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離心力和相對離心力離心機的技術(shù)參數(shù)講解

時間:2021/1/9閱讀:3070
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在生命科學(xué)研究中,離心是一種*的技術(shù)手段,更是實驗室中常見的實驗項目。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,快來加入我們吧!

離心原理

學(xué)習(xí)一門技術(shù)勢必要先從了解其原理開始。我們可以通過簡單的實驗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,仍然會有一些細小的顆粒在水中緩慢的向容器底部移動,由于移動得非常緩慢,我們不一定能觀察到這些顆粒的運動。另外還有一些顆粒則漂浮在水面上。

 

通過實驗中觀察到的結(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。

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,顆粒移動的速率往往與顆粒的大小與密度相關(guān),這樣就出現(xiàn)了顆粒的沉降運動。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)是利用離心機旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生離心力,將具有沉降系數(shù)差別的樣品進行分離、分析、濃縮和提純的一種技術(shù)。

離心常用術(shù)語

離心力和相對離心力
盡管有些生物顆粒可以在重力場(1×g)作用下實現(xiàn)分離,如人血細胞,將處理過的血細胞置于桌上1-2 小時,由于不同細胞的大小不一樣,白細胞和紅細胞能自動分層。但若需分離更小的生物顆粒,遠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現(xiàn)。顆粒在放射狀的離心力下從軸心向外運動,使離心管旋轉(zhuǎn)的機器就是離心機,而裝載了離心管并帶動離心管沿軸旋轉(zhuǎn)的即是轉(zhuǎn)頭。不管是細胞還是生物大分子受到離心力都可以用以下公式計算:

 QQ截圖20201016095757.png  (1)

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離心力(RCF:Relative centrifugation force)來衡量的。而所謂的相對離心力即是離心力與重力之比,用以下公式
表示:

 QQ截圖20201016095815.png      (2)

RCF – 相對離心力;
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:

圖片2.jpg   (3)

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)速與相對離心力之間的關(guān)系:

 QQ截圖20201016095842.png  (4)

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)于提高了相對離心力。

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

 

上圖轉(zhuǎn)速與半徑相對應(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,就可得到相對離心力。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。

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

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