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        小貝講堂之離心常用術(shù)語(yǔ) - 離心力和相對(duì)離心力

        小貝講堂之離心常用術(shù)語(yǔ) - 離心力和相對(duì)離心力
        貝克曼庫(kù)爾特生命科學(xué)  2020-10-16  |  閱讀:2902

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         小貝講堂之離心常用術(shù)語(yǔ)  離心力和相對(duì)離心力

         

        在生命科學(xué)研究中,離心是一種必不可少的技術(shù)手段,更是實(shí)驗(yàn)室中最常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。但是你真的了解這門技術(shù)嗎?你是否知道離心的原理,了解如何選擇合適的轉(zhuǎn)頭、離心管和離心方法呢?小貝離心課堂重新開(kāi)課,帶你玩轉(zhuǎn)離心機(jī),快來(lái)加入我們吧!

        離心原理

        學(xué)習(xí)一門技術(shù)勢(shì)必要先從了解其原理開(kāi)始。我們可以通過(guò)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)來(lái)理解離心的基本原理。

        首先我們來(lái)觀察在重力作用下顆粒的沉降:抓一把沙子和泥土的混合物放到裝有水的容器里搖勻,然后把容器置于桌上,觀察到在地球引力作用下大量的顆粒立即沉淀到容器的底部。一段時(shí)間后,又看到容器中的混合物分成數(shù)層,每層都由大小相同的顆粒組成,顆粒在容器的分布從上到下逐漸增大。不過(guò),仍然會(huì)有一些細(xì)小的顆粒在水中緩慢的向容器底部移動(dòng),由于移動(dòng)得非常緩慢,我們不一定能觀察到這些顆粒的運(yùn)動(dòng)。另外還有一些顆粒則漂浮在水面上。


         


        通過(guò)實(shí)驗(yàn)中觀察到的結(jié)果,我們可以得出大顆粒比小顆粒更快地沉降到底部,而更小的顆粒則沉降得更慢。不過(guò),一些密度比較重的小顆粒反而比密度比較輕的大顆粒沉降得更快。我們還可以看到有些小顆粒在水中是不沉降的,漂浮在水面。

        圖1 重力作用下混合顆粒的沉降:顆粒沉降的速度依賴于顆粒的大小,大顆粒則先沉降到底部,而小顆粒則停留在容器的上部

        以上即是離心的主要原理,液體中的顆粒在重力的作用下以一定的速率向下移動(dòng),顆粒移動(dòng)的速率往往與顆粒的大小與密度相關(guān),這樣就出現(xiàn)了顆粒的沉降運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然前提是顆粒的密度必須大于液體的密度。

        總結(jié)來(lái)說(shuō),離心技術(shù)是利用離心機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生離心力,將具有沉降系數(shù)差別的樣品進(jìn)行分離、分析、濃縮和提純的一種技術(shù)

        離心常用術(shù)語(yǔ)

        離心力和相對(duì)離心力

        盡管有些生物顆??梢栽谥亓?chǎng)(1×g)作用下實(shí)現(xiàn)分離,如人血細(xì)胞,將處理過(guò)的血細(xì)胞置于桌上1-2 小時(shí),由于不同細(xì)胞的大小不一樣,白細(xì)胞和紅細(xì)胞能自動(dòng)分層。但若需分離更小的生物顆粒,遠(yuǎn)大于重力的力則是必須的,這可以通過(guò)沿軸旋轉(zhuǎn)裝有懸浮顆粒的離心管來(lái)實(shí)現(xiàn)。顆粒在放射狀的離心力下從軸心向外運(yùn)動(dòng),使離心管旋轉(zhuǎn)的機(jī)器就是離心機(jī),而裝載了離心管并帶動(dòng)離心管沿軸旋轉(zhuǎn)的即是轉(zhuǎn)頭。不管是細(xì)胞還是生物大分子受到離心力都可以用以下公式計(jì)算:

         QQ截圖20201016095757.png  (1)

        F離心力– 顆粒受到的離心力
        m – 顆粒的質(zhì)量
        ω – 角速度
        r – 旋轉(zhuǎn)軸到顆粒的距離

        但是通常情況下,旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)頭受到的放射狀的力都是由相對(duì)離心力(RCF:Relative centrifugation force)來(lái)衡量的。而所謂的相對(duì)離心力即是離心力與重力之比,用以下公式
        表示:

         QQ截圖20201016095815.png      (2)

        RCF – 相對(duì)離心力;
        F離心力– 顆粒受到的離心力;
        F重力– 顆粒受到的重力;
        m – 顆粒的質(zhì)量;
        ω – 角速度;
        g –重力加速度;
        r – 旋轉(zhuǎn)軸到顆粒的距離。
        ω 是轉(zhuǎn)頭的角速度,指轉(zhuǎn)頭每秒鐘轉(zhuǎn)過(guò)的弧度數(shù),其值就是:
         

         圖片2.jpg   (3)

        RPM (Revolution per minute) – 轉(zhuǎn)頭每分鐘轉(zhuǎn)過(guò)的轉(zhuǎn)數(shù)

        結(jié)合公式(2)和公式(3)可得到同一轉(zhuǎn)頭的轉(zhuǎn)速與相對(duì)離心力之間的關(guān)系:

         QQ截圖20201016095842.png  (4)

        r – 旋轉(zhuǎn)軸到顆粒的距離(單位:毫米mm)

        由上可以看出轉(zhuǎn)頭的相對(duì)離心力與轉(zhuǎn)頭的轉(zhuǎn)速的平方成正比,而且與轉(zhuǎn)頭的半徑成正比。對(duì)于同一轉(zhuǎn)頭而言,由于半徑不變,增加轉(zhuǎn)速也就相當(dāng)于提高了相對(duì)離心力。

        為便于進(jìn)行轉(zhuǎn)速和相對(duì)離心力之間的換算,Dole 和Cotzias 利用RCF 的計(jì)算公式,制作了轉(zhuǎn)速“rpm”、相對(duì)離心力“RCF”和旋轉(zhuǎn)半徑“r”三者關(guān)系的列線圖,圖式法比公式計(jì)算法方便,且一目了然。換算時(shí),先在r 標(biāo)尺上取已知的半徑和在rpm 標(biāo)尺上取已知的離心機(jī)轉(zhuǎn)數(shù),然后將這兩點(diǎn)間劃一條直線,與圖中RCF 標(biāo)尺上的交叉點(diǎn)即為相應(yīng)的相對(duì)離心力數(shù)值。



        上圖轉(zhuǎn)速與半徑相對(duì)應(yīng)的離心力列線圖,左列為半徑標(biāo)尺,右列為轉(zhuǎn)速標(biāo)尺,連接半徑與轉(zhuǎn)速的直線與中間RCF 表尺的交匯點(diǎn),就可得到相對(duì)離心力。注意,若已知的轉(zhuǎn)數(shù)值處于rpm 標(biāo)尺的右邊,則應(yīng)讀取RCF 標(biāo)尺右邊的數(shù)值,轉(zhuǎn)數(shù)值處于rpm 標(biāo)尺左邊,則應(yīng)讀取RCF 標(biāo)尺左邊的數(shù)值。

        在重力場(chǎng)的沉降中,重力場(chǎng)通常被看作恒定值,而離心管中的離心力場(chǎng)卻不是一個(gè)恒定值。由于轉(zhuǎn)頭的形狀及設(shè)計(jì),離心管中從管頂至管底各點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)中心的距離是不同的,為了計(jì)算相對(duì)離心力的數(shù)值可用平均相對(duì)離心力來(lái)表示,即同一離心轉(zhuǎn)頭部和底部所受離心力的平均值??萍嘉墨I(xiàn)中離心力的數(shù)據(jù)通常是指其平均值(RCFav),即離心管中點(diǎn)的離心力。

        而各廠家在標(biāo)注離心機(jī)和轉(zhuǎn)頭等的最大相對(duì)離心力(RCF)時(shí),一般用最高轉(zhuǎn)速下、最大半徑處(Rmax)的相對(duì)離心力。請(qǐng)注意區(qū)分這個(gè)參數(shù)與平均離心力(RCFav)的差異。

        離心機(jī)常有多種不同形狀的轉(zhuǎn)頭,其各自所反映的離心力場(chǎng)的大小和離心沉降距離也不一樣,在實(shí)際工作中應(yīng)根據(jù)分離要求正確選擇使用。下一期小貝講堂將具體介紹沉降系數(shù),精彩不斷,敬請(qǐng)關(guān)注!

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