Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Центрифуга для раскручивания ротора на очень высоких скоростях.
Centrifuge for spinning a rotor at very high speeds
Ультрацентрифуга – это центрифуга, оптимизированная для раскручивания ротора на очень высоких скоростях, способная генерировать ускорение до 1 000 000 g (приблизительно 9 800 км/с²). Существуют два типа ультрацентрифуг: препаративная и аналитическая. Оба класса приборов находят важное применение в молекулярной биологии, биохимии и полимерной науке.
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.
История
В 1924 году Теодор Сведберг построил центрифугу, способную генерировать 7000 g (при 12 000 оборотах в минуту), и назвал ее ультрацентрифугой, чтобы противопоставить ее ультрамикроскопу, разработанному ранее. В 1925–1926 годах Сведберг сконструировал новую ультрацентрифугу, позволявшую создавать поля до 100 000 g (42 000 оборотов в минуту). Современные ультрацентрифуги обычно классифицируются как обеспечивающие ускорение более 100 000 g. Сведберг получил Нобелевскую премию по химии в 1926 году за исследования коллоидов и белков с использованием ультрацентрифуги. Студент Бима, Эдвард Грейдон Пикельс, решил проблему в 1935 году, создав вакуум в системе, что позволило снизить трение, возникающее на высоких скоростях. Вакуумные системы также обеспечивали поддержание постоянной температуры образца, устраняя конвекционные потоки, которые затрудняли интерпретацию результатов осаждения. В 1946 году Пикельс стал соучредителем Spinco (Specialized Instruments Corp.) для коммерциализации аналитических и препаративных ультрацентрифуг, основанных на его конструкции. Пикельс считал свою конструкцию слишком сложной для коммерческого использования и разработал более простую в эксплуатации, «не требующую специальных навыков» версию. Однако даже с усовершенствованной конструкцией продажи аналитических центрифуг оставались низкими, и Spinco оказалась на грани банкротства. Компания выжила, сосредоточившись на продаже моделей препаративных ультрацентрифуг, которые стали популярными рабочими инструментами в биомедицинских лабораториях.
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.
Инструментовка
Ультрацентрифуги доступны с широким разнообразием роторов, подходящих для проведения широкого спектра экспериментов. Большинство роторов предназначены для размещения пробирок, содержащих образцы. Роторы с поворотными подвесками позволяют пробиркам подвешиваться на шарнирах, благодаря чему они переориентируются в горизонтальное положение при начальном разгоне ротора. Роторы с фиксированным углом изготавливаются из цельного блока материала и удерживают пробирки в углублениях, просверленных под заданным углом. Зональные роторы предназначены для размещения большого объема образца в одной центральной полости, а не в пробирках. Некоторые зональные роторы способны к динамической загрузке и выгрузке образцов во время вращения ротора на высокой скорости. Препаративные роторы используются в биологии для осаждения мелких частиц, таких как клеточные органеллы (митохондрии, микросомы, рибосомы) и вирусы. Они также могут использоваться для градиентного разделения, при котором пробирки заполняются сверху вниз возрастающей концентрацией плотного вещества в растворе. Градиенты сахарозы обычно используются для разделения клеточных органелл. Градиенты солей цезия используются для разделения нуклеиновых кислот. После того, как образец центрифугируется на высокой скорости в течение достаточного времени для достижения разделения, ротор плавно останавливается, а градиент аккуратно откачивается из каждой пробирки для выделения разделенных компонентов.
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.
Опасности
Огромная кинетическая энергия вращения ротора в работающей ультрацентрифуге делает катастрофический выход из строя вращающегося ротора серьезной проблемой, поскольку он может взорваться с впечатляющими последствиями. Традиционно роторы изготавливаются из высокопрочных и легких металлов, таких как алюминий или титан. Напряжения, возникающие при обычном использовании, и агрессивные химические растворы со временем приводят к износу роторов. Для снижения этого риска необходимо правильно использовать прибор и роторы в пределах рекомендованных параметров, а также тщательно обслуживать роторы для предотвращения коррозии и своевременного выявления износа. В последнее время некоторые роторы стали изготавливать из легкого композитного материала на основе углеродного волокна, который может быть до 60% легче, что обеспечивает более быстрое ускорение и замедление. Роторы из углеродного волокна также устойчивы к коррозии, устраняя одну из основных причин их поломки.
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.