FACOLTA DI SCIENZE FF MM NN – ANALISI DI NANO E MICROSISTEMI DISPERSI Metodi separativi...

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FACOLTA’ DI SCIENZE FF MM NN – ANALISI DI NANO E MICROSISTEMI DISPERSI Metodi separativi Metodi separativi • Elettroforesi • Cromatografia idrodinamica ( HDC HDC) • Frazionamento in Campo e Flusso ( FFF FFF)

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NA

LIS

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AN

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MIC

RO

SIS

TE

MI

DIS

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I

Metodi separativiMetodi separativi

• Elettroforesi

• Cromatografia idrodinamica (HDCHDC)

• Frazionamento in Campo e Flusso (FFFFFF)

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MIC

RO

SIS

TE

MI

DIS

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I

Meccanismo separativo in HDCMeccanismo separativo in HDC

La tecnica FFF posside alcune similitudini con la HDCLa tecnica FFF posside alcune similitudini con la HDCma non e’ presente alcuna fase stazionariama non e’ presente alcuna fase stazionaria

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I

External field

Flow

Detector

External field

Parabolic flow

v1

v2

v3

Sample

Th

ickn

ess

Thickness

Bread

th

The The FFF FFF conceptconceptThe The FFF FFF conceptconcept

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RS

I

FFF working range

molecules particulate

1 nm

1E0

Radius

Molar Mass

Atom Molecule

Polymers, Aggregates, Micro-Gels, Particles

SolidsProteins, Viruses, DNA, ...

10 nm

1E2 1E4 1E6 1E8 1E10 1E12

100 nm 1 µm

Micelles, Liposomes, EmulsionsViruses, Bacteria, Cells

Proteins, Protein-Complexes, DNAPolymers

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I

Possible field of force

Temperature gradient (Th FFF)Sedimentation field (Sd FFF)Electrical field (El FFF)Magnetic field (Mg FFF)Cross flow (Fl FFF or F4)

FFF fields & techniques

Current FFF techniques

Thermal Field Flow Fractionation (Th FFF)

Sedimentation Field Flow Fractionation (Sd FFF)

Cross Flow Field Flow Fractionation (Fl FFF or F4)Symmetrical Cross Flow FFF (S F4)

Asymmetrical Cross Flow FFF (A F4)Hollow-Fiber Flow FFF (HF F4)

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I

MALSMALS

Incident light

photodiodes

Transmitted light

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I

Molar mass and radius

rg < 10 nm isotropic scatter

rg > 10 nm

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I

Angular dependence of light scattering

detector at 0°scattered light in phase

detector at scattered lightout-of-phase

Intramolecular interference leads to a reduction in scattering intensity as thescattering angle increases

2

scattered Pdcdn

McI

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I

How light scattering measures rg

To calculate the angular distribution of scattered light, integrate over phase shifts from extended particle

Integrating over extended particle involves integrating over massdistribution

M

mrr iig

2

2

...2

sin3

161 22

20

20

2

gr

nP

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I

Interpretation of rg

hollow sphere:

solid sphere:

22 arg

2532 arg

M

mrr iig

2

2

Random coil polymer with average end-to-end length L:

6

22 Lrg

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I

Conformation Plot

Plot log rg vs. log M to determine molecular conformation

rod (slope = 1)

coil(slope near 0.5-0.6)

sphere(slope = 1/3)

log rg

log M

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I

Radius Results: Light Scattering & FlFFF

Rg or RMS radius – mass average (root mean square) distance of each point in a molecule from the molecule’s center of gravity. lower limit 10nm

Rh or Hydrodynamic radius – radius of a sphere with the same diffusion coefficient or viscosity as “our” sample. lower limit 1nm

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I

What’s the hydrodynamic radius?

Rh Rh

H2O

H2O

H2O

H2O

H2O

+

+

+_

Rh

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I

RRhh from FlFFF retention from FlFFF retention

hr

kTD

6

fUF Hydrodynamic fieldHydrodynamic field

C

z

x

DUx

CxC xexp)( 0

l

Axial flow Axial flow

V rhr

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I Conformation: rh vs. rg3-arm star polymer

4.1h

g

r

r

solid sphere

77.0h

g

r

r

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I

Why Light Scattering ?

absolute molar mass (MM) and size without reference to standards and without assuming conformation

better understanding of molecules (MM, conformation, branching determined directly from the data) and particles

greater product differentiation (aggregate detection and identification)

more reliable and robust than calibration techniques in chromatography, very easy and fast to use

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I

+

AF4 Eclipse (Wyatt Techn. Europe) MALS DAWN (Wyatt Techn. US)

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I

Viruses: example /1

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I

0

50

100

150

200

250

300

8.0 12.0 16.0 20.0

R.M.

S. R

adius

(nm)

Volume (mL)

RMS Radius vs. Volume V31___01V22___02V22___01

VirusViruses: example /2es: example /2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 50 100 150 200 250 300

Cum

ulativ

e Nu

mbe

r Fra

ction

R.M.S. Radius (nm)

Cumulative number fraction V31___01V22___02V22___01

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Deactivated influenza virus /1

Light Scattering (90°) signal and radius values

rms radius vs. time/volume

12 10B 2mgmL 10uL 350um Vc15 Vx15g.vafgfedcb

time or volume5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0

rms r

ad

ius (

nm

)

1.0

10.0

100.0 radii

virus aggregates

rms radius vs. time/volume

12 10B 2mgmL 10uL 350um Vc15 Vx15g.vafgfedcb

time or volume5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0

rms

rad

ius

(nm

)

1.0

10.0

100.0radii

virus

molecules

UV (280 nm) signal and radius values

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I

Light scattering (90° ) signal and radius values

rms radius vs. time/volume

14 66B 01mgmL 100uL 350um Vc15 Vx15g.vafgfedcb

time or volume5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0

rms

rad

ius

(nm

)

10.0

100.0 radii

virus

aggregates

rms radius vs. time/volume

14 66B 01mgmL 100uL 350um Vc15 Vx15g.vafgfedcb

time or volume5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0

rms

rad

ius

(nm

)

10.0

100.0 radii

virus

molecules

UV (280 nm) signal and radius values

Deactivated influenza virus /2

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I

rms radius vs. time/volume

04 Influ 04mgmL 40uL 250um Vc15 Vx15g.vafgfedcb

time or volume5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0

rms

rad

ius

(nm

)

10.0

100.0

1000.0

radii

virus

aggregates

Light scattering (90° ) signal and radius values

rms radius vs. time/volume

04 Influ 04mgmL 40uL 250um Vc15 Vx15g.vafgfedcb

time or volume5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0

rms

rad

ius

(nm

)

10.0

100.0

1000.0 radii

virusaggregates

UV (280 nm) signal and radius values

Deactivated influenza virus /3

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I

Adenovirus*

35

40

45

50

55

24.0 26.0 28.0 30.0 32.0 34.0

Geom

etr

ic R

adiu

s (

nm

)

Time (min)

Geometric Radius vs. Time Adenovirus ATCC Standard...Geometric Radius vs. Time

-2.0

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

0 5 10 15 20 25

Lig

ht

Sca

tte

ring

(vo

lts)

Time (min)

Light Scattering Fractogram

Parameter Actual Measured % Error

Total Particle Count 2.9 X 1010 2.79 X 1010 1.9

Average Radius 43.0 45.0 4.7

*courtesy of MedImmune

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I

Chitosans

Fractions up to 500 nm radius present

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I Liposomes

Elution time (min)

40 80 120 1600

RM

S-

Ra

diu

s (n

m)

0

40

80

120

160

Radius versus elution time for a filled and unfilled liposome sample

unfilled liposomefilled liposome

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I LiposomesEPC: egg phosphatidyl choline

EPC-BPS: 90% of the egg phosphatidyl choline with 10% brain phosphatidyl serine

0

20

40

60

80

100

10 20 30 40 50

Hyd

rody

nam

ic R

adiu

s (n

m)

Volume (mL)

Hydrodynamic Radius vs. Volume 1A____011B____012A____012B____01

EPC

EPC-BPS

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I

Polystyrene latex beads UV (solid line) and 90° LS (broken line)

chromatograms

01 Mix1 10uL Vc10 Vx04g.vafgfedcb

time or volume0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0

rela

tive

sca

le

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

41 nm

404 nm

199 nm

102 nm

Particles separation by A FParticles separation by A F44

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I

AF4 of 18-nm Au particleshydrodynamic radius vs. time

Gold 18.vafgfedcb

time (min)10.0 15.0 20.0 25.0 30.0

hyd

rod

ynam

ic r

adiu

s (n

m)

0.0

100.0

200.0

300.0

UVLS

rH

Mobile phase: 0.05% SDS

Average hydrodynamic radius of 11 nmMany big-size aggregates: ca. 300 nm

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I

FlFFF of fluorophore-derivatized silica nanobeadsFlFFF of fluorophore-derivatized silica nanobeads

Nanobeads as 3D scaffold for the fluorophore

Energy transfer between fluorophore units FRET nanosensors

Unbound and silica-bound fluorophore separation

Particle size sorting

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I

FlFFF of buckyonionsFlFFF of buckyonions

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

0.00

0.02

0.04

0.06

UV

sig

nal

@ 3

30 n

m (

AU

)

retention time (min)

0 50 100 150 200

hydrodynamic diameter (nm)

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I

A closer look to particles….A closer look to particles….

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I

Carbon nanotubes

Liu, J., A.G. Rinzler, H.Dai, J.H. Hafner, R.K. Bradley, P.J. Boul, A. Lu, T. Iverson, K. Shelimov, C.B. Huffman, F. Rodriguez-Macias, Y.-S. Shon, T.R. Lee, D.T. Colbert and R.E. Smalley, “Fullerene Pipes,” Science 280 1253—1256 (1998).

Atomic force microscopy (AFM)

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– A

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LIS

I D

I N

AN

O E

MIC

RO

SIS

TE

MI

DIS

PE

RS

I

FlFFF of functionalized, water-soluble MWNT FlFFF of functionalized, water-soluble MWNT

I.D. =20-30nm

N

NO O

NH3+

+H3NO O

1,3-dipolar azometine addition to

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SIS

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PE

RS

I

SampleSample outlet

Clampingframe

Spacer

Channelwall

Injection

valve

Low cost

Potentially disposable channel

Easy maintenance and simple sterility issues

Autoclavable, no membranes, no moving or metal parts

Easy implementation in flow systems

1-G/1-G/Sd FFFSd FFF: Gravitational FFF (GrFFF): Gravitational FFF (GrFFF)

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I

15 cm

On-channelinjection

Il nostro canale GrFFF….Il nostro canale GrFFF….

Rheodyneinjection

Pum

p

UV/Visdetector

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I

T-lymphocytes 90 - 95%T-lymphocytes 90 - 95%smooth cellssmooth cellsB-lymphocytes 5-10%B-lymphocytes 5-10%villous cellsvillous cells

Mean diameter:Mean diameter: 8 8 mm

Morphology:Morphology:dense large nucleusdense large nucleusthin cytoplasmthin cytoplasm

T-lymphocytes B-lymphocytes

CD45+/CD45+/CD19+CD19+CD45+/CD19-CD45+/CD19-

GrFFF of hGrFFF of human lymphocytesuman lymphocytes

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I

Mean diameterMean diameter8 8 mm

MorphologyMorphologydense large nucleusdense large nucleusthin cytoplasmthin cytoplasmT: smooth membraneT: smooth membraneB: villous membraneB: villous membrane

Burkitt lymphoma B cells

CD45+/CD19+CD45+/CD19+

2 m

/2/2 GrFFF of hGrFFF of human uman lymphocyteslymphocytes

CD45+/CD45+/CD19-CD19-

TT

Healthy lymphocytes

2 m

CD45+/CD19+CD45+/CD19+

BB

MorphologyMorphologylarger than B-lymphocyteslarger than B-lymphocytes

lower nucleus densitylower nucleus density

Mean diameterMean diameter14 14 mm

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I

FC map

20% (cell/cell) from Burkitt lymphoma B cell line

80% (cell/cell) from healthy donor (T+B lymphocytes)

/3/3 M Mixture of living human lymphocytesixture of living human lymphocytes

B

T

B: B-cells (healthy+Burkitt)T: T-cells (healthy)

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I

44

T cells

B cells

2 B cells

T cells

/4/4

0 5 10 15 20

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

42

UV

/vis

sig

na

l (6

40 n

m;

mA

U)

Retention time (s)

GrFFF of GrFFF of human lymphocyteshuman lymphocytes

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I

2

T and healthy B

CD

45

FS

CD

45

FS

4

T and healthy B

0 5 10 15 20

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

42

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sig

na

l (6

40 n

m;

mA

U)

Retention time (s)

Neoplastic B

T and healthy B

B-cell, size-based sortingB-cell, size-based sorting

CD

45+

/CD

19+

CD

45+

/CD

19+

Neoplastic BNeoplastic B

/5/5

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I

GrFFF of human GrFFF of human leukocytesleukocytes

CD 34+: haemopoietic precursor cells

2.6% 10%

Leukocytes collected from pheripheral blood of patient

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I

58.3%4.7%

0 4 8 12 16 20 24

0

40

80

120

160

2UV

/vis

sig

nal

(60

0 n

m;

mA

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Retention time (min)

GrFFF of GrFFF of leukocytes from patientleukocytes from patient/2 /2

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9.3%29.2%

0 4 8 12 16 20 24

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40

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3UV

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mA

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Retention time (min)

/3 /3 GrFFF of GrFFF of leukocytes from patientleukocytes from patient

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I

7.3% 41.1%

0 5 10 15 20 25

0

20

40

60

4UV

/vis

sig

nal

(60

0 n

m, m

AU

)Retention time (min)

/4 /4 GrFFF of GrFFF of leukocytes from healthy donorleukocytes from healthy donor