离心

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离心(Centrifugation)是用離心力來從溶液中分離不同粒子的方式,粒子會依其大小、型狀、密度、介質黏度以及轉速不同,而有不同的分離情形[1]。混合物中密度高的成分會在離心機的外圍,而密度低的成分會在離心機的內側。化學家以及生物學家可以增加離心​管的等效重力,使沉澱物快速移動到管的底部。剩下在沉澱物上方的液體稱為上清液(supernatant)。

若外加力只有重力,非勻相混合物中粒子分離速度,會和粒子的大小及密度有關。粒子大小越大,密度越大,越快會分離出來。若在混合物中給予較大的等效重力(例如離心力),可以加速分離的速度。這很適合工業和實驗室的應用,有些物質在自然條件下也會沈澱,但需要花很長的時間,利用离心技術,可以在很短的時間沈澱[2]

離心的速率會以角速度表示,其單位是每分鐘轉速(RPM),或是以G力表示的加速度。RPM和g力之間的轉換係數和離心機的半径有關。粒子在離心時的沈降英语settling速度是其粒子大小、形狀、離心加速度、固體的體積分率、粒子和液體的密度差、以及液體的黏度。最常見的應用是從高濃度懸浮液中分離固體,常用在污水污泥的脫水處理上[3]

离心在工業和實驗室中都有廣泛的應用,不單是分離混溶的物質,也可以用來分析大分子粒子的流體動力學性質[4]。這是生物化学细胞生物学分子生物学最常用且重要的研究方式之一。化學和食品工業有特殊的離心機,可以處理連續的帶顆粒流體英语continuous process。離心也是濃縮鈾時最常用的方式,其原理是因為六氟化鈾氣體中,鈾-238鈾-235之間微小的質量差異[5]

數學公式[编辑]

許多在懸浮液體中的粒子细胞會慢慢的因為重力而落到容器的底部。不過需要花的時間很長。甚至有一些很小的粒子,只有在高离心力的作用下才可能和液體分離。當懸浮液以一定的轉速旋轉時,粒子會因為離心力而漸漸遠離旋轉軸。計算離心加速度和轉速的公式如下:

,

其中g表示離心的加速度,而r是粒子距旋轉軸的距離[6]

不過依照離心模型的不同,轉子的相對角度以及半徑也會改變,因此公式也要隨之修改。例如,Sorvall #SS-34轉子的最大半徑是10.8 cm,因此公式會變成,可以進一步簡化為[6]

若考慮粒子受力相對於重力的大小,會用相對離心力(Relative Centrifugal Force、RCF)表示。是離心機旋轉時,其內容物受到垂直於旋轉軸的力,相對於重力的比值,這可以量測不同型式以及大小離心機的強度。例如,RCF 1000 x g表示其離心力是重力的1000倍。RCF和轉速以及粒子距旋轉軸的距離有關。最常見RCF的公式是[7]

,

其中是常數,r是半徑,單位是厘米rpm是轉速,單位是每分鐘轉速[7]

以往,許多分離技術都是以轉速3000 rpm來進行,其產生的g大約是其半徑(用厘米表示)的10倍,因此半徑160 mm的離心機,其產生的加速度大約是1600 x g[8]。因為RCF和半徑是線性的關係,若半徑大10%,其RCF也會增加10%。因此,上述的公式可以再簡化為,誤差只有0.62%。

歷史[编辑]

特奥多尔·斯韦德贝里和他的學生H. Rinde在1923年分析了大顆粒溶膠的重力沈降[9]溶膠中包括不只一種物質,但是各物質均勻分佈,也稱為膠體[10]。不過小顆粒的溶膠(例如含金的溶膠)無法分析[9]。為了要研究此問題,斯韦德贝里開發了分析離心機,配備了照相吸收系統,希望有更大的離心效果[9],他也發展了測分子重量所需要的理論[10]。此時,斯韦德贝里的注意力開始從金轉向蛋白質[9]

1900年時,大家已普遍接受蛋白質是由胺基酸所組成。但有關蛋白質是高分子還是膠體,當時還有爭議[11]。當時在研究的蛋白質是血红蛋白,已知有712個碳原子、1,130個氫原子、243個氧原子、2個硫原子,和至少1個鐵原子。因此红蛋白的重量約是16,000原子质量单位(Da),但還不確定此數值是否要乘以4(表示一個血红蛋白中有四個鐵原子)[12]

利用一系列用沉降平衡英语sedimentation equilibrium技術進行的實驗,發現了二個重要的結論:血红蛋白的分子量是68,000 Da,其此每一個分子中有四個鐵原子,而且不論血红蛋白是用哪一種方式分離,其分子量不變[9][10]。針對分子量這麼大的物質,不論是以什麼方式採樣的,其分子量都不變,這是前所未有的,因此支持血红蛋白是高分子,不是膠體[11]。為了要研究此一現象,需要更高速的離心機,因此製作了超高速離心機英语ultracentrifuge來確認沉降-擴散的理論[9]。後來檢測到相同的分子量,而且有擴散邊界,表示其為單緻密粒子(single compact particle)[9]。進一步的离心應用發現,在不同的條件下,大型的勻相粒子可以分解為個別的子單元[9]。离心的應用是蛋白質實驗科學上的一大進步。

Linderstorm-Lang在1937年發現密度梯度管(density gradient tubes)可以用來量測密度,這是他在研究馬鈴薯黃症病毒時發現的[13]。在Meselson和Stahl證實DNA複製是半守恆的著名實驗中,也使用此一方式,配合不同氮的同位素。他們用密度梯度離心來確認在複製週期後,DNA上是否有出現其他的氮同位素[14]

相關條目[编辑]

參考資料[编辑]

  1. ^ Centrifugation Theory. Fischer Scientific. Thermo Fisher Scientific. [2018-03-09]. (原始内容存档于2019-08-20). 
  2. ^ Frei, Mark. Centrifugation Basics. Sigma-Aldrich. [2016-05-10]. (原始内容存档于2021-04-30). 
  3. ^ Centrifugation. Lenntech. [2013-10-15]. (原始内容存档于2021-07-12). 
  4. ^ Garrett, Reginald H.; Grisham, Charles M. Biochemistry 5th. Belmont, CA: Brooks/Cole, Cengage Learning. 2013: 111. ISBN 9781133106296. 
  5. ^ Zielinski, Sarah. What Is Enriched Uranium?. Smithsonian Magazine. [2020-11-22]. (原始内容存档于2022-04-12). 
  6. ^ 6.0 6.1 Ballou, David P.; Benore, Marilee; Ninfa, Alexander J. Fundamental laboratory approaches for biochemistry and biotechnology 2nd. Hoboken, N.J.: Wiley. 2008: 43. ISBN 9780470087664. 
  7. ^ 7.0 7.1 Burtis, Carl A.; Ashwood, Edward R.; Bruns, David E. Tietz Textbook of Clinical Chemistry and Molecular Diagnostics - E-Book. Elsevier Health Sciences. 2012-10-14 [2021-07-11]. ISBN 978-1-4557-5942-2. (原始内容存档于2021-07-11) (英语). 
  8. ^ NÜVE | Centrifugation Tips. www.nuve.com.tr. [2021-07-11]. (原始内容存档于2021-07-11). 
  9. ^ 9.0 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 Van Holde, K. E. (1998). Analytical ultracentrifugation from 1924 to the present: A remarkable history. Chemtracts – Biochemistry and Molecular Biology. 11:933-943
  10. ^ 10.0 10.1 10.2 Svedberg, T. (1927). The Ultracentrifuge Nobel Lecture
  11. ^ 11.0 11.1 Tanford, C., and Reynolds, J. 2001. Nature’s robots: A history of proteins. Oxford University Press. pp. 303-305
  12. ^ Simoni, D. S., Hill, R. L., and Vaughan, M. (2002). The structure and function of hemoglobin: Gilbery Smithson Adair and the Adair equations. The Journal of Biological Chemistry. 277(31): e1-e2
  13. ^ Brakke, Myron K. Density Gradient Centrifugation: A New Separation Technique. J. Am. Chem. Soc. April 1951, 73 (4): 1847–1848. doi:10.1021/ja01148a508. 
  14. ^ Oster, Gerald; Yamamoto, Masahide. Density Gradient Techniques. Chem. Rev. June 1963, 63 (3): 257–268. doi:10.1021/cr60223a003. 

來源[编辑]

  • Harrison, Roger G., Todd, Paul, Rudge, Scott R., Petrides D.P. Bioseparations Science and Engineering. Oxford University Press, 2003.
  • Dishon, M., Weiss, G.H., Yphantis, D.A. Numerical Solutions of the Lamm Equation. I. Numerical Procedure. Biopolymers, Vol. 4, 1966. pp. 449–455.
  • Cao, W., Demeler B. Modeling Analytical Ultracentrifugation Experiments with an Adaptive Space-Time Finite Element Solution for Multicomponent Reacting Systems. Biophysical Journal, Vol. 95, 2008. pp. 54–65.
  • Howlett, G.J., Minton, A.P., Rivas, G. Analytical Ultracentrifugation for the Study of Protein Association and Assembly. Current Opinion in Chemical Biology, Vol. 10, 2006. pp. 430–436.
  • Dam, J., Velikovsky, C.A., Mariuzza R.A., et al. Sedimentation Velocity Analysis of Heterogeneous Protein-Protein Interactions: Lamm Equation Modeling and Sedimentation Coefficient Distributions c(s). Biophysical Journal, Vol. 89, 2005. pp. 619–634.
  • Berkowitz, S.A., Philo, J.S. Monitoring the Homogeneity of Adenovirus Preparations (a Gene Therapy Delivery System) Using Analytical Ultracentrifugation. Analytical Biochemistry, Vol. 362, 2007. pp. 16–37.