انواع سانتریفوژها و کاربرد آنها

سانتریفوژ یکی از پرکاربردترین دستگاه ها در آزمایشگاه

در این مقاله آموزشی ابتدا با مختصری از تاریخچه بوجود آمدن سانتریفوژ آشنا خواهید شد و در ادامه به انواع سانتریفیوژها، کاربردها و نحوه کار با آنها می پردازیم.

تاریخچه سانتریفوژ

اولین مطالعات علمی که توسط نایت در سال 1806 انجام شد، تفاوت در جهت گیری ریشه و ساقه نهال ها را هنگام قرار دادن در چرخ چرخان گزارش کرد! با این حال، حدود 60 سال بعد بود که سانتریفوژها برای اولین بار در کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار گرفتند. اولین سانتریفوژ پیوسته که در سال 1878 توسط مخترع سوئدی گوستاف د لاوال(De Laval) برای جداسازی خامه از شیر طراحی شد، در را به روی طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی باز کرد. تقریباً در همان زمان، اولین سانتریفوژهای حاوی لوله های آزمایش کوچک ظاهر شدند. هم اکنون کمپانی De Laval دارای بیش از 20 کارخانه در سراسر جهان با رویکرد تولید انواع دستگاه های صنعتی صنایع لبنی می باشد.

اگرچه سانتریفیوژهای گازی در مقیاس صنعتی به طور موقت در سال 1943 به نفع فرآیند انتشار گازی رها شدند، اما در تلاش برای غنی‌سازی یا جداسازی ایزوتوپ‌های اورانیوم، در طول جنگ جهانی دوم به سرعت توسعه یافتند. در سال 1943، Pickels اولین کسی بود که از گرادیان چگالی مبتنی بر ساکارز برای اندازه گیری نرخ رسوب ذرات استفاده کرد. سانتریفیوژ گرادیان چگالی در دهه 1950 توسط براک، که این مفهوم را برای خالص سازی و شناسایی ویروس ها به کار برد، و توسط اندرسون و همکارانش در آزمایشگاه ملی Oak Ridge، که یک سری روتورهای سانتریفیوژ منطقه ای را برای جداسازی ذرات زیر سلولی طراحی کردند، بیشتر اصلاح شد.

امروزه، سانتریفیوژها به طور معمول در رشته های مختلف از کاربردهای تجاری در مقیاس بزرگ تا تحقیقات علمی در مقیاس آزمایشگاهی استفاده می شوند. تعداد طرح‌ها و پیکربندی‌های سانتریفیوژ مورد استفاده در صنایع معدنی، پتروشیمی، شیمیایی، پزشکی، دارویی، زباله‌های شهری/صنعتی، لبنیات، مواد غذایی، پلیمری، انرژی و صنایع کشاورزی (به نام چند مورد) تقریباً به اندازه خود برنامه‌های کاربردی متعدد به نظر می‌رسد. بنابراین، توصیف عمیق طرح‌ها و کاربردهای سانتریفیوژ، فراتر از محدوده این رساله است.

سانتریفیوژ چیست و چگونه کار می کند؟

سانتریفوژ یک دستگاه مکانیکی است که از یک میدان نیروی گریز از مرکز اعمال شده برای جداسازی اجزای یک مخلوط با توجه به چگالی و یا اندازه ذرات استفاده می‌کند. اصول حاکم بر رفتار ذرات در طول سانتریفوژ به طور شهودی قابل درک است. بخش های سبک تر يک محلول، مخلوط و يا سوسپانسيون از بخش های سنگين تر آن جدا مي شود. در آزمایشگاه سانتریفوژ برای جداسازی سلول ها، رسوب DNA، خالص سازی ذرات ویروس و تشخیص تفاوت های ظریف در ساختار مولکول ها استفاده می شود.

سانتریفوژها کار جداسازی دو ماده با چگالی متفاوت از هم انجام می دهند. بهتر است از آنها برای جداسازی موادی که چگالی مشابهی دارند استفاده شود یا زمانی که ذرات نامحلول در محلول وجود دارند. یک تصور غلط رایج این است که یک سانتریفوژ از نیروی گریز از مرکز استفاده می کند. در واقع، همه سانتریفوژها با استفاده از اصل ته نشینی کار می کنند.

اصل ته نشینی جایی است که شتاب روتور باعث می شود که نیروی گریز از مرکز بر روتور و لوله های سانتریفیوژ وارد شود. این امر باعث می‌شود که مواد متراکم ‌تر در لوله ‌ها در جهت شعاعی به بیرون هدایت شوند. همچنین باعث می شود که ذرات سبک تر جابجا شوند و به سمت مرکز حرکت کنند. بسیاری از ذرات می توانند در انتهای لوله های سانتریفیوژ گیر کنند، به خصوص در هنگام استفاده از سانتریفیوژ آزمایشگاهی. این ذرات معمولاً به عنوان گلوله شناخته می شوند و محلول شفاف شده به صورت مایع رویی ساخته می شود.

اگرچه احتمالاً یک سانتریفیوژ را برای چرخش با دور در دقیقه (rpm) یا سرعت چرخش تنظیم می‌کنید، اما این در واقع سرعت سانتریفیوژ است که عامل مهمی است. این به این دلیل است که دو روتور می توانند قطرهای متفاوتی داشته باشند اما سرعت دورانی یکسانی داشته باشند. اگر اینطور باشد شتاب دو روتور یکسان نخواهد بود. از آنجایی که شتاب حاصل ضرب شعاع و مربع تکانه زاویه ای است، اندازه روتور به یک عامل کمک کننده تبدیل می شود. در نتیجه نیروی گریز از مرکز نسبی (RCF) به عنوان یک واحد استاندارد استفاده می شود و بر حسب g اندازه گیری می شود.

اجزای دستگاه سانتریفیوژ

سانتریفوژها دارای موتور الکتریکی، روتور، سر روتور، منافذ تهویه هوا، شافت دستگاه، بلبرینگ، کلید روشن و خاموش کردن، تاچومتر(سرعت سنج)، زمان سنج و پنل مانیتورینگ می‌ باشند.

کاربردهای سانتریفیوژ

سانتریفیوژها را می توان برای کاربردهای متعددی استفاده کرد. برخی از کاربردهای رایج برای سانتریفیوژها در زیر ذکر شده است:

• جداسازی مخلوط ها با چگالی نزدیک
• مایعات غیر قابل اختلاط را جدا کنید
• مواد جامد معلق رسوبی
• جداسازی خون
• جداسازی ذرات نامحلول (به عنوان مثال پروتئین های نامحلول در محلول پروتئین)
• جداسازی ایزوتوپی
• محیط های شبیه سازی گرانش برای فضانوردان
• سنتز مواد در یک محیط با جاذبه بالا

سانتریفیوژهای آزمایشگاهی معمولی تمام خصوصیات نرمال ذکر شده را نشان می دهند و نوع استاندارد سانتریفوژ موجود هستند. سانتریفیوژهای معمولی سانتریفیوژهای بزرگتری هستند که در آزمایشگاه پیدا می کنید و به سانتریفیوژهای مدل کف معروف هستند. این نوع سانتریفیوژها به فضای بیشتری نسبت به سانتریفیوژهای رومیزی نیاز دارند، اما به دلیل بزرگتر بودن روتورها و لوله های سانتریفیوژ، می توانند مواد بسیار بیشتری را در خود جای دهند (لوله های سانتریفیوژ تا 500 میلی لیتر را در خود جای می دهند).

سانتریفیوژهای کف دارای عملکرد تبرید هستند و دما را می توان بین -20 درجه سانتیگراد تا +40 درجه سانتیگراد تنظیم کرد. سانتریفیوژهای معمولی به ویژه هنگام استفاده از DNA، RNA، آنتی بادی ها، ویروس ها یا پروتئین ها مفید هستند. اگر فضا یک محدودیت باشد، میکروسانتریفیوژ رومیزی یا اولتراسانتریفیوژ رومیزی مفیدتر خواهد بود. با این حال، آنها فقط مقدار کمی از مواد را نگه می دارند، بنابراین برای کاربردهایی که اندازه نمونه کوچک است، بهترین استفاده را دارند.

سانتریفیوژهای رومیزی را می توان با یخچال داخلی خریداری کرد، اما همه مدل ها دارای یخچال نیستند. در بسیاری از موارد، تبرید از نمونه در برابر تخریب حرارتی ناشی از چرخش روتور محافظت می کند، بنابراین توصیه می شود زمانی که از نمونه های حساس استفاده می شود، یک سانتریفیوژ یخچال دار خریداری کنید. به طور کلی، سانتریفیوژهای رومیزی می توانند برای کاربردهای مختلفی از جمله تحقیقات DNA، RNA و پروتئین، کشت بافت و کشت سلولی استفاده شوند.

انواع سانتریفیوژ

• ساده
• یخچال دار

طبقه بندی سانتریفیوژ ها براساس سرعت:
•    سانتریفیوژ معمولی دور پایین
•    سانتریفیوژ معمولی دور بالا
•    سانتریفیوژ یخچال دار دور بالا
•    اولترا سانتریفیوژ

سانتریفیوژهای با دور بالا، سرعت دور تند بین ۲۱۰۰۰-۲۴۰۰۰ rpm  دور در دقیقه تا حداکثر ۳۰۰۰۰ rpm می¬باشد. از این سانتریفیوژها بیشتر برای تهیه فرآورده های خونی استفاده می شود و که یخچال دار نیزهستند.

اکثر آزمایشگاه‌هایی که تحقیقات فعال انجام می‌دهند، بیش از یک نوع سانتریفیوژ خواهند داشت که هر کدام می‌توانند از انواع روتورها استفاده کنند. از سانتریفیوژهای رومیزی کوچک می توان برای گلوله کردن سلول ها یا جمع آوری رشته های DNA در طی رسوب اتانول استفاده کرد. اولتراسانتریفیوژها را می توان برای چسباندن DNA پلاسمید در یک گرادیان کلرید سزیم یا برای تمایز ساختارهای مختلف DNA در حال تکثیر در یک گرادیان ساکارز استفاده کرد.

سانتریفیوژ ساده

یکی از بهترین و ایده ال ترین انواع سانتریفیوژ های مناسب برای آزمایشگاه ها و کلینیک ها جهت انجام اقدامات پزشکی سانتریفیوژ ساده
می باشد. که دارای سرعتی برابر ۵۰۰۰ دور در دقیقه، سیستم(N-Prime)  سیستم کنترل ریز پردازنده، طراحی فشرده جهت جداسازی محلول و نمونه ها و ظرفیتی با حداکثر ۱۲ در ۱۵ میلی لیتر را دارا می باشد.

سانتریفیوژ یخچالدار (Refrigerated Centrifuge)

یکی از انواع سانتریفیوژ آزمایشگاهی که برای نمونه های حساس به دما مورداستفاده قرارمی گیرد سانتریفیوژ یخچال دار است که قادر به ثابت نگه داشتن دما می باشد. این مدل از سانتریفیوژ در ابعاد و اندازه های متنوع و ظرفیت های مختلف تولید و عرضه می شود.
دارا ی محدوده دمایی بین ۲۰ الی ۴۰ درجه سانتی گراد، که این محدوده دمایی برای انجام و آنالیز کردن پادتن، DAN، RNA، PCR مناسب می باشد.

•    دارای  سیستم خنک کننده برای محافظت و جلوگیری از تخریب نمونه
•    دارای سرعت چرخشی بالا (۳۰۰۰۰ دور در دقیقه)
•    دارای پیکر بندی روتور شناور (زاویه ثابت یا Swing)

امروزه میکرو سانتریفیوژ های یخچال دار نیز برای نمونه هایی با مقدار کم (کمتر از ۲ میلی لیتر) طراحی شده اند.

میکروسانتریفیوژ
میکروسانتریفیوژها RCF تا 30000 گرم را فراهم می کنند. آنها معمولاً با اندازه‌های نمونه کوچک 0.2-2.0 میلی‌لیتری کار می‌کنند، اما برخی از سانتریفیوژها مانند سانتریفیوژ اپندورف اجازه می‌دهند که صفحات یا لوله‌های سانتریفیوژ بزرگ‌تر به جای نمونه‌های کوچک‌تر جایگزین شوند و انعطاف‌پذیری بیشتری ایجاد کنند.

اولتراسانتریفیوژ
اولتراسانتریفیوژها سانتریفیوژهایی با سرعت بالا هستند و RCF تا 1000000 گرم (150000 RPM) دارند. اولتراسانتریفیوژها به دو دسته تقسیم می شوند: اولتراسانتریفیوژ آماده سازی و اولتراسانتریفیوژ تحلیلی. اولتراسانتریفیوژهای آماده سازی رسوب و اجزای بیولوژیکی/آلی مانند DNA، RNA، لیپوپروتئین ها، غشاها، اندامک ها و ویروس ها را جدا می کند.

اولتراسانتریفیوژهای تحلیلی نمونه ها را در زمان واقعی تشخیص می دهند. آنها می توانند تعادل و سرعت رسوب، شکل مولکول ها و جرم مولکول ها را تشخیص دهند. اولتراسانتریفیوژها همچنین در بسیاری از حوزه‌های فناوری نانو کاربرد دارند.

البته انواع دیگری از سانتریفیوژ برای کاربردهای بزرگتر و صنعتی، فضا و کاربردهای انسانی وجود دارد، اما این مقاله بر روی سانتریفیوژهای مقیاس آزمایشگاهی متمرکز شده است. سانتریفیوژهای پیوسته نیز وجود دارند که به سانتریفیوژهای کاسه ای معروف هستند، اما این سانتریفیوژها کمتر از سانتریفیوژهای آزمایشگاهی استاندارد رایج هستند.

دستگاه مینی فیوژ (ورتکس و اسپین)

بعضی مواقع در آزمایشگاه ها سانتریفیوژ با دورهای پایین موثر هستند بنابراین دستگاه مینی فیوژ یا ورتکس واسپین به منظور رسوب گیری مواد در میکروتیوب های آزمایشگاهی مورد استفاده قرار می گیرد .از دستگاه مینی فیوژ )ورتکس واسپین(عمدتا در آزمایشگاهای ژنتیک و مولکولی استفاده می شود.

انواع روتور

علاوه بر نوع سانتریفیوژ، نوع روتور نیز می تواند بر فرآیند سانتریفیوژ تأثیر بگذارد. روتورها را می توان از فلز، پلاستیک یا مواد کامپوزیت ساخت. آنها در سه دسته اصلی قرار می گیرند: روتورهای سطل چرخشی، روتورهای درام و روتورهای با زاویه ثابت.

در روتورهای سطل چرخشی، نمونه ها در لوله های سانتریفیوژ قرار می گیرند و در سطل های جداگانه بارگذاری می شوند. این سطل ها در حالت استراحت به صورت عمودی آویزان می شوند، اما هنگامی که سانتریفیوژ در حال کار است، به حالت افقی حرکت می کنند. آنها را می توان در سانتریفیوژهای کوچکتر تا 6000 گرم استفاده کرد. آنها امکان جداسازی آسان فازها، جداسازی ذرات مجزا و حل گرادیان های چگالی را فراهم می کنند. با این حال، آنها در گندله سازی ناکارآمد هستند.

روتورهای درام روتورهای تخصصی برای کاربردهای گریز از مرکز بالا هستند. نمونه ها در یک کاست نگهداری می شوند و به صورت عمودی در روتور قرار می گیرند. نمونه ها از حالت عمودی حرکت نمی کنند. فرآیند ته نشینی شبیه روتورهای سطل چرخشی است اما با سرعت های بیشتر. آنها کارایی بسیار خوبی برای جداسازی چگالی دارند اما این روتور برای کاربردهای پلت کردن مناسب نیست.

روتورهای زاویه ثابت رایج ترین نوع موجود در آزمایشگاه ها هستند و می توانند بیش از 60000 گرم را تحمل کنند. لوله های سانتریفیوژ در یک زاویه ثابت در روتور نگه داشته می شوند و محلول در طی فرآیند سانتریفیوژ مجددا جهت گیری می کند. آنها به ویژه برای کاربردهای پلت کردن و جداسازی چگالی مفید هستند. مقدار موادی که می‌توان با روتور با زاویه ثابت سانتریفیوژ کرد، متغیرتر است و در مقایسه با هر نوع روتور دیگری می‌توان از حجم‌های بالاتر استفاده کرد.

بیشتر بخوانید:

• دستگاه ها و تجهیزات آزمایشگاه ژنتیک مولکولی