원심 분리

Centrifugation

원심분리원심력을 사용하여 입자의 크기, 모양, 밀도, 중간 점도 및 회전자 [1]속도에 따라 입자를 용액에서 분리하는 기계적 과정입니다.혼합물의 밀도가 높은 성분은 원심분리기의 축에서 멀어지는 반면 밀도가 낮은 성분은 축으로 이동합니다.화학자와 생물학자들은 시험관의 유효 중력을 증가시켜 침전물(펠릿)이 튜브의 바닥까지 빠르고 완전하게 이동하도록 할 수 있다.침전물 위에 있는 나머지 액체는 상등액 또는 상등액이라고 불린다.

입자의 크기와 밀도와 입자가 이종 혼합물과 분리되는 속도 사이에는 상관관계가 있습니다. 이때 적용되는 힘은 중력뿐입니다.입자의 크기가 크고 밀도가 클수록 혼합물에서 빠르게 분리된다.원심분리기와 같이 혼합물에 더 큰 유효중력을 가함으로써 입자의 분리가 빨라진다.이는 오랜 시간 동안 자연스럽게 분리되는 입자를 훨씬 [2]더 짧은 시간에 분리할 수 있기 때문에 산업 및 연구실 환경에서 이상적입니다.

원심분리 속도는 보통 분당 회전수(RPM)로 표현되는 각 속도 또는 g로 표현되는 가속도로 지정된다.RPM과 g 사이의 변환 계수는 원심 분리 로터의 반경에 따라 달라집니다.원심분리 시 입자의 침강속도는 입자의 크기와 모양, 원심가속도, 존재하는 고체의 체적률, 입자와 액체의 밀도차, 점도의 함수이다.가장 일반적인 적용은 고농축 현탁액에서 고형물을 분리하는 것으로, 고농축 현탁액에서 고형물을 분리하여 침전물이 [3]덜 일정하게 생성되는 탈수를 위한 하수 진흙 처리에 사용된다.

원심분리방법은 산업용 및 실험실용으로 매우 다양한 용도를 가지고 있으며, 이 과정은 혼합 가능한 두 물질을 분리하는 데 사용될 뿐만 아니라 [4]고분자의 유체역학적 특성을 분석하는 데도 사용됩니다.그것은 생화학, 세포, 분자생물학에서 가장 중요하고 일반적으로 사용되는 연구 방법 중 하나이다.화학 및 식품 산업에서, 특수 원심분리기는 입자의 연속적인 흐름을 플라즈마처럼 분리된 액체로 바꿀있다.원심분리 역시 우라늄 농축에 가장 많이 사용되는 방법으로, 6불화우라늄 [5]가스U-238U-235 원자의 약간의 질량차에 의존한다.

수학 공식

액체 현탁액에서는 중력에 의해 많은 입자 또는 셀이 용기의 바닥으로 서서히 떨어지게 되지만, 이러한 분리에 걸리는 시간은 불가능하다.매우 작은 다른 입자는 높은 원심력에 노출될 때까지 용액에서 전혀 분리될 수 없습니다.서스펜션이 특정 속도 또는 분당 회전수(RPM)로 회전하면 원심력에 의해 파티클이 회전축에서 반경 방향으로 이동할 수 있습니다.원심분리기의 분당 회전수(RPM)를 계산하는 일반적인 공식은 다음과 같습니다.

P r {\ RPM r

여기서 g는 원심분리기의 각 힘을 나타내고 r은 로터의 중심에서 표본의 [6]한 지점까지의 반지름을 나타낸다.

단, 사용하는 원심분리기 모델에 따라 로터의 각도와 반지름이 다를 수 있으므로 공식을 변경한다.예를 들어, Sorvall #SS-34 로터의 최대 반경은 10.8 cm이므로 공식은 P g r, 이는 M g {\ RPM[6] 으로 단순화할 수 있습니다.

중력과 비교할 때 입자의 힘을 '상대 원심력'(RCF)이라고 합니다.이는 회전의 결과로 로터의 내용물에 가해지는 수직력이며, 항상 지구의 중력에 상대적이며, 다양한 유형 및 크기의 로터의 강도를 측정합니다.예를 들어 RCF가 1000 x g이면 원심력이 지구 중력보다 1000배 강하다는 것을 의미합니다.RCF는 회전 속도(rpm)와 회전 중심으로부터의 입자 거리에 따라 달라집니다.RCF 계산에 사용되는 가장 일반적인 공식은 다음과 같습니다.[7]

F 5×× ( p ) { { RCF \ 10 - 5} \ r \ times ( )^ ,

1.14× 1.× 상수이고, r은 회전축과 중심 사이의 반지름(cm)이며, rpm은 분당 [7]회전 속도입니다.

지금까지 3,000rpm의 속도에서 많은 분리가 수행되었습니다. 이 속도에서 가해지는 'g'[8] 힘에 대한 대략적인 지침은 원심 분리 반지름에 10을 곱하는 것입니다. 따라서 160mm의 반지름은 약 1600xg을 제공합니다.적용되는 RCF는 반경에 선형적으로 의존하기 때문에 이는 다소 자의적인 접근법입니다.따라서 반경이 10% 클수록 같은 속도로 10% 더 높은 RCF가 적용됩니다.대략 위의 공식은 0.62%의 오차로 F \ RCF =\r 으로할 수 있습니다.

생물 연구의 원심 분리

마이크로센트리퓨지

마이크로센트리퓨그는 약 17,000rpm의 매우 빠른 가속이 가능한 가볍고 작은 용량의 로터를 갖춘 특수 설계된 테이블 탑 모델입니다.주로 약 0.2~2.0mL의 단시간 원심분리에 사용되는 경량 장치이다.그러나 크기가 작기 때문에 쉽게 운반할 수 있으며, 필요하다면 차가운 [9]실내에서도 조작할 수 있습니다.그것들은 냉장 보관될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.마이크로센트리퓨저는 일반적으로 생물학적 분자, 세포 또는 핵의 작은 샘플이 비교적 짧은 시간 [9]간격 동안 높은 RCF에 노출되어야 하는 연구소에서 사용됩니다.고속 작동용으로 설계된 마이크로센트리퓨그는 최대 35,000rpm까지 도달하여 RCF를 최대 30000×g까지 제공할 수 있으며, 이를 고속 마이크로센트리퓨그라고 [10]합니다.

저속 원심 분리기

저속 원심분리기는 화학 침전물, 온전한 세포(동물, 식물 및 일부 미생물), 핵, 엽록체, 대형 미토콘드리아 및 더 큰 혈장 막 파편을 채취하는 데 사용됩니다.이들 원심분리기에서는 세포를 정제하기 위한 농도구배도 실행된다.스윙 버킷 로터는 어댑터를 [9]통해 샘플 크기의 유연성이 매우 높기 때문에 매우 널리 사용되는 경향이 있습니다.이러한 기계는 최대 회전자 속도가 10,000rpm 미만이며 소형 벤치톱 [11]원심분리기에서 대형 바닥 스탠드 원심분리기까지 다양합니다.

고속 원심 분리기

고속 원심분리기는 일반적으로 미생물, 바이러스, 미토콘드리아, 리소좀, 페르옥시좀, 그리고 온전한 관 모양의 골지막을 채취하는데 사용된다.대부분의 간단한 펠링 작업은 고정 각도 로터로 수행됩니다.세포 및 기관 정화를 위한 일부 밀도 경사 작업은 스윙 버킷 로터 또는 고정 각도 [9]로터의 Percoll 구배에서 수행할 수 있습니다.고속 또는 초스피드 원심분리기는 수십 밀리리터에서 몇 리터까지 더 큰 샘플 부피를 처리할 수 있습니다.또한 대형 원심분리기가 더 높은 각속도(약 30,000rpm)에 도달할 수도 있습니다.로터에는 다양한 크기의 테스트 튜브, 병 또는 마이크로미터 플레이트를 장착할 수 있는 다양한 어댑터가 함께 제공될 수 있습니다.

초원심도

초원심분리법은 매우 빠른 속도로 생물학적 입자의 특성을 연구하기 위해 높은 원심력을 이용한다.현재의 초원심부는 최대 150,000 rpm(1,000,000 x [12]g에 상당)까지 회전할 수 있습니다.이들은 혈장막, 내소체(ER) 및 골지막, 내소체, 리보솜, 리보솜 서브유닛, 플라스미드, DNA, RNA 및 단백질에서 파생된 모든 막 소포를 고정 각도 [9]로터로 채취하는 데 사용됩니다.초원심분리기는 마이크로원심분리기나 고속원심분리기에 비해 훨씬 작은 입자를 분리할 수 있으며, 초원심분리기는 마이크로원심분리기와 초원심분리기를 일괄적으로 분리할 수 있다(검체량의 제한은 시험관이나 병에서 수동으로 처리해야 함). 초원심분리기는 배치 또는 연속 흐름으로 분자를 분리할 수 있다.시스템들.

초원심응고법은 고분자/리간드 결합 운동학 연구, 혈장으로부터 다양한 리포단백질 분율 분리 및 아미노산 [1]분석을 위한 생리 유체의 탈양성자화에 사용된다.

셀을 제외한 모든 입자의 밀도-구배 정화에 가장 일반적으로 사용되는 원심분리기이며, 기존에는 스윙 버킷이 사용되었지만 고정 각도 로터 및 수직 로터도 사용되었으며, 특히 자체 생성 구배에도 사용되므로 분리 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다.초심원체에는 분석과 준비의 두 종류가 있습니다.

분석용 초원심도

분석용 초원심응집(AUC)은 형상, 질량, 조성 및 형상 등의 고분자의 특성을 결정하기 위해 사용할 수 있다.그것은 샘플 순도를 평가하고, 생체 분자 복합체의 조립과 분해 메커니즘을 특징짓고, 서브유닛 화학이치메트리를 결정하고, 고분자 구조 변화를 식별하고 특징짓고, 그리고 se를 위한 평형 상수와 열역학적 매개변수를 계산하기 위해 일반적으로 사용되는 생체 분자 분석 기법이다.lf-associating 시스템 및 헤테로-associating 시스템.[13]분석용 초원심투과기는 주사 가시광선/자외선 기반의 광학검출시스템을 사용하여 스핀 [14]중 샘플 진행상황을 실시간으로 모니터링합니다.

시료는 수크로스, 염화세슘 또는 요오드산올과 같은 고밀도 용액으로 원심분리된다.고밀도 용액은 시험관 전체에 걸쳐 균일한 농도("쿠션") 또는 다양한 농도("경사")일 수 있다.분자 특성은 침강 속도 분석 또는 침강 평형 분석을 통해 모델링될 수 있습니다.실행 중에 입자 또는 분자는 물리적 특성과 용액의 특성에 따라 다른 속도로 시험관을 통과하여 최종적으로 튜브 바닥에 펠릿 또는 다양한 높이의 밴드를 형성합니다.

준비용 초원심화

준비용 초원심추체는 종종 입자를 밀도에 따라 분리하거나 펠릿에 포집하기 위해 고밀도 입자를 분리 및/또는 수확하거나 입자를 포함한 부유물을 명확히 하기 위해 사용된다.때때로 연구자들은 기기의 회전자 유형을 변경할 수 있는 유연성이 필요한 경우 예비 초원심분리대를 사용하기도 합니다.예비 초원심기는 다양한 로터 타입을 장착할 수 있으며, 다양한 수, 다양한 각도, 다양한 [14]속도로 샘플을 회전시킬 수 있습니다.

구분 프로세스

생물학적 연구에서 세포 분화는 전형적으로 각 구성요소의 개별적인 역할을 유지하면서 세포 구성요소의 분리를 포함한다.일반적으로 셀 샘플은 다음과 같은 서스펜션에 저장됩니다.

  • 완충—중성 pH로, 효소를 포함한 단백질 구조의 손상을 방지한다(이온 결합에 영향을 미칠 수 있음).
  • (물 잠재력이 동일한) 등방성—소기관들에 의한 수분 이득 또는 손실을 방지한다.
  • 냉각—시술 후반부에서 방출되는 효소의 전반적인 활성을 감소시킵니다.

원심분리는 대부분의 분류에서 첫 번째 단계이다.저속 원심분리를 통해 셀의 부스러기를 제거하여 셀의 내용물을 보존하는 상등액을 남길 수 있다.점차적으로 고속으로 원심분리를 반복하면 세포들의 균질화가 구성 요소로 분류된다.일반적으로 아세포 구성 요소가 작을수록 [15]침전시키는 데 필요한 원심력이 커집니다.용해물의 용해 분율은 다양한 방법을 사용하여 해당 성분으로 더욱 분리될 수 있습니다.

차동 원심 분리

미분원심분리는 세포에서 발견되는 세포와 세포막을 분리하는 데 일반적으로 사용되는 [9]원심분리를 통한 가장 간단한 방법이다.유기물은 일반적으로 밀도가 서로 다르므로 차동 원심분리 및 원심분리 사용이 가능하다.그런 다음 특정 [6]소기관 고유의 지표에 대한 테스트를 통해 소기관들을 식별할 수 있습니다.이 기술의 가장 널리 사용되는 적용은 쥐의 [9]간과 같은 조직 균질화물로부터 조세포 아분석을 생산하는 것이다.서스펜션의 밀도 또는 크기가 다른 입자는 다른 속도로 침전되며, 크고 밀도가 높은 입자는 침전 속도가 빨라집니다.이러한 침전 속도는 원심력을 [16]사용하여 증가할 수 있습니다.

셀의 현탁액을 일련의 증가 원심력 사이클에 의해 침강속도가 저하된 셀로 이루어진 일련의 펠릿을 생성한다.균질산염은 핵, 미토콘드리아, 리소좀, 페르옥시좀, 플라즈마막 시트 및 다수의 세포내 막 구획 및 전형적으로 완충 [9]매체 내의 플라즈마막에서 유래한 광범위한 소포를 포함한다.

농도 구배 원심분리

농도구배 원심분리는 부유입자를 분리하는 가장 효율적인 방법 중 하나로 알려져 있으며,[17] 분리기술 및 혼합물 내 입자 또는 분자의 밀도 측정방법 양쪽에 사용된다.

등급화된 밀도의 매체를 사용하여 크기, 모양, 밀도에 따라 입자를 분리하는 데 사용됩니다.비교적 짧거나 느린 원심분리 동안 입자는 크기에 따라 분리되며, 큰 입자는 작은 입자에 비해 더 멀리 침전됩니다.장기 또는 빠른 원심 분리를 통해 입자는 매질의 밀도가 입자 밀도와 동일한 구배 내 위치로 이동합니다. (µp – µm) → 0. 따라서 작고 밀도가 높은 입자는 처음에는 크고 밀도가 낮은 입자보다 쉽게 침전되지 않습니다.큰 입자는 일찍 평형 밀도 위치에 도달하는 반면, 작은 입자는 천천히 큰 입자 영역을 가로질러 이동하고 궁극적으로는 [18]기울기 깊은 곳에 평형 위치를 차지합니다.

튜브는 이 방법으로 원심분리된 후 높이에 따른 밀도의 순서로 입자를 가진다.관심 물체 또는 입자는 [19]밀도에 해당하는 튜브 내의 위치에 있습니다.그럼에도 불구하고, 이 방법을 사용할 때 일부 비이상적인 침전물이 여전히 가능하다.첫 번째 잠재적인 문제는 원치 않는 입자의 집합이지만, 이는 어떤 원심분리에서도 발생할 수 있습니다.두 번째 가능성은 입자를 포함한 용액 방울이 침전될 때 발생합니다.이는 밀도가 높은 액체 위에 부유층이 있는 용액으로 작업할 때 발생할 가능성이 높으며, 실제로는 밀도 구배가 [17]거의 또는 전혀 없습니다.

기타 응용 프로그램

원심분리기를 사용하여 분필가루를 에서 분리하는 등 부유물에 잔류하는 소량의 고형물을 액체로부터 분리할 수 있다.생물연구에서는 포유동물세포의 정제, 세포아소기관분화, 막소포분화, 고분자분자분화, 고분자복합체분화 [9]등에 사용할 수 있다.원심분리법은 식품업계에서 다양한 방법으로 사용된다.예를 들어, 유제품 산업에서는 우유의 정제 및 탈지, 크림의 추출, 카제인의 생산과 회수, 치즈 생산, 세균 오염물질 제거 등에 일반적으로 사용된다.음료, 주스, 커피, 차, 맥주, 와인, 두유, 유지 가공/회수, 코코아 버터, 설탕 제조 [20]등에도 사용된다.와인의 정제 및 안정에도 사용됩니다.

법의학 및 연구실에서는 소변과 혈액 성분을 분리하는 데 사용할 수 있습니다.또한 염분 처리(예: 황산암모늄 침전)[6]와 같은 정제 기술을 사용하여 단백질을 분리하는 데 도움을 줍니다.원심분리 또한 폐기물 처리에서 중요한 기술이며, 슬러지 [21]탈수에 사용되는 가장 일반적인 공정 중 하나입니다.이 프로세스는 필터를 사용하지 않고 입자가 공기 흐름에서 분리되는 사이클론 분리에도 영향을 미칩니다.사이클론 수집기에서 공기는 나선형 경로를 따라 움직인다.관성이 높은 입자는 원심력에 의해 분리되는 반면, 작은 입자는 [22]기류를 따라 계속 흐릅니다.

원심분리기 또한 물과 같은 가벼운 화합물을 분리하기 위해 조금씩 사용되어 왔다.이 때 비중보다 큰 고형물을 [23]분리 대상으로 하는 반대쪽 출구에서 수성방전을 얻는다.

역사

1923년까지 테오도르 스베드버그와 그의 제자 H. 린데는 중력 [24]침전 측면에서 큰 입자의 솔을 성공적으로 분석했습니다.솔은 [25]콜로이드라고도 알려진 다른 물질에 고르게 분포된 물질로 구성됩니다.그러나 금이 함유된 것과 같은 입자가 작은 솔은 [24]분석할 수 없었다.이 문제를 조사하기 위해 Svedberg는 사진 흡수 시스템을 갖춘 분석 원심분리기를 개발했는데, 이는 훨씬 더 큰 원심 효과를 발휘할 것입니다.[24]게다가, 그는 분자량을 [25]측정하는데 필요한 이론을 발전시켰다.이 기간 동안 스베드베르크의 관심은 금에서 [24]단백질로 옮겨갔다.

1900년까지, 단백질이 아미노산으로 구성되어 있다는 것이 일반적으로 받아들여졌다. 그러나 단백질이 콜로이드인지 고분자인지에 대해서는 여전히 [26]논쟁의 여지가 있었다.당시 조사된 단백질 중 하나는 헤모글로빈이었다.그것은 712개의 탄소, 1,130개의 수소, 243개의 산소, 2개의 황 원자, 그리고 적어도 1개의 철 원자를 가지고 있는 것으로 결정되었다.이로 인해 헤모글로빈은 약 16,000 달톤(Da)의 무게를 갖게 되었지만, 이 값이 1의 배수인지 4의 배수인지는 불확실했다(존재하는 [27]철 원자의 수에 따라 다름).

침전 평형 기술을 이용한 일련의 실험을 통해, 두 가지 중요한 관찰이 이루어졌습니다: 헤모글로빈은 분자량이 68,000Da이고, 이것은 헤모글로빈이 한 개보다는 네 개의 철 원자가 존재한다는 것을 암시하고, 헤모글로빈이 어디에서 분리되었든 간에 정확히 동일한 분자량을 [24][25]가지고 있다는 것을 암시합니다.어떻게 그렇게 큰 분자 질량의 무엇인가가 몸에서 추출된 곳과 상관없이 일관되게 발견될 수 있는지는 전례가 없었고 단백질이 [26]콜로이드보다는 고분자라는 생각을 선호했다.이 현상을 조사하기 위해서는 더 빠른 속도의 원심분리기가 필요했고, 따라서 침전 [24]확산 이론을 적용하기 위해 초원심분리기를 만들었다.동일한 분자 질량이 결정되었고, 확산 경계의 존재는 그것이 하나의 콤팩트한 [24]입자임을 시사했다.원심분리를 추가로 적용하면 서로 다른 조건에서 큰 균질 입자를 이산 서브유닛으로 [24]분해할 수 있음을 알 수 있었다.원심분리의 발달은 실험적인 단백질 과학의 큰 발전이었다.

1937년 Linderstorm-Lang은 밀도 구배관이 밀도 측정에 사용될 수 있다는 것을 발견했다.그는 감자 황색 왜소 바이러스를 [17]연구할 때 이것을 발견했다.이 방법은 메셀슨과 스탈의 유명한 실험에서도 사용되었다. 그들은 서로 다른 질소 동위원소를 사용하여 DNA 복제가 반보수적이라는 것을 증명했다.그들은 복제 [19]주기 후에 DNA에 존재하는 질소 동위원소를 결정하기 위해 밀도 경사 원심분리법을 사용했다.

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레퍼런스

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원천

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