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离心

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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、细胞生物学和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和铀-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或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.
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