场流分离技术.doc

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（Fieldflowfractionation—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(electricalfieldflowfractionation—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