This article gives an overview of a recently developed channel system, frit-inlet asymmetrical flow field-flow fractionation (FI-AFlFFF), which can be applied for the separation of nanoparticles, proteins, and water soluble polymers. A conventiona l asymmetrical flow FFF channel has been modified into a frit-inlet asymmetrical type by introducing a small inlet frit near the injection point and the system operation of the FI-AFlFFF channel can be made with a great convenience. Since sample components injected into the FI-AFlFFF channel are hydrodynamically relaxed, sample injection and separation processes proceed without interruption of the migration flow. Therefore in FI-AFlFFF, there is no requirement for a valve operation to switch the direction of the migration flow that is normally achieved during the focusing/relaxation process in a conventional asymmetrical channel. In this report, principles of the hydrodynamic relaxation in FI-AFlFFF channel are described with equations to predict the retention time and to calculate the complicated flow variations in the developed channel. The retention and resolving power of FI-AFlFFF system are demonstrated with standard nanospheres and protreins. An attempt to elucidate the capability of FI-AFlFFF system for the separation and size characterization of nanoparticles is made with a fumed silica particle sample. In FI-AFlFFF, field programming can be easily applied to improve separation speed and resolution for a highly retaining component (very large MW) by using flow circulation method. Programmed FI-AFlFFF separations are demonstrated with polystyrene sulfonate standards and pululans and the dynamic separation range of molecular weight is successfully expanded.
Sodium hyaluronate (NaHA), water soluble polymer having ultra-high molecular weight, is characterized by using on-line frit inlet asymmetrical flow field-flow fractionation (FI-AFlFFF) and multiangle light scattering (MALS). This study demonstrates the capability of power programming FI-AFlFFF for the separation of NaHA and the applicability of FI-AFlFFF with MALS for the characterization of molecular weight distribution and their structural information. Since sample injection and relaxation in FI-AFlFFF are achieved by using hydrodynamic relaxation, separation of high molecular weight polymers can be achieved smoothly without halting the separation flow. Experiments are carried out with the two different NaHA products (a raw NaHA sample and a thermally degraded NaHA product) and molecular weight distribution and conformations in solution are determined. Influence of sample filtration on the change of molecular weight distribution is also discussed.
Asian dust particles are known to have sizes ranging from a few nanometers up to about a few micrometers. The environmental and health effects depend on the size of the dust particles. The smaller, the farther they are transported, and the deeper they penetrate into the human respiratory system. Sedimentation field-flow fractionation (SdFFF) provides separation of nano to microparticles using a combination of centrifugal force and parabolic laminar flow in a channel. In this study, the steric mode of SdFFF (Sd/StFFF) was tested for size-based separation and characterization of Asian dust particles. Various SdFFF experimental parameters including flow rate, stop-flow time and field strength of the centrifugal field were optimized for the size analysis of Asian dust. The Sd/StFFF calibration curve showed a good linearity with $R^2$ value of 0.9983, and results showed an excellent capability of Sd/StFFF for a size-based separation of micron-sized particles.The optical microscopy (OM) was also used to study the size and the shape of the dust particles. The size distributions of the samples collected during a thick dust period were shifted towards larger sizes than those of the samples collected during thin dust periods. It was also observed that size distribution of the sample collected during dry period shifts further towards larger sizes than that of the samples collected during raining period, suggesting the sizes of the dust particle decrease during raining periods as the components adsorbed on the surface of the dust particles were removed by the rain water. Results show Sd/StFFFis a useful tool for size characterization of environmental particles such as the Asian dust.
Pollens are known to be an allergen. They penetrate human respiratory system, triggering a type of seasonal allergic rhinitis called pollen allergy (hey fever). The purpose of this study is to test two field-flow fractionation (FFF) techniques, gravitational FFF (GrFFF) and sedimentation FFF (SdFFF), for their applicability to sizecharacterization of micron-sized pollens. Both GrFFF and SdFFF are elution techniques, providing sequential elution of particles based on size. They allow the size distribution as well as the mean size of the sample to be determined from the elution time. In this study, GrFFF and SdFFF were used to determine the size distribution of Paper Mulberry and Bermuda Grass pollens. For the Paper Mulberry pollen, the mean size obtained by GrFFF is 12.7 μm, and agrees rather well with the OM data with the relative error of 8.0%. For the Bermuda Grass pollen, the mean size obtained by GrFFF is 32.6 μm with the relative error of 12.3%. The mean sizes determined by SdFFF are 12.4 (relative error = 10.1%) and 27.1 μm (relative error = 5.2%) for the Paper Mulberry and the Bermuda Grass pollen, respectively. Although SdFFF tends to yield more accurate size distribution due to lower band broadening under the field strength higher than 1 G, the sizes determined by GrFFF were not significantly different from those by SdFFF.
Flow field-flow fractionation (FlFFF) is a technology to separate the molecules by size in an open channel. Molecules with different size have different diffusivities and are located vertically in different positions when passing through an open channel. In this study, hollow fiber membranes instead of conventional rectangular channels have been used as materials for the open channel and this change would decrease the cost of manufacturing. FlFFF is a useful technique to characterize the biopolymeric materials. Retention time, diffusion coefficients and Stokes radius of analysis can be calculated from the related simple equations. Hollow-fiber flow field-flow fractionation (HF-FlFFF) has been used for the characterization and separation of protein mixture in a phosphate buffer solution and has demonstrated the potential to be developed into a disposable FlFFF channel. The important indexes for the analytical separation are selectivity, resolution and plate height. The optimized separation condition for protein mixture of Ovalbumin, Alcohol dehydrogenase, Apoferritin and Thyroglobulin is ${\dot V}_{out}/{\dot V}_{rad}=0.65/0.85\;mL/min$.
Whey protein (WP) is a mixture of proteins, and is of high nutritional values. WP has become an important source of functional ingredients in various health-promoting foods. In this study, size-exclusion chromatography (SEC) and asymmetrical flow field-flow fractionation (AsFlFFF) were used for separation and analysis of whey proteins. It was found that a lab-prepared WP from raw milk is mostly of ${\beta}$-lactoglobulin with small amount of higher molecular weight components, while a commercial whey protein isolate (WPI) powder contains relatively larger amount of components other than ${\beta}$-lactoglobulin, including IgG and protein aggregates. Results suggest that AsFlFFF provides higher resolution for the major whey proteins than SEC in their normal operation conditions. AsFlFFF could differentiate the BSA and Albumin, despite a small difference in their molecular weights, and also was able to separate much smaller amount of aggregates from monomers. It is noted that SEC was able to show the presence of low molecular weight components other than the major whey proteins in the WP samples, which AsFlFFF could not show, probably due to the partial loss of those low molecular weight species through the membrane.
High viscosity carbon black dispersions are used in various industrial fields such as color cosmetics, rubber, tire, plastic and color filter ink. However, carbon black particles are unstable to heat due to inherent characteristics, and it is very difficult to keep the quality of the product constant due to agglomeration of particles. In general, particle size analysis is performed by dynamic light scattering (DLS) during the dispersion process in order to select the optimum dispersant in the carbon black dispersion process. However, the existing low viscosity analysis provides reproducible particle distribution analysis results, but it is difficult to select the optimum dispersant because it is difficult to analyze the reproducible particle distribution at high viscosity. In this study, dynamic light scattering (DLS) and asymmetrical flow field-flow fractionation (AsFlFFF) analysis methods were compared for reproducible particle size analysis of high viscosity carbon black. First, the stability of carbon black dispersion was investigated by particle size analysis by DLS and AsFlFFF according to milling time, and the validity of analytical method for the selection of the optimum dispersant useful for carbon black dispersion was confirmed. The correlation between color and particle size of particles in high viscosity carbon black dispersion was investigated by using colorimeter. The particle size distribution from AsFlFFF was consistent with the colorimetric results. As a result, the correlation between AsFlFFF and colorimetric results confirmed the possibility of a strong analytical method for determining the appropriate dispersant and milling time in high viscosity carbon black dispersions. In addition, for nanoparticles with relatively broad particle size distributions such as carbon black, AsFlFFF has been found to provide a more accurate particle size distribution than DLS. This is because AsFlFFF, unlike DLS, can analyze each fraction by separating particles by size.
Swelling of starch granules by water-sorption causes a progressive or sometimes abrupt change in sorption behavior as a result of structural alterations and the possible exposure of new sites with high affinity for water. It is thus of interest to examine the time-dependent change in the size or shape of the starch granules. Gravitational field-flow fractionation (GrFFF) utilizes the earth's gravity as the external field, and is useful for separation of micron-sized particles with larger particles eluting earlier than smaller ones. In this study, GrFFF was used to monitor the swelling of two starch granules, potato starch and sweet potato starch during contact time of 11-12 days at room temperature in water. Results from GrFFF were compared with those obtained from optical microscope (OM). For both starch granules, the mean sizes were increased with time spent in water.
Kim, Kihyun;Choi, Seong-Ho;Lee, Seungho;Kim, Woonjung
Analytical Science and Technology
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v.32
no.5
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pp.173-184
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2019
As the size of semiconductors becomes smaller, it is necessary to perform high precision polishing of nanoscale. Ceria, which is generally used as an abrasive, is widely used because of its uniform quality, but its stability is not high because it has a high molecular weight and causes agglomeration and rapid precipitation. Such agglomeration and precipitation causes scratches in the polishing process. Therefore, it is important to accurately analyze the size distribution of ceria particles. In this study, a study was conducted to select dispersants useful for preventing coagulation and sedimentation of ceria. First, a dispersant was synthesized and a ceria slurry was prepared. The defoamer selection experiment was performed in order to remove the air bubbles which may occur in the production of ceria slurry. Dynamic light scattering (DLS) and asymmetrical flow field-flow fractionation (AsFlFFF) were used to determine the size distribution of ceria particles in the slurry. AsFlFFF is a technique for separating nanoparticles based on sequential elution of samples as in chromatography, and is a useful technique for determining the particle size distribution of nanoparticle samples. AsFlFFF was able to confirm the presence of a little quantities of large particles in the vicinity of 300 nm, which DLS can not detect, besides the main distribution in the range of 60-80 nm. AsFlFFF showed better accuracy and precision than DLS for particle size analysis of a little quantities of large particles such as ceria slurry treated in this study.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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