場流分離技術 場流分離技術 場流分離技術
一些奈米微粒複雜混合物的特別問題需要使用粒徑分離的方法以減少其複雜度，場流分 離技術(field-flow fractionation, FFF)為一種可以進行奈米微粒分徑分析的前瞻和多功工具，也 是最常與ICP-MS結合的分離技術。Dubascoux et al. (2010) 提供了從注射及預濃縮到分析的 FFF基礎分離理論以及實際分析的關鍵要素，並整理了FFF-ICP-MS耦合度主要操作情況，例 如載體成分、流量和霧化器，並特別著重FFF-ICP-MS的界面問題。另外Dubascoux et al. (2010)
也探討了FFF-ICP-MS的定性及定量分析。場流分離技術可視為一種混合層析法以及場驅動方 法，例如電泳和超高速離心，如圖4.1.3.5 所示。場流分離技術的原理有: 熱力、對稱流、非 對稱流、靜電力、沉降、重力或電磁力，以及各種分離技術的結合，如表4.1.3.2所示。Song et al. (2010) 利用周期電場流分離技術(cyclical electrical field-flow fractionation, CyElFFF)分離微 粒及生物分子，如蛋白質、核酸、病毒、細菌、酵母細胞及哺乳動物細胞，其研究著重在計 算微粒在CyElFFF系統中的行為，並同時考慮電動力效應及粒子動力學，一些關鍵的參數例 如外加電場強度和頻率、流體的流速、微粒的大小及形狀都會影響系統的分離過程，其模式 也可應用於研究圓球或非圓球狀微粒(例如奈米線、奈米棒或奈米纖維)在其他微流場系統中 的行為。場流分離技術可在兩種不同的模式下操作: 一般模式及立體模式(如圖4.1.3.6)，在一 般操作模式下，微粒的粒徑比流道的寬度小很多，因此粒徑分布呈現指數函數分布且較小的 微粒會先被淘洗出來，相較之下立體模式下大微粒會先被淘洗出。通常最常使用的是一般模 式，但是針對特別形狀或較大的微粒時立體模式有其優點，並已成功地應用於分離奈米碳管。
圖圖
圖圖 4.1.3.5 液相中奈米微粒粒徑大小及對應的分液相中奈米微粒粒徑大小及對應的分液相中奈米微粒粒徑大小及對應的分液相中奈米微粒粒徑大小及對應的分離技術離技術離技術(Krystek et al. 2011) 離技術
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表表
表表 4.1.3.2 場流分離技術概述場流分離技術概述場流分離技術概述場流分離技術概述(Krystek et al. 2011)
分離動力 分離動力 分離動力
分離動力 型式型式 型式型式 縮寫縮寫縮寫縮寫 粒徑大小粒徑大小粒徑大小粒徑大小 實際應用實際應用 實際應用實際應用 適合偵測器適合偵測器適合偵測器適合偵測器
交叉流 對稱場流分離
技術 Sy4F 1nm至1µm 生物大分子、DNA、細胞、病毒 UV, FLD,
FC,MALLS, FLD
交叉流 非對稱場流分
離技術 AF4 1nm至1µm
非有機膠體及奈米微粒、顏料、
無機聚合物、結晶聚合物、蛋白 質、DNA、RNA、細胞、病毒
UV, FLD, MALLS, DLS, RI, ICPOES,
ICP-MS
沉降 沉降場流分離
技術 SedFFF
50nm至數 µm
有機膠體物質、顏料、病毒、脂 質體、DNA、RNA
UV, LS, GFAAS, ICP-OES, ICP-MS
靜電力 ElecFFF 蛋白質
熱力 TFFF
線性聚苯乙烯、親油性聚合物、
煉油材料
重力 GdFFF 血液、電漿、聚苯乙烯微粒
磁力 MagFFF 磁性聚合物微粒、磁性奈米微粒
圖圖
圖圖 4.1.3.6 場流分離技術原理以及一般和立體模式的比較場流分離技術原理以及一般和立體模式的比較場流分離技術原理以及一般和立體模式的比較場流分離技術原理以及一般和立體模式的比較(Krystek et al. 2011)
兩種主要用於場流技術的原理為沉降(Sedimentation FFF, SedFFF)及非對稱場流分離技術 (Asymmetric flow field flow fractionation, AF4)。沉降場流分離技術主要用於分析有機膠體、顏 料、病毒、細胞、脂質體、DNA或RNA，而AF4為目前用於生物分析最成熟的場流分離技術，
例如分析多醣、蛋白質、蛋白質複合物、奈米及微米小球或次細胞單元。沉降及場流分離技 術同樣也可用於分析膠體、微米及奈米微粒，SedFFF涵蓋的粒徑範圍大約在50 nm至數個
mm，而場流分離技術可分離分子和膠體之範圍在1 mm至最小大約1 nm間。根據不同流體條 件粒徑解析度介於10到20 nm之間。圖4.1.3.7 顯示AF4對於單徑分布聚苯乙烯奈米微粒在粒徑 20、40、60及100 nm的分離能力(Duke聚苯乙烯微粒標準)，圖4.1.3.8為AF4對於NIST金奈米微 粒標準參考物質在粒徑10、30及60 nm時的分離效率。
圖 圖
圖圖 4.1.3.7 A4F 對於對於對於 20、對於 、、、40、、、、60 及及及及 100 nm 聚苯乙烯奈米微粒的分離能力及所使用的條件聚苯乙烯奈米微粒的分離能力及所使用的條件聚苯乙烯奈米微粒的分離能力及所使用的條件聚苯乙烯奈米微粒的分離能力及所使用的條件 (Krystek et al. 2011)
圖 圖
圖圖 4.1.3.8 使用使用使用使用 AF4-ICP-MS 分離分離分離分離 NIST 金奈米微粒金奈米微粒金奈米微粒金奈米微粒(Krystek et al. 2011)
最常與FFF聯用的偵測系統為紫外線濃度偵測器(concentration detectors UV)、折射率 (refractive index, RI) 及 分 子 質 量 敏 感 的 多 角 度 雷 射 散 射 (multi-angle laser light scattering, MALLS)偵測器。由Ziegler−Natta觸媒合成的工業聚二丁烯具有相當高的莫耳質量、顯著的歧 化度(degrees of branching)及膠體種類(gel species)，Makan et al. (2012)使用SEC及AF4結合 MALLS及RI探測器分析此物種，發現SEC量測的初步結果完全抵觸材料的處理行為，不適合 用於測定這些材料，主要由於SEC的分離主要受到線性(低分子量)及分支大分子(高分子量)共 同淘洗、大分子剪切降解及凝膠組成過濾的影響。因此為了比較及找出SEC的限制，Makan et al. (2012)改用AF4分析聚丁二烯，結果顯示，AF4可用於更廣泛和準確地分析合成橡膠材料，
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特別是在高莫耳質量的情況下，而SEC不適用於分析這類樣本，原因是SEC無法妥善處理高 莫耳質量比例以及分歧的大分子。
其他原理如紅外線(Infrared, IR)、發光或螢光探測器(Fluorescence detection, FLD)、黏度計 (viscometer)或動態光散射探測器(Dynamic light scattering, DLS)也可與FFF結合。Hagendorfer et al. (2012) 聯用AF4與多重偵測系統(UV/可見光、散射光及ICP-MS)，以辨別及量化微粒及 溶解銀的含量。為了驗證及探討其優點和限制Hagendorfer et al. (2012) 比較批次DLS及TEM 的測量結果。研究結果顯示AF4的方法可用於得到溶解銀及銀奈米微粒濃度，元素成分的質 量和數目粒徑分布(particle size distribution, PSD)；另外批次DLS的實驗結果顯示數據的可信度 已獲得顯著的改善，與TEM比較，DLS具有更快的量測時間及在分散液中直接偵測樣本的能 力等優勢。
元素的資訊可由FFF與原子或電漿光譜技術的結合獲得，但很少利用原子吸收光譜或 ICP-OES 與 FFF結 合 ， 在 Beckett 在 1991 年 才 第 一 次 嘗 試 使 用 。 目前 的 文 獻 中 有 許 多 使用 Sym4F、AF4及SedFFF與ICP-MS的結合技術。Sangsawong et al. (2011) 使用連續流序列萃取 (continuous-flow sequential extraction, CFSE)單元、場流分離與交叉流介質去除技術(flow field-flow fractionation/ cross flow matrix removal, FlFFF/CFM)及ICP-OES的線上結合技術測定 土壤中溶出的金屬。若在交換相位中使用高濃度Mg(NO3)2將導致電漿中電離平衡改變等不必 要的基質效應，因此Sangsawong et al. (2011)評估FlFFF/CFM從土壤中萃取Mg介質離子的能 力，將分子量25000 Da的聚乙烯亞胺(Poly ethylene imine, PEI)添加至樣品中與待測元素(Cu、
Mn、Pb及Zn)而不與介質Mg離子形成錯合物，之後用超過濾法將自由介質離子Mg過濾掉。
結果發現使用FlFFF/CFM時，介質的去除效率大約有83.5%，相當於介質離子稀釋了6倍之多。
Sangsawong et al. (2011) 再利用標準參考物質SRM 2710(蒙大拿州高度污染的土壤)檢測 CFSE、FlFFF/CFM及ICP-OES的聯用系統的可信度，結果確認量測出的金屬含量和參考值比 較後並無顯著差異(在95%信賴區間內)。