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FORSCHUNGSBERICHTE
DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Herausgegeben durch das Kultusministerium
Nr.866
Prof. Dr. Fritz Micheel
Dr. Wolfgang Heinemann
Organisch-Chemisches Institut der Universität Münster i. W.
Eine neuartige Apparatur
zur Hochspannungs-Papierelektrophorese
Als Manuskript gedruckt
WESTDEUTSCHER VERLAG / KOLN UND OPLADEN
1960
ISBN 978-3-663-03507-7 ISBN 978-3-663-04696-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-04696-7
Eine neuartige Apparatur zur Hochspannungs-Papierelektrophorese
Für die Arbeiten des Instituts waren Stoffe verschiedener Art elektro
phoretisch zu trennen. Hierfür standen zunächst zur Verfügung: Eine
Mikro-U-Rohrelektrophorese-Apparatur nach H.J. ANTWEILER 1) und eine
in unserem Institut entwickelte 2) Durchflußelektrophorese-Apparatur
für kontinuierliche Trennungen in mit stabilisierenden Trägerschichten
gefüllten Küvetten.
Diese Apparaturen waren nicht geeignet für die Trennung kleinster Men
gen Substanzen, wenn diese anschließend (z.B. chemisch) charakterisiert
werden sollten, oder wenn sie kleine oder mittlere Molekulargewichte
hatten. Dafür wurde eine Apparatur zur diskontinuierlichen Hochspannungs
Papierelektrophorese entwickelt und in der Werkstatt des Instituts
gebaut.
Diese Apparatur benutzt z.T. Instrumente und apparative Einrichtungen
der i~ Forschungsbericht Nr. 265 (1956) beschriebenen Durchfluß-electro
phorese-Apparatur 2):
1. Hochspannungsquelle: Siemens und Halske Spannungskonstanthalter;
MEG ~ransformator-Gleichrichter-System, 1stufig, ca. 235 bis 1400 V.
2. Die Meßinstrumente für Stromstärke und Spannung an den Primärelek
troden; einen Temperaturschreiber mit Widerstandsthermometern (für die
Kühlflüssigkeit etc.); ferner eine Abschaltautomatik, die die Appara
turen außer Betrieb setzt, wenn das Kühlaggregat, die Kühlflüssigkeits
pumpe oder die Elektrodenspülpumpen ausfallen, oder wenn die Strom
stärke einen einstellbaren Bereich verläßt (durch einen Zweipunkt-Fall
bügelregler als Amperemeter).
3. Die Kühlvorrichtungen: BBC-Kühlaggregat, 850 W Motorleistung; Behäl
ter mit 100 I 25 Vol%igem Äthanol als Kühlflüssigkeit; Zahnradpumpe,
185 W Motorleistung.
Die Verwendung dieser Bauteile bedingte einige besondere Konstruktionen,
z.B. um mit der relativ geringen Höchstspannung möglichst hohe Feld
stärken erreichen zu können. So ergab sich folgendes Betriebssystem:
1. Kolloid-Z. 112, 130 (1949)
2. F. MICHEEL und F. ENGEL, Dissertation Münster (1954), Forschungs
berichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums von Nordrhein
Westfalen ~ (1956)
F. MICHEEL und W. HEINEMANN, Diplomarbeit Münster (1955)
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Der Elektrophoresestreifen liegt in einer Feuchtkammer auf einer Glas
platte 3) 4), unter der die Kühlflüssigkeit durchgesaugt wird 5). Die
Elektrodenkammern befinden sich unmittelbar neben den Enden des Strei
fens auf der Kühlplatte; sie enthalten Öffnungen im Boden, die von
Cellophanmembranen verschlossen sind 6) (störende Flüssigkeitsbewegun
gen durch die Membranen infolge des hydrostatischen Drucks in den Kammern
wurden nicht beobachtet); Papierlaschen ergänzen die Membranen zu sehr
kurzen Stromschlüsseln, über denen die Spannungsverluste entsprechend
gering sind. Durch Verwendung verschiedener Befestigungsrahmen können
der Abstand der Elektrodenkammern und die Feldstärken verändert werden,
um die Spannungs~uelle möglichst gut auszunutzen. In den Kammern strömt
Puffer von der Membran zur Elektrode und hält so die Elektrolyseprodukte
7).
vom Elektrophoresestreifen fern, vgl. Anoden- und Kathodenspülpuffer
8)
werden zum PH-Ausgleich vermischt
Technische Einzelheiten
Abbildung 1 zeigt ein Betriebsschema, Abbildung 2 die Apparatur mit
einem Rahmen für bis zu 155 x 570 mm große Elektrophoresestreifen (Feld
stärke darin: E 23 V/cm) , Abbildung 3 die Apparatur mit einem Rahmen
für bis zu 155 x 270 mm große Streifen (E 45 V/cm). Abbildung 4 zeigt
Schnitte durch einen Teil der Apparatur: Kühlküvette, Rahmen und Elek
trodenkammern, mit Stromschlüsseln und Elektrophoresestreifen, betriebs
fertig montiert.
a) Die Kühlküvette besteht aus zwei Teilen, die die von der Kühlflüs
sigkeit durchströmte Kühlkammer einschließen.
Das Oberteil ist eine "Duro"-Glasplatte 200 x 650 x 5 mm, die Kühlplatte,
auf die der Elektrophoresestreifen gelegt wird. Ihre Oberseite ist mit
Silikonharz (Wacker G 740) überzogen, um die Bildung einer Pufferschicht
zwischen ihr und dem Elektrophoresestreifen zu erschweren. Unter die
Unterseite ist am Rand eine Dichtung aus Silikonkautschuk vulkanisiert,
die genau in einen Nut im Unterteil der Kühlküvette paßt.
3. R. WEBER, Helv. chim. actaJ..!, 2031 (1951)
4. Th. WIELAND u. G. PFLEIDERER, Angew. Chem. il, (1955) 257
5. H. MICHL, Mh.Chem. 83, (1952) 737
6. Eine ähnliche Anordnung verwenden bei der Durchflußelektrophorese
W. GRASSMANN, K~ HANNIG und M. PLÖCKL, Hoppe-Seylers Z. physiol.Chem.
299 (1955) 258
7. R. CONSDEN, A.H. GORDON und A.J.P. MARTIN, Bioehern. J. 40, (1946) 33
8. L.E. NIELSEN und J.G. KIRKWOOD, J.Amer. ehern. Soc.~ (1946) 181
Seite 4
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(To/Isch.ma )
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A b b i 1 dun g 1
Das Unterteil besteht aus Plexiglas 200 x 650 x 20 mm. Für die Kühl
kammer sind 168 x 616 x 7 mm ausgefräst, darin sind regelmäßig ange
ordnete Zapfen ausgespart (in Abb. 4a ist neben dieser eine andere,
herstellungs- und kühltechnisch günstigere Ausführungsmöglichkeit an
gedeutet). Die Zapfen stützen die Glasplatte, so daß sie sich durch
den Unterdruck darunter nicht durchbiegt. Sie tragen ferner dazu bei,
daß die mittleren Geschwindigkeits- und Kühlwirkungsdifferenzen der
Kühlflüssigkeit innerhalb großer Bereiche hinreichend klein werden;
in kleinen Bereichen treten dagegen größere Geschwindigkeitsdifferen
zen auf, sie werden aber durch die Wärmeleitfähigkeit der Glasplatte
unschädlich gemacht.
Seite 5
A b b i 1 dun g 2
A b b i 1 dun g 3
Seite 6
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A b b i 1 dun g 4
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Zu- und Abfluß
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A b b i 1 dun g 4a
Die Kühlflüssigkeit strömt in die Kühlkarnmer durch zwei Reihen Kanäle
(3 mrn ~) und verläßt sie durch eine Reihe Kanäle (4 bis 5 mm ~). Unter
die Kanalreihen sind Flüssigkeitsleitstücke geklebt, die so geformt
sind9), daß alle Kanäle mit etwa der gleichen Geschwindigkeit durch
strömt werden.
Unter den Boden der Küvette sind ferner zwei Versteifungsstege und
zehn Halter für den Rahmen geklebt.
9. K. KRÖLL, Chemie-Ing.-Techn. 26 (1954) 132
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b) den Boden der 4 mm hohen Feuchtkammer bilden die Kühlplatte, ihre
Wände Kautschukstreifen an den Elektrodenkammern und an dem auf die
Kühlküvette gesetzten Rahmen, ihren Decken ein Satz verschieden breiter,
durch Cellophanklebstreifen "dampfdicht" miteinander verbundener Glas
platten.
Der Rahmen preßt die beiden Teile der Kühlküvette luftdicht aufeinander
und versteift sie. Außerdem dient er zur Befestigung der Elektroden
kammern und bestimmt deren Abstand.
c) Die Elektrodenspülung erfolgt auf dem in Abbildung 1 angegebenen Weg.
Verwendet werden zwei Puffer-Vorratsgefäße (A,AI), zwei Elektrodenkam
mern (B,BI) und ein Aggregat mit vier Schlauchpumpen (C). Der Puffer
fließt aus A durch Bund C nach AI; vor AI liegt zur elektrischen Iso
lation eine Tropfstrecke. Aus AI gelangt der Puffer unter PR-Ausgleich
auf einem entsprechenden Weg nach A zurück. Um das Flüssigkeitsniveau
in A und AI gleich zu halten, sind darin Absaugrohre angebracht; ihre
Wirkhöhe kann verstellt werden. Von ihnen führt je eine Rohrleitung
direkt nach C und wird dahinter mit der Leitung A - B - C - AI oder
AI - B - C - A vereinigt. Diese Absaugleitungen führen meist Luft, des
halb folgen in den Rohrleitungen C - A und C - AI Luftblasen und Flüs
sigkeit aufeinander. Die Rohrleitungen bestehen aus Polyäthylen, und
so wirken die Blasenfolgen als zusätzliche (Sicherheits-) elektrische
Isolation; ähnlich wirken auch die unten beschriebenen Schlauchpumpen.
Jedes Vorratsgefäß aus PVC faßt ca. 300 cm3 Puffer. Es hat einen dop
pelten Boden, der als T-Stiick für die zu- oder abströmende Kühlflüssig
keit dient; hierdurch wird der Puffer gekühlt. In den Plexiglasdeckel
ist das Absaugrohr für die Niveauhaltung geschraubt. Daneben befindet
sich die elektrisch isolierende Tropfstrecke.
Die Elektrodenkammern enthalten je eine Pt - Draht-Elektrode (0,6 mm ~)
und parallel dazu im Boden eine 156 x 4 mm weite Öffnung. Sie ist von
einer Kautschuk- oder Silikonkautschukdichtung umgeben und wird beim
Betrieb von der Cellophanmembran des Stromschlüssels verschlossen.
Zwischen Membran und Elektrode befindet sich eine Flüssigkeitsführung,
die die Strömungsrichtung des Spülpuffers zur Elektrode hin ablenkt,
gegen die Richtung, in der die Elektrolyseprodukte sonst 10) elektro
phoretisch wandern und evtl. strömen würden. Diese Führung ist bei den
jetzt verwendeten Elektrodenkammern (Abb. 4 und 5) die schräge Verengung
(K in Abb. 4) im Elektrodenkanal; ihre Wirkung kann durch ein hier auf-
10. H. SVENSSON, Acta Chem. Scand.~ (1955) 1689
Sei te 8
A b b i 1 dun g 5
A b b i 1 dun g 6
geklebtes Nylongewebe oder dergl. verstärkt werden. Eine besonders wirk
same, aber schwieriger herzustellende Anordnung zeigt Abbildung 6 (Elek
trodenkammer geöffnet): Die abgebildete Kanalreihe wird überall fast
gleich schnell vom Puffer durchströmt.
Abbildung 7 zeigt das Schlauchpumpenaggregat. Bei ihm bewirkt die Rota
tion der Nockenwelle (1,2) über die Stössel (3) die wellenförmige Bewe
gung einer 3-4 mm starken Weich-PVC-Platte (4). Die Pumpschläuche (5)
liegen zwischen ihr und der einstellbar durch Gummiringe (7) gefederten
Plexiglasplatte (6). Die Messingplatten (8,9) führen die Stössel.Anzahl
und Durchmesser der Schläuche können im Rahmen der Pumpenbreite durch
Auswechseln der Schlauchführungen (10) geändert werden. Die Pumpleistung
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beträgt z.B. pro Schlauch (4 mm Innen ~) bei 0,5 U/min der Nockenwelle
3
12 cm /min.
11 ) 2 )
Bei den Durchflußelektrophorese-Apparaturen und werden Schlauch-
pumpen für die Abdosierung verwendet. Die dort gewählte Antriebsform,
durch rotierende Walzen (Schlauchumlaufpumpe), und eine andere, durch
wellenförmige Bewegung einer auf einer gemeinsame Achse gelagerten Stahl
fingerreihe ("Sigmamotor"-Pumpe), ist aber für den vorgesehenen Zweck
weniger geeignet.
Das hier beschriebene Elektrodenspülsystem kann mit dem gleichen Schlauch
pumpenaggregat (als "Baukastenteil") auch für Durchflußelektrophorese
Apparaturen verwendet werden.
d) Neben den oben (unter 1. - 3.) beschriebenen sind folgende Hilfsge-
räte zu erwähnen:
Zur Bestimmung der Feldstärke im Elektrophoresestreifen dient ein Sie
mens und Halske-Voltmeter mit einem Innenwiderstand von 1 Mn/V.
~------80------~
Ohn,. dJ. IO'g,-ndfJn Antrifl'bs
f'/,.m,,,,,. gClzPlch"fJl
A b b i 1 dun g 7
Zum strichförmigen Auftrag der Substanzlösung benutzen wir das LKB-Pro
benauftragegerät oder Pipetten mit Spitzen aus Ventilschlauch und
Watte nach Abbildung 8. Durch diese wird das Aufreißen des Papiers ver
mieden; vorteilhaft gegenüber den zum gleichen Zweck empfohlenen Pinseln
ist die sauberere Arbeitsweise und die Bestimmbarkeit des aufgetragenen
Volumens.
11. I. BRA'l'TSTEN, Ark.Kemi.A..z. (1952) 503
12. A.M. CRESTFIELD u. F.W. ALLEN, Analytic. Chem. 27 (1955) 422
Seite 10
