Einführung

Die Analytische Ultrazentrifugation wurde in den zwanziger Jahren dieses Jahrhunderts entwickelt. Ihr Erfinder ist der Schwede Thé Svedberg, der erstmalig eine schnelldrehende Zentrifuge mit einem optischen System ausstattete, um die Sedimentation der Partikel registrieren zu können. Svedberg zu Ehren trägt heute die Einheit der Sedimentationskonstanten seinen Namen.

Fliehkraft Svedberg bestimmte mit Hilfe der Analytische Ultrazentrifugation Teilchengrößenverteilungen von Goldsolen. In der Folge wurde sie vor allem in der Biochemie zur Bestimmung von Molmassen und Sedimentationskoeffizienten eingesetzt. Nachdem sie in den siebziger Jahren durch andere, modernere Methoden (Lichtstreuung, Gelpermeationschromatographie, Gelelektrophorese) verdrängt wurde, hat in den vergangenen Jahren die Kolloidforschung und die Erforschung komplizierter, wechselwirkender Systeme in der Biochemie das Interesse an dieser Methode wieder geweckt, so daß neben den traditionellen Anwendungsgebieten neue Einsatzmöglichkeiten gefunden wurden.

Wie die Abbildung zeigt, wirkt auf ein Teilchen in der Mitte der Meßzelle eine Fliehkraft, die dem 260 000fachen der Erdbeschleunigung entspricht, wenn die Höchstgeschwindigkeit von 60 000 U/min gefahren wird. Diese Fliehkraft reicht aus, um selbst Teilchen von nur wenigen Nanometern Größe in wenigen Stunden oder schneller sedimentieren zu lassen. Während der Sedimentation fragen optische Systeme das Konzentrationsprofil innerhalb der Meßzelle ab. Die Konzentrationsprofiele zu verschiedenen Zeiten geben nun Auskünfte über:

  • die Masse - ein großer Stein sinkt schneller als ein kleiner -
  • die Dichte - eine Stahlkugel sinkt schneller als eine Kugel aus Kunststoff -
  • die Form - ein Knäuel aus Stahlwolle sinkt langsamer als eine kompakte Kugel.

Optik

Damit sind bereits drei wesentliche Partikeleigenschaften genannt, die auf die Sedimentation Einfluß nehmen. Hinzu kommen konzentrationsabhängige Phänomene sowie der Effekt der Diffusion, der zeitabhängig ist und der Sedimentation entgegen wirkt.

In Kombination mit anderen Meßmethoden läßt sich anhand der Analytische Ultrazentrifugation so gut wie alles über die sedimentierenden Partikel erfahren. Dies liegt vor allem daran, daß die Analytische Ultrazentrifugation als einzige Kolloid-Analysemethode die Masse registiert. Dagegen sind Streumethoden z.B. auf dem Brechungsindex empfindlich, Rheologie und Viskosimetrie reagieren stark auf Form und Wechselwirkungen; andere Methoden auf die Ladung von Partikeln, die Osmometrie ausschließlich auf deren Zahl.

Die geschickte Ergänzung verschiedener Meßmethoden kann ein unverfälschtes und vollständiges Bild des kolloidalen Systems bieten. Dabei kommt der Analytische Ultrazentrifugation als dispersiver Absolutmethode eine Schlüsselstellung zu.