DE3713473A1

DE3713473A1 - Liquid-free electrophoresis

Info

Publication number: DE3713473A1
Application number: DE19873713473
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr Paas-Link
Original assignee: Intospace GmbH
Current assignee: Intospace GmbH
Priority date: 1987-04-22
Filing date: 1987-04-22
Publication date: 1988-11-10

Abstract

For the qualitative expansion and improvement of electrophoresis, the mixtures, cells or cell organelles to be separated are not separated in solutions, but are exposed to an electric field in the liquid-free state as monomolecular dusts. These dusts are transported via a continuous gas stream in an electric field applied perpendicularly thereto and separate in accordance with the charge on the different constituents of the dust. The process offers particular advantages under weightless conditions, since thermally caused inteference of the uniform gas stream is then prevented. The dusts to be separated are transported to and from the separation chamber via gas-permeable transport membranes.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur flüssigkeits freien Auftrennung von Gemischen chemischer Verbindungen, Zellen oder Zellorganellen.The invention relates to an arrangement and a method for liquid free separation of mixtures of chemical compounds, cells or Cell organelles.

Verfahren zur Reinigung, Trennung oder Anreicherung von chemischen Verbindungen sind weit verbreitet. Bei Makromolekülen, Proteinen, oder Zellorganellen und Zellen wird die Elektrophorese verwendet.Process for cleaning, separating or enriching chemical Connections are common. For macromolecules, proteins, or Cell organelles and cells use electrophoresis.

Die Elektrophorese wird quantitativ und qualitativ unter anderem durch die Höhe des Trennspaltes und durch die maximale Feldstärke limitiert. Eine Erhöhung der Feldstärke bzw. des Trennspaltes führt zu einer Ver größerung von räumlich und thermisch bedingten Konvektionsströmungen, die die Trennung verschlechtern. Darüber hinaus sind bei allen bisher vorgeschlagenen Elektrophoresemethoden große Mengen an Pufferlösun gen notwendig, um die zu trennenden Stoffe zu lösen bzw. zu transpor tieren oder zu puffern. Normalerweise verdünnen die Elektrophoresever fahren die zu trennenden Stoffe beträchtlich. Lediglich die Isoelektrische Fokussierung, ohne und mit pH-Sprüngen reichert die getrennten Substan zen an, mit der Gefahr der Überschreitung des Löslichkeitsproduktes und einer Ausfällung der Substanzen.The electrophoresis is carried out, among other things, quantitatively and qualitatively the height of the separation gap and limited by the maximum field strength. An increase in the field strength or the separation gap leads to a Ver increase of spatial and thermal convection currents, that worsen the separation. In addition, all have so far proposed electrophoresis methods large amounts of buffer solution conditions necessary to dissolve or transport the substances to be separated animals or to buffer. Usually the electrophoresis dilutes drive the materials to be separated considerably. Only the isoelectric Focusing without and with pH jumps enriches the separated substances zen, with the risk of exceeding the solubility product and a precipitation of the substances.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Trennung von chemischen Substanzen mit besonders hohem Durchsatz zu ermöglichen, ohne dabei Pufferlösungen zu verwenden.The invention has for its object a separation of chemical To enable substances with a particularly high throughput without doing so To use buffer solutions.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Gemische aus chemischen Verbindungen, Zellen oder Zellorganellen ohne Lösungs mittel, als Stäube über ihre elektrostatischen Ladungsunterschiede getrennt werden.The object is achieved in that mixtures of chemical compounds, cells or cell organelles without solution medium, as dusts about their electrostatic charge differences be separated.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen in der Möglichkeit, große Mengen verschiedener Substanzen aufzutrennen. Durch das Weglassen von Lösungsmitteln entfallen die sehr teuren Pufferlösungen, die Wechselwirkungen von Lösungsmitteln mit den zu trennenden Substanzen und die thermische Empfindlichkeit der zu trennenden Stoffe. (z. B. denaturieren wasserfreie Proteine erst bei wesentlich höheren Temperaturen.) Durch die Möglichkeit reduzierende Transportgase zu benutzen, können unerwünschte Oxidationen vermieden werden.The advantages achievable with the invention are the possibility to separate large amounts of different substances. By the Omitting solvents eliminates the very expensive buffer solutions, the interactions of solvents with those to be separated Substances and the thermal sensitivity of the substances to be separated. (e.g. anhydrous proteins only denature at much higher ones Temperatures.) Due to the possibility of reducing transport gases unwanted oxidations can be avoided.

Um einen gleichmäßigen Gasstrom in der Trennkammer zu erzielen und gleichzeitig einen hohen Durchsatz zu ermöglichen, sieht die Erfindung vor, daß die Trennkammer gleichmäßig von einem Gasstrom G 1 durch strömt wird. An der Einlaßseite A erfolgt die Zugabe der aufzutrennen den Stoffe und diese Stoffe werden durch den Gasstrom G 1 zur Auslaßseite B verschleppt. Dabei unterliegen sie in Abhängigkeit von ihrer Ladung einer Ablenkung durch ein elektrostatisches Feld zwischen den Elektroden E 1 und E 2 (Fig. 2). An der Auslaßseite B erfolgt der Abtransport über ein Transportband T 2 welches gasdurchlässig ist. Die Entnahme der aufgetrennten Stoffe vom Transportband T 2 erfolgt durch einzelne oder mehrere Vorrichtungen AB 1 und AB 2 deren Position über dem Transportband T 2 verstellbar ist. Durch die Verwendung von gasdurchlässigen Membranen für das Transportband T 2, ist es möglich eine laminare, gleichmäßige Gasströmung G 1 in der Trennkammer zu erhalten.In order to achieve a uniform gas flow in the separation chamber and at the same time to enable a high throughput, the invention provides that a gas flow G 1 flows through the separation chamber evenly. At the inlet side A , the substances to be separated are added and these substances are carried off to the outlet side B by the gas stream G 1 . Depending on their charge, they are subject to a deflection by an electrostatic field between the electrodes E 1 and E 2 ( FIG. 2). On the outlet side B the removal takes place via a conveyor belt T 2 which is gas permeable. The removal of the separated substances from the conveyor belt T 2 is carried out by means of one or more devices AB 1 and AB 2 whose position can be adjusted over the conveyor belt T 2 . By using gas-permeable membranes for the conveyor belt T 2 , it is possible to obtain a laminar, uniform gas flow G 1 in the separation chamber.

Eine wesentliche Voraussetzung für die flüssigkeitsfreie Trennung ist die Erstellung von monomolekularen Stäuben. Dabei ist es wichtig zu gewährleisten, daß die ursprünglich in Lösungen fein verteilten Substan zen auch fein verteilt bleiben, wenn sie vom Lösungsmittel befreit werden. Es darf dabei nicht zu einer Anlagerung der in den Lösungen enthaltenen Teilchen kommen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Stäube aus Lösungen hergestellt werden, in denen die zu trennenden Substanzen enthalten sind und diese Lösungen über eine Düse in einen Raum mit sehr geringem Gasdruck entweichen, wobei das Lösungs mittel so schnell verdampft, daß es nicht zur Aggregatbildung der darin enthaltenen Substanzen kommt. Die so getrockneten Substanzen schlagen sich durch Schwerkraft oder elektrostatische Felder auf Adsorber- Flächen nieder. Durch die Verwendung von elektrostatischen Feldern zur Beeinflussung des Niederschlages, der in den Lösungen enthaltenen festen Stoffe, kann eine Auftrennung der festen Stoffe je nach Ladung der Anionen und Kationen erfolgen. Ungeladene Stoffe werden sich nicht an den Elektroden niederschlagen und damit ebenfalls getrennt vorliegen.An essential requirement for liquid-free separation is the creation of monomolecular dusts. It is important to do so ensure that the substance originally distributed finely in solutions zen also remain finely divided if they are freed from the solvent will. It must not accumulate in the solutions contained particles come. This is according to the invention solved that the dusts are made from solutions in which the separating substances are contained and these solutions in a nozzle escape a room with very low gas pressure, taking the solution evaporates medium so quickly that it does not form the aggregate in it contained substances comes. Beat the dried substances caused by gravity or electrostatic fields on adsorber Areas down. Through the use of electrostatic fields for Influencing the precipitation, the solid contained in the solutions Substances, the solids can be separated depending on the load of the Anions and cations occur. Unloaded substances will not adhere to each other deposit the electrodes and are therefore also separate.

Verwendet man dieses Verfahren unter Schwerelosigkeit, so ergeben sich einige Vorteile. Unter Schwerkraft erzeugt die unterschiedliche Erwär mung der Substanzen und der Trägergase infolge der hohen Feldspannun gen konvektive Strömung. Unter Schwerelosigkeit wird eine solche Störung des laminaren gleichmäßigen Gasstroms nicht entstehen. Darüber hinaus ist eine Sedimentation der Stoffe durch ihre unterschiedliche Masse unter Schwerelosigkeit vernachlässigbar. Bei bisherigen Trenn verfahren nach der klassischen Durchflußelektrophorese unter Schwe relosigkeit ergeben sich Probleme durch die benötigten großen Flüs sigkeitsmengen, kleinen Durchsatzraten und die flüssigkeitsbedingten Sicherheitsprobleme. Durch Wegfall der Lösungsmittel treten diese Schwierigkeiten nicht auf.If you use this method under weightlessness, you get some advantages. The different heating produces under gravity tion of the substances and the carrier gases due to the high field voltage against convective flow. Weightlessness becomes one Disruption of the laminar uniform gas flow does not arise. About that Furthermore, sedimentation of the substances is due to their different Mass negligible under weightlessness. With previous separation proceed according to classical flow electrophoresis under welding Reliability, problems arise from the large rivers required liquid quantities, small throughput rates and the liquid-related Security issues. By eliminating the solvents, these occur Trouble not on.

Um die Trennungen von Stoffen zu verbessern, ist es möglich die zu tren nenden Stoffe mit größeren Ladungsunterschieden zu versehen, indem die zu trennenden Stoffe vor der Einbringung in die Trennkammer elektro statisch aufgeladen werden. Die Aufladung wird in Abhängigkeit von der chemischen Struktur der Stoffe in dem Stoffgemisch unterschiedlich er folgen.To improve the separation of substances, it is possible to separate them with larger charge differences by adding the Substances to be separated electro before introduction into the separation chamber be charged statically. The charge is dependent on the chemical structure of the substances in the mixture of substances he different consequences.

Die Einbringung des zu trennenden Stoffgemisches in die Trennkammer kann dadurch verbessert werden, daß auf der Einlaßseite ein gasdurch lässiges Transportband T 1 verwendet wird. Zusätzlich soll der Aufbringungsort durch einen beweglichen Zuführungsbehälter ZB an verschiedenen Stellen des Transportbandes T 1 liegen können.The introduction of the mixture of substances to be separated into the separation chamber can be improved by using a gas-permeable conveyor belt T 1 on the inlet side. In addition, the place of application should be able to be located at various points on the conveyor belt T 1 by means of a movable feed container ZB .

Bei hohen Ladungen der Stoffe kann es zu einer zu starken Abdrift der Stoffe in Richtung der seitlich an der Trennkammer liegenden Elektroden E 1 und E 1 (Fig. 2) kommen. Um diese Abdrift zu kompensieren, ohne die Feldstärke zu senken, wird diese Abdrift durch einen zusätzlichen Gasstrom G 2 (Fig. 2) von der betreffenden Kammerseite teilweise kompensiert, wobei die Elektrodenseiten E 1 und E 2 ebenfalls gasdurchlässig gemacht werden.With high charges of the substances, the substances may drift too strongly in the direction of the electrodes E 1 and E 1 located on the side of the separation chamber ( FIG. 2). In order to compensate for this drift without lowering the field strength, this drift is partially compensated for by an additional gas flow G 2 ( FIG. 2) from the relevant chamber side, the electrode sides E 1 and E 2 also being made gas-permeable.

Die Zuführung der zu trennenden Stoffe sollte räumlich in einem schmalen Band zwischen den Elektroden erfolgen, um die Auflösung nicht zu beeinträchtigen. Diese schmalbandige Zuführung kann über einen Transportdraht D (Fig. 3) erfolgen, der durch seine Oberflächenstruktur eine Haftung des Stoffes erlaubt.The substances to be separated should be fed spatially in a narrow band between the electrodes so as not to impair the resolution. This narrow-band feeding can take place via a transport wire D ( FIG. 3), which allows the substance to adhere due to its surface structure.

Eine Ausführung der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is shown in the drawing and will described in more detail below.

Fig. 1 zeigt die Trennkammer mit der Einlaßseite A für den Gasstrom G 1 und der Auslaßseite B. Die Fig. 2 zeigt die gleiche Anordnung in der senkrecht dazu liegenden Zeichnungsebene. Die Einlaß- A und Auslaß seite B sind durch gasdurchlässige Transportbänder T 1 und T 2 ver schlossen, die jeweils über 2 Rollen R 1 a und R 1 b bzw. R 2 a und R 2 b in Pfeilrichtung drehen. Die zu trennenden Stoffe werden aus dem Zugabe behälter ZB auf das Transportband T 1 mit Überdruck schmalbandig aufgetragen und durch den Gasstrom G 1 zur Auslaßseite B transportiert. Fig. 1 shows the separation chamber with the inlet side A for the gas flow G 1 and the outlet side B. Fig. 2 shows the same arrangement in the direction perpendicular to the drawing plane. The inlet A and outlet side B are closed by gas-permeable conveyor belts T 1 and T 2 , each rotating over 2 rollers R 1 a and R 1 b or R 2 a and R 2 b in the direction of the arrow. The substances to be separated are applied from the addition container ZB to the conveyor belt T 1 with overpressure narrow band and transported by the gas stream G 1 to the outlet side B.

Bei dem Transport zur Auslaßseite B erfahren die Stoffe eine Ablenkung durch ein elektrisches Feld, das von den beiden Elektroden E 1 und E 2 (Fig. 2) bewirkt wird. In Abhängigkeit von der Ladung der einzelnen Stoffe kommt es zu einem örtlich unterschiedlichen Auftreffen der Stoffe auf das Transportband T 2. Auf dem Transportband T 2 werden die Stoffe von mindestens zwei an unterschiedlichen Stellen plazierten Aufnahme behältern AB 1 und AB 2 aufgenommen. Die Entnahmestellen können auf dem Transportband T 2 verschoben werden und den Anforderungen ange paßt werden. Eine durch die Feldstärke bewirkte starke Drift der Stoffe zu einer Elektrodenseite hin, kann, durch die gasdurchlässigen Elektroden E 1 und E 2, ein Gasstrom G 2 kompensieren.During transport to the outlet side B , the substances are deflected by an electric field which is caused by the two electrodes E 1 and E 2 ( FIG. 2). Depending on the load of the individual substances, the substances strike the conveyor belt T 2 at different locations. On the conveyor belt T 2 , the substances from at least two receptacles placed at different locations are picked up AB 1 and AB 2 . The tapping points can be moved on the conveyor belt T 2 and adapted to the requirements. A strong drift of the substances towards one electrode side caused by the field strength can compensate for a gas flow G 2 through the gas-permeable electrodes E 1 and E 2 .

Um die Abgabe der zu trennenden Stoffe auf der Einlaßseite besonders einfach und schmalbandig durchzuführen, kann an der Einlaßseite statt des Transportbandes T 1 die Stoffzugabe über einen Transportdraht D (Fig. 3) erfolgen. Der Transportdraht D sollte eine Oberfläche haben, an der die feinen Stäube aus einem Vorratsbehälter V (Fig. 3) haften bleiben. Die Substanzen werden durch den Gasstrom G 1 vom Draht weggerissen und zum Transportband T 2 getragen. Der Transportdraht D läuft über zwei Rollen W kontinuierlich durch den Vorratsbehälter V. Der Vorratsbehälter V kann als flexible Hülle oder Gummisäckchen ausgeführt sein.In order to carry out the discharge of the substances to be separated on the inlet side in a particularly simple and narrow-band manner, the substance can be added on the inlet side instead of the conveyor belt T 1 via a transport wire D ( FIG. 3). The transport wire D should have a surface on which the fine dusts from a storage container V ( FIG. 3) adhere. The substances are torn away from the wire by the gas stream G 1 and carried to the conveyor belt T 2 . The transport wire D runs continuously over two rolls W through the storage container V. The storage container V can be designed as a flexible envelope or rubber bag.

Die Geschwindigkeit des Transportbandes T 2 muß hoch genug sein, um keine örtliche Undurchlässigkeit durch Ablagerungen der transportierten Stoffe zu erhalten.The speed of the conveyor belt T 2 must be high enough so that there is no local impermeability due to deposits of the transported materials.

Um dem Gasstrom G 1 quer zu Strömungsrichtungen ein einheitliches Geschwindigkeitsprofil zu geben und Randturbulenzen zu vermeiden, können die Meßkammerwände einschließlich der Elektroden von Membranen bedeckt sein, die mit der gleichen Strömungsgeschwindigkeit und Richtung des Gasstromes G 1 bewegt werden. Der verwendete Transportmechanismus kann identisch sein mit dem der Transportbänder T 1 und T 2.In order to give the gas flow G 1 a uniform velocity profile transverse to flow directions and to avoid edge turbulence, the measuring chamber walls including the electrodes can be covered by membranes which are moved with the same flow speed and direction of the gas flow G 1 . The transport mechanism used can be identical to that of the conveyor belts T 1 and T 2 .

Claims

1. Arrangement and method for separating mixtures of chemical compounds, cells or cell organelles, characterized in that mixtures of chemical compounds, cells or cell organelles are separated without solvents as dusts via their electrostatic charge differences.

2. Arrangement and method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the separation chamber ( 1 ) is evenly flowed through by a gas stream (G 1 ) and on the inlet side (A) the addition of the substances to be separated and these substances by the Gas flow G 1 are carried to the outlet side (B) , but are subject to a deflection by an electrostatic field between the electrodes E 1 and E 2 ( FIG. 2), depending on their charge, and on the outlet side (B) they are transported away via a Conveyor belt (T 2 ) takes place and this conveyor belt (T 2 ) is gas-permeable and the separation of the separated substances from the conveyor belt (T 2 ) is carried out by individual or several devices (AB 1 ) and (AB 2 ), the position of which is via the conveyor belt T 3 are adjustable.

3. Arrangement and method according to one or more of the aforementioned Claims, characterized in that the dust or powder from solution gene are produced in which contain the substances to be separated and that these solutions through a nozzle into a room with high Vacuum escape, the solvents evaporate so quickly that the substances contained therein do not form and the substances thus dried are separated by gravity or electro deposit static fields on surfaces.

4. Arrangement and method according to one or more of the aforementioned Claims, characterized in that the arrangement and the method is operated under weightlessness.

5. Arrangement and method according to one or more of the aforementioned Claims, characterized in that the substances to be separated from the Introduction into the separation chamber can be charged electrostatically.

6. Arrangement and method according to one or more of the preceding claims, characterized in that a gas-permeable conveyor belt (T 1 ) is used on the inlet side and the application of the substances to be separated on the conveyor belt (T 1 ) by receiving container AB ( Fig. 2) is locally adjustable.

7. The arrangement and method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the drift of the substances to be separated by the electric field to one side of the separation chamber by an additional gas flow (G 2 ) from the chamber in question is partially compensated, wherein the electrode sides (E 1 ) and (E 2 ) are also made gas permeable.

8. Arrangement and method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the material is fed via a transport wire (D) , which allows the substance to adhere due to its surface structure.

9. The arrangement and method according to one or more of the preceding claims, characterized in that when used in the earth's gravitational field, the vector of the gravitational field is oriented in the direction of the gas stream (G 1 ) or exactly in the opposite direction.