Wenn eine Flüssigkeit mit verggleichsweise hoher Geschwindigkeit durch eine Kapillare gepresst wird, sodass

• hoher laminarer Fluss vorliegt,

dann wird aufgrund der dabei

• auftretenden Scherkräfte
• ein Trenneffekt von in der Flüssigkeit befindlichen, unterschiedlich grossen Substanzteilchen beobachtet.

Dieser Effekt wird als ‘Tubular Pinch Effect’ bezeichnet.

Dabei werden die Partikel durch die Scherkräfte in der Strömung an die Kapillarwand bewegt

• und Teilchen mit grösseren beanspruchten Kugel-Äquivalentvolumina befinden sich dann länger in Bereichen mit höheren axialen Strämgeschwindigkeiten
• als Teilchen mit geringeren Kugel-Äquivalentvolumina.

Grosse Teilchen werden vor kleineren eluiert.

Die Trennleistung orientiert sich im wesentlichen an der Länge der Kapillare und den dem ‘Tubular Pinch Effect’ entgegengesetzten Dispersionseffekten (hauptsächlich: kT).

Field Flow Fractionation (FFF)

Die Trennung verschiedener Substanzkomponenten erfolgt bei der FFF aufgrund differentieller Retention in einem Flüssigkeitsstrom, der durch einen dünnen Kanal fliesst. Die feststellbare Retentionszeit t_R lässt sich oft direkt mit bestimmten physikoschemischen Substanzeigenschaften in Verbindung bringen. Zur Identifiaktion von Komponenten reicht dies zumeist schon aus - wenn Quantifizierung erforderlich ist, müssen entsprechende Kalibrierungen in die Datenauswertung einbezogen werden.

Die FFF-Trennung wird in einem schmalen Kanal, der sich zwischen zwei hochpolierten, planparallelen Oberflächen befindet, erreicht. Dieser Strömungskanal ist zwischen 20-100 cm lang, 1-3 cm breit und 50-500 m m dick.

Ein FFF-Kanal enthält keine stationäre Phase - die Retention wird durch ein externes, orthogonal auf die primäre Flussrichtung (z) innerhalb des Kanales wirkendes Feld erzeugt. Abhängig vom Ausmass der Wechselwirkung der einzelnen Komponenten mit diesem Feld, werden die Substanzteilchen mehr oder weniger stark gegen die Akkumulationswand (Anreicherungswand) abgelenkt: es bildet sich ein exponentielles Konzentrationsprofil aus.

Diesem Anreicherungsprozess wirkt ein Diffusionsprozess entgegen bis sich nach kurzer Zeit ein Gleichgewicht einstellt - Relaxation des Systems gegeben ist. Die Gleichgewichstanordnung der Probenkomponenten lässt sich mit einer mittleren Schichtdicke (l) beschreiben.

Die primäre Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Kanales hängt nun, unter der Annahme laminaren Flusses, aufgrund des parabolischen Flussprofiles vom Abstand (x) zu den Seitenwänden ab.

In der Praxis befinden sich grössere Partikel/Moleküle üblicherweise näher an der Akkumulationswand und werden deshalb nach den kleinen Partikeln eluiert. Das Konzentrationsprofil einer Probenkomponenente an der Akkumulationswand lässt sich in der Form einer Gleichung für den Stofftransport beschreiben. Daraus folgt für die Flussdichte (J_x) einer Komponente über die Kanaldicke (x) in Richtung des angelegten Feldes:

D: Diffusionskoeffizient; c(x): Probenkonzentration in Abhängigkeit von der Entfernung x von der Akkumulationswand; U: die durch das angelegte Feld verursachte Driftgeschwindigkeit der Moleküle;

Im Gleichgewichtszustand wird der Gesamtfluss Null und das Konzentrationsprofil c(x) stellt sich folgendermassen dar:

Der Parameter wird dabei als Mass für die effektive Schichtdicke eingeführt und entspricht einem mittleren Abstand der Probenkomponenten von der Wand.

Diese effektive Schichtdicke verhält sich umgekehrt proportional zu der auf das jeweilige Teilchen wirkenden Kraft - starke Wechselwirkungskräfte bewirken geringe Schichtdicke. Zur Vereinfachung wird l oft in der dimensionslosen Form l ausgedrückt:

wobei w die Schichtdicke in der FFF-Zelle und F die Grösse der angelegten orthogonalen Kraft ist. Für verschiedene Kräfte (und damit verschiedene FFF-Techniken) muss schliesslich

• ein Ausdruck für l
• und das für die WW mit der angelegten Kraft entscheidende Probenmerkmal

gefunden werden.

FFF-Techniken

thermische FFF

Sedimentations FFF

Gravitation (Zentrifuge)

elektrische FFF

Kapillar/Fluss FFF

flow FFF
Druck FFF
assymetric flow FFF
frit-inlet/frit-outlet FFF
2D-sedimentation flow FFF

Konzentrations FFF

magnetic FFF

Scher FFF

Capillary Hydrodynamic Fractionation (CHDF) stellt einen Grenzfall der FFF dar: Trennung von Komponenten bei ‘ausgeschaltetem’ externen Feld.

StericFFF stellt im Vergleich dazu, jenen Grenzfall dar, bei dem die Brown’sche Molekularbewegung vernachlässigbar gegen die Kraft des angelegten Feldes wird.

Dabei befinden sich die Partikel vollständig an der Akkumulationswand und werden, vergleichbar zur CHDF, in abnehmender Partikelgrösse eluiert. Mit steigender Flussrate bildet sich ausserdem eine sogenannte ‘Hyperschicht’ aufgrund hydrodynamischer Auftriebskräfte aus, die die Probenkomponenten von der Akkumulationswand in schneller fliessende Schichten des parabolischen Flussprofiles hebt. Mit dieser Technik lassen sich sehr rasche Trrennungen von Partikeln im Grössenordnungsbereich zwischen 1-50 m m erzielen.