Перетягніть, щоб обертати ротор · частинки осідають назовні від осі обертання
Центрифуга обертає зразок з великою швидкістю, замінюючи звичайне гравітаційне поле значно сильнішим відцентровим прискоренням — відносною відцентровою силою (RCF), що вимірюється в одиницях g, — і розділяє частинки в рідині за розміром, густиною та формою. Швидкість осідання сферичної частинки під дією відцентрової сили описується законом Стокса: v = (2r²(ρ_p − ρ_f) × ω²R) / (9η). Центрифугування лежить в основі розділення компонентів крові в трансфузіології, очищення білків у біохімії, збагачення урану в ядерних технологіях і виділення клітинних органел у клітинній біології.
Налаштовуйте швидкість ротора (об/хв), розмір та густину частинок, щоб спостерігати, як формуються смуги різних матеріалів на певних радіальних позиціях у пробірці. Перемикайтеся між режимами — диференціальним центрифугуванням, градієнтом густини та ізопікничним — щоб побачити, як кожен з них використовує різні фізичні властивості для розділення.
Що таке RCF і як його розрахувати з об/хв?
Відносна відцентрова сила (RCF) — це ефективне відцентрове прискорення зразка у кратних g. Вона розраховується як RCF = 1,118 × 10⁻⁵ × r × N², де r — радіус ротора в сантиметрах, N — швидкість у об/хв. Типова лабораторна мікроцентрифуга при 12 000 об/хв і радіусі ротора 8 см генерує близько 10 700 × g, що дозволяє осадити агрегати білків розміром 1 мкм за менш ніж хвилину.
Що таке закон Стокса і що він каже про седиментацію?
Закон Стокса описує силу опору на малу сферичну частинку в'язкої рідини: F = 6πηrv. При кінцевій (термінальній) швидкості ця сила врівноважує відцентрову, даючи v ∝ r² × (ρ_p − ρ_f). Тобто більші та щільніші частинки осідають значно швидше — подвоєння радіусу збільшує швидкість у чотири рази — ось чому ультрацентрифуги можуть розрізняти білкові субодиниці, що відрізняються лише на кілька кДа.
Як центрифуга розділяє компоненти крові?
Цільна кров при ~2 000–3 000 × g протягом 10 хвилин розділяється на три шари: нижній осад еритроцитів (~1,10 г/мл), тонкий «лейкотромбоцитарний шар» (~1,06 г/мл) і верхній шар плазми (~1,025 г/мл). Банки крові регулярно виконують таке розділення для виробництва еритроцитарної маси, концентратів тромбоцитів і свіжозамороженої плазми.
Диференціальне центрифугування послідовно збільшує відцентрову силу, щоб осаджувати дедалі дрібніші частинки: ядра при ~600 × g, мітохондрії при ~10 000 × g, мікросоми при ~100 000 × g. Центрифугування в градієнті густини укладає зразок на градієнт сахарози або CsCl і центрифугує до тих пір, поки частинки не мігрують у точку, де їх густина збігається з густиною розчину (ізопікнічний метод) або де вони зупиняються завдяки залежній від розміру швидкості (зональний метод).
Ультрацентрифуги працюють при 150 000–800 000 × g (до ~100 000 об/хв) і можуть розділяти макромолекули лише за розміром. Аналітична ультрацентрифуга, винайдена Теодором Сведбергом у 1920-х роках, у реальному часі відстежує міграцію молекул за допомогою оптичного детектування, дозволяючи розрахувати молекулярну масу та форму. Коефіцієнти седиментації виражаються в одиницях Сведберга (S).
Природний уран містить лише 0,7% ядерного ²³⁵U; реактори потребують 3–5% збагачення, а зброя — понад 90%. Газові центрифуги обертають гексафторид урану (UF₆) при ~50 000 об/хв; важчі молекули ²³⁸U мігрують назовні, а ²³⁵U накопичується біля осі. Окремі центрифуги дають коефіцієнт розділення лише ~1,3 за ступінь, тому потрібні каскади з сотень машин.
Коефіцієнт седиментації s — це відношення швидкості осідання частинки до відцентрового прискорення: s = v / (ω²R). Типові біологічні макромолекули мають значення ~10⁻¹³ с, тому одиниця Сведберга (S) визначена як 10⁻¹³ с. Орієнтири: нуклеосоми ДНК ~11S, протеасома 20S — ~20S, мітохондріальні рибосоми — ~55S. Значення S залежить від маси та форми — витягнуті молекули осідають повільніше за компактні сфери тієї ж маси.
Час t для осадження частинки від поверхні до дна пробірки наближено визначається як t = ln(r_дна / r_поверхні) / (s × ω²). На практиці таблиці або онлайн-калькулятори перекладають цю формулу в «працюйте при X × g протягом Y хвилин, щоб осадити частинки більші за Z нм», враховуючи геометрію ротора. Час осадження обернено пропорційний RCF — подвоєння швидкості приблизно вдвічі скорочує час.
Катастрофічне руйнування ротора через дисбаланс, утому металу або розрив пробірки може вивільнити енергію, еквівалентну вибуху; ротори поміщають у товстостінні бронекамери. Суворі вимоги до балансування (зазвичай не більше 0,1 г різниці між протилежними пробірками) запобігають резонансним коливанням. Біологічні зразки вимагають герметичних роторів і роботи в боксах біологічного захисту.
При ізопікнічному центрифугуванні зразок змішують із щільним розчином, наприклад хлоридом цезію (CsCl), і центрифугують кілька годин, поки розчин сам не утворює градієнт густини, а кожна частинка не мігрує в точку, де її плавуча густина збігається з густиною розчину. Цей метод застосовували в знаменитому експерименті Мезелсона–Сталя 1958 року, що довів напівконсервативну реплікацію ДНК.