Funktionsprinzip und Anwendungsbeispiele einer Zentrifuge

Einleitung: Zentrifuge – die unsichtbare „trennende Hand“."

Laborzentrifugen sind unverzichtbare Geräte in der Biologie, Chemie, Medizin und anderen Bereichen. Sie trennen schnell Komponenten unterschiedlicher Dichte in Flüssigkeiten durch die Zentrifugalkraft, die durch Hochgeschwindigkeitsrotation erzeugt wird. Ob es um die Schichtung des Blutes, die Extraktion von Zellorganellen oder die Reinigung von Nanomaterialien geht, Zentrifugen spielen eine Schlüsselrolle. In diesem Artikel werden das Funktionsprinzip und typische Anwendungsszenarien anhand einer Kombination aus Grafiken und Text analysiert.

Funktionsprinzip von Zentrifugen: Wie „schichtet“ die Zentrifugalkraft Stoffe?

1. Die Natur der Zentrifugalkraft

Zentrifugalkraft ist eine Trägheitskraft, die eine „virtuelle Kraft“ erzeugt, die das Objekt beim Rotieren um seine Achse vom Rotationszentrum wegtreibt. Die Formel lautet:

F = m × ω² × r
(m: Masse des Objekts; ω: Winkelgeschwindigkeit; r: Rotationsradius)

2. Arbeitsablauf

1. Laden Sie die Probe in ein Zentrifugenröhrchen und platzieren Sie sie symmetrisch im Rotor (achten Sie auf Balance).
2. Stellen Sie die Geschwindigkeit (U/min) und die Zeit ein, um mit der Zentrifugation zu beginnen.
3. Bei hoher Rotationsgeschwindigkeit setzen sich die dichteren Komponenten nach außen ab und bilden Niederschläge; die dichteren bleiben in der oberen Schicht;
4. Nach dem Stoppen wird die Flüssigkeit entsprechend einem Dichtegradienten geschichtet und kann Schicht für Schicht aufgenommen werden.

• Rotor: Die das Zentrifugenröhrchen tragende Kernkomponente (Winkelrotor/Horizontalrotor);
• Antriebsmotor: sorgt für Rotationskraft;
• Kühlsystem (optional): verhindert eine Überhitzung der Proben;
• Kontrollsystem: Passen Sie Geschwindigkeit, Zeit und Temperatur an.

Klassifizierung und Kernparameter von Zentrifugen

1. Klassifizierung nach Geschwindigkeit

2. Analyse wichtiger Parameter

Relative Zentrifugalkraft (RCF): Ein Indikator für die tatsächliche Trenneffizienz, Formel:

RCF = 1,118 × 10⁻⁵ × r × (RPM)²
(r: Rotationsradius, Einheit Zentimeter)

Temperaturregelbereich: -20℃ bis 40℃ zum Schutz wärmeempfindlicher Proben;
Rotorkapazität: Von einer kleinen Menge von 0,2 ml bis zu einer großen Menge von 1 l kann es an unterschiedliche Bedürfnisse angepasst werden.

Klassische Anwendungsbeispiele

Beispiel 1: Blutstratifizierung (medizinische Untersuchung)

Objektiv: Isolieren Sie Plasma, weiße Blutkörperchen und rote Blutkörperchen.

1. Vollblutproben entnehmen und Antikoagulans hinzufügen;
2. 10 Minuten lang bei 3000 U/min zentrifugieren;
3. Stratifizierte Ergebnisse (von oben nach unten): Plasma (55 %), weiße Blutkörperchen/Blutplättchen (<1 %), rote Blutkörperchen (45 %).

Beispiel 2: Isolierung von Organellen (biologische Forschung)

Ziel: Extrahieren Sie Mitochondrien oder Zellkerne.

1. Nach der Zelllyse wurde das Homogenat bei niedriger Geschwindigkeit (1000 U/min) zentrifugiert, um intakte Zellen zu entfernen;
2. Der Überstand wurde bei 10.000 U/min zentrifugiert, um Mitochondrien auszufällen.
3. Der letzte Überstand wurde ultrazentrifugiert (100.000 U/min), um Mikrosomen zu erhalten.

Schlüssel: Die Reinheit wird durch Gradientenzentrifugation (z. B. Saccharose-Dichtegradient) verbessert.

Beispiel 3: DNA-Extraktion (Molekularbiologie)

Objektiv: Isolieren und reinigen Sie DNA aus Zellen.

1. Zellen lysieren, um DNA freizusetzen;
2. Fügen Sie Bindungspuffer hinzu und zentrifugieren Sie bei hoher Geschwindigkeit, um die DNA an der Kieselgelmembran zu adsorbieren.
3. Waschen zur Entfernung von Verunreinigungen;
4. Die DNA wurde durch Zentrifugation bei niedriger Geschwindigkeit eluiert.

DNA-Zentrifugalreinigungsverfahren

Beispiel 4: Reinigung von Nanomaterialien (Materialwissenschaft)

Objektiv: Zur Trennung von Goldnanopartikeln unterschiedlicher Partikelgröße.

1. Die synthetisierte Mischung wird mit Gradientengeschwindigkeit zentrifugiert:
2. 5000 U/min entfernt große Partikelaggregate;
3. Sammeln Sie die Zielpartikelgröße (z. B. 20 nm) bei 15.000 U/min;
4. 20.000 U/min erfassen kleinere Partikel (5 nm).

Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) verifizierte die Partikelgrößenverteilung.

Betriebliche Vorsichtsmaßnahmen

• Ausgewogenheit und Symmetrie: Zentrifugenröhrchen müssen symmetrisch platziert werden, mit einem Qualitätsunterschied von ≤0,1 g, um Unfälle durch Rotorunwucht zu vermeiden;
• Geschwindigkeitsbegrenzung: Es ist strengstens verboten, die Nenndrehzahl des Rotors zu überschreiten;
• Biosicherheit: Pathogenproben erfordern die Verwendung versiegelter Rotoren oder Biosicherheitszentrifugen;
• Wartung: Reinigen Sie den Rotor regelmäßig von Korrosion und überprüfen Sie die Dichtungsringe auf Alterung.

Zukunftsaussichten: Intelligenz und Miniaturisierung

• Intelligente Zentrifuge: Eingebaute Sensoren überwachen Zentrifugalkraft und Temperatur in Echtzeit und passen Parameter automatisch an;
• Handzentrifuge: USB-betriebenes Mikrogerät zur Erfüllung der Anforderungen schneller Tests vor Ort;
• Grünes Design: Geräuscharme und energiearme Rotoren sind zum Mainstream geworden.

Zentrifugen ermöglichen eine effiziente Trennung komplexer Mischsysteme durch einfache physikalische Prinzipien. Von der medizinischen Diagnose bis zur wissenschaftlichen Spitzenforschung verschiebt es weiterhin die Grenzen der wissenschaftlichen Entwicklung. Das Verständnis seiner Prinzipien und die Standardisierung von Abläufen sind wesentliche Fähigkeiten für jeden Experimentator.