Zur Induktion und Konsequenz ausgedehnter Raumladungen beim elektrokinetischen Transport in hierarchisch strukturierten Materialien

• Applicant: Professor Dr. Ulrich Tallarek
• Subject Area: Chemical and Thermal Process Engineering
• Term: from 2006 to 2011
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 19084538

• Final Report Year: 2012

Final Report Abstract

Das globale Ziel dieses DFG-Projekts war die grundlegende experimentelle Identifizierung (durch direkte Visualisierung) und Charakterisierung (über einen ausgedehnten Bereich chromatographischer Bedingungen) einer neuen Klasse nichtlinearer elektrokinetischer Transportphänomene, die auf einer bezüglich der klassischen, primären elektrischen Doppelschicht vergleichsweise intensiven, expandierten und durch das angelegte elektrische Feld selbst erst induzierten, sekundären elektrischen Doppelschicht beruhen. Als Schlüsselphänomen wurde die Konzentrationspolarisation basierend auf gekoppeltem Masse/Ladungstransport in hierarchisch strukturierten Materialien, welche diskrete ionenpermselektive, d.h. ladungsselektive Domänen enthalten, in Abhängigkeit von der Morphologie eingesetzter Materialien (definierte Einzelpartikelsysteme; Monolithen und partikuläre Festbetten), der elektrischen Feldstärke, sowie dem experimentell einstellbaren Ausmaß der Ladungsselektivität untersucht und hinsichtlich Elektrohydrodynamik, sowie der Retention und Peakform (Fokussierungseffekte) geladener Analyten mechanistisch entschlüsselt. Die konfokale Lasermikroskopie wurde zu einer in situ Methode ausgebaut, mit der sich in relevanten räumlichen und zeitlichen Dimensionen elektrokinetische und hydrodynamische Phänomene transient und stationär analysieren liessen, im quasi-elektroneutralen Makroporenraum ebenso wie im ladungsselektiven Mesoporenraum der Materialien. Auf diese Weise wurden die elektrokinetischen Nichtgleichgewichtseffekte hinsichtlich Intensität und räumlicher Ausdehnung, sowie die sehr komplexen Transport- und Retentionsschemata geladener Analyten in hierarchischen Strukturen erstmals fassbar und quantifizierbar. In systematischer Abfolge wurden die Elektrohydrodynamik im Makroporenraum und die Transporteigenschaften für den ionenpermselektiven Mesoporenraum durch den Einsatz neutraler, sowie ko- und gegenionischer Analyten beim Übergang von Einzelpartikelsystemen zu den konsolidierten Materialien (partikuläre Festbetten und Monolithen) dokumentiert. Die auf der konfokalen Lasermikroskopie beruhenden Arbeiten wurden komplementiert durch umfangreiche makroskopische Feldstudien, welche – abhängig vom Masse/Ladungsverhältnis der Analyten – die Auswirkungen der untersuchten Phänomene (Ionenpermselektivität; Induktion ab- und angereicherter Konzentrationspolarisationszonen, deren Intensität von elektrischer Feldstärke und lokaler Ladungsselektivität, sowie der Morphologie der Materialien abhängt) in elektrochromatographischen Trennverfahren bestätigen konnten hinsichtlich Verweilzeitverhalten, d.h. Retention geladener Analyten, einstellbarer Selektivität und Peakform. Die auf Konzentrationspolarisation beruhenden elektrokinetischen und hydrodynamischen Transportvorgänge in porösen Materialien weisen nicht nur den Weg zu einer neuen Klasse von elektrokinetischen Phänomenen (nichtlineare Elektrokinetik; sog. Elektrokinetik zweiter Art). Vielmehr konnten auch die enormen Konsequenzen gekoppelten Masse/Ladungstransports und der Konzentrationspolarisation für Anwendungen detailiert herausgearbeitet werden, gerade hinsichtlich einstellbarer Retention, Selektivität und Effizienz elektrochromatographischer Stofftrennungen, aber auch bezüglich limitierender Transportvorgänge mit ionenpermselektiven Membranen. Damit sind allgemeine Ansätze und Abschätzungen mit feldunterstützter Arbeitsweise beim Stofftransport in porösen Materialien möglich. Aus den Arbeiten resultieren schließlich Erkenntnisse über den Einfluß der Morphologie von hierarchisch strukturierten Materialien auf eine gezielte Intensivierung dieser nichtlinearen Elektrokinetik durch optimiertes (hierarchisches) Strukturdesign.

Publications

• Key to analyte migration and retention in electrochromatography. Analytical Chemistry 2006, 78, 3601-3608
  I. Nischang, K. Spannmann, U. Tallarek
  
• Concentration polarization and nonequilibrium electroosmotic slip in dense multiparticle systems. Langmuir 2007, 23, 9271-9281
  I. Nischang, U. Reichl, A. Seidel-Morgenstern, U. Tallarek
  
• Ionic conductance of nanopores in microscale analysis systems: Where microfluidics meets nanofluidics. Journal of Separation Science 2007, 30, 1398-1419
  A. Höltzel, U. Tallarek
  
• Concentration polarization and nonequilibrium electroosmotic slip in hierarchical monolithic structures. Electrophoresis 2008, 29, 1140-1151
  I. Nischang, A. Höltzel, A. Seidel-Morgenstern, U. Tallarek
  
• Electrohydrodynamics around single ion-permselective glass beads fixed in a microfluidic device. Microfluidics and Nanofluidics 2008, 4, 471-487
  S. Ehlert, D. Hlushkou, U. Tallarek
  
• The influence of membrane ion-permselectivity on electrokinetic concentration enrichment in membrane-based preconcentration units. Lab on a Chip 2008, 8, 1153-1162
  D. Hlushkou, R. Dhopeshwarkar, R. M. Crooks, U. Tallarek
  
• Inherent peak compression of charged analytes in electrochromatography. Journal of Separation Science 2009, 32, 3157-3168
  I. Nischang, U. Tallarek
  
• Electrochromatographic retention of peptides on strong cation-exchange stationary phases. Electrophoresis 2010, 31, 933-943
  I. Nischang, A. Höltzel, U. Tallarek