Принцип работы и примеры применения центрифуги

Введение: Центрифуга – невидимая «разделяющая рука»"

Лабораторные центрифуги – незаменимое оборудование в биологии, химии, медицине и других областях. Они быстро разделяют компоненты различной плотности в жидкостях за счет центробежной силы, создаваемой высокоскоростным вращением. Будь то стратификация крови, экстракция клеточных органелл или очистка наноматериалов, центрифуги играют ключевую роль. В этой статье мы проанализируем принцип его работы и типичные сценарии применения посредством сочетания графики и текста.

Принцип работы центрифуг: Как центробежная сила «наслаивает» вещества?

1. Природа центробежной силы

Центробежная сила — это сила инерции, которая генерирует «виртуальную силу», которая отталкивает объект от центра вращения при его вращении вокруг своей оси. Формула:

F = м × ω² × r
(м: масса объекта; ω: угловая скорость; r: радиус вращения)

2. Рабочий процесс

1. Загрузите образец в центрифужную пробирку и поместите его симметрично в ротор (обеспечьте баланс);
2. Установите скорость (об/мин) и время начала центрифугирования;
3. При высокоскоростном вращении более плотные компоненты оседают наружу, образуя осадки; более плотные остаются в верхнем слое;
4. После остановки жидкость расслояется по градиенту плотности и может впитываться слой за слоем.

• Ротор: Основной компонент, несущий центрифужную пробирку (угловой ротор/горизонтальный ротор);
• Приводной двигатель: обеспечивает вращательную мощность;
• Система охлаждения (опция): предотвращает перегрев образцов;
• Система управления: Отрегулируйте скорость, время и температуру.

Классификация и основные параметры центрифуг

1. Классификация по скорости

2. Анализ ключевых параметров

Относительная центробежная сила (RCF): Показатель фактической эффективности сепарации, формула:

RCF = 1,118 × 10⁻⁵ × r × (об/мин)²
(r: радиус вращения, единица измерения - сантиметр)

Диапазон контроля температуры: -от 20 ℃ до 40 ℃ для защиты термочувствительных образцов;
Производительность ротора: От небольшого количества (0,2 мл) до большого (1 л) его можно адаптировать к различным потребностям.

Классические примеры применения

Пример 1: Стратификация крови (медицинское обследование)

Цель: Изолировать плазму, лейкоциты и эритроциты.

1. Соберите образцы цельной крови и добавьте антикоагулянт;
2. Центрифуга при 3000 об/мин в течение 10 минут;
3. Стратифицированные результаты (сверху вниз): плазма (55%), лейкоциты/тромбоциты (<1%), эритроциты (45%).

Пример 2: Выделение органелл (биологическое исследование)

Цель: Извлеките митохондрии или ядра клеток.

1. После лизиса клеток гомогенат центрифугировали на низкой скорости (1000 об/мин) для удаления неразрушенных клеток;
2. Супернатант центрифугировали при 10 000 об/мин для осаждения митохондрий;
3. Конечный супернатант подвергали ультрацентрифугированию (100 000 об/мин) для получения микросом.

Ключ: Чистоту повышают градиентным центрифугированием (например, градиентом плотности сахарозы).

Пример 3: Экстракция ДНК (молекулярная биология)

Цель: Изолировать и очистить ДНК из клеток.

1. Лизирование клеток для высвобождения ДНК;
2. Добавьте связывающий буфер и центрифугируйте на высокой скорости, чтобы адсорбировать ДНК на мембране силикагеля;
3. Промывка для удаления загрязнений;
4. ДНК элюировали низкоскоростным центрифугированием.

Процесс центробежной очистки ДНК

Пример 4: Очистка наноматериалов (Материаловедение)

Цель: Для разделения наночастиц золота разного размера.

1. Синтезированную смесь центрифугируют с градиентной скоростью.:
2. 5000 об/мин удаляет крупные агрегаты частиц;
3. Соберите целевой размер частиц (например, 20 нм) при 15 000 об/мин;
4. Скорость 20 000 об/мин улавливает более мелкие частицы (5 нм).

Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) подтвердила распределение частиц по размерам.

Эксплуатационные меры предосторожности

• Баланс и симметрия: Центрифужные пробирки необходимо располагать симметрично, с разницей в качестве не более 0,1 г, чтобы избежать несчастных случаев, вызванных дисбалансом ротора;
• Ограничение скорости: Категорически запрещается превышать номинальную скорость ротора;
• Биобезопасность: Для анализа образцов патогенов необходимо использовать герметичные роторы или биобезопасные центрифуги;
• Обслуживание: Регулярно очищайте ротор от коррозии и проверяйте уплотнительные кольца на предмет старения.

Перспективы на будущее: интеллект и миниатюризация

• Интеллектуальная центрифуга: Встроенные датчики контролируют центробежную силу и температуру в режиме реального времени и автоматически корректируют параметры;
• Ручная центрифуга: Микроустройство с питанием от USB для быстрого тестирования на месте;
• Зеленый дизайн: Малошумные роторы с низким энергопотреблением стали обычным явлением.

Центрифуги обеспечивают эффективное разделение сложных смешанных систем благодаря простым физическим принципам. От медицинской диагностики до передовых научных исследований — он продолжает расширять границы научного развития. Понимание его принципов и стандартизация операций являются важными навыками для каждого экспериментатора.