Войти
Поперечное сечение канала фракционирования по полю-потоку (AF4), где скорость ламинарного потока в канале неоднородна. Жидкость движется по параболической схеме со скоростью потока, увеличиваясь к центру канала и уменьшаясь по направлению к сторонам. Фракционирование потока поля, сокращенно FFF, представляет собой разделение метод, при котором поле (тепловое, электрическое, магнитное, гидравлическое, гравитационное и т. д.) применяется к разбавленной суспензии в жидкости или к раствору, прокачанному через длинный и узкий канал, перпендикулярный направлению поля, чтобы вызвать разделение частиц, присутствующих в жидкости, в зависимости от их различной «подвижности» под действием силы, оказываемой полем. Он был разработан и описан Дж. Кэлвин Гиддингс в 1976 году. Гиддингс, которому приписывают изобретение FFF, был профессором химии и специалистом по хроматографии и методам разделения в Университете Юты. Метод FFF уникален для других методов разделения, поскольку он может разделять материалы в широком диапазоне размеров коллоидных при сохранении высокого разрешения. Хотя FFF - чрезвычайно универсальный метод, не существует универсального метода для всех приложений.
При фракционировании потока поле может быть гидравлическим (с асимметричным потоком через полупроницаемую мембрану), гравитационным, центробежный, термический, электрический или магнитный. Во всех случаях механизм разделения вызывается различиями в подвижности частиц (электрофоретическая, когда поле представляет собой электрическое поле постоянного тока (DC), вызывающее поперечный электрический ток) под действием сил поля, в равновесие с силами диффузии : часто параболический ламинарный профиль скорости потока в канале определяет скорость конкретной частицы на основе ее равновесия положение от стенки канала. Отношение скорости частицы к средней скорости жидкости называется коэффициентом удерживания.
На основе фракционирования в полевом потоке о ламинарном течении 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.
Связь между полем разделяющей силы и временем удерживания можно проиллюстрировать из первых принципов. Рассмотрим две популяции частиц в канале FFF. Перекрестное поле направляет оба облака частиц к нижней «аккумулирующей» стене. Этому силовому полю противостоит естественная диффузия частиц, или броуновское движение, которое производит 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.
l представляет собой характерную высоту облака частиц. Это относится к высоте, которую группа частиц может достичь 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.
где k - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура, а F - сила, действующая на одну частицу крестом. течь. 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:
где L - длина канала. Впоследствии время удерживания можно записать как:
tr/ t = w / 6l coth w / 2l- 2l / w⌋
Где to - время пустоты (появление не удерживаемого индикатора) w - толщина образца. Подстановка kT / F вместо l показывает время удерживания по отношению к приложенной поперечной силе.
tr/ t = Fw / 6kT coth Fw / 2kT- 2kT / Fw⌋
Для эффективной работы значение толщины канала w намного превышает l. В этом случае член в скобках приближается к единице. Следовательно, уравнение 5 можно аппроксимировать следующим образом:
tr/ t = w / 6l = Fw / 6kT
Таким образом, tr примерно пропорционально F. Разделение полос частиц X и Y, представленное конечным приращением ∆tr в их временах удерживания достигается, только 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.
Центробежный FFF разделяет по массе (т. Е. По комбинации 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, на котором различные вещества присутствуют 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 латеральное положение либо заряженных (имеющих электрофоретическую подвижность ), либо поляризованных (левитирующих в неоднородном поле) частиц. в капиллярном канале с гидродинамически параболическим профилем скорости потока, что означает, что скорость перекачиваемой жидкости является максимальной на полпути между стенками канала и монотонно спадает до минимума до нуля на поверхности стенки.
Большинство доступных сегодня методов является усовершенствованием тех, которые были созданы профессором Гиддингсом почти четыре десятилетия назад.
Из этих методов Flow 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 из доступных методик FFF. Поперечный поток в Flow FFF входит через пористую фритту в верхней части канала, выходя через полупроницаемую мембранную выходную фритту на стенке накопления (то есть в нижней стенке).
Поток из полых волокон FFF (HF5) был разработан Lee et al. (1974). HF5 применялся для анализа решеток и других макромолекул. HF5 был первой формой проточного FFF, который был разработан 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 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.
Thermal FFF, как следует из названия, создает 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 является уникальным 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.
Одно из основных преимуществ Thermal FFF - это простые и очень четко определенные размеры разделительного канала, что делает возможной универсальную калибровку между лабораториями или инструментами, поскольку калибровочные константы Thermal FFF точно описывают соотношение от обычного (молекулярного) коэффициента диффузии D до коэффициента термодиффузии (или термофоретической подвижности) D T, 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.
Разделение потока с тонкими ячейками фракционирования (SPLITT) - это особый метод препаративного FFF, использующий гравитацию для разделения частиц размером микрон на непрерывной 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 расходов двух входных потоков и двух выходных потоков, можно контролировать разделение 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.
В центробежном FFF поле разделения 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 высокой разрешающей способностью метода. 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 частиц. 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 которые действительно различаются по плотности. Таким образом, две частицы одинакового размера могут быть разделены на два пика, при условии, что их плотность различается.
