Analytischen Ultrazentrifugation – Experiment Sedimentationsgeschwindigkeit

Das Sedimentationsgeschwindigkeitsexperiment ist das am häufigsten mit der Analytischen Ultrazentrifuge durchgeführte Experiment. Die Messdaten können auf verschiedenste Weise ausgewertet werden, was zu einer großen Bandbreite an Ergebnissen eröffnet. Ohne jegliche Annahmen erhält man durch einfache Transformation die Sedimentationskoeffizientenverteilung (kurz: s-Verteilung), die bereits grundlegende Informationen liefert:

  • Wie viele Komponenten sind enthalten?
  • Sind diese Komponenten poly- oder monodispers?
  • Sedimentieren die Komponenten eher schnell oder langsam?

Unter Einführung von Annahmen und Modellen werden aus der s-Verteilung weitere Ergebnisse abgeleitet, wie z. B.

  • Partikelgrößenverteilungen
  • Partikeldichteverteilungen
  • Molmassenverteilungen
  • Diffusionskoeffizienten

Die s-Verteilung ist unabhängig von der individuellen Beschaffenheit des Teilchens. Sie gibt lediglich ein Maß dafür, wie schnell sich ein Teilchen oder Molekül in einem genormten Gravitationsfeld bewegt. In ihre Berechnung fließen keine Annahmen ein. Die s-Verteilung ist das primäre Ergebnis der Messung.

UZ-Sedimentationsgeschwindigkeitsexperiment
Die Sedimentationsfront bewegt sich im Fortgang des Experiments in Richtung Zellboden (von links nach rechts)

Ein Sedimentationsgeschwindigkeitslauf ist relativ schnell und damit das billigste unter allen Experimenten auf der Analytischen Ultrazentrifuge. In der nebenstehenden Abbildung sind die aufeinanderfolgenden Scans eines Sedimentationsgeschwindigkeitsexperiments dargestellt. Sie zeigen die Sedimentationsprofile einer sedimentierenden Spezies in konstanten Zeitintervallen.

Die Sedimentationskonstante eines Teilchens mit gegebener Molmasse, Dichte und Form ist auch von Temperatur, Druck, Lösungsmitteldichte und -viskosität abhängig. Daher wird das Experiment entweder unter Standardbedingungen durchgeführt, oder die Konstante wird auf diese Bedingungen korrigiert.

Anhand weiterer Berechnungen kann die s-Verteilung in Teilchengrößen- und Molekülmassenverteilungen umgerechnet werden. Auch Dichteverteilungen und Diffusionskonstanten sind aus diesem primären Ergebnis verfügbar. Im Einzelnen:vailable from this primary result. Specifically:

  • s-Verteilungen können bei gegebener Dichte direkt in Partikelgrößenverteilungen umgerechnet werden.
  • Bei unbekannter Teilchendichte erhält man eine Dichteverteilung durch Vergleich der s-Verteilungen aus zwei Sedimentationsgeschwindigkeitsexperimenten, die in Lösungsmitteln unterschiedlicher Dichte durchgeführt wurden. Dieses Verfahren wird als Dichtevariation bezeichnet.
  • Molmassenverteilungen erhält man unter Einbeziehung der Teilchendichte und der Reibungseigenschaften.
  • Diffusionskoeffizienten werden aus der zeitabhängigen Verbreiterung der Sedimentationsfront berechnet.

Mit modernen Rechenalgorithmen kann eine umfassende Modellierung von Partikeln und Makromolekülen, einschließlich ihrer Reibungseigenschaften, durch globale Anpassung an Lösungen der Lamm-Gleichung erreicht werden, wobei sowohl Sedimentations- als auch Diffusionsprozesse berücksichtigt werden.