Войти
Центрифугирование - это метод, который включает приложение центробежной силы для отделения частиц от раствора в соответствии с их размер, форма, плотность, вязкость среды и частота вращения ротора. Этот процесс используется не только для разделения двух смешивающихся веществ, но также для анализа гидродинамических свойств макромолекул. Более плотные компоненты смеси мигрируют от оси центрифуги (перемещаются наружу), в то время как менее плотные компоненты смеси мигрируют к оси, т.е. е. переместитесь в центр. Химики и биологи могут увеличить эффективную гравитационную силу на пробирке, чтобы более быстро и полностью вызвать сбор осадка (осадка) на пробирке, что позволяет удалить примеси в супернатант..
Существует корреляция между размером и плотностью частицы и скоростью, с которой частица отделяется от гетерогенной смеси, когда единственная приложенная сила - это сила тяжести. Чем больше размер и больше плотность частиц, тем быстрее они отделяются от смеси. Прикладывая к смеси большую эффективную гравитационную силу, как в центрифуге, разделение частиц ускоряется. Это идеальный вариант для промышленных и лабораторных условий, поскольку частицы, которые отделяются естественным образом в течение длительного периода времени, могут быть отделены за гораздо меньшее время.
Скорость центрифугирования определяется угловой скоростью обычно выражается как оборотов в минуту (об / мин) или ускорение как g. Коэффициент преобразования между числом оборотов в минуту и g зависит от радиуса центрифуги ротора. Скорость оседания частиц при центрифугировании является функцией их размера и формы, центробежного ускорения, объемной доли присутствующих твердых веществ, разницы плотности между частицей и жидкостью и вязкость. Наиболее распространенное применение - отделение твердых веществ от высококонцентрированных суспензий, которое используется при очистке осадка сточных вод для обезвоживания, где образуется менее плотный осадок.
В химической и пищевой промышленности специальные центрифуги могут обрабатывать непрерывный поток жидкости, содержащей частицы.
Центрифугирование - наиболее распространенный метод, используемый для обогащения урана, основанный на небольшой разнице масс между атомами U238 и U235 в гексафториде урана газе.
Общая формула для расчета числа оборотов в минуту ( Об / мин) центрифуги составляет
, где g представляет соответствующую силу центрифуги, а r - радиус от центра ротора. до точки в образце. Однако в зависимости от используемой модели центрифуги соответствующий угол ротора и радиус могут варьироваться, поэтому формула изменяется. Например, ротор Sorvall № SS-34 имеет максимальный радиус 10,8 см, поэтому формула принимает вид 
Наиболее распространенная формула, используемая для расчета относительной центробежной силы (xg): RCF (xg) = 1,118 x радиус (мм) x (об / мин / 1000) ²
Исторически сложилось так, что многие клинические разделения осуществлялось при 3000 об / мин. Это в некоторой степени произвольный подход, поскольку применяемая относительная центробежная сила линейно зависит от радиуса, поэтому увеличение радиуса на 10% означает, что относительная центробежная сила на 10% выше при той же скорости. Чтобы определить RCF, который вы применяли при 3000 об / мин, приведенную выше формулу можно упростить до:
[Сокращенное значение для 3000 об / мин, только с ошибкой 0,62%:] RCF (xg) = 10 x Радиус (мм)
Микроцентрифуги используются для обработки небольших объемов биологических молекул, клеток или ядер. Пробирки для микроцентрифуги обычно вмещают 0,5–2,0 мл жидкости и вращаются с максимальной угловой скоростью 12 000–13 000 об / мин. Микроцентрифуги достаточно малы, чтобы поместиться на столе, и имеют роторы, которые могут быстро изменять скорость. Они могут иметь или не иметь функцию охлаждение.
Высокоскоростные или сверхскоростные центрифуги могут обрабатывать большие объемы проб, от нескольких десятков миллилитров до нескольких литров. Кроме того, более крупные центрифуги также могут достигать более высоких угловых скоростей (около 30 000 об / мин). Роторы могут поставляться с различными адаптерами для размещения пробирок, бутылок или микротитровальных планшетов.
Общий метод фракционирования: образец клеток хранится в суспензия, которая:
Рибосомы, мембраны и комплексы Гольджи могут быть разделены другим методом, называемым центрифугированием в градиенте плотности.
Ультрацентрифугирование использует высокую центробежную силу для изучения свойств биологических частиц. По сравнению с микроцентрифугами или высокоскоростными центрифугами, ультрацентрифуги могут изолировать гораздо более мелкие частицы, включая рибосомы, белки и вирусы. Ультрацентрифуги также можно использовать при исследовании мембранного фракционирования. Это происходит потому, что ультрацентрифуги могут достигать максимальной угловой скорости, превышающей 70 000 об / мин. Кроме того, в то время как микроцентрифуги и суперцентрифуги разделяют частицы партиями (ограниченные объемы образцов должны обрабатываться вручную в пробирках или бутылках), ультрацентрифуги могут разделять молекулы в системах периодического или непрерывного потока.
Помимо очистки, аналитическое ультрацентрифугирование (AUC) можно использовать для определения свойств макромолекул, таких как форма, масса, состав и конформация. Образцы центрифугируют с раствором высокой плотности, таким как сахароза, хлорид цезия или йодиксанол. Раствор с высокой плотностью может иметь одинаковую концентрацию во всей пробирке («подушка») или переменную концентрацию («градиент »). Молекулярные свойства можно моделировать с помощью анализа скорости седиментации или анализа равновесия седиментации. Во время эксперимента частица или молекулы будут перемещаться через пробирку с разной скоростью в зависимости от их физических свойств и свойств раствора, и в конечном итоге образуют гранулы на дне пробирки или полосы на разной высоте.
Центрифугирование в градиенте плотности считается одним из наиболее эффективных методов отделения взвешенных частиц. Центрифугирование в градиенте плотности можно использовать как в качестве метода разделения, так и в качестве метода измерения плотности частиц или молекул в смеси. Пробирка после центрифугирования этим методом содержит частицы в порядке их плотности в зависимости от высоты. Интересующий объект или частица будет находиться в положении внутри трубки, соответствующем его плотности.
Линдерсторм-Ланг в 1937 году обнаружил, что трубки градиента плотности могут использоваться для измерения плотности. Он обнаружил это при работе с вирусом желтого карлика картофеля.
Этот метод также использовался в знаменитом эксперименте Мезельсона и Шталя, в котором они доказали, что репликация ДНК полуконсервативна за счет использования различных изотопов азота. Они использовали центрифугирование в градиенте плотности, чтобы определить, какой изотоп или изотопы азота присутствовали в ДНК после циклов репликации.
Тем не менее, некоторые неидеальные осаждения все еще возможны при использовании этого метода. Первая потенциальная проблема - это нежелательная агрегация частиц, но это может произойти при любом центрифугировании. Вторая возможность возникает, когда капли раствора, содержащие частицы, осаждаются. Это более вероятно при работе с раствором, который имеет слой суспензии, плавающий на плотной жидкости, которая на самом деле практически не имеет градиента плотности.
Дифференциальное центрифугирование тип центрифугирования, при котором один выборочно замедляет компоненты смеси посредством серии увеличивающихся сил центрифугирования. Этот метод обычно используется для разделения органелл и мембран, обнаруженных в клетках. Органеллы обычно отличаются друг от друга плотностью и размером, что делает возможным использование дифференциального центрифугирования и центрифугирования в целом. Затем органеллы могут быть идентифицированы путем тестирования индикаторов, уникальных для конкретных органелл.
К 1923 г. Теодор Сведберг и его ученик Х. Ринде успешно проанализировали крупнозернистые золи с точки зрения их гравитационного осаждения. Золи состоят из вещества, равномерно распределенного в другом веществе, также известного как коллоид. Однако более мелкозернистые золи, например содержащие золото, не могли быть проанализированы. Чтобы исследовать эту проблему, Сведберг разработал аналитическую центрифугу, оснащенную фотографической абсорбционной системой, которая будет оказывать гораздо больший центробежный эффект. Кроме того, он разработал теорию, необходимую для измерения молекулярной массы. За это время внимание Сведберга сместилось с золота на белки.
К 1900 году было общепризнанным, что белки состоят из аминокислот; однако вопрос о том, являются ли белки коллоидами или макромолекулами, все еще обсуждался. В то время исследовали один белок гемоглобин. Было установлено, что он содержит 712 атомов углерода, 1130 атомов водорода, 243 атома кислорода, два атома серы и, по крайней мере, один атом железа. Это дало гемоглобину результирующий вес примерно 16000 дальтон (Да), но было неясно, кратно ли это значение одному или четырем (в зависимости от количества присутствующих атомов железа).
В ходе серии экспериментов с использованием метода седиментационного равновесия были сделаны два важных наблюдения: гемоглобин имеет молекулярную массу 68000 Да, что позволяет предположить, что присутствуют четыре атома железа, а не один, и что независимо от того, где находится был выделен гемоглобин, он имел точно такую же молекулярную массу. То, как что-то с такой большой молекулярной массой могло быть последовательно обнаружено, независимо от того, где это было взято в организме, было беспрецедентным и способствовало идее, что белки являются макромолекулами, а не коллоидами. Чтобы исследовать это явление, была необходима центрифуга с еще более высокими скоростями, и поэтому была создана ультрацентрифуга для применения теории седиментации-диффузии. Была определена та же молекулярная масса, и наличие границы распространения предполагало, что это была единственная компактная частица. Дальнейшее применение центрифугирования показало, что в различных условиях крупные однородные частицы могут быть разбиты на дискретные субъединицы. Развитие центрифугирования было большим прорывом в экспериментальной науке о белках.
