroderna (3,4;5,6) är anordnade i en mätkammare (1,2) av isoleringsmaterial, och bildar väggytor i dessa mätkammare (1,2).