Werksbeginsel en toepassingsvoorbeelde van sentrifuge

Inleiding: Sentrifuge - die onsigbare "skeidende hand"

Laboratoriumsentrifuges is onontbeerlike toerusting in biologie, chemie, medisyne en ander velde. Hulle skei vinnig komponente met verskillende digthede in vloeistowwe deur middel van sentrifugale krag wat deur hoëspoedrotasie gegenereer word. Of dit nou bloedstratifikasie, selorganelekstraksie of suiwering van nanomateriaal is, sentrifuges speel 'n sleutelrol. Hierdie artikel sal sy werkingsbeginsel en tipiese toepassingscenario's ontleed deur 'n kombinasie van grafika en teks.

Werksbeginsel van sentrifuges: Hoe "lae" sentrifugale krag stowwe?

1. Die aard van sentrifugale krag

Sentrifugale krag is 'n traagheidskrag wat 'n "virtuele krag" opwek wat die voorwerp wegdryf van die rotasiemiddelpunt terwyl dit om sy as draai. Die formule is:

F = m × ω² × r
(m: massa van voorwerp; ω: hoeksnelheid; r: radius van rotasie)

2. Werkvloei

1. Laai die monster in 'n sentrifugebuis en plaas dit simmetries in die rotor (verseker balans);
2. Stel die spoed (RPM) en tyd om sentrifugering te begin;
3. Onder hoëspoedrotasie sit die digter komponente na buite om neerslae te vorm; die digteres bly in die boonste laag;
4. Nadat dit gestop is, word die vloeistof volgens 'n digtheidsgradiënt gelaag en kan laag vir laag geabsorbeer word.

• Rotor: Die kernkomponent wat die sentrifugebuis dra (hoekrotor/horisontale rotor);
• Ry motor: verskaf roterende krag;
• Verkoelingstelsel (opsioneel): verhoed dat monsters oorverhit word;
• Beheerstelsel: Pas spoed, tyd en temperatuur aan.

Klassifikasie en kernparameters van sentrifuges

1. Klassifikasie volgens spoed

2. Ontleding van sleutelparameters

Relatiewe sentrifugale krag (RCF): 'n Aanwyser van werklike skeidingsdoeltreffendheid, formule:

RCF = 1,118 × 10⁻⁵ × r × (RPM)²
(r: radius van rotasie, eenheid van sentimeter)

Temperatuurbeheerreeks: -20℃ tot 40℃ om hitte-sensitiewe monsters te beskerm;
Rotor kapasiteit: Van 'n klein hoeveelheid van 0.2mL tot 'n groot hoeveelheid van 1L, kan dit aangepas word vir verskillende behoeftes.

Klassieke toepassingsvoorbeelde

Voorbeeld 1: Bloedstratifikasie (mediese toetsing)

Doelwit: Isoleer plasma, witbloedselle en rooibloedselle.

1. Versamel volbloedmonsters en voeg antikoagulant by;
2. Sentrifugeer by 3000 RPM vir 10 minute;
3. Gestratifiseerde resultate (van bo na onder): plasma (55%), witbloedselle/plaatjies (<1%), rooibloedselle (45%).

Voorbeeld 2: Isolasie van organelle (biologiese navorsing)

Doelwit: Onttrek mitochondria of selkerne.

1. Na sellise is homogenaat teen lae spoed (1000 RPM) gesentrifugeer om ononderbroke selle te verwyder;
2. Supernatant is gesentrifugeer teen 10 000 RPM om mitochondria te presipiteer;
3. Die finale supernatant is ultrasentrifugeer (100 000 RPM) om mikrosome te verkry.

Sleutel: Suiwerheid word verbeter deur gradiëntsentrifugering (bv. sukrosedigtheidsgradiënt).

Voorbeeld 3: DNS-ekstraksie (molekulêre biologie)

Doelwit: Isoleer en suiwer DNA uit selle.

1. Lys van selle om DNA vry te stel;
2. Voeg bindingsbuffer by en sentrifugeer teen hoë spoed om DNA aan die silikagel-membraan te adsorbeer;
3. Was om onsuiwerhede te verwyder;
4. DNA is deur laespoed sentrifugering geëlueer.

DNA sentrifugale suiweringsproses

Voorbeeld 4: Suiwering van nanomateriale (Materiaalwetenskap)

Doelwit: Om goue nanopartikels van verskillende deeltjiegroottes te skei.

1. Die gesintetiseerde mengsel word teen gradiëntspoed gesentrifugeer:
2. 5000 RPM verwyder groot deeltjie aggregate;
3. Versamel die teikendeeltjiegrootte (bv. 20nm) by 15 000 RPM;
4. 20 000 RPM vang kleiner deeltjies (5nm) op.

Transmissie-elektronmikroskopie (TEM) het die deeltjiegrootteverspreiding geverifieer.

Operasionele voorsorgmaatreëls

• Balansering en simmetrie: Sentrifugeerbuise moet simmetries geplaas word, met 'n kwaliteitsverskil van ≤0.1g om ongelukke wat deur rotorwanbalans veroorsaak word, te vermy;
• Spoedbeperking: Dit is streng verbode om die gegradeerde spoed van die rotor te oorskry;
• Bioveiligheid: Patogeenmonsters vereis die gebruik van verseëlde rotors of bioveiligheidsentrifuges;
• Onderhoud: Maak rotorkorrosie gereeld skoon en kyk vir veroudering van seëlringe.

Toekomsuitkyk: intelligensie en miniaturisering

• Intelligente sentrifuge: Ingeboude sensors monitor sentrifugale krag en temperatuur intyds en pas outomaties parameters aan;
• Handsentrifugeer: USB-aangedrewe mikro-toestel om aan die behoeftes van vinnige toetsing op die terrein te voldoen;
• Groen ontwerp: Lae-geraas, lae-energie rotors het hoofstroom geword.

Sentrifuges bereik doeltreffende skeiding van komplekse gemengde stelsels deur eenvoudige fisiese beginsels. Van mediese diagnose tot voorpunt wetenskaplike navorsing, dit gaan voort om die grense van wetenskaplike ontwikkeling te verskuif. Om die beginsels daarvan te verstaan ​​en die standaardisering van bedrywighede is noodsaaklike vaardighede vir elke eksperimenteerder.