带形成超速离心中动态密度与粘度梯度的预测模型开发及实验验证

这篇综述创新性地建立了圆柱系统中双溶液扩散混合的预测模型，首次实现了带形成实验（BFE）中时空依赖性密度/粘度梯度的精准量化。研究通过理论推导与实验验证，解决了传统分析软件因忽略H2 O-D2 O扩散梯度导致的系统误差问题，为病毒载体（AAV）、纳米颗粒等复杂体系的超速离心（AUC）分析提供了新范式。

　　

引言

分析型超速离心（AUC）作为基于第一性原理的溶液态表征技术，在蛋白质、病毒、核酸及纳米颗粒等研究中具有不可替代性。带形成实验（BFE）通过叠加密度差异的双溶液层，可显著降低样本消耗并实现原位反应监测，但其应用长期受限于分析软件无法处理扩散混合导致的动态梯度变化。

实验方法

研究采用改良的Vinograd中心件，通过12mm光程的炭黑填充环氧树脂通道，以10μL H₂
O覆盖D₂
O的模型体系进行实验。创新性使用先进瑞利干涉光学系统（AIDA）记录加速阶段的覆盖过程，结合C++编写的贝塞尔函数算法，建立了考虑柱面几何效应的扩散方程：

?²
c/?r²

• (1/r)?c/?r = (1/D)?c/?t

其中边界条件设定为r_m
和r_b
处零电流反射。关键参数通道角度（2.5°）通过直接测量规避了传统体积计算法的误差。

理论突破

模型首次量化了BFE中三大动态效应：

1. 径向稀释：柱面几何导致的1/r项使浓度梯度较平板模型更陡峭
2. 覆盖层厚度：h=√(r_m
   ²
   +2V_O
   /θl)-r_m
   公式精准关联几何参数与实验条件
3. 物性梯度：密度ρ(c)=ρ_{D2
   O}
   +(ρ_{H2
   O}
   -ρ_{D2
   O}
   )c/55.56与粘度η(c)的线性关系

结果验证

实验数据与理论预测在t>3min时高度吻合（R²

0.98），早期偏差源于加速阶段离心力不足导致的弯液面展宽。6小时后仍可检测到meniscus处H₂
O浓度比底部高15%，证实动态梯度的持续影响。

应用前景

该模型为BFE数据分析软件升级奠定基础，尤其适用于：

• 病毒载体（如AAV）空壳/完整颗粒分离
• 纳米银/金核形成过程的冻结捕捉
• 酶-底物相互作用动力学研究
  通过校正瑞利干涉信号中的溶剂梯度背景，未来可实现低浓度样本的精准检测。

结论

研究突破60年来BFE技术瓶颈，首次建立可整合至AUC分析流程的动态梯度预测框架。直接测量通道角度的方法显著提升模型精度，为生物大分子和纳米材料的高通量表征开辟新途径。