JPH022920A

JPH022920A - 電気泳動による物質の分離方法及び装置

Info

Publication number: JPH022920A
Application number: JP63314807A
Authority: JP
Inventors: Johann Stichlmair; ヨーハン、シユテイヒルマイル
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-12-14
Filing date: 1988-12-13
Publication date: 1990-01-08
Also published as: EP0320709A1; DE3742292C1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、液体中に少なくとも二つの電極を有している
少なくとも一つの分離室中で、直流の電位差を加えるこ
とによって、液体中に存在する荷電分子又は粒子の移動
の形での物質の移送が、電極間に生じた電界中で生ぜし
められる、電気泳動によって物質を分離するための方法
及び装置に関する。

電界の作用の下での分子又は粒子の移動は電気泳動と呼
ばれる。工業規模でこの方法を実施する場合には、液体
中に設置された陰極と陽極の間に電位差を加えることに
よって電界が生ぜしめられ、荷電分子又は粒子が液体中
を移動するようになっている。異なる化学種の特定の移
動速度および移動方向に依存して、混合物からの個々の
物質の分離が達成可能である。

いわゆる「無基床電気泳動」では緩衝液は、二つの電極
によって生じた電気力線を横切る方向に分離室を通って
流れる。分離されるべき液体の混合物は可能なかぎり点
的に分離室に供給される。

電気泳動易動度の異なる物質は、電気力線の方向に程度
を異にして偏向せしめられ、分離室の終端の様々な位置
で引き出され得る。

電気泳動によって物質の分離を有効に実施するための基
礎的な必要条件は、分離室内で混合の過程が生じないこ
とである。従って緩衝液は可能な限り静止しているか、
又は少なくとも完全に層流であるべきであり、すなわち
乱流による横断方向の混合を伴わずに室を通って流れる
べきである。

以下の困難がこの要件を妨げる。即ち、ｉ）　液体は電
極間の高い電流値のために著しく熱せられる。ここで室
内に局所的な温度差が生ぜしめられ、その結果、これと
結びついた密度の変化のために、制御することのできな
い対流が生じる。この熱対流は電気泳動による移送より
もはるかに強いので、分離はこの熱対流によって著しく
妨げられ、場合によっては完全に途絶されることもあり
得る。

ｉ）　分離室を通過する緩衝液の流れの中で（どのよう
な流れの場合にも）乱流はほとんど不可避である。流れ
の断面積が極めて小さい場合に層流の状態に近似的に近
づくことができるにすぎない。しかしながら分離室への
入口、及び分離室からの出口では特に著しく、分離の実
施を著しく損なう乱流による混合が、なお生じる。

１ｉｉ）　　連続的に電気泳動に重なって起きる水の電
気分解によって、電極で気体の発生が起こる。

この間に形成される気泡は流れの層流状態を著しく乱し
、液体内に重大な混合を来し得る。

電気泳動に関する更に別の基本的な困難は、極めて高い
電位差（約２５００ボルト以上）を用いなければならな
いことである。物質の分離は電極間を移動する速度の相
違に基づくものであるから、十分にはっきりとした分離
を達成するには、陰極と陽極とは比較的大きな間隔をあ
けて（約３０ｃｍ以上）配設されねばならない。液体は
、高い電位差を用いなければ克服できない、電流に対す
る極めて大きな抵抗を形成する。

〔従来の技術〕

電気泳動に関する主要な困難、すなわち熱対流の形成を
克服するために今日までに幾つかの異なった手段が用い
られてきた。

一つの有効な手段は緩衝液を基床媒体中に用意すること
である。極めて微細な粒子、紙又はゲルの多孔床が主に
用いられる（Ｍ、　　ビア著「電気泳動：理論、方法及
び応用」アカデミツク　プレスインコーホレイテッド、
ロンドン　１５）７３年（Ｂｉｅｒ、　Ｍ、：　Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ：　Ｔｈｅｏｒｙ、　Ｍｅｔ
ｈｏｄｓａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、　Ａｃａ
ｄｅｍｉｃ　　Ｐｒｅｓｓ　Ｉｎｃ、、　Ｌｏｎｄ。

ｎ１５）７３　）　）。しかしながら固体の基床物質を
用いると、分離の過程はクロマトグラフィーのように非
連続にしか実施できないことになる。従ってこれらのい
わゆる「基床電気泳動」方法の適用の範囲は、分析目的
に制限される。

「無基床電気泳動」では熱対流は分離室の壁を介しての
集中冷却によって減らされる。しかしながらこれは、保
護プレート間の間隔が１ＩＩＩＩ１１よりも十分小さい
場合にしか適さない（Ｋ、ハニング著学位論文、ルート
ヴイヒーマクシミリアンス大学、ミュンヘン　１５）６
４年（Ｈａｎｎｉｎｇ、　Ｋ、：　Ｔｈｅｓｉｓ、　　
Ｌｕｄｗｉｇ−Ｍａｘｉｍｉｌｉａｎｓ　　Ｕｎｉｖｅ
ｒｓｉｔｙ、　　Ｍｕｎｉｃｈ　　１５）６４））。

結果として、主として連続的に作動さしめられるこの分
離方法は、きわめて小さい流孟にしか適さない。

最良の結果は無重力空間で熱対流を排除することによっ
て得られる。電気泳動実験は数回の宇宙飛行で実施され
（例えば１５）７１年のアポロ１４号から１５）８５年
のスペースラブＤｌに至るまで）、７００倍にまで効率
を高めることができた（Ｈ，Ｌ。

ヨルダン著「宇宙空間研究」、ＤＦＶＬＲ、ケルンーポ
ルツ　１５）８４年（Ｊｏｒｄａｎ、　Ｈ，Ｌ、：Ｗｅ
ｌｔｒａｕｍｆｏｒｓｃｈｕｎｇ、　　ＤＦＶＬＲ，Ｋ
ＯＩｎ−Ｐｏｒｚ　　１５）８４））　　。

〔発明が解決しようとする問題〕

本発明の目的は、分離室中での混合の過程によって損な
われることなく、低い直流電位差を用いて電界を生ぜし
めて実施され得る、冒頭に述べた種類の電気泳動による
物質の分離を、容易にすることである。

〔問題点を解決するための手段及び作用〕この目的は、
完全に相互に混和することのない少なくとも二つの液体
が用いられて、形成される一つ又は複数の界面が電極間
に維持され、電界の作用の下での物質に移送が少なくと
も一つに界面を越えて行われるようにすることにより、
達成される。

この場合相互に混和することのない二つ又はそれ以上の
液体は分離室中で電極の間に位置し、陰極と陽極とは異
なる相に配設されている。この配設により、電気泳動に
よる移動性を有する分子又は粒子（コロイド、細菌、細
胞等）は電気泳動移動の方向に従って境面を越えて別の
相へ移動し、他方、その他のものはもとの相にとどまる
。このようにして十分な電気泳動易動度を有する物質を
与えられた液体混合物から分離することができる。

この場合第二の液体相は移動速度の高い分子又は粒子を
捕え、もとの相に戻る移動を妨げる目的を有している。

放出された熱又は乱流によって生ぜしめられる巨視的な
流れはいずれの場合も一つの層内でのみ効力を有してい
るので、これらの流れはもはや電気泳動による分離にと
って不利な要素とはならず、従ってもはや抑える必要は
ない。

これらの流れは、移動物質を界面の付近にまで運びこの
領域にこれらの物質が不足するのを妨げるので、分離に
関してプラスの効果すらもち得る。

電界は、電気泳動易動性を有する粒子の相間の移動を行
わせることのみを目的としている。

陰極と陽極とは相互に極めて小さい間隔で配設されても
よい。ただ必ず界面が陰極と陽極との間に位置するよう
にしなければならない。こうして公知の電気泳動方法の
場合よりもはるかに低い電位差で（例えば５０ボルト以
下で）分離方法を実施できる。

本発明の更に別の実施例は以下の説明と特許請求の範囲
に見出すことができる。

二相の電気泳動の効果が包括試験で試験された。

これらの調査では相互に混和性を持たない水性の液体が
先ず用いられた。これらは各相の含水率が重量で８０％
以上の、水−デキストラン系及び水−ポリエチレングリ
コール系であった。二つの相のうち一方は高い電気泳動
易動度を有する染料で着色された。例えば酸ツクシン及
びクレゾールレッドが用いられた。

電圧を加えた後、物質付与相の色の強度の減少と物質受
容層の色の強度の増大とを目で追うことができた。調査
により、電界の作用の下で境界の横断が容易に可能なこ
とが極めて明瞭に示された。

界面領域での停滞は観察されなかった。行われた観察に
よれば、界面を通過しての電気泳動による物質の移送は
、当該の相の間の抽出均衡による移送よりもはるかに強
力であった。これは、移動物質の極めて高いレベルの集
中が受容槽に生じ得ることを意味している。

更に別の調査では水性の相と有機相（ｎ−ブタノール）
とが使用された。相間の染料の移動はここでも容易に可
能であった。電極の極性を逆にするだけで物質の移動の
方向を逆転させることができた。この場合有機相から水
性の相への物質の移送は反対方向の移送よりもかなり迅
速に行われることが判明した。

〔実施例〕

本発明は添付の図面に示された典型的な実施例を用いて
以下で更に説明される。

第１図に示された分離室ｌは、完全に相互に混和するこ
とがないために間に界面４が形成される二つの液体２，
３を擁している。可能な限り化学的に中性である二つの
電極５及び６が分離室ｌ中に配設されている。界面４は
電極５．６間に位置しているが、これらの電極はグリッ
ドとして形成されていて、電気分解から生じる液体及び
気体が電極を通過して自由に流れることができるように
なっている。画電極５，６は比較的小さな間隔好ましく
は５乃至２０ｍｍを隔てて配置されていて、界面４に実
際に平行に配設され、図示されていない直流電源に接結
されている。

電極間の間隔を可能な限り小さくし、可能な限り低い電
位差を用いることができるようにするのが、実用に適し
ている。ただ必ず界面４が電極５゜６の間に位置するよ
うにしなければならない。界面付近に移動物質が不足す
るのを防ぐために、−方の（又は両方の）相は攪拌装置
７により十分に攪拌されるのがよい。電気泳動の間に形
成される電解気体は出口８を通って導き出される。冷却
剤が通される冷却ジャケット９は温度の上昇を制限する
役目を有している。この場合軽い相又は重い相のいずれ
が物質受容層であってもよい。この分離室は、同じ電気
泳動移動方向を有する物質を少量の液体から分離しよう
とする場合の使用に好適である。

第２図は二つの液体２，３が夫々対応する入口１０及び
出口１１を介して連続的に流入及び流出する細長い分離
室ｌを示している。この場合これらの相は図示されてい
るのと同じ方向に流されても反対方向に流されてもよい
。これは、同じ電気泳動移動方向を有する物質をかなり
大きな量の液体から分離しようとする場合に有利である
。

第３図は、モジュール構成で相互に上下に配設された幾
つかの分離室１から成る、対立する流れを用いた連続作
動用の装置を示している。軽い液体２は装置の下から上
へ流され、重い液体３は前記の流れとは反対方向に下向
きに流される。個々の分離室ｌは非導電性材料から成る
水平な分離プレート１２によって相互に分離されている
が、この分離プレートが、夫々電極５及び６即ち（点線
によって示された）陽極５と陰極６とを、上側と下側と
に分けて担持しており、この分離プレートを通して、直
流電源への電極５，６の接続が行われている。両方の液
体用のダクトは分離プレート１２に設けられており、シ
ャフト１３の形を有していて、その高さは、界面４の位
置が夫々二つの電極５及び６の間の中はどに維持される
ように調節されている。温度の変動を避けるために、冷
却要素１５（冷却剤が流れる冷却コイル）を有する室１
４が分離室ｌの間に備えられていてもよい。

冷却要素は分離室ｌ中に備えられていてもよく、また分
離プレート１２自体に冷却剤の流路が設けられてもよい
。

第４図は、三つの液体２．３及び１６が用いられ、従っ
て二つの界面４ａ及び４ｂが形成されるが、その何れも
が電極５及び６の間に位置している、細長い分離室ｌを
示している。電界の作用の下で異なる方向の電気泳動移
動性を有する物質は異なる相へ移動する。このようにし
て、かなりの電気泳動易動度を持つ物質すべてが、例え
ば真中の液体１６の相から分離され得る。

一つ（第３図）又は二つ（第４図）の液体が装置中で静
止したままであってもよい。作動期間中、移動物質はこ
の静止相にたまる。従って移動物質は静止相で高いレベ
ルの濃度に達する。静止相の再生が必要な場合には、単
に電極の極性を逆にすることによってこれを実施すれば
よい。この場合集積した物質は連続的に流れる相によっ
て迅速に、且つ高い濃度で引き出される。

第５図は溶剤抽出で実施されるような向流分配（フレイ
ブ（Ｃｒａｉｇ　）分配）と類似した機能を有する細長
い分離室ｌを示している。この場合緩衝液１７は分離室
ｌを通って連続的に流れ、他方第二の液体２の相は例え
ば多孔質の固体１８中で静止したままである。分離され
るべき試料１５）は、連続的に流れる緩衝液１７の相に
迅速に加えられる。電極５及び６の間の電界の作用の下
で高い電気泳動易動度を有する物質は、静止した液体２
の相へ移動してそこに保持される。従ってこれらの物質
はもはや流れない。電極５，６の極性を逆にすることに
より、これらの物質は短時間の後に再び、連続的に流れ
る緩衝液の相１７の中へ戻る。

それが適当な場合には、この手続きが、数個のこの型の
分離室ｌから成る装置を通過する途中で、数回繰り返さ
れる。電気泳動移動性を持たない物質は静止相によって
留めおかれることがないので極めて迅速に装置を通過し
て流れる。その他の物質は電気泳動易動度の程度によっ
て大なり小なりの時間静止相にとどまる。かくしてこれ
らの物質はかなり遅れて装置の出口に到達する。こうし
て混合物を、電気泳動易動度の異なる物質の断片に完全
に分離することが可能である。ここで達成される分離は
公知のガスクロマトグラフィーの分離に比較できる。ガ
スクロマトグラフィーに比べて、ここでの分離は高分子
、コロイド、細菌及び細胞にも適用できる。

本発明による方法では第二の液体相の選択が特に重要で
ある。一般に第二の液体相は水と部分的な混和性を有し
、十分な導電性を有するべきである。好ましくは第二の
液体層はこの種のもののうちの可能な限り高い含水率を
有するものである。

第二の液体相は、水性の相の中での溶解度が可能な限り
低く、密度が十分に異なり、移動物質の溶解度が十分で
、移動物質との間で反応又は変性を起こさす、粘性の相
違は可能な限り小さくあるべきである。例えばｌ−ブタ
ノール、２−ブタノール及びポリエチレングリコールと
水との混合物を軽い相として用い、ジクロロメタンとジ
クロロメタン／エタノール、キノリン、４−クロロ−１
−ブタノール、メチルフェニルケトン及びデキストラン
／水の混合物とを、重い相として用いてもよい。更に、
構造によって水より軽いことも重いこともあり得る置換
型ポリグリコールエーテル（いわゆるポリエトキシラー
ト）の非イオン性の水溶液を用いることもできる。特に
は、分子あたりのエチレンオキシド群の数が３から２０
で、置換基が脂肪族基、アルキル芳香族基又は脂肪酸基
であるものが用いられる。これらのポリエトキシラート
は特には水と混合して用いられ、含水率を９５％程度に
することができるが、上記のような他の液体と混合して
用いることも可能である。ポリエトキシラートを用いる
と、２，３ボルトにまで下げられる極めて低い電圧での
分離が可能になる。

多くの化学種の移動速度は、化学種の存在する媒質のｐ
Ｈ値に依存していることが、留意されるべきである。一
定のｐＨ値いわゆる等電点では、移動速度は零である。

相を異なるｐＨ値に調節することにより個々の化学種を
一定の相に集めることが可能である。例えば物質が初め
第二の相へ移送され、電極の極性の逆転（及び場合によ
ってはｐＨ値の変更）の後に再びもとの相によって受容
されるというように、これを実施することもできる。

等電点が第二の相のｐＨ値に一致する物質はこの場合こ
の相にとどまる。更に、物質を、電界の作用の下で、夫
々異なるｐＨ値を有する数個の相を通って移動せしめ、
異なる等電点を持った物質が、対応するｐＨ値を持つ相
に集められるようにすることも可能である。

電界の作用の下で移動物質が極めて高い濃度で受容相に
集められることも可能なことが確かめられた。これは、
溶解度の限界を越えてこれらの物質が結晶化するところ
まで進むことも可能である。

こうして物質を極めて純粋な結晶の形で希釈溶液から分
離することもできる。この場合、重い方の相を受容相と
して用い、形成される結晶がこの相にとどまるようにす
ることが実用に適している。

本発明による方法では、両方の電極２及び３が、両者の
間にある界面４に対して可能な限り完全に平行に配設さ
れているように十分な注意が払われる。このことは、例
えば水銀層２０を下の方の電極５として用いて、この水
銀層が重力のために界面４と全く同様に完全に水平にな
るようにすることによって、単純な仕方で確保できる。

界面４の上方に位置する電極６は分離室ｌのハウジング
に固定されてもよいし、水銀層２０上に浮かぶように非
導電性のスペーサーを用いて取り付けられてもよい。こ
の目的のために、平らなトレー２１が水銀層２０を保持
するために備えられており、他方、スペーサー２２とし
ての支持脚が備わった非導電性のフレーム２３が、篩状
に穴のあいた導電性のプレート２４を担持しているが、
この場合、スペーサー２２が水銀層２０上に浮かぶため
に、プレート２４は水銀層２０の表面に平行に、従って
水平に維持される。トレー２１には液体を通す穴２５が
備えられていてもよい（第６図）。

本発明による電気泳動を実施することにより、この分離
方法を、以前よりも広範に、物質の混合物の分離に適用
することが可能である。特により大量の物質を工業規模
で処理することが可能である。適用の重要な領野は生命
工学の分野にあると言える。基本的には、アミノ酸、タ
ンパク質、ペプチド結合生成物、動物又は植物起源の自
然物質でタンパク質を含むもの、核酸を含むもの、炭水
化物を含む物、酵素、細胞、細胞小器官、有機酸。

無機酸、製薬生成物等のような解離した形、会合した形
又は両性の形で生じる物質も、有機塩、無機塩、その他
の金属化合物、鉱物、放射性核種等のようなイオンとし
て生じる又は何れか他の仕方で基礎媒質中で電荷を帯び
ている物質も、分離可能である。

〔発明の効果〕

上述の如く、本発明によれば、電気泳動による物質の分
離が分離室中での混合の過程によって損なわれることな
（而も低直流電源を用いて行われ得るから、利用範囲を
拡大することができ、大量の物質を工業的規模で処理す
ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による方法の実施のための分室の一実施
例を概略的に示す図、第２図乃至第図は夫々分離室の別
の実施例を概略的に示す図第６図は電極の実際の構成と
電極の配設とを示図である。ｌ・・・・分離室、２，３．１６・・・・液体、４゜ａ
、４ｂ・・・・界面、５，６・・・・電極、７・・・・
攪装置、８，１１・・・・出口、９・・・・冷却ジャケ
ラ１０・・・・入口、１２・・・・分離プレート、１３
・・シャフト、１４・・・・室、１５・・・・冷却要素
、ｌ・・・・緩衝液、１８・・・・固体、１５）・・・
・試料、２・・・・水銀層、２１・・・・トレー　２２
・・・・スペーサ２３・・・・フレーム、２４・・・・
プレート、２５・・・・穴。

Claims

【特許請求の範囲】（１）液体中に少なくとも二つの電極を有している少な
くとも一つの分離室中で、直流の電位差を加えることに
よって、液体中に存する荷電分子又は化合物の移動の形
での物質の移送が、電極間に生じた電界中で生ぜしめら
れる、電気泳動による物質分離の方法において、完全に
相互に混和することのない少なくとも二つの液体が用い
られて、形成される一つ又は複数の界面が電極間に維持
され、電界の作用の下での物質の移送が少なくとも一つ
の界面を越えて行われるようにしたことを特徴とする方
法。（２）液体が連続的に分離室に流入し、連続的に分離室
から流出することを特徴とする、特許請求の範囲（１）
に記載の方法。（３）液体の少なくとも一つは分離室中で静止したまま
であり、その液体は物質を付与する側の液体であっても
物質を受容する側の液体であってもよいことを特徴とす
る、特許請求の範囲（１）に記載の方法。（４）液体が非連続に分離室に流入し、物質分離が終わ
った後に非連続に分離室から引き出されることを特徴と
する、特許請求の範囲（１）に記載の方法。（５）液体が同じ方向に分離室を通過して流れることを
特徴とする、特許請求の範囲（２）に記載の方法。（６）液体が反対方向に分離室を通過して流れることを
特徴とする、特許請求の範囲（２）に記載の方法。（７）液体、特に物質を受容する側の液体が互いに異な
るｐＨ値を持つことを特徴とする、特許請求の範囲（１
）乃至（６）のいずれかに記載の方法。（８）物質を受容する側の液体中の物質が、溶解度の限
界を越えることによって結晶化せしめられることを特徴
とする、特許請求の範囲（１）乃至（７）のいずれかに
記載の方法。（９）物質の移送の方向が、電極の極性を逆にすること
によって一度又は一度以上逆転せしめられることを特徴
とする、特許請求の範囲（１）乃至（８）の何れかに記
載の方法。（１０）物質分離の間に、特には電極の極性
を逆にする前に、一つ又は複数の液体のｐＨ値が、アル
カリ性の溶液又は酸を添加することによって変更される
ことを特徴とする、特許請求の範囲（１）乃至（９）の
いずれかに記載の方法。（１１）少なくとも二つの液体のうちの少なくとも一つ
の液体が、主として基礎液体特に水と少量の混合液とか
らなる混合物の形で用いられることを特徴とする、特許
請求の範囲（１）乃至（１０）のいずれかに記載の方法
。（１２）混合液体が、分子あたりのエトキシレンオキシ
ド群の数が３から２０で、置換基が脂肪族基、アリル芳
香族基又は脂肪酸基であるポリエトキシラートの形で用
いられることを特徴とする、特許請求の範囲（１１）に
記載の方法。（１３）直流の電源に結合可能な少なくとも二つの電極
（５、６）を有する少なくとも一つの分離室（１）を有
している、特許請求の範囲（１）乃至（１２）のいずれ
かに記載の方法実施のための装置において、電極（５、
６）が、完全に相互に混和することのない異なる液体（
２、３、１６）中の、界面（４）のそれぞれの側に配設
されていることを特徴とする装置。（１４）電極（５、６）が、分離室（１）の長さに比べ
て小さい間隔を隔てて、好ましくは相互に５ｍｍから２
０ｍｍ隔てて配設されていることを特徴とする、特許請
求の範囲（１３）に記載の装置。（１５）下側の電極（５）が水銀層（２０）から成り、
上側の電極（６）は分離室（１）に固定されているか、
非導電性のスペーサー（２２）を用いて水銀層（２０）
上に浮かぶように取りつけられていることを特徴とする
、特許請求の範囲（１３）又は（１４）に記載の装置。（１６）液体（２、３、１６）の相の少なくとも一つが
基床媒体特には多孔質の固体（１８）中に固定されてい
ることを特徴とする、特許請求の範囲（１３）乃至（１
５）のいずれかに記載の装置。（１７）多数の分離室（１）が相互に上下に配設されて
いて、シャフト（１３）によって相互に結合されている
ことを特徴とする、特許請求の範囲（１３）乃至（１６
）のいずれかに記載の装置。（１８）追加の冷却要素（１５）が相互に上下になった
分離室（１）の間の一ケ所又は数ケ所に配設されている
ことを特徴する、特許請求の範囲（１６）に記載の装置
。