Ультрацентрифуга — это центрифуга , оптимизированная для вращения ротора на очень высоких скоростях, способная создавать ускорение до 1 000 000 g (около 9 800 км/с² ) . [1] Существует два типа ультрацентрифуг: препаративная и аналитическая ультрацентрифуги. Оба класса инструментов находят важное применение в молекулярной биологии , биохимии и науке о полимерах . [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 разработанным ранее ультрамикроскопом . В 1925–1926 годах Сведберг сконструировал новую ультрацентрифугу, допускавшую поля до 100 000 g (42 000 об/мин). [3] Современные ультрацентрифуги обычно классифицируются как допускающие ускорение более 100 000 g. [4] Сведберг получил Нобелевскую премию по химии в 1926 году за исследования коллоидов и белков с использованием ультрацентрифуги. [5] [6] [3]
В начале 1930-х годов Эмиль Анрио обнаружил, что правильно расположенные струи сжатого воздуха могут вращать волчок без подшипника до очень высоких скоростей, и разработал на этом принципе ультрацентрифугу. Джесси Бимс с физического факультета Университета Вирджинии сначала адаптировал этот принцип к высокоскоростной камере , а затем начал совершенствовать ультрацентрифугу Анрио, но его роторы постоянно перегревались. [7]
Ученик Бима Эдвард Грейдон Пикелс решил проблему в 1935 году, вакуумировав систему , что позволило уменьшить трение , возникающее на высоких скоростях. Вакуумные системы также позволяли 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.), чтобы продавать аналитические и препаративные ультрацентрифуги на основе его разработки. Пикелс посчитал свою конструкцию слишком сложной для коммерческого использования и разработал более простую в использовании и «защищенную от дурака» версию. Но даже с усовершенствованной конструкцией продажи аналитических центрифуг оставались низкими, и Spinco едва не обанкротилась. Компания выжила, сосредоточившись на продажах моделей препаративных ультрацентрифуг, которые становились популярными в качестве «рабочих лошадок» в биомедицинских лабораториях. [8] В 1949 году компания Spinco представила Модель L, первую препаративную ультрацентрифугу, достигающую максимальной скорости 40 000 об/мин . В 1954 году компания Beckman Instruments (позже Beckman Coulter ) приобрела компанию, сформировав основу ее подразделения центрифуг Spinco. [9]
Ультрацентрифуги доступны с широким спектром роторов, подходящих для самых разных экспериментов. Большинство роторов предназначены для хранения пробирок с образцами. Поворотные бакет-роторы позволяют трубкам висеть на шарнирах, поэтому трубки меняют ориентацию в горизонтальное положение при первоначальном ускорении ротора. [10] Роторы с фиксированным углом изготовлены из единого блока материала и удерживают трубы в полостях, пробуренных под заданным углом. Зональные роторы предназначены для содержания большого объема пробы в одной центральной полости, а не в пробирках. Некоторые зональные роторы способны осуществлять динамическую загрузку и выгрузку образцов при вращении ротора на высокой скорости.
Препаративные роторы используются в биологии для осаждения мелких фракций частиц, таких как клеточные органеллы ( митохондрии , микросомы , рибосомы ) и вирусы . Их можно использовать и для градиентного разделения, при котором пробирки заполняются сверху вниз возрастающей 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 кинетическая энергия вращения ротора работающей ультрацентрифуги делает катастрофический отказ вращающегося ротора серьезной проблемой, поскольку он может впечатляюще взорваться. Роторы традиционно изготавливаются из металлов с высоким соотношением прочности и веса, таких как алюминий или титан. Напряжения повседневного использования и агрессивные химические растворы в конечном итоге приводят к ухудшению состояния роторов. Для снижения этого риска необходимо правильное использование прибора и роторов в рекомендуемых пределах, а также тщательное техническое обслуживание роторов для предотвращения коррозии и выявления износа. [11] [12]
Совсем недавно некоторые роторы были изготовлены из легкого композитного материала из углеродного волокна, который стал на 60% легче, что привело к более высокой скорости ускорения/торможения. Композитные роторы из углеродного волокна также устойчивы к коррозии, что исключает основную причину выхода ротора из строя. [13]