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Sedimentation (Ultrazentrifuge)

Sedimentation

In groben Dispersionen mit Teilchen im Größenbereich > 1000  nm setzen sich die dispergierten Teilchen im Gravitationsfeld der Erde mit der Zeit am Boden des Gefäßes ab, sofern die dispergierten Partikel eine höhere Dichte als das Dispersionsmittel aufweisen. Dieser Prozess wird als Sedimentation bezeichnet.

Da das Gravitationsfeld der Erde relativ schwach ist, führt es nur bei Teilchen mit größerer Masse zu einer deutlich wahrnehmbaren Sedimentation. Kolloide und Lösungen von Makromolekülen hingegen sind unter normalen Bedingungen im Gravitationsfeld der Erde über lange Zeiträume stabil, d.h. es tritt in typischen Beobachtungszeiträumen keine oder nur eine sehr langsame Sedimentation auf.

Sedimentationsgeschwindigkeit

Zu Beginn der Zentrifugation ist die Probe in ihrem gesamten Volumen einheitlich zusammengesetzt. Im Laufe der Sedimentation wandern die Partikel mit konstanter Geschwindigkeit u nach außen (unten) in Richtung des Zellbodens.

Sedimentationsgeschwindigkeit
Die Geschwindigkeit der Sedimentation hängt von der Stärke des Gravitationsfeldes, von der Teilchendichte (Masse, Volumen) und Geometrie der Teilchen ab. Je größer die Masse der Teilchen ist, desto schneller sedimentieren sie. Sphärische und kompakte Partikel sedimentieren in der Regel schneller als ausgedehnte, z.B. stäbchenförmige oder gequollene Teilchen.

Durch die Wanderung der Partikel zum Zellboden entsteht innerhalb der Zelle eine Sedimentationsfront, die mit der Zeit entsprechend der Bewegung der Partikel nach außen wandert. Vom Meniskus her verarmt die Dispersion an Partikeln, am Zellboden reichern sie sich an. An der Sedimentationsfront steigt die Konzentration der Partikel sprunghaft an. Während der Zentrifugation wird die Wanderungsgeschwindigkeit der Sedimentationsfront, die der Sedimentationsgeschwindigkeit u der Partikel entspricht, entlang des Zellradius R mit optischen Methoden registriert. Die charakteristische experimentelle Größe ist die Sedimentationsgeschwindigkeit u der Partikel.

Ultrazentrifugation

Die Sedimentationsgeschwindigkeit kleiner Teilchen lässt sich in einer Ultrazentrifuge erhöhen. In der Ultrazentrifuge wird das Gravitationsfeld durch ein Zentrifugalfeld ersetzt, in dem selbst kolloidale Teilchen mit messbarer Geschwindigkeit sedimentieren. Die Ultrazentrifugation wurde in den zwanziger Jahren des letzten Jahrhunderts von Svedberg entwickelt. Moderne Ultrazentrifugen erlauben Drehzahlen von 68.000 U / min . Dabei entwickeln sie ein Schwerefeld, das dem ca. 300.000-fachen der Erdbeschleunigung entspricht.

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