场流分离技术

场流分离技术的研究

摘要：场流分离是一种方便快捷的分析分离技术，它具有设备简单，应用广泛，效率高等优点。该文介绍了场流分离原理及理论，描述了场流分离设备的主要结构，着重讲述了电场流分离、热场流分离、沉降场分离、流场流分离的方法及应用。比较了不同场流分离技术的差异，展望了场流分离发展的方向。

关键词：场流分离，电场流分离，热场流分离，沉降场分离，流场流分离

1场流分离简介

场流分离（Field flow fractionation—FFF）作为一种新的分离技术，最早是由Giddings博士在1966年提出的，它可用于大分子、胶体和微粒的分离[1]。Giddings提出在相距很近的上下平板间构成扁平带状流道，载流液流于其中。载流为层流，其流型为抛物线型，中心线上速度最大。侧向场从侧面垂直于流动方向施加，侧向场导致不同成分处在距下壁不同的位置上，从而有不同的移动速度，在此前提下进行分离。通常情况下，我们把由上下平板构成的扁平带状流道，称为分离流道或称为分离室。FFF是一种基于流动的分离方法，像色谱法一样，典型的场流分离运行过程中，被分离样本是以窄样品带的形式或脉动液流的形式被注入分离流道。一个连续流动的液体作为分离载体，通常我们把该流动液体称为分离载液。

向场施加后样本中的微粒将向某一流道壁面浓聚，该壁面被称为积聚壁。FFF系统中，矩形流道的宽高比一般大于100:1。对于这样一种流道，当液体流经此流道时，我们可近似地将液体的流动看作是在两无限大平面间的流动。同时场流分离流道的厚度很小，因此流道内液体的流速剖面为抛物线形或近似抛物线形的二维层流。其流速剖面如图1-1所示。

2场流分离原理及理论

2.1场流分离原理

在FFF系统中,由于矩形微流道的宽高比大于100∶1,因此流速剖面近似为二维层流。分离场垂直于流动方向施加。样品组分除了随载流的纵向流动外在分离场的作用下，还存在垂直于流道的漂移运动。由于FFF流道高度极小，因此样品仅需要扩散很短的距离就可以到达场力与扩散力平衡的位置。故在FFF中,实现分离应用的场强比类似方法的场强小。虽然FFF的分离机理完全不同于层析法,但其工作过程与层析法极其相似。被分离(分析)的样品脉动地注入分离流道中流动的载流液中，由于保持力的不同,样品的组分在不同的时间内出现在流道的出口。在FFF中，分离是由作用于样品的外加场力与样品的扩散力相互作用完成的。作用于样品的外加场力驱动样品组分向流道的一壁面(积聚面)漂移，而样品的扩散力则起相反作用。当场力与扩散力达到平衡时，微粒将处于距积聚面距

离一定的位置上。利用零滑移假设,在流道壁处流速趋近于零。载流液速度剖面呈抛物线形状或近似抛物线形状,其最大速度在流道中心附近，最小速度在流道壁处。由于被分离样品中各组分受分离场影响的不同，样品中不同的组分将处于距积聚面不同的位置，即不同的组分处于不同的流速层面。因此，那些受分离场影响较强的组分距积聚面较近，流速较小，而那些与分离场作用弱的组分距积聚面较远，流速较大。由于不同组分流速的差异，它们通过流道所需时间(保持时间)也就不同。图3图示了这一原理。保持时间与组分的特性有关，利用这些特性实现样品中不同组分的分离。同样也可利用测定保持时间来确定与其相关的特性。

3场流分离种类

场流分离作为一类分离技术，虽然依据的基本原理相同，但根据所加外场类型的不同，场流分离技术主要分为流场流分离，热场流分离，沉降场流分离，电场流分离等，其中流场流分离又可分为对称流场流分离和非对称流场流分离。3.1电场流分离

电场流分离技术作为微粒子分离技术最早出现于1972年,并用于多种蛋白质的分离[8]。电场流分离( electricalfield flow fractionation—EFFF)不是直接的流动分离技术,而是依赖于垂直分离方向上(流动方向)的电场在低黏性的载液中完成分离的。载液由泵注入分离流道中。在电场流分离系统中,被分离的组分由于其电敏感性的不同,所受的电场作用力就不同。当微粒所受的电场作用力与扩散力达到平衡时,不同的微粒将处于距积聚壁不同的距离,因此不同的微粒在流道中就有了不同的速度。这样就造成了不同的微粒在不同的时间出现在分离流道的出口,从而完成分离。在EFFF系统中,电场E垂直于流道施加,粒子的漂移速度取决于它们的电泳淌度μ。理论上凡具有电敏感性的微粒都可利用电场流分离技术分离。在电场流分离过程中存在着双电层效应,由于双电层效应的影响,系统有效电场强度损失巨大。据测,有效电场强度一般不超过外加电场强度的3%[9],多数情况为1%左右。EFFF具有所有FFF系统的优势,例如:可完成细胞、大分子、胶质、乳状液和脆性组织的分离。在EFFF中,电场通过控制粒子团到通道上下面的距离,来控制粒子在通道中的平均速度。具有高电泳活力的粒子会更靠近积聚面。EFFF 系统的应用包括:细胞分离、乳状液和脂质体的鉴别。EFFF也可用于样本的预处理,预处理后的样本在其他分析系统中被进一步分析。电场流分离最初用于蛋白质的分析、分离[11]。随后发展为多种微粒的分析分离,如:人类红细胞、胶体、糖、黏土[12~15]等。

3.2热场流分离

在热场流分离(Th2FFF)中,应用的“场”是温度梯度。温度梯度是依靠上下壁面的温差建立的,在商业用仪器上采用的温度梯度高达40 000 K·cm-1(FFFractionation, Inc.,SaltLake City, Utath)。这一温度梯度横穿液流,液流在温度不同的两平行板间流动,热扩散使样品组分向积聚面漂移。Th2FFF侧重于在亲脂性聚合体上的应用。Th2FFF专门用于人造聚合物的分析和特征描述已有30多年[16~19]。近些年来不断探索把该技术应用于微粒的分离。Th2FFF可用于粒径小到1μm以下,大到20μm微粒的提取,分离[20]。目前已成为测量稀释聚合物溶液热扩散系数极其方便的工具。它测量速度快,通常只需10~20 min。

3.3沉降场流分离

沉降场分离外加场可以是重力即重力场流分离(GFFF),也可以是离心力即离心力场流分离或称沉降场分离(SdFFF)。GFFF是一种最简单的FFF技术。GFFF 利用地球重力场作为外加力场,与其他FFF相比，GFFF在理论方面还需完善。如当，微粒在载流液中洗提时，某些力在其上的作用情况。这其中主要是液力升力，它与重力相反,阻碍微粒向积聚壁移动。GFFF已成功应于红细胞，胶体，淀粉，葡萄酒酵母的分析鉴定[22~27]。SdFFF应用与GFFF相似。如：硅凝胶体粒子；聚合体橡胶和细胞的分离纯化[28~33]。与GFFF相比, SdFFF结构相对复杂，外力场变化范围较大且易控制。

3.4流场流分离

流场流分离( flow2FFF)最早由J. C. Giddings等人于1984年提出。flow2FFF 的外加力场为垂直于流道(流动)方向的横向流。flow2FFF装置与其他场流装置略有不同，其流道上下壁具有渗透能力。在flow2FFF中，分析物被横流推向半渗透性壁，并被只允许载流通过的膜隔离在积聚墙处。这样流道壁保证了在分离过程中外加横向流的实施。通过外加横向流的作用使不同的微粒处于流道中的不同流速层面上，从而实现不同的微粒在不同的时间出现在流道的出口处完成分离。现有的flow2FFF设备可完成多种微粒的离。如：PostnovaAnalytics公司的AF4 10000系列流场流分析设备可应用于生物、制药、环境、材料科学及高分子材料等的分离。其适用的微粒尺寸范围从1 nm~0.1 mm。此外，流场流分离于近些年已应用于微粒尺寸测定，蛋白质特性分析等方面[34~36]。

4 长流分离的应用

5场流分离国内外发展方向

场流分离目前主要发展方向是与微细加工技术相结合，使其小型化，微型化。但并不是所有种类的场流分离技术均可实现微型化。由于受分离机理的限制，只有那些以力的梯度作为分离机理的场流分离技术可实现微型化。场流分离系统微型化后可能获得的益处包括：提高分辨率，减少分离时间，减少仪器尺寸，降低能耗。同时还可减少时间常数、溶剂消耗、松弛和平衡时间。国外已对电场流微型化从理论及实验上做了一些工作。实验证明，电场流微型化后分离时间明显降低，由原来的近2 h降为2 min左右。温度场流分离的微型化研究也获得进展。但目前场流微型化仍处于理论研究与探索阶段，有许多理论及结构上的问题还有待解决。对场流分离流道的优化设计近期国外也做了一些探索。场流分离在国外已研究了数十年，但目前国内研究还处于起步阶段。有关场流分离深层次的机理