Analytische Ultrazentrifugation - Sedimentationsgeschwindigkeitsexperiment

Das Sedimentationsgeschwindigkeitsexperiment ist eines der häufigsten AUZ-Experimente überhaupt. Die hieraus gewonnenen Daten lassen sich in vielfältiger Weise auswerten. Ohne weitere Auswertungen wird aus diesem Experiment eine Sedimentationskoeffizientenverteilung (kurz: s-Verteilung) erhalten, die bereits folgende Fragen beantwortet:

  • Aus wie vielen Komponenten besteht das System?
  • Sind diese Komponenten polydispers oder monodispers?
  • Sedimentieren die Komponenten schnell oder langsam?

Die Messung der reinen Sedimentationsgeschwindigkeit ist also sinnvoll, wenn Sie wissen wollen, aus wie vielen Komponenten Ihr System besteht, und wenn die Sedimentationsgeschwindigkeit für Sie zur Charakterisierung Ihrer Partikel bereit ausreicht. Häufig ist der Versuch auch Ausgangspunkt für eine sinnvolle, weitergehende Versuchsführung oder weitere Auswertungen.

Anhand weiterer Annahmen und Auswertungen erhalten Sie aus dem Sedimentationsgeschwindigkeitsexperiment

  • Teilchengrößenverteilungen
  • Dichteverteilungen
  • Molmassenverteilungen
  • Diffusionskoeffizienten

Die s-Verteilung ist unabhängig von der Natur der Teilchen. Sie gibt nur an, wie schnell die fraglichen Teilchen unter Einfluß eines Schwerefeldes sedimentieren. Es gehen keinerlei Annahmen in die Auswertung ein. Die s-Verteilung ist die primäre Meßgröße.

Sedimentationsgeschwindigkeitsexperiment
Abbildung 1: Ergebnis eines Sedimentationsgeschwindigkeitsexperiments.

Das Experiment erfordert keine besondere Expertise bei der Auswertung und kann innerhalb einiger Stunden oder schneller durchgeführt werden. Daher ist es sehr preiswert. Die nebenstehende Abbildung zeigt das Ergebnis eines Sedimentationsgeschwindigkeitsexperiments. Die Kurven stellen in festem Zeitabstand aufgenommene Scans einer sedimentierenden Spezies dar.

Die Sedimentationskonstante ist bei gegebener Molmasse, Dichte und Gestalt noch abhängig von Druck, Temperatur und Lösemittel. Daher wird das Experiment entweder bei vereinbarten Bedingungen durchgeführt, oder der gemessene Sedimentationskoeffizient wird auf diese Bedingungen korrigiert.

Durch weitere Auswertungen kann die s-Verteilung in Teilchengrößenverteilungen (TGV) oder Teilchendichteverteilungen umgerechnet werden. Auch Molmassenverteilungen und Diffusionskoeffizienten sind aus diesen Rohdaten zugänglich. Im einzelnen:

  • Teilchengrößenverteilungen durch direkte Umrechnung, sofern die Dichte der Partikel bekannt ist.
  • Wenn die Dichte nicht bekannt und/oder nicht konstant ist, wird die TGV simultan mit einer Teilchendichteverteilung aus einer Kombination von zwei Sedimentationsgeschwindigkeitsexperimenten gewonnen. Dieses Verfahren wird im Abschnitt über Dichtevariation erklärt.
  • Molmassenverteilungen können ebenfalls anhand der Dichtevariation berechnet werden.
  • Diffusionskoeffizienten werden anhand der Verbreiterung der Sedimentationsfront berechnet. Dieses Verfahren wird im Abschnitt über Diffusion beschrieben.