离心机介绍

用于将材料分离成生物化学实验室中的亚组分的zui常用设备之一是离心机离心机是一种高速旋转液体样品的装置,因此产生强大的向心力,使得密度较大的材料比在正常重力下更快地向离心管底部移动。

离心机的类型。离心机类型的主要区别特征是速度和容量。在典型的生物化学实验室中,您将找到三种不同的离心机(在您的生物化学教学实验室也是如此)。zui小的是所谓的微型离心机。它们用于旋​​转1至2毫升塑料离心管,速度可达每分钟12或13千转。它们中有非常小的轻转子(转子是离心机的一部分,包含样品管的孔),它们可以快速加速和减速。这些离心机非常便于低速到中速离心少量材料。

下一个常见尺寸的离心机是大型超速离心机。它们具有高达约20,000rpm的速度并且可以采用各种尺寸的管,这取决于转子(转子越大,zui大速度越慢)。典型的管子可以容纳25或30毫升,但是使用正确的转子可以运行大到几百毫升的瓶子。

zui后,大多数生物化学实验室都可以使用超速离心机。典型的现代版本可提供高达70,000 rpm的速度。再次,管的尺寸和zui大速度在转子与转子之间变化,但是可以获得高达约60毫升的管尺寸。

离心后的理论。这里的想法非常直接和机械。如果您希望将较致密的材料与较不致密的材料分离,则需要一种力来区分不同密度的颗粒。想想有一块岩石和一块发泡胶的游泳池。岩石比水密,因此它下沉。聚苯乙烯泡沫塑料的密度低于水,因此它漂浮。密度当然是每单位体积的质量。所以,如果你的袋子里装满了岩石和发泡胶,而你想要将它们从另一个中分离出来,那就在地球引力的影响下将混合物倒入水中。岩石将取代水,因为它们对于给定的体积具有更大的质量,并且重力将它们拉过水。另一方面,

然而,有许多东西的密度比岩石和发泡胶更接近,并且在地球引力下将它们分开要困难得多。此外,随着随机运动模糊由于密度引起的微小差异,扩散始终起作用。为了克服这个问题,或者有时只是为了使分离过程更快,zui好能够产生比单独使用地球引力更大的质量(密度)相关力的方法。产生质量依赖力的另一种方法是旋转某物。正如你从物理学中所知道的,运动中的身体往往沿着直线路径继续运动,除非施加一些力来改变它的路径。因此,为了迫使某些东西进入一个圆圈,我们必须施加力量将它拉向中心。总是会产生相等且相反的力,从中心推出。这是一种先天力,它只是物体的质量乘以阻止它沿直线向外飞行所需的加速度。因此,具有较大质量(对于给定体积)的物体将施加较大的力并且它们将比具有较低质量/体积的物体更快地朝向容器的外边缘移动。

保持物体沿直线路径向外飞行所需的加速度由w 2 r 给出,其中希腊字母omega代表旋转速度(见下面的单位),r是从旋转轴到旋转轴的距离。样品的位置。为了获得样品感受到的力,我们将其乘以样品的质量:F = m w 2 r,其中F是力,m是质量。请注意关于这个等式的两件事。它与物体的质量成线性比例,但力随着转速的平方而增加。因此,从1000 rpm到10,000 rpm,所涉及的力增加了100倍。

一些实际考虑。因此,假设我想以50,000转/分的速度旋转两个30毫升的水管。涉及哪种力量?那么,为了比较,考虑当坐在工作台上时,重力加速对30毫升水施加的力。重力加速度约为10米/秒2(每秒平方10米)。30毫升水的质量约为30克或约0.03千克。因此,1g(重力加速度的1倍)所涉及的力为0.3kg m / s 2或0.3牛顿。在50,000转/分钟怎么样?shou先,我们需要进行一些单位转换。50,000 rpm是50,000/60 =每秒830发。此外,为了使单位成功,我们必须将每秒轮数转换为每秒弧度(有2 p完整圆形或圆形的弧度因此乘以该因子)。这给出了每秒5200弧度(这在等式中是欧米茄)。力为m w 2 r,因此总力为66,000 N(假设样品距离旋转中心约8 cm)。为了获得比重力更大的次数,我们除以0.3(见上文)并得到大约220,000克。这意味着在50,000转/分钟下旋转的水样相当于正常重力下的13,000磅卡车。

如果你看一下超速离心机,你会发现转子(包含样品的东西)坐在一根轴上。轴很小,实际上摇摆不定。你无法从这个轴悬挂13,000磅的卡车。那么它是怎样工作的?它的作用是因为对称性。您总是必须在具有相同总质量的感兴趣样品的正对面。因此,两个质量块和它们上的力平衡,轴感觉没有扭矩。这个故事的寓意是你必须平衡离心管的管子。对于超速离心机运行,必须非常非常小心地平衡管子。对于超速离心机运行,我通常会尝试将质量控制在0.03克左右。较慢的离心机可以使用相应不太严格的平衡程序。

转子。有许多类型的转子,但大多数属于三类中的一类:固定角转子,摆动转子转子和垂直转子。大多数时候你会使用固定角度的转子。偶尔使用摆动式铲斗或垂直转子,但不常使用任何形式(摆动铲斗允许样品摆动到水平面,从而提供尽可能长的粒子运动路径。垂直转子则相反 - 它们当需要非常短的离心总路径时使用。

离心应用的类型。 离心机的使用方法有很多种。通常情况下,它们会被用来沉淀一些物质,剩下的就是溶液。然而,人们还可以使用另外两种常用的分离材料:平衡密度沉降和动态密度沉降。在**种情况下,材料要么层叠在一些材料之上,要么混合成一些材料,这些材料既可以预先形成密度梯度,也可以在高速旋转时变成密度梯度。然后运行离心机,直到材料在管内找到其特定密度的带。动力学密度方法通常还涉及长程运行,其允许分子找到具有相同密度的介质区域并达到平衡。在动态密度沉降中,您不会将梯度运行到zui后。