AUZ – Dichtevariation

Die Technik der Dichtevariation ermöglicht die gleichzeitige Bestimmung von Größen- und Dichteverteilungen. Dieses Experiment ist geeignet, um

  • Größenverteilungen für Partikel oder Moleküle mit unbekannter Dichte zu erhalten,
  • Partikeldichten oder Dichteverteilungen zu bestimmen,
  • Größenverteilungen für multimodale Gemische mit Spezies unterschiedlicher Dichte zu erhalten,
  • Systeme mit Exzeßgrößen zu untersuchen,

Das Verfahren ist sowohl auf Sedimentationsgeschwindigkeits- als auch auf Sedimentationsgleichgewichtsversuche anwendbar. Es basiert auf vergleichenden Messungen in zwei oder mehr chemisch äquivalenten Lösungsmitteln unterschiedlicher Dichte – zumeist protonierte und deuterierte Varianten desselben Lösungsmittels. Das Teilchen oder Molekül erfährt in jedem der beiden Lösungsmittel eine andere Sedimentationsgeschwindigkeit bzw. eine andere Auftriebsdichte. Für die Sedimentationsgeschwindigkeit erhält man eine Dichteverteilung, für das Sedimentationsgleichgewicht ein Gewichtsmittel.

Die Sedimentationsgeschwindigkeitsvariante ist relativ billig und schnell. Die Sedimentationsgeschwindigkeit wird in zwei Lösungsmitteln unterschiedlicher Dichte gemessen; die Kombination der sich ergebenden Sedimentationskoeffizientenverteilungen ergibt gleichzeitig

  • eine Partikeldichteverteilung und
  • eine Partikelgrößenverteilung, äquivalent zu
  • einer Massenverteilung,

wobei Größen und Dichten eindeutig einander zugeordnet sind. Das primäre Ergebnis ist eine Dichteverteilung, die die Berechnung von Größen und Massen unter der Voraussetzung der Kenntnis der Reibungseigenschaften ermöglicht.

AUZ-Dichtevariation
Partikelgrößen- und Dichteverteilungen aus der Dichtevariation

In der Abbildung sind die integralen und differentiellen Partikelgrößenverteilungen in schwarz bzw. blau dargestellt. Die entsprechenden Dichten sind in Rot auf der rechten Achse aufgetragen. In diesem Fall ist eine monomodale Verteilung mit nahezu konstanter Dichte zu beobachten. Eine Flanke hin zu kleineren Durchmessern weist eine etwas geringere Dichte auf.

Ein interessanter Aspekt beim Umgang mit harten Kugeln, z. B. Polystyrol-Latices, ist, dass der ermittelte Durchmesser der geometrische Durchmesser ist. Aus den Rohdaten wird hingegen der hydrodynamische Durchmesser ermittelt. Das bedeutet, dass das Experiment auch die Dicke der Hydratationsschale liefert.

Wenn das Teilchen hingegen mit Lösungsmittel gequollen ist, entspricht die erhaltene Dichte der Trockendichte des reinen Materials. Dies gilt z. B. für Polymerknäuel und für Proteine. Für letztere bedeutet dies, dass die höchst relevante Eigenschaft der Hydratation über die Dichtevariation zugänglich ist, ein Parameter, der für das Verständnis der Funktionalität solcher Moleküle von höchster Bedeutung ist.

Mit zunehmender Komplexität eines Partikels müssen weitere Methoden zur vollständigen Charakterisierung herangezogen werden. Hochkomplexe Aggregate wie Mizellen, die möglicherweise sogar Exzeßgrößen aufweisen, können umfassend charakterisiert werden, wobei Parameter wie der Durchmesser des Mizellkerns oder die Quantifizierung der Exzeßgrößen zugänglich werden.

Konzentration und Diffusion können sich erheblich auf die Ergebnisse einer Dichtevariation auswirken, was eine sorgfältige Festlegung von Versuchs- und Bewertungsstrategien erfordert. Die Technik ist äußerst leistungsfähig und zuverlässig und profitiert von der Tatsache, dass die Analytische Ultrazentrifugation die einzige Analysemethode ist, die auf der Tatsache beruht, dass beschleunigte Masse eine Kraft ausübt – und somit auf Masse und Dichte als grundlegende Partikeleigenschaften abzielt. Die Analytische Ultrazentrifugation ist die einzige Methode, die in der Lage ist, Partikeldichteverteilungen zu messen.

Weitere theoretische Hintergründe finden Sie auf unserer wissenschaftlichen Website unter www.analytical-ultracentrifugation.com.