跳转到内容

离心

维基百科,自由的百科全书
实验室离心机英语Laboratory centrifuge

离心(Centrifugation)是用离心力来从溶液中分离不同粒子的方式,粒子会依其大小、形状、密度、介质黏度以及转速不同,而有不同的分离情形[1]。混合物中密度高的成分会在离心机的外围,而密度低的成分会在离心机的内侧。化学家以及生物学家可以增加离心​管的等效重力,使沉淀物快速移动到管的底部。剩下在沉淀物上方的液体称为上清液(supernatant)。

若外加力只有重力,非匀相混合物中粒子分离速度,会和粒子的大小及密度有关。粒子大小越大,密度越大,越快会分离出来。若在混合物中给予较大的等效重力(例如离心力),可以加速分离的速度。这很适合工业和实验室的应用,有些物质在自然条件下也会沉淀,但需要花很长的时间,利用离心技术,可以在很短的时间进行沉淀[2]

离心的速率会以角速度表示,其单位是每分钟转速(RPM),或是以G力表示的加速度。RPM和g力之间的转换系数和离心机的半径有关。粒子在离心时的沉降速度是其粒子大小、形状、离心加速度、固体的体积分率、粒子和液体的密度差、以及液体的黏度。最常见的应用是从高浓度悬浮液中分离固体,常用在污水污泥的脱水处理上[3]

离心在工业和实验室中都有广泛的应用,不单是分离混溶的物质,也可以用来分析大分子粒子的流体动力学性质[4]。这是生物化学细胞生物学分子生物学最常用且重要的研究方式之一。化学和食品工业有特殊的离心机,可以处理连续的带颗粒流体英语continuous process。离心也是浓缩铀时最常用的方式,其原理是因为六氟化铀气体中,铀-238铀-235之间微小的质量差异[5]

数学公式

许多在悬浮液体中的粒子细胞会慢慢的因为重力而落到容器的底部。不过需要花的时间很长。甚至有一些很小的粒子,只有在高离心力的作用下才可能和液体分离。当悬浮液以一定的转速旋转时,粒子会因为离心力而渐渐远离旋转轴。计算离心加速度和转速的公式如下:

,

其中g表示离心的加速度,而r是粒子距旋转轴的距离[6]

不过依照离心模型的不同,转子的相对角度以及半径也会改变,因此公式也要随之修改。例如,Sorvall #SS-34转子的最大半径是10.8 cm,因此公式会变成,可以进一步简化为[6]

若考虑粒子受力相对于重力的大小,会用相对离心力(Relative Centrifugal Force、RCF)表示。是离心机旋转时,其内容物受到垂直于旋转轴的力,相对于重力的比值,这可以量测不同型式以及大小离心机的强度。例如,RCF 1000 x g表示其离心力是重力的1000倍。RCF和转速以及粒子距旋转轴的距离有关。最常见RCF的公式是[7]

,

其中是常数,r是半径,单位是厘米rpm是转速,单位是每分钟转速[7]

以往,许多分离技术都是以转速3000 rpm来进行,其产生的g大约是其半径(用厘米表示)的10倍,因此半径160 mm的离心机,其产生的加速度大约是1600 x g[8]。因为RCF和半径是线性的关系,若半径大10%,其RCF也会增加10%。因此,上述的公式可以再简化为,误差只有0.62%。

历史

特奥多尔·斯韦德贝里和他的学生H. Rinde在1923年分析了大颗粒溶胶的重力沈降[9]溶胶中包括不只一种物质,但是各物质均匀分布,也称为胶体[10]。不过小颗粒的溶胶(例如含金的溶胶)无法分析[9]。为了要研究此问题,斯韦德贝里开发了分析离心机,配备了照相吸收系统,希望有更大的离心效果[9],他也发展了测分子重量所需要的理论[10]。此时,斯韦德贝里的注意力开始从金转向蛋白质[9]

1900年时,大家已普遍接受蛋白质是由氨基酸所组成。但有关蛋白质是高分子还是胶体,当时还有争议[11]。当时在研究的蛋白质是血红蛋白,已知有712个碳原子、1,130个氢原子、243个氧原子、2个硫原子,和至少1个铁原子。因此红蛋白的重量约是16,000原子质量单位(Da),但还不确定此数值是否要乘以4(表示一个血红蛋白中有四个铁原子)[12]

利用一系列用沉降平衡英语sedimentation equilibrium技术进行的实验,发现了二个重要的结论:血红蛋白的分子量是68,000 Da,其此每一个分子中有四个铁原子,而且不论血红蛋白是用哪一种方式分离,其分子量不变[9][10]。针对分子量这么大的物质,不论是以什么方式采样的,其分子量都不变,这是前所未有的,因此支持血红蛋白是高分子,不是胶体[11]。为了要研究此一现象,需要更高速的离心机,因此制作了超高速离心机英语ultracentrifuge来确认沉降-扩散的理论[9]。后来检测到相同的分子量,而且有扩散边界,表示其为单致密粒子(single compact particle)[9]。进一步的离心应用发现,在不同的条件下,大型的匀相粒子可以分解为个别的子单元[9]。离心的应用是蛋白质实验科学上的一大进步。

Linderstorm-Lang在1937年发现密度梯度管(density gradient tubes)可以用来量测密度,这是他在研究马铃薯黄症病毒时发现的[13]。在Meselson和Stahl证实DNA复制是半守恒的著名实验中,也使用此一方式,配合不同氮的同位素。他们用密度梯度离心来确认在复制周期后,DNA上是否有出现其他的氮同位素[14]

相关条目

参考资料

  1. ^ Centrifugation Theory. Fischer Scientific. Thermo Fisher Scientific. [2018-03-09]. (原始内容存档于2019-08-20). 
  2. ^ Frei, Mark. Centrifugation Basics. Sigma-Aldrich. [2016-05-10]. (原始内容存档于2021-04-30). 
  3. ^ Centrifugation. Lenntech. [2013-10-15]. (原始内容存档于2021-07-12). 
  4. ^ Garrett, Reginald H.; Grisham, Charles M. Biochemistry 5th. Belmont, CA: Brooks/Cole, Cengage Learning. 2013: 111. ISBN 9781133106296. 
  5. ^ Zielinski, Sarah. What Is Enriched Uranium?. Smithsonian Magazine. [2020-11-22]. (原始内容存档于2022-04-12). 
  6. ^ 6.0 6.1 Ballou, David P.; Benore, Marilee; Ninfa, Alexander J. Fundamental laboratory approaches for biochemistry and biotechnology 2nd. Hoboken, N.J.: Wiley. 2008: 43. ISBN 9780470087664. 
  7. ^ 7.0 7.1 Burtis, Carl A.; Ashwood, Edward R.; Bruns, David E. Tietz Textbook of Clinical Chemistry and Molecular Diagnostics - E-Book. Elsevier Health Sciences. 2012-10-14 [2021-07-11]. ISBN 978-1-4557-5942-2. (原始内容存档于2021-07-11) (英语). 
  8. ^ NÜVE | Centrifugation Tips. www.nuve.com.tr. [2021-07-11]. (原始内容存档于2021-07-11). 
  9. ^ 9.0 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 Van Holde, K. E. (1998). Analytical ultracentrifugation from 1924 to the present: A remarkable history. Chemtracts – Biochemistry and Molecular Biology. 11:933-943
  10. ^ 10.0 10.1 10.2 Svedberg, T. (1927). The Ultracentrifuge Nobel Lecture
  11. ^ 11.0 11.1 Tanford, C., and Reynolds, J. 2001. Nature’s robots: A history of proteins. Oxford University Press. pp. 303-305
  12. ^ Simoni, D. S., Hill, R. L., and Vaughan, M. (2002). The structure and function of hemoglobin: Gilbery Smithson Adair and the Adair equations. The Journal of Biological Chemistry. 277(31): e1-e2
  13. ^ Brakke, Myron K. Density Gradient Centrifugation: A New Separation Technique. J. Am. Chem. Soc. April 1951, 73 (4): 1847–1848. doi:10.1021/ja01148a508. 
  14. ^ Oster, Gerald; Yamamoto, Masahide. Density Gradient Techniques. Chem. Rev. June 1963, 63 (3): 257–268. doi:10.1021/cr60223a003. 

来源

  • Harrison, Roger G., Todd, Paul, Rudge, Scott R., Petrides D.P. Bioseparations Science and Engineering. Oxford University Press, 2003.
  • Dishon, M., Weiss, G.H., Yphantis, D.A. Numerical Solutions of the Lamm Equation. I. Numerical Procedure. Biopolymers, Vol. 4, 1966. pp. 449–455.
  • Cao, W., Demeler B. Modeling Analytical Ultracentrifugation Experiments with an Adaptive Space-Time Finite Element Solution for Multicomponent Reacting Systems. Biophysical Journal, Vol. 95, 2008. pp. 54–65.
  • Howlett, G.J., Minton, A.P., Rivas, G. Analytical Ultracentrifugation for the Study of Protein Association and Assembly. Current Opinion in Chemical Biology, Vol. 10, 2006. pp. 430–436.
  • Dam, J., Velikovsky, C.A., Mariuzza R.A., et al. Sedimentation Velocity Analysis of Heterogeneous Protein-Protein Interactions: Lamm Equation Modeling and Sedimentation Coefficient Distributions c(s). Biophysical Journal, Vol. 89, 2005. pp. 619–634.
  • Berkowitz, S.A., Philo, J.S. Monitoring the Homogeneity of Adenovirus Preparations (a Gene Therapy Delivery System) Using Analytical Ultracentrifugation. Analytical Biochemistry, Vol. 362, 2007. pp. 16–37.