Ультрацентрифуга — это центрифуга , оптимизированная для вращения ротора на очень высоких скоростях, способная создавать ускорение до 1 000 000 g (приблизительно 9 800 км/с² ). [1] Существует два вида ультрацентрифуг: препаративные и аналитические ультрацентрифуги. Оба класса инструментов находят важное применение в молекулярной биологии , биохимии и полимерной науке. [2]
В 1924 году Теодор Сведберг построил центрифугу, способную генерировать 7000 g (при 12 000 об/мин), и назвал ее ультрацентрифугой, чтобы сопоставить ее с ультрамикроскопом , который был разработан ранее. В 1925-1926 годах Сведберг построил новую ультрацентрифугу, которая позволяла создавать поля до 100 000 g (42 000 об/мин). [3] Современные ультрацентрифуги обычно классифицируются как допускающие более 100 000 g. [4] Сведберг получил Нобелевскую премию по химии в 1926 году за свои исследования коллоидов и белков с использованием ультрацентрифуги. [5] [6] [3]
В начале 1930-х годов Эмиль Анрио обнаружил, что соответствующим образом размещенные струи сжатого воздуха могут вращать волчок без подшипников до очень высоких скоростей, и разработал ультрацентрифугу на этом принципе. Джесси Бимс с физического факультета Университета Вирджинии первым адаптировал этот принцип к высокоскоростной камере , а затем начал совершенствовать ультрацентрифугу Анрио, но его роторы постоянно перегревались. [7]
Студент Бима Эдвард Грейдон Пикелс решил эту проблему в 1935 году, вакуумируя систему, что позволило снизить трение, возникающее на высоких скоростях. Вакуумные системы также позволили поддерживать постоянную температуру по всему образцу, устраняя конвекционные потоки , которые мешали интерпретации результатов седиментации. [8]
В 1946 году Пикелс стал соучредителем Spinco (Specialized Instruments Corp.) для продажи аналитических и препаративных ультрацентрифуг на основе его конструкции. Пикелс посчитал свою конструкцию слишком сложной для коммерческого использования и разработал более простую в эксплуатации, «защищенную» версию. Но даже с улучшенной конструкцией продажи аналитических центрифуг оставались низкими, и Spinco едва не обанкротилась. Компания выжила, сосредоточившись на продажах моделей препаративных ультрацентрифуг, которые становились популярными как рабочие лошадки в биомедицинских лабораториях. [8] В 1949 году Spinco представила модель L, первую препаративную ультрацентрифугу, достигавшую максимальной скорости 40 000 об/мин . В 1954 году компания Beckman Instruments (позже Beckman Coulter ) приобрела компанию, сформировав основу своего подразделения центрифуг Spinco. [9]
Ультрацентрифуги доступны с широким спектром роторов, подходящих для большого диапазона экспериментов. Большинство роторов предназначены для удержания пробирок, содержащих образцы. Качающиеся роторы с бакетом позволяют подвешивать пробирки на шарнирах, чтобы пробирки переориентировались в горизонтальное положение по мере первоначального ускорения ротора. [10] Фиксированные угловые роторы изготавливаются из цельного куска материала и удерживают пробирки в полостях, просверленных под заданным углом. Зональные роторы предназначены для удержания большого объема образца в одной центральной полости, а не в пробирках. Некоторые зональные роторы способны к динамической загрузке и выгрузке образцов, пока ротор вращается с высокой скоростью.
Препаративные роторы используются в биологии для осаждения мелких фракций частиц, таких как клеточные органеллы ( митохондрии , микросомы , рибосомы ) и вирусы . Их также можно использовать для градиентного разделения, при котором трубки заполняются сверху вниз увеличивающейся 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 вращался на высокой скорости в течение достаточного времени для разделения, ротору дают плавно остановиться, и градиент осторожно откачивают из каждой трубки для изоляции разделенных компонентов.
Огромная вращательная кинетическая энергия ротора в работающей ультрацентрифуге делает катастрофический отказ вращающегося ротора серьезной проблемой, поскольку он может эффектно взорваться. Традиционно роторы изготавливались из металлов с высокой прочностью на вес, таких как алюминий или титан. Нагрузки от повседневного использования и агрессивные химические растворы в конечном итоге приводят к ухудшению роторов. Правильное использование инструмента и роторов в рекомендуемых пределах и тщательное обслуживание роторов для предотвращения коррозии и обнаружения ухудшения необходимы для снижения этого риска. [11] [12]
Совсем недавно некоторые роторы были сделаны из легкого композитного материала из углеродного волокна, который на 60% легче, что приводит к более быстрым темпам ускорения/замедления. Композитные роторы из углеродного волокна также устойчивы к коррозии, что устраняет основную причину выхода ротора из строя. [13]