Общие принципы центрифугирования

Центрифугирование (от центр и лат. fuga — бегство, бег) - разделение неоднородных систем — суспензий или эмульсий под действием центробежных сил.

В центробежном поле частицы, имеющие разную плотность, форму или размеры, осаждаются с разной скоростью. Скорость осаждения (седиментации) зависит от центробежного ускорения (G) которое вычисляется по формулам на рис. 6.

ОЦУ = G/g

Рисунок 6. Выражения для расчета центробежного ускорения.  - угловая скорость рад/с,
r - расстояние между частицей и осью вращения, N число оборотов ротора в минуту, ОЦУ – относительное центробежное ускорение, g – гравитационная постоянная 9.8 м/сек2.

Центробежное ускорение обычно выражается в единицах g и называется относительным центробежным ускорением (ОЦУ). Скорость седиментации сферических частиц зависит не только от G, но и от их плотности и радиуса, а также от вязкости среды. Она определяется следующим уравнением закона Стокса, видоизмененного Сведбергом и Никольсом (рис.7)

Рисунок 7. Закон Стокса для центрифугирования.
t – время в секундах, за которое частица с удельным весом d_p пройдет расстояние от точки с радиусом вращения х1 до точки с радиусом вращения х₂ в жидкости с удельным весом d_m;
r – радиус частицы в сантиметрах, w - угловая скорость рад/с, η – вязкость жидкости в пуазах, K – константа формы, для шара – K=2/9.

При заданной скорости вращения ротора время, необходимое для осаждения гомогенных сферических частиц, обратно пропорционально квадрату их радиусов и разности плотностей частиц и среды и прямо пропорционально вязкости среды.Поэтому смесь гетерогенных, приблизительно сферических частиц, различающихся по плотности и (или) размерам, можно выделить либо за счет разного времени осаждения их на дно пробирки при данном ускорении, либо за счет распределения седиментирующих частиц вдоль пробирки, устанавливающегося через определенный промежуток времени. Частицы одинаковой массы, но различной формы осаждаются при разных скоростях. Эта особенность используется при исследовании конформации макромолекул.

Препаративное центрифугирование подразумевает получение каких-либо объектов в более чистом и/или сконцентрированном виде.

Аналитическое центрифугированиеприменяется для изучения чистых и практически чистых препаратов макромолекул или частиц, например, рибосом. При этом седиментация исследуемых частиц непрерывно регистрируется с помощью специальных оптических систем. Метод позволяет получать данные о чистоте, молекулярной массе и структуре материала, в том числе и о конформационных изменениях макромолекул.