автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математическое моделирование динамики разделения многокомпонентных смесей высокомолекулярных соединений при одновременном действии электрического поля и центробежных сил

Введение.

Глава I. Аналитический обзор литературы.

1.1 Центрифугирование.

1.2 Электрофорез.

1.3 Другие методы.

Выводы.

Глава 2. Постановка задачи и цели исследования.

Глава 3. Математическая модель разделения высокомолекулярных соединений при одновременном действии центробежных сил и однородного электростатического поля.

3.1 Схема процесса.

3.2 Математическая модель стационарного процесса разделения макромолекул. Случай двухкомпонентной смеси

3.3 Математическая модель нестационарного процесса.

3.4 Результаты.

Выводы.

Глава 4. Математическая модель разделения ВМС при одновременном воздействии центробежного и неоднородного электростатического полей.

4.1 Основные особенности процесса разделения при действии неодно родного электрического поля.

4.2 Схема непрерывного процесса разделения в неоднородном электрическом поле.

4.3 Математическая модель стационарного распределения концентраций случай безотборного процесса).

4.4 Математическая модель нестационарного процесса разделения случай отсутствия отбора вещества).

4.5 Математическая модель стационарного процесса разделения случай отбора фракций, обогащенных заданными ВМС ).

4.6 Математическая модель нестационарного процесса при наличии отбора нескольких фракций.

4.7 Результаты.

Выводы.

Среди многочисленных экспериментальных методов, применяемых в биохимии и физиологии, важнейшую роль играют аналитические и препаративные методики, основанные на разделении высокомолекулярных соединений (ВМС). Большое значение разделение ВМС для развития биохимии стимулировало создание многих методов, основанных на процессах различной природы.

Все существуюндие методы могут быть классифицированы на основе используемых физических принципов:

1. центрифугирование;

2. электрофорез;

3. хроматография;

4. фильтрация.

Каждый из указанных методов, в свою очередь, разделяется на несколько разновидностей, в каждой из которых реализуется определенный модифицированный подход к разделению ВМС. Так, например, в группе методик, основанных на действии электрического поля, выделяют капиллярный электрофорез, двумерный электрофорез, изотахоэлектрофорез, диэлектрофорез, электрофокусировку и др.

Острая потребность в создании эффективных аналитических и препаративных приборов приводит к непрерывному совершенствованию перечисленных выше методов. Однако, все еще отсутствуют методики, которые обеспечивали бы достаточно высокую разрешающую способность аналитических методик и высокую степень очистки выделяемых веществ в препаративных методиках. Имеется в виду фармацевтическое и медицинское применение. В первую очередь это относится к многокомпонентным растворам макромолекул.

В связи с этим представляется весьма актуальной проблема создания новых методов разделения ВМС, обеспечивающих увеличение разрешающей способности и чувствительности. В рассматриваемой области математические модели обеспечивают адекватное количественное описание процессов и являются эффективным методом исследования. В диссертации предлагается математическая модель процесса разделения ВМС в рамках нового метода, основанного на одновременном действии неоднородного электрического и центробежного полей. На основе предложенной модели разработано математическое обеспечение, реализуемое на персональном компьютере. Актуальность темы диссертации определяется возможностью увеличения разрешающей способности приборов, предназначенных для разделения ВМС, которое установлено в результате проведенных исследований. с 4

Целью работы является исследование методом математического моделирования динамики процесса разделения ВМС в электрическом и центробежном полях при одновременном их действии. При этом автор руководствовался стремлением увеличить разрешаюгцую способность, а также найти метод выделения фракций, содержащих преимущественно одно ВМС при малых примесях других. Одной из целей работы является создание физических основ метода разделения многокомпонентных смесей макромолекул в растворе.

Предложенные математические модели и соответствующее программное обеспечение позволяют проводить компьютерные эксперименты, выявляющие наиболее эффективные пути решения сформулированных задач.

Выводы

1. Методом математического моделирования проведено исследование разделения двухкомпонентных и многокомпонентных растворов высокомолекулярных соединений при одновременном действии центробежных сил и электрического поля и установлена высокая эффективность этого процесса.

2. При разделении многокомпонентных смесей высокомолекулярных соединений для достижения высоких разрешающей способности и степени очистки каждой фракции, содержащей преимущественно одну компоненту, необходимо одновременное действие центробежных сил и неоднородного электрического поля.

3. Показано, что с помощью предлагаемого метода возможно эффективное осуществление как дискретного, так и непрерывного процессов разделения многокомпонентных смесей ВМС в растворе. В последнем случае отбор нужных фракций осуществляется непрерывно.

4. Исследованы методом математического моделирования нестационарные процессы разделения. Установлено, что в слзгчае дискретного процесса эффект высокого разделения достигается за достаточно малое время (2-3 часа ). В случае непрерывного процесса время установления стационарного состояния не играет практической роли.

Заключение

1. Методом математического моделирования проведено исследование разделения двухкомпонентных и многокомпонентных растворов высокомолекулярных соединений при одновременном действии центробежных сил и электрического поля и установлена высокая эффективность этого процесса.

2. Установлено, что высокая разрешающая способность ( 3-5 мм) и степень очистки выделяемых фракций достигается при разделении двухкомпонентных смесей методом, основанным на одновременном действии центробежных сил и однородного электростатического поля.

3. При разделении многокомпонентных смесей высокомолекулярных соединений для достижения высоких разрешающей способности и степени очистки каждой фракции, содержащей преимущественно одну компоненту, необходимо одновременное действие центробежных сил и неоднородного электрического поля.

4. Показано, что с помощью предлагаемого метода возможно эффективное осуществление как дискретного, так и непрерывного процессов разделения многокомпонентных смесей ВМС в растворе. В последнем случае отбор нужных фращий осуществляется непрерывно.

5. Исследованы методом математического моделирования нестационарные процессы разделения. Установлено, что в случае дискретного процесса эффект высокого разделения достигается за достаточно малое время (2-3 часа ). В случае непрерывного процесса время установления стационарного состояния не играет практической роли.

1. Амосов A.A., Дубинский Ю.А., Копченова Н.В. Вычислительные методы для инженеров: Учеб. Пособие.-М.: Высш. шк., 1994.-544с.:ил.

2. Альбертсон П-О. Разделение клеточных частиц и макромолекул. М., Мир, 1974.

3. Боуэн Т. Введение в ультрацентрифугирование. М., Мир, 1973.

4. Бауэр Г., Энгельгард X., Хеншен А. и др. Высокоэффективная жидкостная хроматография в биохимии. М., Мир, 1988.

5. Бабский В.Г., Жуков М.Ю, Юдович В.И. Математическая теория электрофореза: применение к методам фракционирования биополимеров. Наук. Думка, Киев, 1983.

6. Богданов Ю.С. и др. Курс дифференциальных уравнений: Учеб. По-собие.-Мн.: Ушверс1тэцкае, 1996.

7. Бабичев А.П., Бабушкина H.A., Братковский A.M. и др. Физические величины. Справочник. М., Энергоатомиздат, 1991.

8. Гааль Э., Медыши Г., Верецкей Л. Электрофорез в разделении биологических макромолекул: Пер. с англ. М.: Мир, 1982. - 448 с, ил.

9. Копченова Н.В., Марон И.А. Вычислительная математика в примерах и задачах. М., Гл. ред. Физ.-мат. Лит. изд-ва "Наука", 1972.

10. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука,1964.

11. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М.: Высш. шк., 1967.

12. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учеб. Пособие. Т.||. Теория поля. М.: Наука, Гл. ред. Физ.-мат. Лит., 1988.

13. Ларский Э.Г. Методы зонального электрофореза. М., Медицина, 1971.

14. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики: Учебное пособие.- М.: Наука, Гл. ред. Физ.-мат. Лит., 1989.

15. Машуров О.В. Курс высшей математики: Ряды. Уравнения математической физики. Теория функций комплексной переменной. Численные методы. Теория вероятностей: Учеб. Для вузов. М.: Высш. шк., 1991.

16. Маслов В.П., Данилов В.Г., Волосов К.А. Математическое моделирование процессов тепломассопереноса. М.: Наука, 1987.

17. Остерман Л.А. Методы исследования белков и нуклеиновых кислот. Электрофорез и ультрацентрифугирование:(Практ. пособие).- М.: Наука, 1981.

18. Полянин А.Д., Вязьмин A.B., Журов А.И., Казенин Д.А. Справочник по точным решениям уравнений тепло- и массопереноса. М.: Факториал, 1998.

19. Савельев И.В. Курс общей физики: Учеб. Пособие для ВТУЗов. Кн.2. Электричество и магаетизм. М.: Наука. Физматлит. 1998.

20. Суханов А.Д. Фундаментальный курс физики: Учеб. Пособие для ВУЗов. Т.1. Корпускулярная физика. М.: издательство "Агар", 1996.

21. Свешников А.Г., Боголюбов А.Н., Кравцов В.В. Лекции по математической физике. М.: изд-во Моск. Ун-та, 1993.

22. Степанов А.В., Корчемная Е.К. Электромиграционный метод в неорганическом анализе. М.: Химия, 1979.

23. Стронгин А,Я., Левин Е.Д., Степанов В.М. Изотахофорез как метод разделения биополимеров.-Биоорганическая химия,1976,N2,c.869-884.

24. Троицкий Г.В. Электрофорез белков.-Харьков:Изд-во Харьковского университета,1962.

25. Троицкий Г.В., Завьялов В.П., Абрамов В.М. Создание устойчивого градиента рН в смеси буферный раствор-неэлектролит: использование этой системы для изоэлектрического фокусирования альбумина и гемоглобина.- Докл. АН CCCP,1974,214,N4,c. 955-958.

26. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики: Учеб. Пособие. М.: изд-во МГУ, 1999.

27. Фридман А. Уравнения с частными производными параболического типа. М.: Мир,1968.

28. Шипачев B.C. Высшая математика. Учеб. Для вузов. М.: Высш. школа. 1996.

29. Bardelmeijer Н.А., Lingeman П., С. de Ruiter, Underberg J.M. Derivati-zation in capillary electrophoresis. Тошна! of Chromatography A, 807 ( 1998 ),3-26.

30. Bogdan Szostek, Joseph H. Altdtadt Determination of organoarsenicals in the environment by solid-phase microextraction gas chromatography - mass spectrometry. Journal of Chromatography A, 807 ( 1998 ), 253 -263.

31. BrakkeM.K.Phytopathol.,43,467,1953.

32. Brakke M.K. Arch. Biochem. Biophis.,55,175,1955.

33. Centrifugation: A practical approach / Ed. by D.Rickwood.-2d.ed.-Oxford; Wasington: IRLpress, 1984.-xii.

34. Capillary electrophoresis symposium. Journal of Chromatography A, 4, 1998; Goettingen (Germany). Vol. 807, nr. 1.

35. Chromotographic and electrophoretic techniques. Vol.2. Zone electrophoresis. 1976./ Ed. by Ivor Smith.

36. Cells J.E., Bravo R. Two-dimensional Gel Electrophoresis of Proteins. Academic Press: New York, pp. 1 -90,1984.

37. Chester T.L., Pinkston J.D. Pressure-regulating fluid interface and phase behavior considerations in the coupling of packed-column supercritical fluid chromatography with low-pressure detectors. Journal of Chromatography A, 807 ( 1998 ), 265 273.

38. Dai H.J., KruU I.S. Thermal stability studies of irmnunoglobulins using capillary isoelectric focusing and capillary zone electrophoretic methods. . Journal of Chromatography A, 807 ( 1998 ), 121 128.

39. Dominic C. Nash, Howard A. Chase. Comparison of diffusion ang diffii-sion-convection matrices for use in ion-exchange separations of proteins. Joumal of Cromatography A., 807 ( 1998 ), 185 207.

40. High-perphormance capillary electrophoresis: Theory, techniques and applications./ Ed. by Khaledi Morteza G.-New York etc.: Wiley, 1998.-XXX||-(Chem. Analysis, vol. 146).

41. Hjerten S. Chromatogr. Rev., 9,122,1967.

42. Hjerten S. Meth. Biochem. Anal., 18, 55,1970.

43. HannigK.Z. Anal. Chem.,181,244,1961.

44. Hannig K. Hoppe-Seylers Z. Phisiol. Chem.,338,211,1964.

45. HoUoway P.J., Arundel P.H. High-resolution two-dimensional electrophoresis of plant proteins. Anal. Biochem., 172, 8 15, 1988.

46. Ingrid Miller, Manfred Gemeiner. Two- dimensional electrophoresis in small gels for applications in veterinary medicine. Electrophoresis, v. 12, N4,1991,303-306.

47. Jan Pospichal, Domenick Vicchio, Andreas Chamrambach. Free mobility determination by electrophoresis in polyacrylamide containing agm-ose at a nonrestrictive concentration. Electrophoresis, v. 12, N 4, 1991, 247 -253.

48. Jean-Daniel Tissot, Philippe Schneider, Richard W. James, Rejean Daigneault, Denis F. Hochstrasser. High-resolution two-dimensional protein electrophoresis of pathological plasma/serum. Applied and Theoretical Electrophoresis, v.2, N 1,1991,13 -16.

49. John C. Hovanesian, Indra K. Vasil. A method for extraction and 2-D gel electrophoresis of plant proteins with selective isoelectric points. Ap-phed and Theoretical Electrophoresis, v.2, N 2/3, 1991, 71 78.

50. Jorge Rocha, Jost Kcwnpf, Nuno Ferrand, Antonio Amorim, Horst Ritter. Separation of human alloalbumin variants by isoelectric focusing. Elec-trophotesis, v.l2,N4, 1991, 131 -134.

51. Kolin A.J. Chem. Phis.,22,1628,1954.

52. Kolin A.J. Chem. Phis.,23,407,1955.

53. Laszlo Orban, Andreas Chrambach. Discontinuous buffer system for polyacrylamide and agarose gel electrophoresis of DNA fragments. Electrophoresis, V. 12, N 4,1991, 233 240.

54. Li S.F.Y. Capillary Electrophoresis Principles, Practice and Applications. Journal of Chromatography Library, Vol 52, Elsevier, Amsterdam, 1992.

55. Marshall T., Williams J., Williams K.M. An evaluation of two-dimensional electrophoresis for detection of human serum proteins in acute myocardial infraction. Electrophoresis, 9, 1988, 672 675.

56. Matthias Unger. Capillary zone electrophoresis of alcaloids. Influence of structure on electrophoretic mobility. Journal of Chromatography A., 807, 1998,81 -87.

57. Philpot J.S.L. Trans Faraday Soc.,36,39,1940.

58. Pier Giorgio Righetti, Claudia Ettori, Marcella Chiari. Analysis of acri-lamido-buffers for isoelectric focusing by capillary zone electrophoresis. Electrophotesis, v. 12, N1, 1991, 55 58.

59. Rigol A., Vidal M., Rauret G. Ultraphiltration-capillary zone electrophoresis for the determination of humic acid fractions. Journal of Chromatography A., 807, 1998, 275 284.

60. Schmitt-Kopplin Ph., Fischer K., Freitag D., Kettrup A. Capillary electrophoresis for the simultaneous separation of selected carboxylated carbohydrates and their related 1,4-lactones. Journal of Chromatography, 807, 1998, 89 100.

61. Schmitt-Kopplin Ph., Garrison A.W.,Perdue E.M.,Freitag D., Kettrup A. Capillary electrophoresis in the analysis of humic substances. Facts and artifacts. Journal of Chromatography A., 807, 1998, 101 109.

62. Shihabi Z.K., Freidberg M. Insulin stacking for capillary elecfrophoresis. Joumal of Chromatography, 807, 1998, 129 133.

63. Susan L. Semple-Rowland, Grazyna Adamus, Robert G. Cohen, Robert J. Ulshafer. A reliable two-dimensional gel electrophoresis procedure for separating neural proteins. Electrophoresis, v. 12, N4, 1991, 307 -12.

64. Svensson H., Valmen E. Science Tools, 2, 11, 1955.

65. Macounova K, Cabrera CR, Yager P. Concenfration and separation of proteins in microfluidic channels on the basis of transverse lEF. Anal. Chem. 2001 Apr 1; 73 ( 7 ): 1627-33.

66. Andrighetto P, Carofiglio T, Fomisier R, Tonellato U. Capillary electro-phoresis behavior of water-soluble anionic porphirins in the presence of89beta-cyclodextrin and its O-methilated derivatives. Electrophoresis 2000 Feb;21(3):619-26.

67. Guillaume Y C, Peyrin E. Symmetry breaking during the formation of beta-cyclodextrin-imidazole inclusion compounds: capillary electrophoresis study. Anal Chem 1999 May 15; 71 ( 10 ):2046-52.

68. Ригетти П. Изоэлектрическое фокусирование: теория, методы и применение: Пер. с англ. -М.: Мир, 1986. 398 с, ил.

69. Троицкий Г.В., Ажицкий Г.Ю. Изоэлектрическое фокусирование белков в самоорганизующихся и искусственных рН-градиентах. -Киев: Наук. Думка, 1984. 220 с.

70. В.В Межевикин, В.Ю. Волик, А.А. Почекутов Электрофокусирование слабых электролитов в движущейся среде. -Доклады Академии Наук, 2001 г., т. 377, № 4, с. 556 558.

71. В.В. Межевикин, А.А. Почекутов, Л.Н. Рузанова Электродиффузионные градиенты рН для изоэлектрического фокусирования белков. Доклады академии Наук, 2001 г., т. 377, № 3, с. 406 407.