Фракционирование полевого потока - Field flow fractionation

Поперечное сечение канала фракционирования поля потока (AF4), где скорость ламинарного потока внутри канала неоднородна. Жидкость движется по параболической схеме со скоростью потока, увеличиваясь к центру канала и уменьшаясь по направлению к сторонам.

Полевое фракционирование, сокращенно FFF, представляет собой метод разделения, при котором поле (тепловое, электрическое, магнитное, гидравлическое, гравитационное, ...) применяется к разбавленному приостановка в жидкости или в решение закачивается через длинный и узкий канал, перпендикулярный направлению поля, чтобы вызвать разделение частиц, присутствующих в жидкости, в зависимости от их различной «подвижности» под действием силы, действующей в поле. Он был разработан и сообщил Дж. Кэлвин Гиддингс в 1976 г.^[1] Гиддингс, которому приписывают изобретение FFF, был профессором химии и специалистом по хроматографии и методам разделения в Университет Юты. Метод FFF уникален для других методов разделения, потому что он может разделять материалы в широком диапазоне. коллоидный диапазон размеров при сохранении высокого разрешения. Хотя FFF - чрезвычайно универсальный метод, не существует универсального метода для всех приложений.

При фракционировании полевого потока поле возможно гидравлический (с асимметричный поток через полупроницаемую мембрану), гравитационный, центробежный, тепловой, электрические, или же магнитный. Во всех случаях механизм разделения обусловлен различиями в подвижности частиц (электрофоретический, когда поле представляет собой электрическое поле постоянного тока (DC), вызывающее поперечный электрический ток) под действием сил поля, в равновесии с силы распространение: часто-параболический ламинарный поток Профиль скорости в канале определяет скорость конкретной частицы, исходя из ее положения равновесия от стенки канала. Отношение скорости частицы к средней скорости жидкости называется коэффициент удержания.

Основные принципы

Фракционирование в полевом потоке основано на ламинарном потоке частиц в растворе. Эти компоненты образца изменяют уровни и скорость в зависимости от их размера / массы. Поскольку эти компоненты будут перемещаться с разной скоростью, происходит разделение. Ниже приводится упрощенное объяснение установки. Разделение образца происходит в тонком лентообразном канале, в котором есть входной поток и поток перпендикулярного поля. Входящий поток - это то место, где жидкость-носитель закачивается в канал, и он создает параболический профиль потока, и он продвигает образец к выходу из канала. Как только образец вымывается из канала, он попадает в детектор. Из-за сходства FFF с жидкостной хроматографией в способах прохождения жидкой подвижной фазы через канал наиболее распространенными детекторами являются те, которые также используются для ЖК. Чаще всего используется УФ-детектор из-за его неразрушающего характера.

Соотношение силы (F) и времени удерживания (TR)

Связь между разделительным силовым полем и временем удерживания можно проиллюстрировать из первых принципов. Рассмотрим две популяции частиц в канале FFF. Поперечное поле направляет оба облака частиц к нижней «аккумулирующей» стене. Этому силовому полю противостоит естественная диффузия частиц, или броуновское движение, которое вызывает встречное движение. Когда эти два процесса переноса достигают равновесия, концентрация частиц c приближается к экспоненциальной функции высоты x над стенкой накопления, как показано в уравнении 1.

${\displaystyle c=c_{0}e^{\frac {-x}{l}}}$

l представляет собой характерную высоту облака частиц. Это относится к высоте, которую группа частиц может достигать в канале, и только когда значение l отличается для каждой группы, произойдет разделение. L каждого компонента может быть связано с силой, приложенной к каждой отдельной частице.

${\displaystyle l={\frac {kT}{F}}}$

Где k - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура, а F - сила, действующая на одну частицу поперечным потоком. Это показывает, как значение характеристической высоты обратно пропорционально приложенной силе. Следовательно, F управляет процессом разделения. Следовательно, варьируя напряженность поля, можно управлять разделением для достижения оптимальных уровней. Скорость V облака молекул - это просто средняя скорость экспоненциального распределения, встроенного в параболический профиль потока. Время удерживания tr можно записать как:

${\displaystyle t_{r}={\frac {L}{V}}}$

Где L - длина канала. Впоследствии время удерживания можно записать как:

т_р/ т^о = w / 6l ⌊coth w / 2l- 2l / w⌋⁻¹

Где to - время пустоты (появление не удерживаемого индикатора), а w - толщина образца. Подстановка kT / F вместо l показывает время удерживания по отношению к приложенной поперечной силе.

т_р/ т^о = Fw / 6kT ⌊coth Fw / 2kT- 2kT / Fw⌋⁻¹

Для эффективной работы значение толщины канала w намного превышает l. В этом случае член в скобках приближается к единице. Следовательно, уравнение 5 можно аппроксимировать как:

т_р/ т^о = w / 6l = Fw / 6kT

Таким образом, tr примерно пропорционален F. Разделение полос частиц X и Y, представленное конечным приращением ∆tr времени их удерживания, достигается только в том случае, если приращение силы ∆F между ними является достаточным. Для этого требуется дифференциал силы всего 10–16 Н. Величина F и ∆F зависит от свойств частицы, напряженности поля и типа поля. Это позволяет использовать вариации и специализацию техники. Из этого основного принципа эволюционировали многие формы FFF, различающиеся по характеру прилагаемой разделяющей силы и диапазону размеров молекул, на которые они нацелены.

Фрактограмма

Центробежный FFF разделяет по массе (то есть по сочетанию плотности и размера частиц). Например, наночастицы золота и серебра одинакового размера могут быть разделены на два пика в соответствии с различиями в плотности золота и серебра.

График зависимости сигнала обнаружения от времени при разделении FFF, в котором различные вещества, присутствующие в жидкости, разделяются на основе их скоростей потока в некотором приложенном внешнем поле, таком как поток, центробежное, тепловое или электрическое поле.

Часто эти вещества представляют собой частицы, первоначально взвешенные в небольшом объеме жидкого буфера и проталкиваемые буфером по каналу FFF. Различные скорости отдельных видов частиц могут быть обусловлены их размером, массой и / или расстоянием от стенок канала с неоднородной скоростью потока. Таким образом, присутствие различных частиц в образце может быть идентифицировано путем обнаружения общего свойства на некотором расстоянии по длинному каналу и по полученной фрактограмме, показывающей присутствие различных видов пиками из-за разного времени прибытия, характерного для каждый вид и его физические и химические свойства.

В электрическом FFF электрическое поле контролирует скорость, контролируя поперечное положение либо заряженного (имеющего электрофоретическая подвижность ) или поляризованные (левитирующие в неоднородном поле) частицы в капиллярном канале с гидродинамически параболический профиль скорости потока, означающий, что скорость перекачиваемой жидкости является максимальной на полпути между стенками канала и монотонно спадает до минимума, равного нулю, на поверхности стенки.^[2]

Формы

Большинство доступных сегодня методов являются усовершенствованием тех, которые были созданы профессором Гиддингсом почти четыре десятилетия назад.

Поток

Из этих методов поток FFF был первым, который был предложен на коммерческой основе. Flow FFF разделяет частицы по размеру, независимо от плотности, и может измерять макромолекулы в диапазоне от 1 нм до 1 мкм. В этом отношении это наиболее универсальная доступная подтехника FFF. Поперечный поток в Flow FFF входит через пористую фритту в верхней части канала, выходя через выходную фритту полупроницаемой мембраны на стенке накопителя (то есть в нижней стенке).

Поток из полого волокна

Поток полых волокон FFF (HF5) был разработан Ли и другие. (1974).^[3] HF5 был применен для анализа решеток^{[требуется разъяснение ]} и другие макромолекулы. HF5 был первой формой проточного FFF, разработанной в 1974 году. Плоские мембраны вскоре превзошли по своим характеристикам полые волокна и вытеснили HF5 из тени. Одним из недостатков HF5 является наличие мембран с одинаковым размером пор. На практике используются различные виды керамических и полимерных мембран из полых волокон.

Асимметричный поток

Асимметричный поток FFF (AF4 ), с другой стороны, имеет только одну полупроницаемую мембрану на нижней стенке канала. Таким образом, поперечный поток создается жидкостью-носителем, выходящей из нижней части канала. Это обеспечивает чрезвычайно мягкое разделение и «сверхширокий» диапазон разделения. Полевое фракционирование с высокотемпературным асимметричным потоком - это самая передовая технология разделения полимеров с высокой и сверхвысокой молярной массой, макромолекул и наночастиц в диапазоне размеров.

Термический

Термический FFF, как следует из названия, устанавливает разделительную силу путем приложения градиента температуры к каналу. Стенка верхнего канала нагревается, а нижняя стенка охлаждается, перемещая полимеры и частицы к холодной стенке за счет тепловой диффузии. Термический FFF был разработан как метод разделения синтетических полимеров в органических растворителях. Термический FFF уникален среди методов FFF тем, что он может разделять макромолекулы как по молярной массе, так и по химическому составу, что позволяет разделять фракции полимера с одинаковой молекулярной массой. Сегодня этот метод идеально подходит для характеристики полимеров, гелей и наночастиц.

Одним из основных преимуществ Thermal FFF являются простые и очень хорошо определенные размеры разделительного канала, что делает возможной универсальную калибровку между лабораториями или между приборами, поскольку калибровочные константы Thermal FFF точно описывают соотношение обычной (молекулярной) диффузии коэффициент D к коэффициенту термодиффузии (или термофоретической подвижности) D_Т которые зависят только от полимера. Таким образом, универсальная калибровка ThFFF может быть перенесена в прибор и лабораторию, в то время как хорошо известная эксклюзионная хроматография Universal Calibration может быть перенесена только на тот же прибор. ^[4]

Разделение потока на фракционирование тонких ячеек

Тонкячеистое фракционирование с разделением потока (SPLITT) - это особая препаративная методика FFF, использующая гравитацию для разделения частиц размером микрон на постоянной основе. SPLITT выполняется путем закачки пробы, содержащей жидкость, в верхнее впускное отверстие в начале канала с одновременной закачкой жидкости-носителя в нижнее впускное отверстие. Регулируя соотношение расхода двух входных и двух выходных потоков, можно управлять разделением и разделять пробу на две фракции различного размера. Использование только силы тяжести в качестве разделяющей силы делает SPLITT наименее чувствительным методом FFF, ограниченным частицами размером более 1 мкм.

Центробежный

В центробежной FFF разделительное поле создается за счет центробежной силы. Канал имеет форму кольца, которое вращается со скоростью до 4900 об / мин в случае прибора Postnova Analytics CF2000. Поток и образец закачиваются в канал и центрифугируются, что позволяет оператору разделить частицы по массе (размеру и плотности). Преимущество центробежного FFF заключается в высоком разрешении по размеру, которое может быть достигнуто путем изменения прилагаемой силы, поскольку размер частиц пропорционален массе частицы в третьей степени.

Уникальное преимущество центробежного FFF связано с возможностью высокого разрешения. Единственным коммерчески доступным центробежным прибором FFF является CF2000 от Postnova Analytics, обладающий уникальной функцией разделения частиц по размеру и плотности. Это позволяет разделять частицы с разницей в размере всего 5%.

Центробежный FFF имеет то преимущество, что частицы и макромолекулы могут быть разделены по плотности частиц, а не только по размеру. В этом случае две наночастицы золота и серебра одинакового размера могут быть разделены на два пика в соответствии с различиями в плотности наночастиц золота и серебра, разделенных с помощью центробежного прибора FFF Postnova CF2000 с обнаружением с помощью динамического рассеяния света (DLS).

При разделении AF4 отношение массы ко времени составляет 1: 1. С добавлением третьего параметра плотности к центробежному FFF это дает соотношение, более близкое к соотношению масса: время к степени тройки. Это приводит к значительно большему различию между пиками и приводит к значительному улучшению разрешения. Это может быть особенно полезно для новых продуктов, таких как композитные материалы и полимеры с покрытием, содержащие наночастицы, то есть частицы, которые могут не различаться по размеру, но различаются по плотности. Таким образом, две частицы одинакового размера могут быть разделены на два пика, при условии, что их плотность различается.

Рекомендации

1. Гиддингс Дж. К., Ян Ф. Дж. И Майерс М. Н. (1976). «Flow Field-Flow Fractionation: новый универсальный метод разделения». Наука 193.4259: 1244–1245.
2. Маду, Марк (2001). Основы микротехнологии. США: CRC. С. 565–571. ISBN  0-8493-0826-7.
3. Ли Х.Л., Рейс Дж.Ф.Г. и Лайтфут Э. (1974). Однофазная хроматография: задержка растворения с помощью ультрафильтрации и электрофореза. Журнал Айше, т. 20, стр. 776.
4. W.J. Cao, P.S. Уильямс, М. Н. Майерс и Дж. К. Гиддингс, «Универсальная калибровка фракционирования теплового поля и потока: расширение для учета изменения температуры холодной стенки», Analytical Chemistry, 1999, 71, стр. 1597 - 1609.

внешняя ссылка

• Рода, А. (2005). «К мультианалитическому иммуноанализу: твердофазный формат с потоком и хемилюминесцентным детектированием». Клиническая химия. 51 (10): 1993–1995. Дои:10.1373 / Clinchem.2005.053108. ISSN  0009-9147.