VYUŽITI FIELD-FLOW FRAKCIONACE PRO MERENI VLASTNOSTI MAKROMOLEKUL A ČÁSTIC

Význam tématu

Field-flow frakcionace představuje moderní eluční techniku, která umožňuje současnou separaci a charakterizaci makromolekul a částic v rozsahu od jednotek nanometrů po stovky mikrometrů. Díky kombinaci laminárního toku nosné kapaliny a externího fyzikálního pole dokáže FFF rychle a selektivně dělit komplexní biologické, průmyslové i ekologické vzorky za mírných podmínek bez potřeby stacionární fáze. Její schopnost měřit hmotnost, velikost, difuzní koeficient, hustotu, náboj či izoelektrický bod z elučních dat činí FFF nenahraditelnou v mnoha oblastech, od biomedicínského výzkumu po kontrolu kvality průmyslových nanomateriálů.

Cíle a přehled studie / článku

Autor se v tomto přehledu zaměřuje na možnosti využití různých technik FFF pro měření vlastností makromolekul a částic. Cílem je představit teoretické základy i terminologii FFF, popsat tři hlavní eluční mody (brownovský, sterický, fokusační) a ukázat, jak z naměřených elučních časů vypočítat charakteristické veličiny analyzovaných systémů. Článek neklade důraz na detailní popis konstrukce zařízení, ale na metody měření a interpretaci výsledků.

Použitá metodika a instrumentace

Pro separace v různých FFF technikách se využívá:

• tenký plochý kanál (obdélníkový či lichoběžníkový průřez) vyrobený z inertního materiálu či skla;
• permeabilní membrána pro tokovou FFF, umožňující příčný průtok nosné kapaliny;
• rotační průchodka a rotor centrifugy pro sedimentační a centrifugační FFF;
• elektrody pro elektrickou FFF a systémy vytvářející gradient pH či hustoty;
• řídicí jednotka pro programování intenzity externího pole a rychlosti toku, která umožňuje měnit sílu pole i průtok během separace.

Hlavní výsledky a diskuse

Studie zdůrazňuje tři základní eluční mody:

• Brownovský mod – analyty distribuovány exponenciálně od stěny; umožňuje stanovit difuzní koeficienty a je velmi citlivý na síly v řádu 10⁻¹⁵ N.
• Sterický mod – částice vytvářejí vrstvu na stěně; retence úměrná průměru částic, ale praktické měření komplikuje interakce a hydrodynamické síly blízko stěny.
• Fokusační mod – analyty se lokalizují uvnitř kanálu tam, kde síly v rovnováze se silovým polem ruší; minimalizuje kontakt se stěnou a umožňuje vypočítat neznámé externí síly.

Dále je ukázáno, že kombinací gravitačního pole a příčného toku lze vytvořit elutriační-gravitační FFF, zatímco pH a hustotní gradient generují izoelektrickou a sedimentačně-flotační fokusační FFF. Diskuse upozorňuje na vliv hydrodynamických sil (HDS) a nutnost nové jednotné terminologie, která upřednostňuje názvy podle typu pole, nikoliv podle změn elučního modu.

Přínosy a praktické využití metody

FFF nabízí:

• rozsáhlou selektivitu bez adsorpce na stacionární fázi, což je klíčové pro biologické makromolekuly a částice;
• možnost on-line kombinace s detektory (UV, MALS, DLS) a off-line odběr frakcí pro další analýzy;
• vysokou citlivost na vnější síly, umožňující měřit interakční a lorenzovské síly i malé změny náboje či hustoty;
• snadné programování separačních podmínek pro optimalizaci rozlišení.

Budoucí trendy a možnosti využití

Budoucí rozvoj FFF směřuje k:

• integraci ultra citlivých detekčních technik (fluorescenční, hmotnostní spektrometrie) pro stopové analytické aplikace;
• zdokonalení materiálů kanálů a povrchových úprav, které minimalizují interakce a HDS efekty;
• rozvoji gradientových a multidimenzionálních FFF, kombinujících více polí a principů pro komplexní charakterizaci nanomateriálů;
• využití v biomedicínské diagnostice a kvalitativních testech nových nano­částic ve farmacii a potravinářství.

Závěr

Field-flow frakcionace je univerzální a vysoce selektivní technika vhodná pro komplexní separaci i charakterizaci makro­molekul a částic. Přes nutnost gestiónu interakcí se stěnami kanálu a hydrodynamických efektů nabízí přesné měření fyzikálních vlastností analytů v jediném kroku. Budoucí vývoj nových materiálů, multidimenzionálních postupů a citlivých detektorů slibuje další rozšíření uplatnění FFF ve vědě i průmyslu.

Reference

1. Giddings J. C.: Sep. Sci. Technol. 1, 123 (1966).
2. Provder T., Barth H. G., Urban M. W.: Chromatographic Characterization of Polymers, ACS, 1995.
3. Kompala D. S., Todd P. (ed.): Cell Separation Science and Technology, ACS, 1991.
4. Giddings J. C.: Science 260, 1456 (1993).
5. Chmelík J., Krumlova A. a kol.: Chem. Listy, připr. k otištění.