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Feld-Fluss Fraktionierung (FFF)

Feld-Fluss Fraktionierung zur Charakterisierung von Mikro- und Nanoplastik

Was ist Feld-Fluss Fraktionierung?
Die Feld-Fluss-Fraktionierung ist eine Separationstechnik zur Auftrennung von Partikeln im Größenbereich zwischen 1 nm und 20 µm. Die Trennung erfolgt mithilfe eines Kraftfelds, das senkrecht zur Flussrichtung der Probe wirkt. Als mögliche Kraftfelder für die Analyse von Mikro- und Nanoplastik (MNP) Proben kommen ein zusätzlicher Flüssigkeitsstrom (Cross Flow) oder ein Gravitationsfeld infrage. Unter Einwirkung dieser senkrecht zur Hauptflussrichtung ausgerichteten Kräfte sowie infolge der Brownschen Molekularbewegung werden die Partikel entsprechend ihren physikalischen Eigenschaften – insbesondere Größe oder Dichte – differenziert und separiert.

Wie läuft eine typische Messung ab?
Die Probe muss in flüssiger Form vorliegen und wird nach Injektion in den Trennkanal gespült. Anschließend erfolgt eine Fokussierung sämtlicher enthaltener Partikel. Durch das senkrecht zum Hauptfluss wirkende Kraftfeld (in der Abbildung dargestellt als Querfluss/Cross Flow) werden die Partikel in Richtung der semipermeablen Membran gedrückt. Das Ausmaß dieser Verschiebung hängt von den physikalischen Eigenschaften sowie der Brownschen Molekularbewegung der Partikel ab. Abschließend erfolgt die Ausspülung der Partikel aus dem Kanal. Aufgrund des laminaren Strömungsprofils herrscht in der Kanalmitte die höchste Flussgeschwindigkeit, während diese zum Rand hin abnimmt. Daraus ergibt sich eine Elutionsreihenfolge: Zunächst eluieren Partikelfraktionen aus der Kanalmitte, gefolgt von jenen aus randnahen Bereichen.

Gewonnene Informationen
FFF-Systeme ermöglichen nicht nur die Größenseparation von MNPs, sondern – durch Kopplung geeigneter Detektionsmethoden – auch deren umfassende Charakterisierung. So lassen sich u. a. der hydrodynamische und der Gyrationsradius bestimmen, die Größenverteilung analysieren sowie spektrale Informationen wie die molekulare Zusammensetzung erfassen.

Limitationen, Vorteile und Nachteile
Ein FFF-System bietet den entscheidenden Vorteil, MNP-Proben ohne aufwendige Probenvorbereitung sowohl zu separieren als auch hinsichtlich ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften eingehend zu charakterisieren. Die separierten Partikelfraktionen können anschließend gesammelt und für weiterführende Analysen herangezogen werden. Einschränkungen bestehen jedoch hinsichtlich der Partikelkonzentration in der Probe: Reale MNP-Proben befinden sich häufig im unteren Konzentrationsbereich, der für die FFF-Analytik erforderlich ist. In vielen Fällen ist daher eine vorherige Aufkonzentrierung der Probe notwendig.