离心技术原理与类型

离心技术原理与类型

离心是蛋白质、酶、核酸及细胞亚组分分离的最常用的方法之一，也是生化实验室中常用的分离、纯化或澄清的方法。尤其是超速冷冻离心已经成为研究生物大分子实验室中的常用技术方法。
离心机(centrifuge)是实施离心技术的装置。离心机的种类很多，按照使用目的，可分为两类，即制备型离心机和分析型离心机。前者主要用于分离生物材料，每次分离样品的容量比较大，后者则主要用于研究纯品大分子物质，包括某些颗粒体如核蛋白体等物质的性质，每次分析的样品容量很小，根据待测物质在离心场中的行为(可用离心机中的光学系统连续地监测)，能推断其纯度、形状和相对分子质量等性质。这两类离心机由于用途不同，故其主要结构也有差异。
离心原理
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。
离心力和相对离心力
溶液中的固相颗粒做圆周运动时产生一个向外离心力，其定义为：
F = mω2r
式中：
F 为离心力的强度； m 为沉降颗粒的有效质量；
ω 为离心转子转动的角速度，其单位为rad/s；
r 为离心半径(cm)，即转子中心轴到沉降颗粒之间的距离。
很显然，离心力随着转速和颗粒质量的提高而加大，而随着离心半径的减小而降低。目前离心力通常以相对离心力Fcf 表示，即离心力F 的大小相对于地球引力(G)的多少倍，单位为g，其计算公式如下：
Fcf = 1.119×105(h)2r×g
可以看出，在同一转速下，由于f 的不同，Fcf相差会很大，实际应用时一般取平均值。在离心实验的报告中，Fcf、r 平均、离心时间t 和液相介质等条件都应表示出来，因为它们都与样品的沉降速度有直接的联系。显然Fcf是一个只与离心机相关的参数，而与样品并无直接的关系。
沉降速度与沉降系数
一个颗粒要沉降，它必须置换出位于它下方等体积的溶液，这只有当颗粒的质量大于被置换出的液体的质量时才能通过离心的手段达到，否则，在离心过程中颗粒将发生向上漂浮，而不是下沉。当颗粒在运动时，不论方向如何，它都要穿过溶剂分子，所产生的摩擦力总是与颗粒运动的方向相反。
摩擦力的大小与颗粒的运动速度成正比，并且受颗粒的大小、形状及介质性质的影响：

式中：
f 为颗粒在济剂中的摩擦系数．与颗粒的大小、形状及介质性质相关；
v 为颗粒的沉降速度。
由于离心力的存在，颗粒将加速运动直到摩擦力与离心力相等。在这种情况下，颗粒所受到的净作用力为零，颗粒将以最大速度运动。

式中 Mp 和M s 分别为颗粒的质量及等体积的溶剂的质量。
上式中的Mp 和M s 很难确定，为了建立分子大小与沉降系数之间的关系，引入了沉降系数这一新的概念。沉降系数定义为沉降速度与离心力的比率或单位离心场中颗粒的沉降速度，它以svedberg单位计算，1S＝1×10-13 s。例如，核糖核酸酶A 的沉降系数为1．85×10-13 s，即可记作1．85S。
近年来，在生物化学、分子生物学及生物工程等书刊文献中，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，常常用沉降系数这个概念去描述它们的大小。如核糖体RNA(rRNA)有30 s 亚基和50s 亚基，这里的s 就是沉降系数，现在更多地用于生物大分子的分类，特别是核酸。