AUZ – Sedimentationsgleichgewicht

Das Sedimentations-Diffusions-Gleichgewichtsexperiment wird für die Bestimmung von Molmassen eingesetzt. Dies ist eine klassische Technik der Analytischen Ultrazentrifugation; in der Biochemie wurden jahrzehntelang unzählige Molekülmassen von Proteinen auf diese Weise bestimmt. Heutzutage werden alternative und oft kostengünstigere Methoden bevorzugt, insbesondere die SEC, und in vielen Fällen sind diese Methoden auch schneller.

Dennoch ist die Analytische Ultrazentrifugation aus den folgenden Gründen nach wie vor ein wichtiger Ansatz:

  • Bei chromatographischen Methoden können Probleme hinsichtlich der Wechselwirkungen zwischen Säule und Probe auftreten.
  • In vielen Fällen ist ein deutlich anderes Elutionsmittel als das ursprüngliche Lösungsmittel (Formulierung) erforderlich, d. h. das Ergebnis beschreibt nicht die ursprüngliche Probe.
  • Möglicherweise ist kein brauchbarer Standard verfügbar oder die Kalibrierung ist ineffizient, so dass eine Absolutmethode erforderlich ist.
  • Es ist keine Säule für das spezifische Lösungsmittel verfügbar.
  • Bei anderen Methoden können die Partikelgeometrien zu irreführenden Ergebnissen führen.
  • Interpartikuläre Wechselwirkungen können von Interesse sein – sie verfälschen bei anderen Methoden die Messergebnisse, werden aber von der AUZ identifiziert und quantifiziert.

Die Genauigkeit der Gleichgewichtsergebnisse der Analytischen Ultrazentrifugation (3% Fehler) wird von anderen Methoden nicht erreicht. Die benötigten Probenmengen sind extrem klein.

AUZ-Sedimentationsgleichgewicht
Konzentrationsprofil im Sedimentations-Diffusions-Gleichgewicht

Bei einem Sedimentations-Diffusions-Gleichgewicht stellt sich innerhalb der Probenzelle ein dynamisches Gleichgewicht zwischen Sedimentation und Diffusion ein. Zunächst bewirkt das Zentrifugalfeld eine Sedimentation des Materials zum Zellenboden hin, wodurch sich dort die lokale Konzentration der gelösten Stoffe erhöht. Dies führt zu einer Zunahme der Rückdiffusion entgegen dem Zentrifugalfeld. Nach ausreichender Zeit (dies kann mehrere Tage dauern) wird ein stationärer Zustand erreicht. Die Abbildung zeigt ein typisches exponentielles Konzentrationsprofil im Sedimentations-Diffusions-Gleichgewicht. Aus diesem Profil kann eine gewichtsgemittelte Molekülmasse berechnet werden, wobei die Partikeldichte und die Versuchsbedingungen berücksichtigt werden.

Molmassen können wesentlich schneller aus Sedimentationsgeschwindigkeitsexperimenten gewonnen werden, was darüber hinaus den Vorteil hat, dass man Molmassenverteilungen anstelle von Massenmittelwerten erhält. Diese Auswertung erfordert jedoch mehr oder weniger komplexe globale Anpassungen, die sowohl Sedimentations- als auch Diffusionsprozesse berücksichtigen. Weitere Hindernisse können uneinheitliche Reibungseigenschaften bei Gemischen und Wechselwirkungen zwischen Partikeln sein. Es wird der gesamte hydrodynamische Parametersatz berücksichtigt, während beim Sedimentationsgleichgewicht der Satz auf Masse und Dichte reduziert wird – unter Ausschluss aller mit Transportprozessen verbundenen Eigenschaften. Dies macht das Gleichgewichtsexperiment zuverlässiger, wenn die Molekülmasse die Zielgröße ist.

Für Molmassenverteilungen erhält man das Gewichtsmittel, aber auch numerische und z-Mittelwerte sind zugänglich. Dies ist eine Frage der Auswertung; in der Literatur sind zahlreiche Ansätze dokumentiert. Wir verwenden für die Auswertung die von Creeth und Harding entwickelte M*-Funktion. Dies ist ein recht anspruchsvoller Ansatz, der jedoch kein Modell erfordert und eine hohe statistische Sicherheit bietet.

Ausführlichere Informationen über den theoretischen Hintergrund sind auf unserer wissenschaftlichen Website zusammengestellt.