Preparazione dei campioni mediante filtrazione

A seconda del metodo di filtrazione adottato, le particelle o le molecole sono separate in base a proprietà quali le dimensioni, la forma o la carica. Il liquido che passa attraverso il filtro è definito ‘filtrato’, mentre il materiale raccolto o trattenuto è denominato ‘retentato’ o ‘residuo’.

• L’osmosi inversa (separazione ionica) separa ioni o molecole utilizzando una membrana o una barriera semipermeabile. La pressione applicata è superiore alla pressione osmotica e forza il solvente a muoversi dal lato a maggior concentrazione di soluto a quello a bassa concentrazione di soluto. L’osmosi inversa consente di rimuovere un’elevata percentuale di materia organica, oltre alle particelle e a una percentuale di sali superiore al 99%. La classificazione tipica delle membrane si basa sulla ritenzione del cloruro di sodio (<0,001 µm, <100 Dalton)
• L’ultrafiltrazione (separazione delle macromolecole) consente di separare dai fluidi le particelle e le molecole in essi disciolte in base alle loro dimensioni. L’ultrafiltrazione è utilizzata per la concentrazione, il frazionamento, la desalinizzazione e lo scambio di tampone. Le membrane vengono normalmente classificate in base al limite di esclusione del peso molecolare nominale (NMWL), di solito compreso tra 1 e 1.000 kDa.
• La filtrazione con membrane microporose (microfiltrazione), separando/rimuovendo particelle ed entità biologiche, come cellule e batteri, in base alle loro dimensioni, è utilizzata per trattenere/escludere particelle e per la sterilizzazione. Le dimensioni dei pori delle membrane sono solitamente comprese tra 0,025 e 10 µm e sono classificate come nominali (~98% di ritenzione) o assolute (100% di ritenzione per dimensioni identiche alla classificazione della dimensione dei pori).
• I filtri per chiarificazione sono utilizzati per la prefiltrazione e per l’analisi delle particelle, poiché trattengono/rimuovono particelle grossolane, aggregati e detriti, in base alle loro dimensioni. Possono essere impiegati anche in una fase di filtrazione primaria, prima della microfiltrazione.  Generalmente i filtri per chiarificazione hanno un grado di filtrazione >5 µm.

Applicazioni comuni della filtrazione

• Rimozione del particolato
• Preparazione dei campioni per tecniche analitiche quali HPLC, UHPLC, cromatografia ionica, gascromatografia, test di dissoluzione
• Sterilizzazione degli additivi per colture cellulari
• Concentrazione di proteine, acidi nucleici e polimeri
• Separazione delle biomolecole di un campione
• Preparazione di tamponi
• Purificazione dell'acqua

La filtrazione rappresenta un passaggio fondamentale nella preparazione di campioni destinati ad analisi cromatografiche sensibili come l’HPLC o la LC-MS. Le particelle presenti nei campioni possono interferire con la cromatografia ionica, liquida o gassosa, ostruendo le colonne o le loro teste, oppure generando picchi contaminanti (“picchi fantasma”) nei cromatogrammi. Un'adeguata filtrazione di campioni, solventi e tamponi permette di ottenere risultati analitici più coerenti e di maggior qualità. Inoltre, incrementa il tempo di attività della strumentazione e prolunga la vita della colonna.

Processi e procedure di filtrazione

Esistono numerosi filtri con una diversa composizione del mezzo filtrante, progettati per applicazioni particolari. La scelta del filtro dipende da diversi fattori, quali:

• la dimensione delle particelle o molecole da escludere o includere
• la composizione chimica del campione
• la compatibilità del mezzo di filtrazione col campione o la soluzione
• la viscosità del campione

I filtri possono essere prodotti con diverse tipologie di materiali, quali carta, stoffa, ovatta, amianto, lana minerale o di vetro, terracotta non smaltata, sabbia o altri materiali porosi. Le membrane filtranti generalmente sono costituite da polimeri sintetici (ad esempio PTFE idrofilizzato, PVDF, nylon, PES).

Perché il processo di filtrazione avvenga, è necessario applicare una differenza di pressione tra la zona a monte e quella a valle del filtro. La differenza di pressione può essere generata per semplice gravità, impiegando un filtro e un imbuto, filtrando manualmente con una siringa, o ricorrendo alla forza centrifuga. Nella filtrazione sottovuoto si utilizza una pompa da vuoto per aspirare rapidamente il fluido attraverso il filtro.