ЦЕНТРИФУГА
Описание
ЦЕНТРИФУГА — аппарат для создания центробежной силы, используемой с целью разделения неоднородной смеси на составные части различной плотности.
Первая центрифуга, предназначенная для отделения сливок от молока, была сконструирована в 1877 году в Германии Лефельдом (W. Lefeld). Вскоре центрифуга стала неотъемлемой частью оборудования научных лабораторий.
В 1922 году шведский физикохимик Т. Сведберг сконструировал принципиально новый тип центрифуги — аналитическую ультрацентрифугу с оптической системой.
Центрифуга широко применяются в лабораторной практике (см. Центрифуги в авиационной и космической медицине), в промышленности, для бытовых нужд и др.
Лабораторные центрифуги предназначены для разделения биологических жидкостей на фракции с диагностической целью, например, для определения объемного соотношения компонентов крови больного либо для дальнейшего анализа выделенной фракции с целью определения химического состава, структуры, молекулярного веса (массы) и т. д. (например, для идентификации гамма-глобулинов сыворотки крови). Центрифуга состоит из привода, ротора, корпуса, рабочей (роторной) камеры и систем управления. Привод может быть ручным или электрическим. Назначение привода — сообщить ротору вращательное движение. Ротор представляет собой устройство для размещения сосудов с центрифугируемым веществом.
Принцип работы центрифуги заключается в том, что центробежная сила, возникающая при вращении ротора, смещает находящиеся в растворе частицы в направлении от оси вращения при условии, если плотность частиц превышает плотность раствора.
В лабораторной практике применяют центрифуги общего назначения (частота вращения ротора до 6000—8000 об/мин), скоростные рефрижераторные центрифуги (частота вращения ротора до 18 000—25 000 об/мин) и ультрацентрифуги (частота вращения ротора до 75 000—80 000 об/мин). Особую группу составляют узкоспециализированные центрифуги, предназначенные, как правило, для стандартных клинических анализов крови, например для определения Плазмаферез). Принцип перемещения жидкостей под действием центробежной силы использован в центрифужных анализаторах (автоматических лабораторных анализаторах параллельного типа), позволяющих осуществлять одновременное исследование нескольких проб биологических жидкостей.
Ассортимент центрифуг общего назначения весьма широк — от ручных центрифуг массой менее 1 кг до тяжелых напольных аппаратов с встроенным холодильным агрегатом и несколькими сменными роторами. Некоторые центрифуги снабжены скоростной приставкой, позволяющей проводить разделение при частоте вращения до 20 000 об/мин. Они применяются как в клинической медицине (например, для отделения осадка мочи, получения плазмы крови), так и для медико-биологических исследований (например, в серологии, биохимии, фармакологии).
Скоростные рефрижераторные центрифуги — сложные напольные аппараты с мощным электродвигателем, холодильным агрегатом и вакуумной установкой (рис.). Их применяют в крупных клинических и биохимических лабораториях для препаративных целей: разделение мелких частиц (например, липопротеидов, вирусов, бактерий), клеточных органоидов (ядер, митохондрий, рибосом), а также высокомолекулярных органических и неорганических полимеров при заданной температуре. В комплект скоростных рефрижераторных центрифуг входит до 10—15 сменных роторов.
Ультрацентрифуги делят на аналитические и препаративные. Их применяют в крупных научно-исследовательских лабораториях. С помощью аналитических ультрацентрифуг исследуют седиментационные свойства макромолекул для определения их чистоты, молекулярного веса и структуры (см. Седиментация). Препаративные ультрацентрифуги применяют для разделения смеси белков, нуклеиновых кислот, олиго- и полисахаридов, взятых в больших объемах. Полученные компоненты используют для последующего анализа, например для определения структуры или биологической активности выделенных веществ.
В комплект препаративных ультрацентрифуг входит до 40 сменных роторов.
Ультрацентрифуга состоит из следующих систем: привода, охлаждения двигателя, масляной, вакуумной, термостатирования ротора. Их нормальную работу обеспечивают системы контроля и регулирования, функции которых в ряде ультрацентрифуг выполняют микропроцессор или ЭВМ. При этом значительно повышается надежность работы аппарата, а также становится возможным программное управление процессом ультрацентрифугирования с одновременным расчетом необходимых седиментационных констант.
Роторы, применяемые в центрифуге, изготавливаются из высокопрочных и коррозионно-устойчивых сплавов титана или алюминия. В зависимости от конструкции роторы бывают угловые, с подвесными стаканами, зональные, проточные и вертикальные. Роторы одного и того же типа отличаются друг от друга предельно допустимой частотой вращения, объемом центрифугируемого раствора, числом ячеек или стаканов, углом наклона ячеек (угловые роторы).
Центрифугирование исследуемого вещества проводится в специальных пробирках или сосудах, входящих в комплект роторов. Материалом для них служат определенные сорта высокопрочного стекла и нержавеющей стали, а также некоторые виды полимеров (например, полиэтилен, нитрат целлюлозы, поликарбонат и др.).
Эксплуатация лабораторных центрифуг не требует, как правило, специальной подготовки обслуживающего персонала. С точки зрения техники безопасности нежелательным является вибрация ротора вследствие неравномерной его загрузки. Во избежание этого перед центрифугированием пробирки с препаратом необходимо взвешивать на центрифужных весах. При работе со сменными роторами в целях продления срока их службы следует соблюдать осторожность при насаживании и снятии ротора с вала привода, а также предохранять их от ударов, воздействия влаги, кислот, щелочей и т. п. Несоблюдение этих правил может привести к аварии.
В конструкции скоростных рефрижераторных центрифуг и ультрацентрифуг предусмотрены средства защиты, предупреждающие возможность выхода аппарата из строя. На случай разрушения ротора во время центрифугирования рабочая (роторная) камера имеет броневую защиту.
Профилактический уход за лабораторными центрифугами осуществляют специалисты инженерно-технической службы в соответствии со специальными инструкциями, разработанными для каждого типа центрифуг. При длительном хранении центрифугу подвергают консервации, как и все аналогичные электромеханические аппараты.
Промышленные центрифуги отличаются от лабораторных большими размерами и более сложным устройством роторов. Они применяются в химико-фармацевтической, микробиологической, химической, пищевой, горнорудной и других отраслях промышленности.
Библиогр.: Боуэн Т. Введение в ультрацентрифугирование, пер. с англ., М., 1973; Методы практической биохимии, под ред. Б. Уильямса и К. Уилсона, пер. с англ., М. 1978; Соколов В. И. Центрифугирование, М., 1976.
И. Я. Востриков.