DE69232592T2

DE69232592T2 - Automatisches kapillarelektroforesegerät

Info

Publication number: DE69232592T2
Application number: DE69232592T
Authority: DE
Inventors: Norberto A. Guzman
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-08-28
Filing date: 1992-08-27
Publication date: 2002-11-21
Anticipated expiration: 2012-08-28
Also published as: EP0666980A1; AU661241B2; AU2640192A; TW231314B; US5202010A; EP0666980A4; WO1993005390A1; EP0666980B1; MX9204974A; CA2120251A1; DE69232592D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Kapillarelektrophoresegerät, das aufweist ein Kapillarrohr des Typs, der elektrisch geladen werden kann, wobei das Kapillarrohr ein erstes und ein zweites Ende hat, eine erste Einrichtung an dem ersten Ende des Kapillarrohrs, die eine Quelle einer durch das Kapillarrohr zu übertragenden Substanz bildet, eine zweite Einrichtung, die mit dem Gerät verbunden ist, um ein elektrisches Potential über das Kapillarrohr anzulegen, wodurch eine Probe durch das Kapillarrohr und an einem Detektor vorbei fließt, und die erste Einrichtung einen drehbaren Tisch aufweist, der eine Vielzahl von Probenbechern und einen Halter zum Halten eines Endes des Kapillarrohrs in betriebsmäßiger Beziehung mit einem der Becher, aufweist. Die Erfindung betrifft ferner einen Analytenkonzentrator zum Gebrauch mit einem Kapillarelektrophoresegerät und ein Kapillarelektrophoresegerät, das eine Kapillarrohreinrichtung des Typs aufweist, der elektrisch geladen werden kann.
Ein Kapillarelektrophoresegerät dieser Art ist bekannt aus WO 89/04 966 A1.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Elektrophorese ist eine Erscheinung, in der geladene Partikel sich in einem leitfähigen Puffermedium aus Fluid bewegen, über das eine Potentialdifferenz angelegt ist. Die Wanderung ist in Richtung auf eine Elektrode, die eine Ladung trägt entgegengesetzt zu der der Partikel.
Elektrophorese ist eines der wichtigsten Verfahren, die für die Erforschung von biologischen Materialien verfügbar sind, und wahrscheinlich die effektivste Prozedur für die Trennung und Erfassung von Proteinen und dergleichen.
Elektrophorese-Trennung beruht auf den differentiellen Geschwindigkeiten der Wanderung von unterschiedlich geladenen Partikeln in einem elektrischen Feld. Die Wanderungsgeschwindigkeit ist primär eine Funktion der Ladung auf dem Partikel und der angelegten Feldstärke und die Ladung auf einem Partikel ist bestimmt durch den pH des Puffermediums. Die wichtigste Anwendung dieser Technik in biomedizinischer Forschung und klinischen Chemielaboratorien ist die elektrophoretische Trennung sowohl von Proteinen, Nukleinsäuren, ihren Komponenten Peptiden und Oligonukleotiden als auch von komplexen Makromolekülen, z. B. Lipoproteinen.
Es sind verschiedene unterschiedliche Systeme zum Ausführen einer elektrophoretischen Trennung bekannt. Beispielsweise hat ein System, das als zonale Prozedur bekannt ist, Vorteile, aber es hat auch gewisse Begrenzungen. Einige der allgemeinsten Begrenzungen sind: Die Probenmenge, die erforderlich ist, um die Komponenten durch herkömmliche Färbeprozesse zu zeigen, ist gewöhnlicherweise groß, die Vorbereitung der Vorrichtung und des vollständigen Systems, das in der elektrophoretischen Trennung einbezogen ist, ist im allgemeinen ermüdend und zeitaufwendig, die Zeit, die erforderlich ist, um eine vollständige Trennung der Komponenten zu erhalten, beträgt oft Stunden, die Zeit, die erforderlich ist, um die Komponenten zu zeigen und eine gewisse Quantifizierung der getrennten Substanzen zu erhalten, beträgt im allgemeinen Stunden, das Ergebnis der Wiedergewinnung der Komponenten als biologische Aktivitäten ist in den meisten Fällen sehr gering, die Reproduzierbarkeit der elektrophoretischen Trennung ist nicht 100 Prozent genau, und die Automation, um den gesamten Systembetrieb durchzuführen, fehlt nahezu.
Es ist gezeigt worden, daß Kapillarelektrophorese eine Technik ist, um eine hohe Trennungswirksamkeit zu erhalten. Für einige Proteine und kleine Peptide ist eine Trennungswirksamkeit von ungefähr 1 Million bis ungefähr einigen Millionen gezeigt worden. Im allgemeinen verwendet diese Technik Quarzglas-Kapillare (Quarz) mit einem inneren Durchmesser, der im Bereich von ungefähr 25 Mikron bis ungefähr 200 Mikron liegt, und eine Länge, die im Bereich von ungefähr 10 cm bis ungefähr 100 cm liegt. Da das gesamte Volumen der Säule ungefähr 0,5 bis ungefähr 30 Mikroliter ist (was wahrscheinlich zu dem kleinsten Gesamtoberflächenbereich einer Säulenchromatographie führt) ist das Einspritzvolumen gewöhnlicherweise in dem niedrigen Nanoliter-Bereich. Als eine Konsequenz ist die Empfindlichkeit dieser Technik ziemlich hoch, und es ist möglich, eine Quantifizierung in der Größenordnung von Pikomolen (und wahrscheinlich Femtomolen oder Attomolen) zu erhalten unter Verwendung von Fluoreszens, elektrochemischer, laserinduzierte Fluoreszenz und massenspektrometrischen Detektoren, und um eine Quantifizierung in der Größenordnung von Nanomolen zu erhalten unter Verwendung von Ultraviolett- Detektoren.
In Kapillarelektrophorese erlaubt der wirksame Wärmeübergang von Kapillaren mit kleinem Durchmesser die Anwendung von außergewöhnlich hohen Spannungen, die im Bereich von ungefähr 5000 Volt bis ungefähr 30000 Volt liegen, während man einen niedrigen Strom im Bereich von ungefähr 10 Mikroampere bis ungefähr 90 Mikroampere aufrecht erhält. Die Anwendung von hohen Spannungen fördert effektivere Trennungen und vergrößert die Analysegeschwindigkeit auf Rekordzeiten von ungefähr 5 bis 40 Minuten.
Zusätzlich zu der hohen Trennungswirksamkeit (theoretische Platten), relativ hoher Auflösung, Quantifizierung mit hoher Empfindlichkeit und kleinen Wanderungs- (Rückhalte-)zeiten zeigt Kapillarelektrophorese ein paar mehr Vorteile über herkömmliche Elektrophorese und im allgemeinen andere chromatographische Prozeduren. Einige dieser Vorteile sind: a) Anwendung auf eine breite Bandbreite von Proben, die von kleinen Ionen zu Proteinen oder anderen Makromolekülen mit Molekurlargewichten von ungefähr 290000 Dalton oder höher (z. B. DNA-Fragmente, Viren und subzellulare Partikel) reicht durch Verwendung im wesentlichen derselben Säule und wahrscheinlich derselben Bedingungen der elektrophoretischen Trennung; b) Kapillare sollten ein ideales System darstellen, um nichtwässrige Medien zu untersuchen, insbesondere mit Substanzen, die stark hydrophob sind; c) Kapillare sind viele Male wiederverwendbar, was das elektrophoretische Trennungssystem sehr praktisch und wirtschaftlich macht, d) elektronische Online-Erfassung erlaubt gute Quantifizierung und erweitert weiterhin die Möglichkeiten für einen vollautomatischen Betrieb, was das Kapillarelektrophoresesystem mit höherer Auflösung, größerer Geschwindigkeit und besserer Genauigkeit als herkömmliche Methoden versieht.
Im Stand der Technik ist es im allgemeinen bekannt, das ein Material, das eine Mischung von analysierenden Substanzen enthält, entlang eines Kapillarrohres und durch einen Detektor unter dem Einfluß einer angelegten Spannung geleitet werden kann. Die angelegte Spannung versieht die Substanzen mit Ladungen, und die Ladungen auf den Substanzen bestimmen ihren Abstand und ihre Durchflußgeschwindigkeit entlang des Kapillarrohres.
Der Stand der Technik, US-Patente 3 620 958, 3 948 753 und 4 459 198, zeigen Elektrophoresegeräte, die ein Kapillarrohr aufweisen, das zwischen zwei Behältern verbunden ist zum Enthalten der zu analysierenden Substanz, und die ein elektrisches Potential haben, das zwischen den beiden Behältern und über das Kapillarrohr angelegt ist. Während die unterschiedlichen Formen der Geräte, die in diesen Patenten gezeigt sind, offensichtlich nützlich sind, erfordern sie große Konzentrationen der zu analysierenden Proben, und keine ist in der Lage, automatisiert zu werden oder eine Lehre zu liefern, die sich auf Automation bezieht.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Hochspannungs- Kapillarelektrophoresegerät zur Verfügung, das neben anderen Dingen Einrichtungen aufweist zum Zuführen von kleinen Konzentrationen eines Probenmaterials in ein Kapillarrohr, automatischen Anlegen der geeigneten Spannung, um die Komponenten der Probe zu veranlassen, geladen zu werden und entlang des Kapillarrohres durch einen Detektor zu fließen, worin die Komponenten erfaßt werden und eine gedruckte Aufzeichnung gemacht wird. Das Gerät kann dann automatisch den Prozeß für die Analyse von vielen Proben wiederholen.
Das Grundgerät der Erfindung ist geeignet für viele Veränderungen in seinen unterschiedlichen Teilen einschließlich dem Teil des Kapillarrohres. Zusätzlich kann die Methode der Erfassung von Proben variiert werden, und die Sammlung der Proben kann modifiziert werden. Die Erfindung kann auch angepaßt werden, um elektroosmotischen Fluß in einer Kapillare zu messen.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht der Rückseite eines Gerätes, das die vorliegende Erfindung verwirklicht;
Fig. 2 ist eine Schnittansicht entlang der Linien 2-2 in Fig. 1;
Fig. 3 ist eine seitliche Schnittansicht einer Modifikation eines Teils der Erfindung;
Fig. 4 ist eine Seitenschnittansicht der Modifikation des Geräts von Fig. 3;
Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht einer anderen Modifikation der Erfindung; und
Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht einer Modifikation einer Kapillarrohrzusammenstellung, die in dem Gerät der Erfindung verwendet wird.
Fig. 7 ist eine Seitenansicht einer weiteren Modifikation der Erfindung.
Fig. 8 ist eine Seitenansicht einer modifizierten Kapillare einschließlich einer Einrichtung zum Säubern der Kapillare.
Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht einer modifizierten Kapillarkassette, die mit dem Gerät der Erfindung verwendbar ist;
Fig. 10 ist eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung, die Modifikationen der Erfindung verwendet.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Das automatisierte Elektrophoresegerät der Erfindung 10, das in Fig. 1 von hinten gezeigt ist, weist einen Basisträgerteil auf, an dem verschiedene Teile der Betriebsausrüstung befestigt sind. Der Trägerteil 20 ist kastenartig und weist eine obere Wand 30, eine vordere Wand 40, eine hintere Wand 50 und Endwände 60 und 70 auf, die sich alle von der oberen Wand nach unten erstrecken. Eine Bodendeckplatte 80 (Fig. 1 und 2) ist an dem Trägerteil 20 befestigt und stellt eine flache Trägerfläche für das Gerät 10 zur Verfügung.
Der Trägerteil 20 ist aus Metall oder einem Kunststoff und trägt auf der oberen Wand 30 einen linken Kasten 90 und einen rechten Kasten 100, wie in Fig. 1 zu sehen ist. Der linke Kasten 90 weist eine isolierende Basisplatte 110 aus einem Metall oder Kunststoff auf, die an der oberen Wand 30 befestigt ist, und eine transparente Hülle aus Plexiglas oder dergleichen, die (Fig. 1 und 2) linke und rechte Seitenwände 120 und 130, vordere und hintere Wände 140 und 150 und eine obere Wand 160 aufweist. Die obere Wand 160 ist ein Deckel für den Kasten 90 und ist geeignet, von dem Kasten abgehoben zu werden mit Hilfe eines Knopfes 162, um Zugang zu dem Inneren davon zu ermöglichen. Die Hülle für den Kasten 90 ist in geeigneter Weise an der Basis 110 befestigt.
Der Kasten 90 ist versehen mit einem drehbaren horizontalen Tisch 170, der eine kreisförmige Anordnung von Löchern oder Öffnungen 180 aufweist, in die Fluidproben-Becher 190 eingesetzt sind. Der Tisch ist lösbar an dem oberen Ende einer vertikalen Säule 200 befestigt, so daß Tische mit unterschiedlichen Zahlen von Löchern oder unterschiedlichen Größen von Löchern oder mit anderen Merkmalen an der Säule befestigt werden können. Die Säule 200 erstreckt sich durch und unterhalb der oberen Wand 30 des Trägerteils 20 (Fig. 2), wo sie in geeigneter Weise mit einem kleinen Motor 210 verbunden ist, der verwendet wird, um die Säule 200 und Tisch 170 zu drehen. Der Motor 210 ist an der unteren Oberfläche 32 der oberen Wand 30 befestigt und ist von einem Typ, der es der Säule 200 oder eine Erstreckung davon erlaubt, sich hindurch zu erstrecken, um dadurch angetrieben zu werden.
Benachbart zu dem drehbaren Tisch 170, unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2, ist eine hohle, rohrförmige vertikale Säule 220, die eine Öffnung oder einen Schlitz 230 in ihrer Seitenwand hat. Ein horizontaler Arm 240 hat ein Ende innerhalb der Säule 220 und befestigt an einer vertikalen Stange 250, die in geeigneter Weise montiert ist, so daß sie vertikal nach oben und nach unten angetrieben werden kann. Das untere Ende der vertikalen Stange 250 oder eine Erstreckung davon läuft durch einen kleinen Motor 260, der an der unteren Oberfläche 32 der oberen Wand 30 befestigt ist. Das untere Ende der Stange 250 trägt einen seitlich vorstehenden Arm 263, der so angeordnet ist, daß er mit einem optischen Sensor 280 arbeitet, der benachbart dazu positioniert ist.
Wieder bezugnehmend auf den horizontalen Arm 240 (Fig. 1 und 2) endet das äußere Ende davon in einem kleinen festen Zylinder 243, der vertikal orientiert ist und versehen ist mit zwei Durchgangslöchern 247 und 249, die in Verbindung stehen mit einem hohlen Rohr 248, das sich von dem festen Zylinder nach unten erstreckt in Ausrichtung mit den Löchern 180 in dem Tisch 170 und den Probenbechern darin. Das hohle Rohr 248 ist von einem kleinen Durchmesser und ist so dimensioniert, daß es in einen Probenbecher 190 eintreten kann und sich bis oberhalb des Bodens davon erstrecken kann, um Fluid darin einzugeben.
Der Kasten 100 enthält dieselben Vorrichtung wie Kasten 90, wie oben beschrieben. Die entsprechenden Teile in Kasten 100 tragen dieselben Bezugsnummern wie die Teile im Kasten 90, aber gestrichen.
Die Kästen 90 und 100 weisen Mittel auf zum Anlegen eines elektrischen Potentials über das Gerät 10. Diese Einrichtungen weisen eine erste Leitungselektrode 360 auf, die ein Ende befestigt hat an einem Leistungseingang 363 (Fig. 1 und 2) in dem rückwärtigen Teil nach oben in dem hohlen Rohr 220 benachbart zu der vertikalen Stange 250 und aus der Öffnung 230 in der Seitenwand heraus und durch das Loch 249 im Zylinder 243 nach unten durch das Rohr 248 zu dem Ende davon, so daß es in einem Fluid in einem Probenbecher bleiben kann, wenn das Gerät 10 in Betrieb ist.
Die elektrische Einrichtung weist auch eine ähnliche Leitungselektrode 360' auf, die an einem Leistungseingangsanschluß 365 in der Rückwand 50 des Geräts 10 befestigt ist. Diese Elektrode folgt einem ähnlichen Pfad durch das Rohr 250' und Zylinder 243' in das Rohr 248', das damit zugeordnet ist für die letztendliche Einführung in einen Probenbecher. Die Elektroden 360 und 360' sind vorzugsweise aus Platin oder dergleichen und sind geeignet, die Spannungen zu tragen, die im Betrieb der Erfindung verwendet werden. Eine Leistungsversorgung 367 ist vorgesehen zur Verbindung mit Anschlüssen 363 und 365 zu Elektroden 360 und 360' zum Liefern der benötigten Spannungen. Leistungsversorgung 367 kann auch die Leistung liefern, die sonst noch benötigt wird durch das Gerät 10, sowie für die Motoren 210, 210' und 260, 260'. Andere Hilfsleistungsversorgungen können, wenn gewünscht, vorgesehen werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 2 dargestellt ist, kann die Leistungsversorgung 367 von solch einer kleinen Größe sein, daß sie innerhalb des Trägerteils 20 an jeder geeigneten Stelle montiert werden kann, so daß das Gerät 10 seine eigene unabhängige Leistungsversorgung hat, die manuell oder computergesteuert sein kann.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 ist ein optischer Detektor 290 zur Verwendung beim Erfassen von Material, das durch ein Kapillarrohr läuft, das sich durch den Detektor erstreckt, angeordnet auf einem Trägerrahmen 300, der an der oberen Wand 30 des Trägerteils 20 benachbart zu dem Kasten 100 befestigt ist. Das Gerät 10 ist dazu entworfen, einen Detektor zu verwenden, der als ein Auf-Säulen-Detektor des Typs bekannt ist, der ultraviolettes oder fluoreszierendes Licht beim Erfassungsverfahren verwendet. Solche Detektoren werden hergestellt von ISCO aus Lincoln, Nebraska und EM SCIENCE- HITACHI aus Cherry Hill, New Jersey.
Zur Verwendung mit dem Gerät der Erfindung 10 wurden Modifikationen der kommerziellen Detektoren in ihrer Küvette vorgenommen. Andere Modifikationen können ebenfalls vorgenommen werden.
Der Detektor 290 ist verbunden mit einer anderen Vorrichtung 294 zum Liefern einer Aufzeichnung eines Erfassungsbetriebs und eine solche Vorrichtung ist der ISCO-UA-5/V4 Absorbanz/Fluoreszenz variable Wellenlängen-Detektor oder der EM SCIENCE-HITACHI L-4200/L-4000 UV/sichtbar variable Wellenlängen-Detektor, die einen Streifkurvenaufzeichner und/oder einen Integrator aufweisen.
Ein starrer Halter 308 ist zum Unterstützen eines Kapillarrohrs für das Gerät 10 zwischen dem Kasten 90 und dem Kasten 100 vorgesehen(Fig. 1 und 2). Dieser Halter weist ein erstes steifes Rohr 310 auf, das an einem Ende der Küvette der optischen Einheit des Detektors 290 geschraubt befestigt ist und entlang seiner Länge in einem Loch 320 in der Seitenwand 130 des Kastens 90 abgestützt ist und sich in den Kasten 90 erstreckt. Ein zweites hohles steifes Rohr 330 ist an dem anderen Ende der Küvette des Detektors 290 geschraubt befestigt und ist entlang seiner Länge in einem Loch 320 in der Seitenwand 130 des Kastens 100 abgestützt und erstreckt sich in den Kasten 100. Die Rohre 310 und 330 sind zueinander und mit dem optischen Erfassungselement, das innerhalb des Detektors 290 angeordnet ist, ausgerichtet.
Das Gerät 10 verwendet ein flexibles Quarzrohr 310 mit kleinem Durchmessern aus geschmolzenem Quarzglas, durch das ultraviolettes Licht oder fluoreszierendes Licht, das im Detektor 290 verwendet wird, hindurchtreten kann. Das Kapillarrohr, wie oben erwähnt, kann einen Innendurchmesser im Bereich von ungefähr 25 Mikron bis ungefähr 200 Mikron und eine Länge um Bereich von ungefähr 10 cm bis ungefähr 100 cm haben. Die Kapillare 350 ist in dem hohlen steifen Halter 308 unterstützt und erstreckt sich durch den Auf-Säulen-Detektor 290 und durch das optische Erfassungselement oder Küvette darin. Zumindest der Teil der Kapillare, der durch die Küvette verläuft, ist transparent für den Typ des Lichts, der in dem Detektor verwendet wird.
Da hohe Spannungen im Betrieb des Geräts der Erfindung verwendet werden, ist es klar, daß das Kapillarrohr und die Elektroden 360 und 360' entfernt voneinander angeordnet und isoliert voneinander sein sollten.
In offener röhrenförmiger Kapillarelektrophorese, die Potentialdifferenzen von ungefähr 5 bis ungefähr 30 kV verwendet, wird ein elektroosmotischer Fluß eines Puffers erzeugt in Kapillaren mit kleinen Öffnungen, die gelöste Moleküle (Analyten) in Richtung auf ein Erfassungssystem transportieren. Geladene Analyte wandern auch mit oder gegen diesen Fluß in Abhängigkeit von ihrer Mobilität und der Intensität des elektroosmotischen Flusses. In manchen Fällen ist es wünschenswert, den elektroosmotischen Flußeffekt zu eliminieren, und dies kann durch Vorsehen gewisser Substanzen im Trägermedium in der Kapillare, wie Methylzellulose oder gewissen Eletrolyten oder Polyacrylamidgelen, erreicht werden. Die Eliminierung des elektroosmotischen Flusses erlaubt eine Wanderung von geladenen Partikeln wegen des Effekts der angelegten Spannungen.
In der folgenden Beschreibung der Erfindung wird angenommen, daß Vorkehrungen getroffen worden sind, um elektrosmotischen Fluß zu verringern, um kontrollierbare Trennungen zu erhalten.
Im allgemeinen ist in dem Elektrophoreseverfahren, das mit dem Gerät 10 durchgeführt wird, das Kapillarrohr 310 mit einer Pufferlösung geführt, die ein pH hat, der größer ist als der höchste pK des Proteins oder anderer Konstituenten in der zu analysierenden Probe. Dies stellt die gewünschte negative Beladung der Kapillare und der zu analysierenden Probe sicher und der gewünschte resultierende Fluß von negativ geladenen Probenpartikeln in Richtung auf das Ende der Kapillare, an der positives elektrisches Potential angelegt ist. Im Betrieb des Gerätes 10 wird Massepotential an die Elektrode 360' angelegt und positives Potential wird an die Elektrode 360 angelegt. Das Kapillarrohr wird mit der gewünschten Pufferlösung gefüllt, und dann wird eine Menge einer Probe in das Ende des Kapillarrohres 350 mit positiver Hochspannung (wenn eine positive Leistungshochspannung verwendet wird) eingespritzt. Die Komponenten der Probe werden elektrisch negativ geladen, und jede Komponente nimmt eine unterschiedliche Ladungsgröße an, wie durch den pH der Pufferlösung bestimmt, und die Wanderung findet in der Richtung des elektroosmotischen Flusses statt. Die geladenen Komponenten der Probe werden in dem Kapillarrohr voneinander beabstandet und, wenn das geeignete Potential angelegt ist, laufen die höher negativ geladenen Komponenten schneller entlang der Kapillare durch den Auf-Säulen- Detektor 290. Der Detektor erfaßt den Durchlauf der geladenen Partikel und der Rekorder 248 druckt einen Impuls für jeden Typ von geladenem Partikel, wobei der Impuls die Position des Partikels in dem fließenden Strom und die Quantität der Partikel darin darstellt.
Im Hinblick auf die Einspritzung einer Probe in eine Kapillare, wenn gewünscht, kann die Probe manuell oder in anderer geeigneter Weise eingespritzt werden. In einer Anordnung können die Becher 190 und 190' in unterschiedlichen Höhen positioniert werden, wobei der Becher 190' niedriger ist, um einer Quantität der Probe oder anderen Fluids zu erlauben, in das Probenende der Kapillare hineinzufließen.
Als eine Modifikation der Erfindung kann das Gerät 10 geeignet sein, Mittel aufzuweisen, durch die anstelle des Anhebens und Absenkens der Säulen 250 und 250' in ihren zugeordneten Vorrichtungen sie entweder nur spezifische Probenbecher oder die gesamten Tische 170 und 170' anhebt und absenkt. In dieser Ausführungsform der Erfindung würden die Motoren 210 und 210' so konstruiert sein, daß sie sowohl die Säulen 200 und 200' drehen als auch sie vertikal anheben und absenken, wenn es erforderlich ist, die Tische 170 und 170' anzuheben und abzusenken.
Das Kapillarrohr, das bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ein Kapillarrohr 645 weist mehrere Teile oder Segmente einer Kapillare auf, von denen jedes eine unterschiedliche innere Beschichtung haben kann. Die unterschiedlichen Beschichtungen sind ausgewählt, um eine Makromolekül-Adsorption an den Kapillarwänden zu verhindern und zum Trennen der Komponenten einer Probe, wodurch eine effektivere Probenanalyse erreicht werden kann. Silan-Derivate sind eine Art von geeigneten Beschichtungsmaterialien. Die in dieser Modifikation der Erfindung verwendeten Beschichtungsmaterialien können direkt auf die innere Wand der Kapillare beschichtet sein, oder sie können in Massenform vorgesehen sein. In Massenform würden Massen der Chemikalie in die Kapillare durch sie selbst eingeführt werden oder beschichtet auf einen isolierenden Trägerkörper von bestimmten Arten, so wie Kugeln oder dergleichen.
Die benachbarten Enden der Rohrteile können Ende an Ende stumpf zusammengefügt und miteinander durch Muffen verbunden sein, die durch einen geeigneten Klebstoff, z. B. Expoxy, an den äußeren Wänden der kapillaren Teile befestigt sind.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 3 gezeigt, und diese Ausführungsform ist besonders nützlich für die Analyse von biologischen Fluiden und somit zum Erfassen von Substanzen in biologischen Fluiden, wie Serum, Urin, cerebospinales Fluid, Speichelflüssigkeit, Tränen etc. Die Ausführungsform, die nun bekannt gemacht wird, ist im Detail beschrieben einschließlich der Chemie, die erforderlich ist zum Binden von bestimmten Verbindungen mit der Kapillarwand in einem Papier mit dem Titel "THE USE OF A CONCENTRATION STEP TO COLLECT URINARY COMPONENTS SEPARATED BY CAPILLARY ELECTROPHORESIS AND FURTHER CHARACTERIZATION OF COLLECTED ANALYTES BY MASS SPECTROMETRY", veröffentlicht in dem Journal of Liquid Chromotography (Band 14, Nummer 5, Seiten 997 bis 1015, 1991). Dieses Papier ist hier durch Bezugnahme aufgenommen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 ist ein Einsatz 760, bekannt als ein Analytenkonzentrator, in einem Kapillarrohr 770 vorgesehen, das anstelle eines Kapillarrohrs 310 von Fig. 1 und 2 verwendet wird. Der Einsatz 760 weist poröse Endplatten (oder Fritten) 762 auf, die es erlauben, daß ein Fluid hindurchfließt. Die Endplatten sind aus winzigen Glasperlen gebildet. Der Einsatz 760 ist ein Rohr, das Glasperlen 764 enthält, bekannt als Glasperlen mit kontrollierten Poren, die mit einer gewünschten chemischen Substanz beschichtet sind, die die gewünschte Reaktion mit einer Probe liefert, die durch den Analytenkonzentrator hindurchläuft. Die Glasperlen mit kontrollierten Poren sind herkömmlicherweise im Bereich von 200 bis 400 Maschen in Größe (3000 Å).
Wie erwähnt, sind Glasperlen 764 mit einem Antikörper 766 (oder Antigen) beschichtet, der mit hoher Affinität ein spezifisches Antigen 768 (oder Antikörper), das in einer Probe vorhanden ist, anzieht und hält, das eine oder mehrere Substanzen enthält, die durch die Kapillare laufen. Nachfolgende Analyse liefert dem Forscher Informationen über das angezogenen Antigen. Als ein Beispiel sind Glasperlen mit Protein A von Staphylococcus aureus beschichtet worden, das eine Affinität für Immunoglobuline hat.
Eine weitere Modifikation des vorangehenden Aspekts der Erfindung, die poröse Glasperlen verwendet, benutzt einen Analytenkonzentrator 772, der eine einheitliche Struktur ist, die poröse Glasendplatten oder Fritten nicht erfordert. Diese Struktur, die in Fig. 4 gezeigt ist, weist eine ringförmige Wand oder Muffe 774 auf mit einem Durchmesser, der es erlaubt, die Struktur zu verbinden oder zwischen zwei Teilen eines Kapillarrohres 770 einzusetzen. Verbunden mit der inneren Wand der Muffe 774 ist ein verzweigter Körper 776, der aus einer Vielzahl von Körpern, Perlen, Plättchen und dergleichen besteht, die aus porösem Glasmaterial (oder polymerem Material, das eine geeignete Chemie in seiner Oberfläche hat) hergestellt sind, und diese sind miteinander mit Hilfe von Glaslitzen 778 verbunden, die auch die Körper 780 mit der inneren Wand der Muffe 774 verbinden. Die Körper 780 können für den gewünschten Zweck, mit einem Antikörper beschichtet zu werden, von jeder Form und Größe sein.
Es wird bemerkt, daß das Binden einer Substanz an die Oberfläche oder Wand oder Perlen oder jede andere Struktur innerhalb eines Teils der Architektur des Analytenkonzentrators für andere Chemikalien als Antikörper erzielt werden kann. Diese Substanzen können eine hochaffine Interaktion haben (z. B. Enzymsubstrat, Lectin-Carbohydrat, Drogenrezeptor, Ionen-Chelatbildner, usw.) oder eine starke Abstoßung aufeinander ausüben (gleiche Oberflächenladung usw.).
Fig. 5 zeigt eine Modifikation der Erfindung, worin ein Freiform-Netzwerk aus Glas- oder Kunststoff-Filamenten 782 miteinander verbunden sind und diese einheitliche Struktur, die so gebildet ist, kann mit Antikörpern (oder anderer chemischer Substanz) beschichtet sein und in ein Kapillarrohr 784 eingefügt sein.
In einer weiteren Modifikation von diesem Aspekt der Erfindung, die in Fig. 6 gezeigt ist, ist das Äquivalent einer großen Anzahl von Kugeln in einem Kapillarrohr durch einen Einsatz 786 in einem Kapillarrohr 770 erzielt. Der Einsatz ist im wesentlichen ein Glas- oder Kunststoffrohr, das eine Vielzahl von Stangendurchgängen mit kleinem Durchmesser oder Durchgangslöchern 788 aufweist, die sich durch den Körper erstrecken und mit einer chemischen Substanz beschichtet sind, wie oben beschrieben. Diese Form der Erfindung erfordert nicht poröse Endplatten oder Fritten, um die Körper innerhalb des Kapillarrohres zu halten.
In dieser Form der Erfindung, unter Bezugnahme auf Fig. 6, hat ein System, das eine Vielzahl von Kapillarrohren 788 verwendet, die Auslaßenden der Kapillaren mit einem einzelnen Kapillarrohr 783 mit Hilfe einer geeigneten Muffe 785 verbunden. Diese Modifikation der Erfindung erlaubt einer größeren Menge von Probe, durch einen Detektor geführt zu werden.
Fig. 7 zeigt eine Modifikation eines Analysenkonzentrators, der ein Netz 801 aus einer chemischen Substanz oder einem Polymer, z. B. Acrylamid oder Agarose oder dergleichen, als die Matrix für den Antikörper oder das Antigen verwendet.
Im Betrieb der Erfindungen, bei denen Strukturen mit einem Antikörper beschichtet sind, wird, nachdem eine Probe durch die Struktur gelaufen ist und eine Bindung des Antigens an der Antikörperstruktur stattgefunden hat, die Kapillare gewaschen, um überschüssiges Material zu entfernen, und dann werden die eingefangenen Antigene entfernt und zur Überprüfung verarbeitet.
Nach vielen Injektionen von Proben, insbesondere solchen, die Substanzen enthalten, die eine Tendenz haben, an den Wänden der Kapillarsäule anzuhaften, beispielsweise Serum oder andere biologische Fluide, ist es notwendig, die Kapillarsäule wieder herzustellen. Da im Handel erhältliche Kapillare aus geschmolzenem Quarzglas billig sind, besteht ein Weg, die Kapillarsäule wieder herzustellen, darin, sie komplett zu ersetzen.
Eine weitere Alternative ist es, die Kapillarsäule durch eine Säuberungsprozedur wieder zu verwenden. Wie in Fig. 8 zu sehen ist, ist eine T-förmige Verbindung 747 in der Nähe des Endes der Kapillarsäule gemacht mit einem kleinen Rohr aus Material, beispielsweise Metall, Glas, Kunststoff, Teflon oder dergleichen. Diese Verbindung ist nun Teil der Kapillarsäule. Das Verbindungsrohr ist verbunden mit einem Ventil 750 und einer Vakuumpumpe 752. Das System kann durch Computersteuerung betrieben werden, die es erlaubt, die Säule in einer koordinierten Weise zu reinigen, d. h. durch Reinigen mit Caliumhydroxid, gefolgt durch deionisiertes Wasser und Puffer, der aus Bechern in dem drehbaren Tisch 170 oder anderen Vorrichtungen angesaugt wird und über einen Teflonanschluß entsorgt wird, der zu einer Fluidfalle führt. Die Kapillarsäule ist dann bereit für einen neuen Separationstest.
Das Gerät nach der Erfindung kann auch eine modifizierte Kapillare verwenden, die, wie in Fig. 9 gezeigt, eine Kapillarkassette 711 aufweist. Die Kassette weist eine Kapillarkassette auf, die ein gewundenes Kapillarrohr 713 aufweist, das in einen Körper aus Metall, Glas, Kunststoff oder dergleichen eingebettet ist. In gewundener Form kann das Kapillarrohr von jeglicher geeigneter Länge sein und es kann verschiedene Chemikalien enthalten. Die Kapillarkassette wird in einem Gehäuse 721 gehalten, das aus zwei Platten aus Metall, Glas, Kunststoff oder dergleichen gebildet ist, die mit Schrauben oder dergleichen verbunden sind. Ein Temperatursteuerfluid, das geheizt oder gekühlt sein kann, kann durch das Gehäuse durch Einlaß- und Auslaßrohre 723 und 725 zirkuliert werden. Es wird bemerkt, daß die Kapillarkassette leicht von dem Gehäuse 721 entfernt und durch eine andere Kassette von unterschiedlicher Größe oder anderer Eigenschaften ersetzt werden kann.
Die Nützlichkeit der Kapillaranordnung 711 als eine einfach austauschbare Patrone, die Kapillaren von unterschiedlichen Längen und Chemikalien zur Verfügung stellen kann, wird den Fachleuten klar werden. Eine Montageanordnung für die Kapillaranordnung oder Patrone 711 ist in Fig. 10 erläutert.

Claims

1. Kapillarelektrophoresegerät, das aufweist ein Kapillarrohr (310, 645, 719) des Typs, der elektrisch geladen werden kann, wobei das Kapillarrohr ein erstes und ein zweites Ende hat,

eine erste Einrichtung (170) an dem ersten Ende des Kapillarrohrs (310, 645, 719), die eine Quelle einer durch das Kapillarrohr zu übertragenden Substanz bildet,

eine zweite Einrichtung (360), die mit dem Gerät (10) verbunden ist, um ein elektrisches Potential über das Kapillarrohr (A) anzulegen, wodurch eine Probe durch das Kapillarrohr und an einem Detektor vorbei fließt, und

die erste Einrichtung einen drehbaren Tisch (170, 737) aufweist, der eine Vielzahl von Probenbechern (190, 735) und einen Halter (220) zum Halten eines Endes des Kapillarrohrs (A) in betriebsmäßiger Beziehung mit einem der Becher (190, 735), aufweist, gekennzeichnet durch

einen Analytenkonzentrator (760, 772, 782, 786, 801), der einen Einsatz beinhaltet, der einen Teil des Kapillarrohr (A) bildet und eine Trägereinrichtung (764, 780, 782, 788) enthält, die mindestens eine chemische Substanz (760) des Typs trägt, der eine spezifische Aktion im Hinblick auf Konstituenten-Moleküle hat, die innerhalb der Probe enthalten sind, die entlang der Kapillare (A) fließt und entweder ein Molekül für eine spätere Elution anzieht oder es einem Molekül erlaubt, entlang des Kapillarrohres zu laufen.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese(r) Analytenkonzentrator(en) (760) eine rohrförmige Struktur aufweist, die fluiddurchlässigen Endplatten (762) und eine Vielzahl von kleinen Körpern (764) aufweist, die Antikörpermaterial oder andere chemische Substanz mit Affinität zueinander (766) tragen, die geeignet ist, Antigene oder andere chemische Substanzen mit Affinität zueinander in einem Probenfluid anzuziehen, das durch diese(n) Analytenkonzentrator(en) läuft.

3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese(r) Analytenkonzentrator(en) (760) eine rohrförmige Struktur aufweist, die fluiddurchlässige Endplatten (762) und eine Vielzahl von kleinen Körpern (764) enthält, die (eine) chemische Substanz(en) (766) tragen, die geeignet ist, andere chemische Substanz(en) abzustoßen, die eine starke Abstoßung auf die chemische Substanz(en) in einem Probenfluid ausüben, das durch diese(n) Analytenkonzentrator(en) läuft.

4. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinen Körper (764) Kugeln aus isolierendem Material aufweisen, die das Antikörpermaterial oder andere chemische Substanzen mit Affinität zueinander tragen.

5. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Analytenkonzentrator eine Vielzahl von dünnen Platten (770) aufweist, die aneinander und an der Wand (774) des Kapillarrohres durch Filamente (778) aus isolierendem Material befestigt sind, wobei dünne Platten beschichtet sind mit einem Antikörpermaterial oder anderen chemischen Substanz(en) mit Affinität zueinander.

6. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Analytenkonzentrator eine Vielzahl von Filamenten oder Platten aufweist, die miteinander verbunden sind und innerhalb des Kapillarrohres angeordnet sind, wobei die Filamente beschichtet sind mit Antikörpermaterial oder anderen chemischen Substanzen mit Affinität zueinander.

7. Analytenkonzentrator zum Gebrauch mit einem Kapillarelektrophoresegerät, gekennzeichnet durch

eine rohrförmige Struktur (760) zum Einfügen in ein Kapillarrohr (A) und enthaltend fluiddurchlässige Endplatten (762) und

eine Vielzahl von kleinen Körpern (764), die innerhalb der rohrförmigen Struktur (760) angeordnet sind zum Tragen von Antikörpermaterial (766), das geeignet ist, Antigene in einem Probenfluid anzuziehen, das durch diese(n) Analytenkonzentrator(en) läuft, oder

eine Vielzahl von kleinen Körpern (764, 780), die innerhalb der rohrförmigen Struktur (760) angeordnet sind zum Tragen einer chemischen Substanz, die geeignet ist, andere chemischen Substanzen in einem Probenfluid zurückzustoßen, das durch den Analytenkonzentrator läuft.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinen Körper Kugeln aus isolierendem Material aufweisen, die das Antikörpermaterial oder andere chemische Substanzen mit Affinität zueinander (766) tragen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Analytenkonzentrator eine Vielzahl von dünnen Platten aufweist, die miteinander und mit der Wand des Kapillarrohres durch Filamente (778) aus isolierendem Material befestigt sind, wobei dünne Platten mit einer chemischen Antikörpersubstanz beschichtet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Analytenkonzentrator eine Vielzahl von Filamenten aus Glas aufweist, die miteinander verbunden sind und innerhalb des Kapillarrohres angeordnet sind, wobei die Filamente beschichtet sind mit einem Antikörpermaterial oder anderen chemischen Substanzen mit Affinität zueinander.

11. Kapillarelektrophoresegerät, das eine Kapillarrohreinrichtung des Typs aufweist, der elektrisch geladen werden kann, weil das Kapillarrohr ein erstes und ein zweites Ende aufweist,

eine erste Einrichtung (170) an dem ersten Ende des Kapillarrohres (310, 645, 719), die eine Quelle einer durch das Kapillarrohr zu übertragenden Substanz bildet, und

eine zweite Einrichtung (360), die mit dem Gerät (10) verbunden ist, um ein elektrisches Potential über das Kapillarrohr (A) anzulegen, wodurch eine Probe durch das Kapillarrohr und an einem Detektor vorbei fließt,

dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarrohreinrichtung eine Zusammenstellung (786) einer Vielzahl von Kapillarrohren (788) aufweist, die erste und zweite Enden haben,

eine zweite Einrichtung, die ein einzelnes Kapillarrohr (783) aufweist, das mit den zweiten Enden der Vielzahl von Kapillarrohren (788) verbunden ist, und

eine Verbindungsmuffe (785), die das einzelne Kapillarrohr (783) und die zweiten Enden der Kapillarrohre (788) verbindet.