Werkingsprincipe en toepassingsvoorbeelden van centrifuge

Inleiding: Centrifuge - de onzichtbare "scheidende hand"."

Laboratoriumcentrifuges zijn onmisbare apparatuur in de biologie, scheikunde, geneeskunde en andere gebieden. Ze scheiden snel componenten met verschillende dichtheden in vloeistoffen door middel van centrifugaalkracht die wordt gegenereerd door rotatie op hoge snelheid. Of het nu gaat om bloedstratificatie, celorganelextractie of zuivering van nanomaterialen: centrifuges spelen een sleutelrol. Dit artikel analyseert het werkingsprincipe en typische toepassingsscenario's door middel van een combinatie van afbeeldingen en tekst.

Werkingsprincipe van centrifuges: hoe dwingt centrifugaal "laag"-stoffen?

1. De aard van middelpuntvliedende kracht

Centrifugaalkracht is een traagheidskracht die een "virtuele kracht" genereert die het object wegdrijft van het rotatiecentrum terwijl het rond zijn as draait. De formule is:

F = m × ω² × r
(m: massa van het object; ω: hoeksnelheid; r: rotatiestraal)

2. Werkstroom

1. Laad het monster in een centrifugebuis en plaats het symmetrisch in de rotor (zorg voor evenwicht);
2. Stel de snelheid (RPM) en tijd in om het centrifugeren te starten;
3. Bij rotatie op hoge snelheid bezinken de dichtere componenten naar buiten en vormen neerslagen; de dichtere blijven in de bovenste laag;
4. Na het stoppen wordt de vloeistof gelaagd volgens een dichtheidsgradiënt en kan deze laag voor laag worden geabsorbeerd.

• Rotor: Het kernonderdeel dat de centrifugebuis draagt ​​(hoekrotor/horizontale rotor);
• Aandrijfmotor: levert roterende kracht;
• Koelsysteem (optioneel): voorkomt dat monsters oververhit raken;
• Besturingssysteem: Pas snelheid, tijd en temperatuur aan.

Classificatie en kernparameters van centrifuges

1. Classificatie op snelheid

2. Analyse van sleutelparameters

Relatieve middelpuntvliedende kracht (RCF): Een indicator van de werkelijke scheidingsefficiëntie, formule:

RCF = 1,118 × 10⁻⁵ × r × (tpm)²
(r: rotatieradius, eenheid van centimeter)

Temperatuurregelbereik: -20℃ tot 40℃ om hittegevoelige monsters te beschermen;
Rotorcapaciteit: Van een kleine hoeveelheid van 0,2 ml tot een grote hoeveelheid van 1 liter, het kan worden aangepast aan verschillende behoeften.

Klassieke toepassingsvoorbeelden

Voorbeeld 1: Bloedstratificatie (medisch testen)

Objectief: Isoleer plasma, witte bloedcellen en rode bloedcellen.

1. Verzamel volbloedmonsters en voeg antistollingsmiddel toe;
2. Centrifugeer gedurende 10 minuten bij 3000 tpm;
3. Gestratificeerde resultaten (van boven naar beneden): plasma (55%), witte bloedcellen/bloedplaatjes (<1%), rode bloedcellen (45%).

Voorbeeld 2: Isolatie van organellen (biologisch onderzoek)

Doel: Extract mitochondriën of celkernen.

1. Na cellyse werd het homogenaat bij lage snelheid (1000 rpm) gecentrifugeerd om niet-onderbroken cellen te verwijderen;
2. Het supernatant werd gecentrifugeerd bij 10.000 rpm om de mitochondriën neer te slaan;
3. Het uiteindelijke supernatant werd ultragecentrifugeerd (100.000 rpm) om microsomen te verkrijgen.

Sleutel: De zuiverheid wordt verbeterd door gradiëntcentrifugatie (bijvoorbeeld sucrosedichtheidsgradiënt).

Voorbeeld 3: DNA-extractie (moleculaire biologie)

Objectief: Isoleer en zuiver DNA uit cellen.

1. Cellen lyseren om DNA vrij te geven;
2. Voeg bindingsbuffer toe en centrifugeer op hoge snelheid om DNA aan het silicagelmembraan te adsorberen;
3. Wassen om onzuiverheden te verwijderen;
4. DNA werd geëlueerd door centrifugatie bij lage snelheid.

Centrifugaal zuiveringsproces van DNA

Voorbeeld 4: Zuivering van nanomaterialen (Materials Science)

Objectief: Om gouden nanodeeltjes met verschillende deeltjesgroottes te scheiden.

1. Het gesynthetiseerde mengsel wordt met gradiëntsnelheid gecentrifugeerd:
2. 5000 RPM verwijdert aggregaten van grote deeltjes;
3. Verzamel de doeldeeltjesgrootte (bijvoorbeeld 20 nm) bij 15.000 RPM;
4. 20.000 RPM vangt kleinere deeltjes op (5 nm).

Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) verifieerde de deeltjesgrootteverdeling.

Operationele voorzorgsmaatregelen

• Balanceren en symmetrie: Centrifugebuizen moeten symmetrisch worden geplaatst, met een kwaliteitsverschil van ≤0,1 g om ongelukken veroorzaakt door onbalans van de rotor te voorkomen;
• Snelheidslimiet: Het is ten strengste verboden om de nominale snelheid van de rotor te overschrijden;
• Bioveiligheid: Pathogeenmonsters vereisen het gebruik van afgedichte rotors of bioveiligheidscentrifuges;
• Onderhoud: Reinig regelmatig de rotorcorrosie en controleer de afdichtingsringen op veroudering.

Toekomstperspectief: intelligentie en miniaturisatie

• Intelligente centrifuge: Ingebouwde sensoren bewaken de middelpuntvliedende kracht en temperatuur in realtime en passen de parameters automatisch aan;
• Handcentrifuge: USB-aangedreven micro-apparaat om te voldoen aan de behoeften van snelle tests ter plaatse;
• Groen ontwerp: Stille en energiezuinige rotoren zijn mainstream geworden.

Centrifuges bereiken een efficiënte scheiding van complexe gemengde systemen door middel van eenvoudige fysische principes. Van medische diagnose tot baanbrekend wetenschappelijk onderzoek, het blijft de grenzen van de wetenschappelijke ontwikkeling verleggen. Het begrijpen van de principes ervan en het standaardiseren van de werking ervan zijn essentiële vaardigheden voor elke experimentator.