Жоғары жылдамдықты центрифуга және оның қолданылуы
Ultracentrifuge
Ұльтрацентрифуга – молекулалық биология, биохимияда қолданылатын, жоғары жылдамдықпен айналатын центрифуга. 1 млн G күшіне дейін жетеді. Тарихы мен түрлері.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Роторды өте жоғары жылдамдықпен айналдыруға арналған центрифуга.
Centrifuge for spinning a rotor at very high speeds
Ультрацентрифуга – роторды өте жоғары жылдамдықпен айналдыруға оңтайландырылған, 1 000 000 [[G күшіне (шамамен 9 800 км/с² дейін) жете алатын центрифуга. Ультрацентрифуганың екі түрі бар: дайындық және аналитикалық ультрацентрифуга. Бұл екі класс құралдар молекулалық биология, биохимия және полимер ғылымында маңызды қолданысқа ие.
An ultracentrifuge is a centrifuge optimized for spinning a rotor at very high speeds, capable of generating acceleration as high as 1 000 000 [[G force (approx. 9 800 km/s²). There are two kinds of ultracentrifuges, the preparative and the analytical ultracentrifuge. Both classes of instruments find important uses in molecular biology, biochemistry, and polymer science.
Тарих
1924 жылы Теодор Сведберг 7000 g (минутына 12000 айналым) күшін тудыратын центрифуга жасады және оны бұрын дамытылған Ультрамикроскоппен салыстыру үшін ультрацентрифуга деп атады. 1925-1926 жылдары Сведберг 100 000 g (42 000 айналым/мин) дейін күштерге мүмкіндік беретін жаңа ультрацентрифуга құрастырды. Қазіргі заманғы ультрацентрифугалар әдетте 100 000 g-тан жоғары күш бере алатындай классификацияланады. Сведберг 1926 жылы ультрацентрифуганы қолданып, колоидтар мен белоктарды зерттегені үшін химия саласындағы Нобель сыйлығын жеңіп алды. Бимнің шәкірті Эдвард Грейдон Пикельс 1935 жылы жүйені вакуумдау арқылы мәселені шешті, бұл жоғары жылдамдықтарда туындайтын үйкелісті азайтуға мүмкіндік берді. Вакуумдық жүйелер сонымен қатар үлгідегі температураны тұрақты ұстауға, шөгінді нәтижелерін түсіндіруге кедергі келтіретін конвекциялық ағындарды жоюға мүмкіндік берді. 1946 жылы Пикельс өзінің дизайнына негізделген аналитикалық және дайындық ультрацентрифугаларын сату үшін Spinco (Specialized Instruments Corp.) компаниясын құрды. Пикельс өзінің дизайнын коммерциялық қолдану үшін тым күрделі деп есептеді және оңай пайдалануға болатын, "қате жасамайтын" нұсқасын жасады. Бірақ тіпті жақсартылған дизайнмен де аналитикалық центрифугалардың сатылымы төмен болды және Spinco банкротқа жақындады. Компания биомедициналық зертханаларда кеңінен қолданылатын дайындық ультрацентрифуга модельдерін сатуға назар аудару арқылы аман қалды.
In 1924 Theodor Svedberg built a centrifuge capable of generating 7,000 g (at 12,000 rpm), and called it the ultracentrifuge, to juxtapose it with the Ultramicroscope that had been developed previously. In 1925 1926 Svedberg constructed a new ultracentrifuge that permitted fields up to 100,000 g (42,000 rpm). Modern ultracentrifuges are typically classified as allowing greater than 100,000 g. Svedberg won the Nobel Prize in Chemistry in 1926 for his research on colloids and proteins using the ultracentrifuge. Beam's student Edward Greydon Pickels solved the problem in 1935 by vacuumizing the system, which allowed a reduction in friction generated at high speeds. Vacuum systems also enabled the maintenance of constant temperature across the sample, eliminating convection currents that interfered with the interpretation of sedimentation results. In 1946, Pickels cofounded Spinco (Specialized Instruments Corp.) to market analytical and preparative ultracentrifuges based on his design. Pickels considered his design to be too complicated for commercial use and developed a more easily operated, “foolproof” version. But even with the enhanced design, sales of analytical centrifuges remained low, and Spinco almost went bankrupt. The company survived by concentrating on sales of preparative ultracentrifuge models, which were becoming popular as workhorses in biomedical laboratories.
Аспаптар
Ультрацентрифугалар эксперименттердің кең ауқымына арналған роторлардың әртүрлі нұсқаларымен қол жетімді. Көптеген роторлар үлгілерді қамтитын түтіктерді ұстауға арналған. Айналмалы роторлар түтіктерді ілмектерге ілуге мүмкіндік береді, соның салдарынан ротор бастапқыда жылдамдық алғанда түтіктер көлденеңге қайта бағдарланады. Белгілі бұрышты роторлар бір материалдан жасалған және түтіктерді алдын ала белгіленген бұрышта тесілген ойыстарға орналастырады. Зоналық роторлар үлгінің көп көлемін түтіктердің ішінде емес, бір орталық қуыста сақтауға арналған. Кейбір зоналық роторлар ротор жоғары жылдамдықпен айналып тұрғанда үлгіні динамикалық түрде жүктеуге және түсіруге қабілетті. Биологияда дайындамалық роторлар ұсақ бөлшектік фракцияларды, мысалы жасушалық органеллаларды (митохондриялар, микросомалар, рибосомалар) және вирустарды тоқтату үшін қолданылады. Оларды градиенттік бөлу үшін де пайдалануға болады, онда түтіктер ерітіндіштегі тығыз заттың концентрациясы жоғарыдан төменге қарай артатылатын градиентпен толтырылады. Жасушалық органеллаларды бөлу үшін әдетте сахароза градиенттері қолданылады. Нуклеин қышқылдарын бөлу үшін цезий тұздарының градиенттері қолданылады. Үлгі бөліну үшін жеткілікті уақыт бойы жоғары жылдамдықпен айналғаннан кейін ротор тегіс тоқтатылады және бөлінген компоненттерді оқшаулау үшін градиент әр түтікшенің ішінде жұмсақ түрде сорылады.
Ultracentrifuges are available with a wide variety of rotors suitable for a great range of experiments. Most rotors are designed to hold tubes that contain the samples. Swinging bucket rotors allow the tubes to hang on hinges so the tubes reorient to the horizontal as the rotor initially accelerate. Fixed angle rotors are made of a single block of material and hold the tubes in cavities bored at a predetermined angle. Zonal rotors are designed to contain a large volume of sample in a single central cavity rather than in tubes. Some zonal rotors are capable of dynamic loading and unloading of samples while the rotor is spinning at high speed. Preparative rotors are used in biology for pelleting of fine particulate fractions, such as cellular organelles (mitochondria, microsomes, ribosomes) and viruses. They can also be used for gradient separations, in which the tubes are filled from top to bottom with an increasing concentration of a dense substance in solution. Sucrose gradients are typically used for separation of cellular organelles. Gradients of caesium salts are used for separation of nucleic acids. After the sample has spun at high speed for sufficient time to produce the separation, the rotor is allowed to come to a smooth stop and the gradient is gently pumped out of each tube to isolate the separated components.
Қауіптер
Жұмыс істеп тұрған ультрацентрифугадағы ротордың үлкен айналу кинетикалық энергиясы, айналатын ротордың қатаң зақымдануына байланысты маңызды мәселе тудырады, себебі ол күшті жарылысқа ұшырауы мүмкін. Роторлар әдетте алюминий немесе титан сияқты жоғары беріктікке ие металдардан жасалады. Роторлар күнделікті пайдаланудың салдарынан және агрессивті химиялық ерітінділердің әсерінен бірте-бірте тозуға ұшырайды. Осы қауіпті азайту үшін құралды және роторларды ұсынылған шекте дұрыс пайдалану, сондай-ақ роторларды коррозиядан қорғау және тозуды анықтау үшін оларға ұқыпты күтім жасау қажет. Жақында кейбір роторлар жеңіл көміртекті композиттік материалдан жасала бастады, олар 60%-ға дейін жеңіл, нәтижесінде үдету/баяулату жылдамдығы артады. Көміртекті композиттік роторлар коррозияға төзімді, ротордың істен шығуына себеп болатын маңызды факторды жояды.
The tremendous rotational kinetic energy of the rotor in an operating ultracentrifuge makes the catastrophic failure of a spinning rotor a serious concern, as it can explode spectacularly. Rotors conventionally have been made from high strength to weight metals such as aluminum or titanium. The stresses of routine use and harsh chemical solutions eventually cause rotors to deteriorate. Proper use of the instrument and rotors within recommended limits and careful maintenance of rotors to prevent corrosion and to detect deterioration is necessary to mitigate this risk. More recently some rotors have been made of lightweight carbon fiber composite material, which are up to 60% lighter, resulting in faster acceleration/deceleration rates. Carbon fiber composite rotors also are corrosion resistant, eliminating a major cause of rotor failure.