离心技术的基本原理

将样品放入离心机转头的离心管内,离心机驱动时,样品液就随离心管做匀速圆周运动,于是就产生了一个向外的离心力。由于不同颗粒的质量、密度、大小及形状等彼此各不相同,在同一固定大小的离心场中沉降速度也就不相同,由此便可以得到相互间的分离。

颗粒在介质中发生沉降或漂浮,沉降的速度与颗粒的大小、形状和作用在颗粒上力的大小和方向有关,颗粒在离心运动中受到离心力、重力、浮力、摩擦力的共同作用,在离心力场中,无论发生沉降或者漂浮,离心力的方向与浮力的方向始终相反。当离心力加大时,反向的浮力与摩擦力增大,离心力与反向力达到平衡时,颗粒的沉降(或漂浮)加速度为零,直到各组分达到分离目的。

1.离心力 溶液中的颗粒在做圆周运动时受到一个向外的离心力。离心力(Fc)的大小等于离心加速度ω2 X与颗粒质量m的乘积。即

F C=mG=mω2 X=m(2πn/60)2 X

式中:Fc为离心力;m为沉降颗粒的有效质量;G为离心加速度;ω为粒子旋转的角速度(rad/s);X为离心半径(cm),即转子中心轴到沉降颗粒之间的距离;n为转子每分钟转速(r/ min)。

显然,离心力随转速和颗粒质量的提高而加大,随离心半径的减小而降低。

2.相对离心力 由于各种离心机转子的半径或离心管到转轴中心的距离不同,相同离心速度产生的离心力也不同。目前离心力通常以相对离心力RCF表示,即离心力Fc的大小相当于地球引力(G)的倍数,只要RCF不变,一个标本可以在不同的离心机上获得相同的结果。其计算公式如下

式中,g为重力加速度(980cm/s2)。由上述公式得知,相对离心力与转速平方和旋转半径的乘积成正比。

3.沉降速度 指在离心力场作用下,单位时间内物质运动的距离。计算公式如下

式中:v为沉降速度;d x为粒子移动距离;d t为粒子移动时间;d为球形颗粒的直径;ρ为粒子密度;ρ0为介质密度;η为流体介质黏度。从式中可以看出,影响沉降速度的主要因素是颗粒的大小、形状,颗粒与悬浮介质密度差,介质的黏度及离心加速度,在确定条件下,沉降速度主要取决于离心机的转速。

4.沉降系数 表示单位离心力场下的沉降速度,即通过单位离心力场所需的时间。它以sevedberg单位计算,1S=10-13 s。

从式中得知,颗粒的沉降系数与颗粒的大小、形状、密度及介质的密度、黏度有关。当ρ> ρ0时,颗粒顺着离心方向沉降;当ρ=ρ0时,颗粒到达某一位置时达到平衡;当ρ<ρ0时,颗粒逆离心方向上浮。

近年来,在生物化学、分子生物学及生物工程研究中,对于某些大分子化合物,当它们的详细结构和分子量不很清楚时,常用沉降系数描述它们的大小。如r RNA有30S亚基和50S亚基,现在更多用于生物大分子的分类,特别是核酸。

5.沉降时间 将某一种溶质从溶液中全部沉降分离出来所需的时间。如果已知离心转速,则需计算沉降时间来确定某粒子所需的时间。

式中:T s为粒子沉降时间;S为沉降系数;X 2为转轴中心到离心管底内壁的距离;X 1为转轴中心到离心管标本管标本液凹液面之间的距离。