离心分离的应用和原理是什么？掌握实验室的样品分离技术

从本质上讲，离心分离是一种利用离心力将溶液中的颗粒分离的技术。其基本原理是加速自然沉降过程，即较重的组分会随着时间推移沉降到混合物的底部。通过高速旋转样品，离心机产生强大的力，可以在重力所需时间的一小部分内根据颗粒的大小、形状和密度将组分分离开来。

离心分离的真正威力不在于简单地旋转样品，而在于精确施加的力，以利用颗粒之间细微的物理差异，从而能够从复杂的混合物中选择性地分离出目标组分。

基本原理：利用沉降

离心分离是现代生物学、化学和医学的基石，因为它提供了一种可靠的方法从液体样品中纯化和浓缩组分。有效利用它，关键在于理解其背后的物理学原理。

想象一杯浑浊的水。随着时间的推移，较重的沙子和淤泥颗粒会因重力而缓慢沉到底部。离心机极大地加速了这一过程。

通过在转子中旋转样品，机器产生一个向外、远离旋转中心的离心力。这个力比单独的重力更快地将较重和较大的颗粒推向管底，形成一个紧密的沉淀物（pellet）。

转子的速度通常以每分钟转数 (RPM) 来描述，但这个指标是不完整的。实际的分离力取决于离心机转子的大小。

施加的力的真正衡量标准是相对离心力 (RCF)，也称为 g 力。RCF 使不同机器和转子上的力标准化，使其成为任何离心方案的关键参数。它表示离心力是地球重力的多少倍。

颗粒在离心场中的运动由四个主要特性决定：

并非所有的离心分离都是一样的。选择哪种方法取决于需要分离的组分和所需的纯度水平。

这是最简单、最常见的方法。它涉及对样品进行一系列以递增速度进行的离心循环。

每次旋转后，沉淀下来的物质（沉淀物/pellet）与剩余的液体（上清液/supernatant）分离。然后对上清液以更高的 RCF 再次旋转，以沉淀出下一个较小、密度较低的组分。这通常用于粗略分离，例如从培养基中分离完整的细胞或分离主要的细胞器。

对于尺寸相似的组分进行更精细的分离，会使用密度梯度。这涉及在离心管中制备一种溶液，其密度从上到下逐渐增加，通常使用蔗糖或氯化铯 (CsCl)。

当样品通过该梯度旋转时，颗粒会迁移，直到它们到达密度与周围介质相匹配的点，或者根据其沉降速率被分离成不同的条带。

密度梯度离心有两种主要模式：

速率区带 (Rate-Zonal)： 颗粒主要根据其大小和形状（沉降速率）进行分离。在颗粒达到其密度平衡点之前停止运行。这非常适合分离密度相似但大小不同的颗粒，例如核糖体和多聚核糖体。
等密度 (Isopycnic)： 颗粒纯粹根据其浮力密度进行分离。离心运行时间足够长，使每个颗粒迁移到梯度中密度等于梯度介质密度的位置。到达该点后，它就会停止移动。这种强大的方法可以分离 DNA 的不同亚型等大分子。

选择离心方法需要在速度、纯度和样品完整性之间取得平衡。

差速离心快速简便，但通常会导致沉淀物不纯。由于唯一的因素是沉降，位于管底附近的小颗粒可能会与大颗粒一起被沉淀，从而导致交叉污染。

密度梯度离心通过将颗粒分离成不同的条带来提供更高的纯度。然而，制备和运行梯度的时间更长，技术上也更复杂。

转子高速旋转产生的摩擦会产生大量热量。对于蛋白质或核酸等生物样品，这种热量会导致变性，破坏其结构和功能。

因此，大多数高速离心机（超速离心机）都是冷藏的，以在整个运行过程中保持恒定的低温（通常为 4°C），从而保护样品完整性。

最关键的安全操作是平衡离心机。放置在转子中的试管必须与一个质量相同的试管直接相对放置以保持平衡。

高速下不平衡的负载会产生巨大的振动和扭矩，可能会损坏转子和离心机本身，构成严重的安全隐患。即使是轻微的不平衡也会随着时间的推移造成损坏并导致分离效果不佳。

您所选择的技术应由您的最终分析目标决定。

通过理解这些原理，您就可以将离心机从一个简单的旋转器转变为一个用于纯化和分析的精确而强大的工具。