离心基础知识

BioFiles Volume 6, Number 5 — Centrifugation

来源:Mark FreiBioFiles v6 n5, 4–5

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在一定时间内,地球引力足以分离许多类型的粒子。在工作台上放一个装有经过抗凝处理的全血的试管,最终内容物将分离成血浆、红细胞和白细胞几个部分。然而,对于大多数应用来说,时间长度要求使得无法用这种方式分离。在实践中,需要用离心力来分离大多数粒子。此外,长时间存放也可能会使生物化合物发生降解,这意味着需要更快的分离技术。

通过重力来分离悬浮粒子的速率主要取决于粒子的尺寸和密度。较高密度或较大尺寸的粒子通常以较快的速率行进,在某个点上,就会与密度和尺寸较小的粒子分离。包括细胞在内的粒子的沉降可以通过斯托克斯方程来解释,该方程描述了球体在重力场中的运动。1 该方程用五个参数计算沉降速度(见图1)。

斯托克斯方程。

图1. 斯托克斯方程。

根据斯托克斯方程,可以解释粒子的五个重要行为:

  1. 粒子沉降速率与粒子大小成正比。
  2. 沉降速率与粒子和介质之间的密度差异成正比。
  3. 当粒子密度与介质密度相同时,沉降速率为零。
  4. 随着介质粘度的增加,沉降速率降低。
  5. 随着重力的增加,沉降速率增加。

大多数粒子都太小,以至于其重力不足以克服粒子的随机分子力,因而影响分离。离心是给分离应用赋予的名称,其涉及围绕轴旋转以产生离心力,这是增加重力场强度的一种方式。悬液中的粒子经受径向离心力,使它们远离旋转轴线。2 旋转转子产生的径向力相对于地球引力来表达,因此被称为相对离心力(RCF)或 “克力“。作用在粒子上的克力与旋转速度(定义为每分钟转数,rpm)成指数关系。加倍转速会使离心力增加四倍。离心力也随着距旋转轴的距离增加而增加。这两个参数对于选择合适的离心机,具有重要意义。表1总结了可根据相对离心力分类的应用。3

表1. 离心机的类别及其应用。
 

参数 低速 高速 超离心
速度范围(r.p.m. x 103 2–6 18–22 35–120
最大RCF(x 103 8 60 700
造粒应用      
细菌 是*
动植物细胞 是*
细胞核 是*
沉淀 有些 大多数 是*
膜细胞器 有些
膜片段 有些 有些
核糖体 / 多聚核糖体
大分子
病毒 大多数

* 可以做,但通常不用于此目的。

RCF取决于转速以及粒子与旋转中心的距离。当转速(Q)以rpm为单位,距离(r)以厘米为单位,则可以用图2中的公式计算RCF。

RCF取决于转速以及粒子与旋转中心的距离

 

图2. 相对离心力(RCF)的计算公式。

还可用诺模图根据想要的RCF来查到所需的离心机转子的转速(参见图3)。这种快速估算对于低速离心应用非常有用。但是,对于超过10,000 rpm的速度,使用RCF计算更为准确。

用于估算离心转速rpm的诺模图。

图3. 用于估算离心转速rpm的诺模图。


 诺模图使用说明

  1. 测量从离心转子中心至试管架末端的半径(cm)。
  2. 获得应用所需的相对离心力。
  3. 用直线将半径值与相对离心力值(g)相连,该直线与最右列相交处的数即为转子的转速(rpm)。

 参考文献

1. Laboratory Techniques in Biochemistry and Molecular Biology, P.T. Sharpe, p.18.
2. Biological Centrifugation, J. Graham, p. 3.
3. Centrifugation, Essential Data, D. Rickwood, p.12.