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小贝讲堂之离心常用术语 - 离心力和相对离心力

点击次数:172 发布时间:2020-10-16

小贝讲堂之离心常用术语 – 离心力和相对离心力

 

在生命科学研究中,离心是一种必不可少的技术手段,更是实验室中最|常见的实验项目。但是你真的了解这门技术吗?你是否知道离心的原理,了解如何选择合适的转头、离心管和离心方法呢?小贝离心课堂重新开课,带你玩转离心机,快来加入我们吧!

 

离心原理

学习一门技术势必要先从了解其原理开始。我们可以通过简单的实验来理解离心的基本原理。

 

首先我们来观察在重力作用下颗粒的沉降:抓一把沙子和泥土的混合物放到装有水的容器里摇匀,然后把容器置于桌上,观察到在地球引力作用下大量的颗粒立即沉淀到容器的底部。一段时间后,又看到容器中的混合物分成数层,每层都由大小相同的颗粒组成,颗粒在容器的分布从上到下逐渐增大。不过,仍然会有一些细小的颗粒在水中缓慢的向容器底部移动,由于移动得非常缓慢,我们不一定能观察到这些颗粒的运动。另外还有一些颗粒则漂浮在水面上。

 

 

通过实验中观察到的结果,我们可以得出大颗粒比小颗粒更快地沉降到底部,而更小的颗粒则沉降得更慢。不过,一些密度比较重的小颗粒反而比密度比较轻的大颗粒沉降得更快。我们还可以看到有些小颗粒在水中是不沉降的,漂浮在水面。

图1 重力作用下混合颗粒的沉降:颗粒沉降的速度依赖于颗粒的大小,大颗粒则先沉降到底部,而小颗粒则停留在容器的上部。

 

以上即是离心的主要原理,液体中的颗粒在重力的作用下以一定的速率向下移动,颗粒移动的速率往往与颗粒的大小与密度相关,这样就出现了颗粒的沉降运动。当然前提是颗粒的密度必须大于液体的密度。

 

总结来说,离心技术是利用离心机旋转运动产生离心力,将具有沉降系数差别的样品进行分离、分析、浓缩和提纯的一种技术

 

离心常用术语

 

离心力和相对离心力
尽管有些生物颗粒可以在重力场(1×g)作用下实现分离,如人血细胞,将处理过的血细胞置于桌上1-2 小时,由于不同细胞的大小不一样,白细胞和红细胞能自动分层。但若需分离更小的生物颗粒,远大于重力的力则是必须的,这可以通过沿轴旋转装有悬浮颗粒的离心管来实现。颗粒在放射状的离心力下从轴心向外运动,使离心管旋转的机器就是离心机,而装载了离心管并带动离心管沿轴旋转的即是转头。不管是细胞还是生物大分子受到离心力都可以用以下公式计算:

 

 QQ截图20201016095757.png  (1)

F离心力– 颗粒受到的离心力
m – 颗粒的质量
ω – 角速度
r – 旋转轴到颗粒的距离

 

但是通常情况下,旋转的转头受到的放射状的力都是由相对离心力(RCF:Relative centrifugation force)来衡量的。而所谓的相对离心力即是离心力与重力之比,用以下公式
表示:

 

 QQ截图20201016095815.png      (2)

 

RCF – 相对离心力;
F离心力– 颗粒受到的离心力;
F重力– 颗粒受到的重力;
m – 颗粒的质量;
ω – 角速度;
g –重力加速度;
r – 旋转轴到颗粒的距离。
ω 是转头的角速度,指转头每秒钟转过的弧度数,其值就是:

 

 图片2.jpg   (3)

 

RPM (Revolution per minute) – 转头每分钟转过的转数

结合公式(2)和公式(3)可得到同一转头的转速与相对离心力之间的关系:

 

 QQ截图20201016095842.png  (4)

 

r – 旋转轴到颗粒的距离(单位:毫米mm)


由上可以看出转头的相对离心力与转头的转速的平方成正比,而且与转头的半径成正比。对于同一转头而言,由于半径不变,增加转速也就相当于提高了相对离心力。

 

为便于进行转速和相对离心力之间的换算,Dole 和Cotzias 利用RCF 的计算公式,制作了转速“rpm”、相对离心力“RCF”和旋转半径“r”三者关系的列线图,图式法比公式计算法方便,且一目了然。换算时,先在r 标尺上取已知的半径和在rpm 标尺上取已知的离心机转数,然后将这两点间划一条直线,与图中RCF 标尺上的交叉点即为相应的相对离心力数值。

 

 

上图转速与半径相对应的离心力列线图,左列为半径标尺,右列为转速标尺,连接半径与转速的直线与中间RCF 表尺的交汇点,就可得到相对离心力。注意,若已知的转数值处于rpm 标尺的右边,则应读取RCF 标尺右边的数值,转数值处于rpm 标尺左边,则应读取RCF 标尺左边的数值。

 

在重力场的沉降中,重力场通常被看作恒定值,而离心管中的离心力场却不是一个恒定值。由于转头的形状及设计,离心管中从管顶至管底各点到旋转中心的距离是不同的,为了计算相对离心力的数值可用平均相对离心力来表示,即同一离心转头部和底部所受离心力的平均值。科技文献中离心力的数据通常是指其平均值(RCFav),即离心管中点的离心力。

 

而各厂家在标注离心机和转头等的最大相对离心力(RCF)时,一般用最|高转速下、最大半径处(Rmax)的相对离心力。请注意区分这个参数与平均离心力(RCFav)的差异。

 

离心机常有多种不同形状的转头,其各自所反映的离心力场的大小和离心沉降距离也不一样,在实际工作中应根据分离要求正确选择使用。下一期小贝讲堂将具体介绍沉降系数,精彩不断,敬请关注!

 

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