Einführung in die Analytische Ultrazentrifugation

Die analytische Ultrazentrifugation wurde in den 1920er Jahren von dem Schweden Thé Svedberg erfunden. Er war der erste, der eine schnell rotierende Zentrifuge mit einem optischen System ausstattete, um die Sedimentation von Partikeln zu verfolgen. In Anerkennung dieser bahnbrechenden Innovation wurde der Sedimentationskoeffizient später mit der Einheit Svedberg [S] versehen. Im Jahr 1926 erhielt er den Nobelpreis für Chemie – nur 18 Jahre nach seiner Promotion.

Bereits 1924 entdeckte er, dass „Hämoglobin in Lösung höchstwahrscheinlich eine Molekularmasse von 66800 aufweist – in vier Untereinheiten von 16700“. Ein früher und spektakulärer Erfolg der Analytischen Ultrazentrifugation.

Thé Svedberg
Svedberg-Zentrifuge

Mit Hilfe der Analytischen Ultrazentrifugation bestimmte Svedberg die Partikelgrößenverteilungen von Goldsolen. In der Folge wurde die Methode in der Biochemie zur Bestimmung von Molmassen und Sedimentationskoeffizienten eingesetzt. In den 1970er Jahren wurde sie weitgehend durch andere Methoden (Lichtstreuung, Größenausschlusschromatographie, Gelelektrophorese) ersetzt, doch mit dem Aufschwung der Kolloidwissenschaften in den letzten Jahrzehnten und dem neu erwachenden Interesse an biochemischen Wechselwirkungen haben sich neben den traditionellen auch neue Anwendungsbereiche eröffnet.

Ein Partikel in einer Probenzelle wird Zentrifugalfeldern bis zum 260.000-fachen der Erdanziehungskraft ausgesetzt, bei einer maximalen Drehzahl von 60.000 U/min, welche derzeit das Limit der Maschine darstellt. Diese Felder reichen aus, um Partikel mit Durchmessern von einigen Nanometern oder Moleküle mit Molmassen ab 2.000 in mehreren Stunden oder weniger zur Sedimentation zu zwingen. Während des Sedimentationsprozesses werden die Konzentrationsprofile in der Probenzelle von optischen Detektoren registriert, die zeit- und ortsaufgelöste Daten liefern. Diese Meßdaten liefern Informationen über

  • Masse – ein großer Stein sinkt im Wasser schneller als ein kleiner.
  • Dichte – eine Kugel aus Stahl sinkt schneller als eine aus Kunststoff.
  • Form – eine Kugel sinkt schneller als ein Knäuel, ein Stab oder eine Scheibe.

Dies sind die drei grundlegenden Eigenschaften, welche die Sedimentationsgeschwindigkeit eines Objekts bestimmen. Zusätzlich wirken Konzentrations- und Diffusionseffekte der Sedimentation entgegen, wobei letztere zeitabhängig sind.

Die Analytische Ultrazentrifugation ist die einzige Methode in der Kolloidanalytik, die auf der Masse als grundlegender physikalischer Eigenschaft basiert. Im Gegensatz dazu sind Streumethoden empfindlich gegenüber Änderungen des Brechungsindex, Rheometrie und Viskosimetrie empfindlich gegenüber Form und Wechselwirkungen zwischen den Partikeln, Osmometrie ausschließlich gegenüber der Anzahl der Partikel, andere Methoden gegenüber Ladungen. Die Analytische Ultrazentrifuge nimmt aufgrund ihrer wichtigsten Eigenschaften eine Schlüsselposition ein: Sie ist dispersiv und eine absolute Methode – und basiert als einzige auf der Tatsache, dass Masse in einem Schwerefeld eine Kraft ausübt.

Vorteile der Analytischen Ultrazentrifugation (AUZ)

Die folgenden Merkmale machen die Analytische Ultrazentrifugation zu einer wertvollen Technik für die Kolloid- und biophysikalische Analytik:

  1. Die Analytische Ultrazentrifugation ist eine Absolutmethode.
  2. Die Analytische Ultrazentrifugation ist eine dispersive Methode; Gemische werden während der Analyse fraktioniert.
  3. Die Analytische Ultrazentrifugation ermöglicht den Zugang zu geometrischen (Größe, Form, Struktur) und thermodynamischen Eigenschaften (Gleichgewichtskonstanten, freie Energien, Enthalpien, Entropien).
  4. Mit einer maximalen Winkelgeschwindigkeit von 60 000 U/min, was der 260 000-fachen Erdbeschleunigung entspricht, ist die Analytische Ultrazentrifugation für einen Partikelgrößenbereich von 1 bis 1000 nm und einen Molekularmassenbereich von ca. 2 000 Da bis zu Hunderten von MDa geeignet.
  5. Es können beliebige Lösungsmittel verwendet werden.
  6. Ein breiter Konzentrationsbereich ist zugänglich – Formulierungen können in ihrem ursprünglichen Zustand untersucht werden (sofern geeignete Geräte/Detektoren verfügbar sind).
  7. Die Detektion ist dank mehrerer, ggf. synchron arbeitender optischer Systeme sehr vielseitig.
  8. Komplexe Gemische werden mit hoher statistischer Zuverlässigkeit fraktioniert, da alle sedimentierenden Objekte erfasst werden.
  9. Die Kombination von Sedimentation und spektroskopischen Eigenschaften ermöglicht die Charakterisierung anhand orthogonaler Informationen.

Die grundlegende physikalische Eigenschaft, auf welcher die Analytische Ultrazentrifugation basiert, ist die Masse bzw. die Dichte. Dies ist das wesentliche Alleinstellungsmerkmal der Analytischen Ultrazentrifugation.

Experimente

Klicken Sie auf ein Bild, um kurze Informationen über die Basisexperimente der Analytischen Ultrazentrifugation zu erhalten.

Die theoretischen Hintergründe zu den Experimenten finden Sie auf www.analytical-ultracentrifugation.com.

Eine anwendungsorientierte Einführung in die Methode können Sie sich im PDF-Format herunterladen (2,3 MB).