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小貝講堂之離心常用術(shù)語 – 離心力和相對(duì)離心力

小貝講堂之離心常用術(shù)語 – 離心力和相對(duì)離心力
貝克曼庫爾特生命科學(xué)  2024-05-08  |  閱讀:1796

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在生命科學(xué)研究中,,離心是一種必不可少的技術(shù)手段,,更是實(shí)驗(yàn)室中最常見的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。但是你真的了解這門技術(shù)嗎,?你是否知道離心的原理,,了解如何選擇合適的轉(zhuǎn)頭、離心管和離心方法呢,?小貝離心課堂重新開課,,帶你玩轉(zhuǎn)離心機(jī),快來加入我們吧!

離心原理



學(xué)習(xí)一門技術(shù)勢(shì)必要先從了解其原理開始,。我們可以通過簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)來理解離心的基本原理,。


首先我們來觀察在重力作用下顆粒的沉降:抓一把沙子和泥土的混合物放到裝有水的容器里搖勻,然后把容器置于桌上,,觀察到在地球引力作用下大量的顆粒立即沉淀到容器的底部,。一段時(shí)間后,又看到容器中的混合物分成數(shù)層,,每層都由大小相同的顆粒組成,,顆粒在容器的分布從上到下逐漸增大。不過,,仍然會(huì)有一些細(xì)小的顆粒在水中緩慢的向容器底部移動(dòng),,由于移動(dòng)得非常緩慢,我們不一定能觀察到這些顆粒的運(yùn)動(dòng),。另外還有一些顆粒則漂浮在水面上,。


通過實(shí)驗(yàn)中觀察到的結(jié)果,,我們可以得出大顆粒比小顆粒更快地沉降到底部,,而更小的顆粒則沉降得更慢。不過,,一些密度比較重的小顆粒反而比密度比較輕的大顆粒沉降得更快,。我們還可以看到有些小顆粒在水中是不沉降的,漂浮在水面,。

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圖1 重力作用下混合顆粒的沉降:顆粒沉降的速度依賴于顆粒的大小,,大顆粒則先沉降到底部,而小顆粒則停留在容器的上部,。


以上即是離心的主要原理,,液體中的顆粒在重力的作用下以一定的速率向下移動(dòng),顆粒移動(dòng)的速率往往與顆粒的大小與密度相關(guān),,這樣就出現(xiàn)了顆粒的沉降運(yùn)動(dòng),。當(dāng)然前提是顆粒的密度必須大于液體的密度。


總結(jié)來說,,離心技術(shù)是利用離心機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生離心力,,將具有沉降系數(shù)差別的樣品進(jìn)行分離、分析,、濃縮和提純的一種技術(shù),。


離心常用術(shù)語

離心力和相對(duì)離心力


盡管有些生物顆粒可以在重力場(chǎng)(1×g)作用下實(shí)現(xiàn)分離,,如人血細(xì)胞,,將處理過的血細(xì)胞置于桌上1-2 小時(shí),由于不同細(xì)胞的大小不一樣,白細(xì)胞和紅細(xì)胞能自動(dòng)分層,。但若需分離更小的生物顆粒,,遠(yuǎn)大于重力的力則是必須的,這可以通過沿軸旋轉(zhuǎn)裝有懸浮顆粒的離心管來實(shí)現(xiàn),。顆粒在放射狀的離心力下從軸心向外運(yùn)動(dòng),,使離心管旋轉(zhuǎn)的機(jī)器就是離心機(jī),而裝載了離心管并帶動(dòng)離心管沿軸旋轉(zhuǎn)的即是轉(zhuǎn)頭,。不管是細(xì)胞還是生物大分子受到離心力都可以用以下公式計(jì)算:

2.png


F離心力– 顆粒受到的離心力

m – 顆粒的質(zhì)量

ω – 角速度

r – 旋轉(zhuǎn)軸到顆粒的距離


但是通常情況下,,旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)頭受到的放射狀的力都是由相對(duì)離心力(RCF:Relative centrifugation force)來衡量的。而所謂的相對(duì)離心力即是離心力與重力之比,,用以下公式表示:

3.png

RCF – 相對(duì)離心力,;

F離心力– 顆粒受到的離心力;

F重力– 顆粒受到的重力,;

m – 顆粒的質(zhì)量,;

ω – 角速度;

g –重力加速度,;

r – 旋轉(zhuǎn)軸到顆粒的距離,。

ω 是轉(zhuǎn)頭的角速度,指轉(zhuǎn)頭每秒鐘轉(zhuǎn)過的弧度數(shù),,其值就是:

4.png

RPM (Revolution per minute) – 轉(zhuǎn)頭每分鐘轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)數(shù)

結(jié)合公式(2)和公式(3)可得到同一轉(zhuǎn)頭的轉(zhuǎn)速與相對(duì)離心力之間的關(guān)系:


5.png


r – 旋轉(zhuǎn)軸到顆粒的距離(單位:毫米mm)


由上可以看出轉(zhuǎn)頭的相對(duì)離心力與轉(zhuǎn)頭的轉(zhuǎn)速的平方成正比,,而且與轉(zhuǎn)頭的半徑成正比。對(duì)于同一轉(zhuǎn)頭而言,,由于半徑不變,,增加轉(zhuǎn)速也就相當(dāng)于提高了相對(duì)離心力。


為便于進(jìn)行轉(zhuǎn)速和相對(duì)離心力之間的換算,,Dole 和Cotzias 利用RCF 的計(jì)算公式,,制作了轉(zhuǎn)速“rpm”、相對(duì)離心力“RCF”和旋轉(zhuǎn)半徑“r”三者關(guān)系的列線圖,,圖式法比公式計(jì)算法方便,,且一目了然。換算時(shí),,先在r 標(biāo)尺上取已知的半徑和在rpm 標(biāo)尺上取已知的離心機(jī)轉(zhuǎn)數(shù),,然后將這兩點(diǎn)間劃一條直線,與圖中RCF 標(biāo)尺上的交叉點(diǎn)即為相應(yīng)的相對(duì)離心力數(shù)值,。

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上圖轉(zhuǎn)速與半徑相對(duì)應(yīng)的離心力列線圖,,左列為半徑標(biāo)尺,右列為轉(zhuǎn)速標(biāo)尺,,連接半徑與轉(zhuǎn)速的直線與中間RCF 表尺的交匯點(diǎn),,就可得到相對(duì)離心力,。注意,若已知的轉(zhuǎn)數(shù)值處于rpm 標(biāo)尺的右邊,,則應(yīng)讀取RCF 標(biāo)尺右邊的數(shù)值,,轉(zhuǎn)數(shù)值處于rpm 標(biāo)尺左邊,則應(yīng)讀取RCF 標(biāo)尺左邊的數(shù)值,。


在重力場(chǎng)的沉降中,,重力場(chǎng)通常被看作恒定值,而離心管中的離心力場(chǎng)卻不是一個(gè)恒定值,。由于轉(zhuǎn)頭的形狀及設(shè)計(jì),,離心管中從管頂至管底各點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)中心的距離是不同的,為了計(jì)算相對(duì)離心力的數(shù)值可用平均相對(duì)離心力來表示,,即同一離心轉(zhuǎn)頭部和底部所受離心力的平均值,。科技文獻(xiàn)中離心力的數(shù)據(jù)通常是指其平均值(RCFav),,即離心管中點(diǎn)的離心力,。


而各廠家在標(biāo)注離心機(jī)和轉(zhuǎn)頭等的最大相對(duì)離心力(RCF)時(shí),一般用最高轉(zhuǎn)速下,、最大半徑處(Rmax)的相對(duì)離心力,。請(qǐng)注意區(qū)分這個(gè)參數(shù)與平均離心力(RCFav)的差異。



離心機(jī)常有多種不同形狀的轉(zhuǎn)頭,,其各自所反映的離心力場(chǎng)的大小和離心沉降距離也不一樣,,在實(shí)際工作中應(yīng)根據(jù)分離要求正確選擇使用,。下一期小貝講堂將具體介紹沉降系數(shù),,精彩不斷,敬請(qǐng)關(guān)注,!


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