蛋白質組學/蛋白質分離 - 離心/離心機工作原理

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	離心機工作原理

離心機的力量

向心力

一個離心機透過繞中心軸旋轉混合物（離心力）來工作。當樣品旋轉時，物體的慣性傾向於沿直線運動。然而，由於它被限制在離心機內，物體的運動路徑必須彎曲成圓形。離心機的機身，或離心機內容器的機身，提供了一種將物體推向圓形運動路徑中心的向心力。這種向內力被稱為向心力，其大小和方向恰好是使物體繞離心機旋轉軸以圓形路徑運動所需的力。

離心力

當物體以恆定角速度繞圓周運動時，物體由於慣性而試圖沿直線運動所產生的向外力的強度取決於角速度和旋轉半徑。此力用 F 表示，角速度用弧度表示並用 w 表示，旋轉半徑 r 用釐米表示。

      $F=mw^{2}r$

通常，在離心過程中應用於粒子懸浮液的力的值是相對的，也就是說，它與地球重力作用於相同粒子的力進行比較。這被稱為相對離心力 (RCF)。是伽利略·伽利雷 (1564-1642) 首次系統地、科學地研究了重力作為一種自然現象。重力加速度常數通常用符號“g”表示，為簡單起見，取值為 9.80 米/秒秒。基於此度量，相對離心力表示為

   $RCF=mw^{2}r/9.80$         (RFC = F centrifugation / F gravity)

表示離心機工作速度的常用方法是“每分鐘轉速”或 rpm。上面的公式可以轉換，以便這種關係用這種方式表示。如果用釐米表示半徑，則 RCF 的公式為

     $RCF=11.17r(RPM/1000)^{2}$

如果用英寸表示半徑，則 RCF 的公式為

     $RCF=28.38r(RPM/1000)^{2}$

離心機旋轉產生的離心力在試管底部（遠離中心軸）更大，在試管頂部（靠近中心軸）更小。這種差異幾乎是兩倍。因為密度更大的物體質量更大，這會導致它們的向心力更大 (F=ma)，總體結果是它們沉降在圓形路徑的外部附近。這將密度更大的物體放在經過離心機的試管底部。密度較小的物體保持靠近路徑中心，或經過離心機的試管頂部。

離心力對分子的作用

當樣品在離心機中旋轉時，每個樣品中的粒子都受到離心力。然而，這種力與粒子的質量成正比。為了表示應用於特定分子的離心力，其分子量 (M) 用於該公式中

      Centrifugal force =  $Mw^{2}r$

因為重量考慮了重力的作用，所以在離心力公式中使用分子量消除了對重力力的除法，如上所示。該公式顯示了離心機內的粒子是如何根據其分子量分離的。此外，粒子的尺寸和形狀也會影響其在離心產生的梯度中的遷移。例如，質粒 DNA 在梯度中比染色體 DNA 行進得更遠。這是浮力和摩擦力的反作用力抵消離心力的結果。

浮力和摩擦力

雖然離心力作用於使粒子遠離旋轉軸，但粒子也受到其他力的作用，包括浮力和摩擦力。

浮力是指分子在溶劑中的相互作用。它計算為離心力乘以分子所取代的溶劑體積 (V，即“偏摩爾體積”) 和溶劑本身的密度 (rho – r)。綜合起來，給出以下公式

   Buoyant force = Mω²rVρ

當粒子穿過溶劑時，也會產生摩擦力。分子的尺寸和形狀決定了這種力的測量值。這些因素影響沉降速率，沉降速率表示為旋轉軸隨時間的變化 (dr/dt)。這種力與浮力相結合，以抵消離心力。

 Frictional force = f(v) = f(dr/dt)

這些力共同作用的最終結果是，粒子將在溶劑中移動，遠離旋轉軸，直到離心力等於浮力和摩擦力。利用上面的公式，可以從粒子的分子量計算出沉降係數 (s)。

 Sedimentation Coefficient (s) = M(1-Vr)D/RT
 (R is equal to the gas constant 
  T is equal to absolute temperature)

分子的沉降係數描述了該分子在離心過程中，在具有水粘度和密度的梯度中沉降的位置，以秒為單位進行測量。對於生物分子，這些值介於 1 到 500 × $10^{-13}$ 秒之間。為了避免使用 $10^{-13}$ ，這個數值被描述為一個斯維德伯格單位 (S)，以紀念特奧多爾·斯維德伯格；因此，12 × $10^{-13}$ 被表示為 12S。

科里奧利力

除了離心力，懸浮在旋轉轉子中的顆粒（以及懸浮液本身）也會受到科里奧利力的作用。科里奧利力是由液體和懸浮顆粒的慣性引起的，它是一個很小的力，方向與旋轉軸垂直，且順時針方向。這種力會使粒子逆時針偏轉（反之亦然）。在幾乎所有實驗條件下，科里奧利力都遠小於向心力；然而，當轉子速度改變時（例如在加速和減速期間），其影響會放大。雖然離心力會使粒子加速遠離旋轉軸，但粒子也會受到其他力的影響，包括摩擦力、浮力以及重力。

離心機 - 機器

離心機的基本設計包含一個轉子，它將樣本固定在一起，由電機驅動圍繞固定軸旋轉（在現代離心機中）。更先進的離心機可能還具有潤滑和冷卻系統。除此之外，一些離心機能夠在轉子周圍創造真空環境。

轉子

最流行和使用最廣泛的離心機轉子是擺動桶式轉子和固定角轉子。另外兩種型別的轉子是垂直轉子和區域轉子。

固定角（或角頭）轉子的設計通常比擺動桶式轉子更簡單。在這種型別的轉子中，離心管相對於水平面保持特定的恆定角度，也就是說，管子不會在垂直和水平位置之間重新定位。這種型別的轉子非常適合簡單的沉澱離心，但在速率區帶沉降和等密度沉降方面，其成功率有限且可變。

擺動桶式轉子能夠在離心機內樞轉。隨著速度增加，轉子垂直於旋轉軸的角度也會增加，將其定位為水平配置。相反，隨著離心機減速，轉子返回到垂直位置。當桶擺動出來時，路徑長度會增加，從而允許更好地分離單個顆粒，尤其是在密度梯度離心過程中。這種型別的轉子在用於沉澱時效率低下。然而，它非常適合用於速率區帶沉降和等密度沉降。

大多數擺動桶式轉子都是可互換的，因此可以使用不同尺寸的試管。此外，有些轉子能夠在單個臂上容納多個試管。

垂直轉子將樣本固定在離心機內的垂直位置。這種型別的轉子不適合沉澱離心，但它在用於速率區帶沉降時效果很好，在用於等密度沉降時效果極佳。

離心管

根據樣本/轉子尺寸和離心速度，可以使用不同型別的離心管。正確選擇離心管有助於確保不會發生洩漏，不會損失任何樣本，樣本的化學性質和管子的性質不會衝突，並且可以輕鬆回收樣本。

轉子與管材

早期的轉子，如斯維德伯格轉子，是用鋼製成，偶爾也用黃銅製成。這些材料的高密度以及由此產生的高轉子重量會給離心機驅動器帶來很大的負載，並顯著限制了執行速度。現在，大多數商業轉子都是用鋁或鈦製成的，或者部分用鋁或鈦製成。

潤滑和冷卻系統

離心機執行的高速會產生大量的摩擦力。隨著摩擦力的產生，熱量也會隨之產生。為了防止離心機和/或離心機內的樣本受到損壞，許多現在的離心機都有潤滑和冷卻系統來對抗摩擦力和它產生的熱量。

當在傳統離心機中沉降顆粒的均勻懸浮液時，會發生對流。術語“對流”是指離心管內溶質和/或溶劑的整體運動。不希望的對流可能是由離心機不同部位的溫度變化引起的。透過控制溫度，潤滑和冷卻系統有助於防止這種情況發生。

超速離心機與超速離心機

有兩種基本型別的製備型離心機：超速離心機和超速離心機或超速離心機。

超速離心機通常在高達約 20,000 rpm 的速度下執行。這些離心機通常不需要抽真空轉子室，並透過皮帶或齒輪直接驅動轉子。下面的圖片是 Sorvall RC-5B 冷藏超速離心機。

File:Superspeed centrifuge.JPG

超速離心機可以在更高的速度下執行（高達 65,000 或 75,000 rpm）。由於這些高速，轉子室必須抽真空以減少摩擦並允許精確控制轉子溫度。在大多數超速離心機中，轉子由電機和一組齒輪驅動，或者由油或空氣渦輪系統驅動。下面的圖片是 Beckman Coulter optima LE-80K 超速離心機。

下一節：密度梯度離心

參考文獻

"離心基礎" 科勒帕默技術庫（經賽默飛世爾科技授權釋出）。
Bloomfield, L. A. "如何運作：解釋日常生活中的物理學" 維吉尼亞大學。
Buckley, Nancy. "第五講：離心" 加利福尼亞州立理工大學生物科學系。
"離心機是如何工作的？" 物理論壇。