2.2.5.. Ультраценрифугальный метод анализа
В 1923 г. в университете штата «Висконсин» США профессора Т. Сведберг и Ж.Б. Нихоло создали первую ультрацентрифугу с оптическим приспособлением. В 1925 г. профессор Т. Сведберг опубликовал теорию определения молекулярной массы в растворах полимеров и размера частиц в коллоидных системах по равновесию осаждения в поле ультрацентрифуги. В своих работах Т. Сведберг первоначально использовал центрифугу, в которой ускорение ротора достигалось с помощью зубчатых передач от двигателя и частота вращения до 10000 мин-1.
Особенно интенсивное развитие получило проектирование и изготовление ультрацентрифуг в Японии в пятидесятые годы. Был создан ряд центрифуг для анализа растворов ВМС, вирусов и коллоидных систем, а также для разделения смесей полимеров, например, белков.
Используя центрифугу с большим фактором разделения (60 тыс. g), можно определить даже молекулярную массу полимерного растворенного вещества. В ультрацентрифугальном методе используются два варианта анализа.
Если коллоидную систему или раствор ВМС поместить в центробежное поле, то частицы или макромолекулы будут осаждаться с определенной скоростью, пропорциональной ускорению поля (w2x). В качестве постоянной пропорциональности Сведберг предложил определять постоянную седиментации:
, (2.2.65)
или
. (2.2.66)
По физическому смыслу постоянная седиментации является скоростью осаждения под действием единицы центробежной силы. Постоянная седиментации характеризует массу частиц или макромолекул.
Если пробу золя или раствора полимера поместить в центробежное поле, то сила, которая воздействует на частицы и заставляет их осаждаться, будет
, (2.2.67)
где F – сила; m – масса одной частицы, для полимеров m = M/NА; M – молекулярная масса; NА – число Авогадро; Dr = r2 – r1 – разность плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды.
Для полимеров Dr заменяется разностью 
, где 
– парциальный молярный объем растворенного вещества.
В случае стационарного процесса сила F уравновешивается силой трения f(dx/dt), следовательно
. (2.2.68)
Вводя коэффициент диффузии D, связанный с коэффициентом трения уравнением Эйнштейна
, (2.2.69)
и учитывая выражение для коэффициента седиментации, получаем уравнение для расчета массы частиц
. (2.2.70)
Если известен коэффициент диффузии или коэффициент трения, измерена постоянная седиментации, то можно определить массу частиц, их размер или молекулярную массу растворенного полимера. Однако это определение возможно при предпосылках, что все частицы или макромолекулы: а) имеют одинаковую форму; б) являются монодисперсными; в) взаимодействие между ними отсутствует.
На практике, как правило, приходиться вводить соответствующие поправки для уточнения S в зависимости от температуры, плотности и давления. Поэтому определяют 
.
Учитывая, что
, (2.2.71)
размер частиц можно рассчитать как
. (2.2.72)
Молекулярную массу полимера рассчитывают с учетом M = mNА или по уравнению
. (2.2.73)
Коллоидные частицы или молекулы ВМС, находящиеся в поле центробежной силы, сохраняют способность к диффузии. Но вместе с тем большое ускорение центробежного поля препятствует диффузии. Если ограничиться применением центрифуг с небольшим фактором ускорения, то через некоторое время после начала вращения может быть достигнуто состояние седиментационно-диффузионного равновесия, так что устанавливается постоянный градиент концентрации.
Определив градиент концентрации, можно рассчитать массу частиц по формуле, которая получится при рассмотрении равновесия диффузионного и седиментационного потока:
(2.2.74)
Этот метод позволяет определить массу коллоидных частиц независимо от их формы и сольватации, не требует определения коэффициента диффузии и т.д. Уравнение (2.2.74) может быть использовано и для определения молекулярной массы растворенных макромолекул, учитывая, что М = mNА, тогда
. (2.2.75)
Недостаток метода седиментационно-диффузионного равновесия состоит в том, что состояние этого равновесия может быть достигнуто через несколько дней или даже недель, и в течение всего срока исследования отклонения от постоянства частоты вращения ротора центрифуги должно быть минимальным, а температура оставаться постоянной. Это приводит к определенным затруднениям технического характера и к удорожанию аппаратурного оформления метода.