اصل کار و نمونه های کاربردی سانتریفیوژ

مقدمه: سانتریفیوژ - دست جداکننده نامرئی" 

سانتریفیوژهای آزمایشگاهی تجهیزات ضروری در زیست شناسی، شیمی، پزشکی و سایر زمینه ها هستند. آنها به سرعت اجزای با چگالی متفاوت در مایعات را از طریق نیروی گریز از مرکز ایجاد شده توسط چرخش با سرعت بالا جدا می کنند. سانتریفیوژها چه طبقه بندی خون، چه استخراج اندامک های سلولی و چه تصفیه نانومواد نقش کلیدی دارند. این مقاله اصل کار و سناریوهای کاربردی معمولی آن را از طریق ترکیبی از گرافیک و متن تجزیه و تحلیل می کند. 

اصل کار سانتریفیوژها: چگونه گریز از مرکز مواد را "لایه" می کند؟

1. ماهیت نیروی گریز از مرکز 

نیروی گریز از مرکز یک نیروی اینرسی است که "نیروی مجازی" ایجاد می کند که جسم را در حین چرخش حول محور خود از مرکز چرخش دور می کند. فرمول این است: 

F = m × ω² × r
(m: جرم جسم؛ ω: سرعت زاویه ای؛ r: شعاع چرخش)

2. گردش کار 

1. نمونه را در یک لوله سانتریفیوژ قرار دهید و آن را به طور متقارن در روتور قرار دهید (از تعادل اطمینان حاصل کنید). 
2. تنظیم سرعت (RPM) و زمان شروع سانتریفیوژ.   
3. تحت چرخش با سرعت بالا، اجزای متراکم تر به سمت بیرون ته نشین می شوند تا رسوب تشکیل دهند. متراکم ترها در لایه بالایی باقی می مانند. 
4. پس از توقف، مایع طبق شیب چگالی لایه بندی می شود و لایه به لایه قابل جذب است. 

• روتور: جزء اصلی حامل لوله سانتریفیوژ (روتور زاویه ای/روتور افقی)؛ 
• موتور محرک: قدرت چرخشی را فراهم می کند؛ 
• سیستم تبرید (اختیاری): از گرم شدن بیش از حد نمونه ها جلوگیری می کند. 
• سیستم کنترل: سرعت، زمان و دما را تنظیم کنید. 

طبقه بندی و پارامترهای اصلی سانتریفیوژها

1. طبقه بندی بر اساس سرعت 

2. تجزیه و تحلیل پارامترهای کلیدی 

نیروی گریز از مرکز نسبی (RCF):  شاخص کارایی جداسازی واقعی، فرمول:

RCF = 1.118 × 10-5 × r × (RPM)²
(r: شعاع چرخش، واحد سانتی متر)

محدوده کنترل دما: -20 ℃ تا 40 ℃ برای محافظت از نمونه های حساس به حرارت؛ 
ظرفیت روتور: از مقدار کمی 0.2 میلی لیتر تا مقدار زیادی 1 لیتر، می توان آن را با نیازهای مختلف تطبیق داد. 

نمونه های کاربردی کلاسیک

مثال 1: طبقه بندی خون (آزمایش پزشکی)  

هدف: پلاسما، گلبول های سفید و گلبول های قرمز را جدا کنید. 

1. نمونه خون کامل جمع آوری کنید و ضد انعقاد اضافه کنید. 
2. سانتریفیوژ در 3000 RPM به مدت 10 دقیقه.      
3. نتایج طبقه بندی شده (از بالا به پایین): پلاسما (55%)، گلبول های سفید/پلاکت خون (<1%)، گلبول های قرمز (45%).       

مثال 2: جداسازی اندامک ها (تحقیقات بیولوژیکی)  

هدف: میتوکندری یا هسته های سلولی را استخراج کنید. 

1. پس از لیز سلولی، هموژنه با سرعت کم (1000 RPM) سانتریفیوژ شد تا سلول‌های مختل نشده حذف شوند.     
2. مایع رویی در 10000 RPM سانتریفیوژ شد تا میتوکندری را رسوب دهد.    
3. مایع رویی نهایی اولتراسانتریفیوژ شد (100000 RPM) برای به دست آوردن میکروزوم.     

کلید: خلوص با سانتریفیوژ گرادیان (به عنوان مثال، گرادیان چگالی ساکارز) بهبود می یابد. 

مثال 3: استخراج DNA (بیولوژی مولکولی)     

هدف: جداسازی و خالص سازی DNA از سلول ها. 

1. لیز کردن سلول ها برای آزادسازی DNA؛  
2. بافر اتصال را اضافه کنید و با سرعت بالا سانتریفیوژ کنید تا DNA را به غشای سیلیکاژل جذب کنید.   
3. شستشو برای از بین بردن ناخالصی ها؛
4. DNA با سانتریفیوژ با سرعت پایین شسته شد.  

فرآیند خالص سازی سانتریفیوژ DNA 

مثال 4: خالص سازی نانومواد (علوم مواد)  

هدف: برای جداسازی نانوذرات طلا با اندازه ذرات مختلف. 

1. مخلوط سنتز شده با سرعت گرادیان سانتریفیوژ می شود: 
2. 5000 RPM دانه های بزرگ را حذف می کند.  
3. اندازه ذرات مورد نظر (مثلاً 20 نانومتر) را در 15000 RPM جمع آوری کنید.      
4. 20000 RPM ذرات کوچکتر (5nm) را جذب می کند.      

میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) توزیع اندازه ذرات را تأیید کرد.   

اقدامات احتیاطی عملیاتی

• تعادل و تقارن: برای جلوگیری از حوادث ناشی از عدم تعادل روتور، لوله های سانتریفیوژ باید به طور متقارن، با اختلاف کیفیت ≤0.1g قرار گیرند. 
• محدودیت سرعت: تجاوز از سرعت نامی روتور اکیداً ممنوع است. 
• ایمنی زیستی: نمونه های پاتوژن نیاز به استفاده از روتورهای مهر و موم شده یا سانتریفیوژهای ایمنی زیستی دارند. 
• تعمیر و نگهداری: به طور منظم خوردگی روتور را تمیز کنید و پیری حلقه های آب بند را بررسی کنید. 

چشم انداز آینده: هوشمندی و کوچک سازی

• سانتریفیوژ هوشمند: سنسورهای داخلی نیروی گریز از مرکز و دما را در زمان واقعی نظارت می کنند و به طور خودکار پارامترها را تنظیم می کنند. 
• سانتریفیوژ دستی: دستگاه میکرو مجهز به USB برای پاسخگویی به نیازهای آزمایش سریع در محل؛ 
• طرح سبز: روتورهای کم نویز و کم انرژی به جریان اصلی تبدیل شده اند. 

سانتریفیوژها از طریق اصول فیزیکی ساده به جداسازی کارآمد سیستم های مختلط پیچیده دست می یابند. از تشخیص پزشکی گرفته تا تحقیقات علمی پیشرفته، همچنان مرزهای توسعه علمی را پیش می‌برد. درک اصول آن و استاندارد کردن عملیات، مهارت های ضروری برای هر آزمایشگر است.