Einfluss interner und externer elektrischer Felder auf den Transport geladener Analyten in chromatographischen Materialien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Als globales Ziel ist die Charakterisierung und das Verständnis der Kombination interner und extern angelegter elektrischer Potentialgradienten hinsichtlich des (lokalen und makroskopischen) Transports geladener Spezies in partikulären und monolithischen Festbetten mit ionenpermselektiven Domänen umgesetzt worden. Die Arbeiten stellen eine Synergie zwischen mikroskopischen Experimenten (konfokale Lasermikroskopie) und makroskopischen, elektrochromatographischen Feldstudien dar. Die Aussagen und Schlußfolgerungen dieser Arbeiten werden zusätzlich durch Modellierungsarbeiten ergänzt und bekräftigt. Die konfokale Lasermikroskopie wurde zu einer leistungsfähigen Methode ausgebaut, mit der sich direkt und quantitativ in einem porösen Partikel, sowie dem gesamten Festbett und den Monolithen über diskrete räumliche und zeitliche Domänen Analytverteilungen und Massentransferkinetiken bestimmen lassen. Ausgehend von der Implementierung dieser Methode wurden komplexe Transportvorgänge in Festbetten aus porösen, ionenpermselektiven Partikeln und Monolithen mit ionenpermselektiven Gerüst untersucht. Das betrifft eine schrittweise aufbauende Charakterisierung von miteinander örtlich gekoppelten Phänomenen wie Gleichgewichtselektrostatik, nicht-lineare und starke Adsorption der geladenen Analyten an der Oberfläche, Donnan-Gleichgewicht und elektrokinetische Effekte. Im Zentrum dieser Untersuchungen stand die an den Grenzflächen ladungsselektiver Domänen durch elektrische Felder induzierte Konzentrationspolarisation. Ziel war es, ihre Dynamik in Abhängigkeit von Feldstärke, lonenstärke der Lösung, sowie der Morphologie der Materialien zu dokumentieren und weiterhin ihren Einfluß auf das Verweilzeitverhalten geladener Analyten aufzuzeigen. Lasermikroskopische Arbeiten wurden komplementiert durch makroskopische Feldstudien, die Auswirkungen der untersuchten Phänomene (lonenpermselektivität; Induktion abund angereicherter Konzentrationspolarisationszonen, deren Intensität von elektrischer Feldstärke und Ladungsselektivität in den Materialien abhängt) in elektrochromatographischen Trennverfahren auch bestätigten. Die Modellierung hatte schließlich eine Verknüpfung zwischen mikroskopisch (konfokale Lasermikroskopie) und makroskopisch (Elektrochromatographie) ausgerichteten Experimenten hergestellt und erfolgreich die vorher erlangten Schlussfolgerungen zu lokalen Transporteigenschaften bekräftigt und verfeinert. Durch dieses komplementäre und synergistische Vorgehen konnte eine der 14 Realität nahe kommende Beschreibung der Hydrodynamik und Konzentrationspolarisation auf der Basis von gezieltem experimentellem Arbeiten zu einer Entflechtung und einem besseren Verständnis der für geladene viel komplexer als für neutrale Moleküle ausfallenden Transportprozesse, hier insbesondere bezüglich Retention und Dispersion, in den Festbetten beitragen. Diese Ergebnisse zeigen deutlich die Konsequenzen des gekoppelten Masse- und Ladungstransports für Anwendungen, z.B. hinsichtlich einer durch die elektrischen Felder einstellbaren Selektivität, Retention und Effizienz in {elektro)chromatographischen und Mikrochip-Trennverfahren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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A. Höltzel, U. Tallarek Ionic conductance of nanopores in microscale analysis systems: Where microfluidics meets nanoflutdics. JoumatofSeparation Science 2007, 30,1398-1419.
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D. Hlushkou, S. Khirevich, V. Apanasovich, A. Seidel-Morgenstern, U. Tallarek 0282714 02 3 Pore-scale dispersion in electrokinetic flow through a random sphere packing. ^A 268/1-2 Analytical Chemistry 2007, 79, 113-121
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D. Hlushkou, U. Tallarek Transition from creeping via viscous-inertial to turbulent flow in fixed beds. Journal of Chromatography A 2006, 1126, 70-85.
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F. C. Leinweber, M. Pfafferodt, A. Seidel-Morgenstern, U. Tallarek Electrokinetic effects on the transport of charged analytes in biporous media with discrete ion-permselective regions. Analytical Chemistry 2005, 77, 5839-5850.
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F. C. Leinweber, U. Tallarek Concentration polarization-based nonlinear electrokinetics in porous media: Induced-charge electroosmosis. Journal of Physical Chemistry ß 2005, 109, 21481-21485.
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I. Nischang, G. Chen, U. Tallarek Electrohydrodynamics in hierarchically structured monolithic and particulate fixed beds. Journal of Chromatography A 2006, 1109, 32-50.
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I. Nischang, K. Spannmann, U. Tallarek Key to analyte migration and retention in electrochromatography. Analytical Chemistry 2006, 78, 3601-3608.
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I. Nischang, U. Tallarek ' Fluid dynamics in capillary and chip electrochromatography. Electrophoresis 2007, 28, 611-626.
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I. Nischang, U. Tallarek Nonlinear electroosmosis in hierarchical monolithic structures. Electmphoresis 2004, 25, 2935-2945.
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l. Nischang, A. Höltzel, A, Seidel-Morgenstern, U. Tallarek Concentration polarization and nonequilibrium electroosmotic slip in hierarchical monolithic structures. Electrophoresis 2008, 29, 1140-1151.
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LI. Tallarek, F. C. Leinweber, I. Nischang Perspective on concentration polarization effects in electrochromatographic separations. Electrophoresis 2005, 26, 391-404.
