چکیده
چنانچه ذرات در یک نمونه دارای جرم های متفاوتی باشند، می توان براساس اختلاف جرم و تأثیر نیروی ثقل آنها را از یکدیگر جدا نمود. برای تسریع این عمل از روشی بنام سانتریفیوژ یا میان گریزش استفاده می‌شود. مبنای اصلی سانتریفیوژ، اصل گریز از مرکز است که یکی از اصول فیزیک دوران محسوب می‌شود. درحقیقت سانتریفیوژ توسط نیروی گریز از مرکز، ذرات سوسپانسیون را از مایع جدا می‌کند. همچنین می‌تواند باعث تفکیک دو مایع با تراکم متفاوت گردد. این مایعات می توانند مایعات بدن باشند (مانند خون، سرم و ادرار). سانتریفیوژ با ایجاد نیرویی چندین برابر نیروی جاذبه، باعث افزایش سرعت طبیعی جدایی ذرات با تراکم متفاوت میگردد.
در شکل ساده، سانتریفیوژ یک چرخنده فلزی است با حفره هایی که در آن نمونه های موردنظر قرار داده می‌شود و دارای موتوری استکه با سرعت انتخاب شده میچرخد. سانتریفیوژها به طرق مختلف تقسیم بندی میشوند:
تقسیم بندی برحسب سرعت چرخش شامل موارد زیر می‌باشد:
[1]سانتریفیوژهای با دور بالا
سانتریفیوژهای با دور پایین[2]
سانتریفیوژهای اولترا[3]
در گروه اول، دور دوران بین rpm 6000-2000 (دور در دقیقه = rpm) و حداکثر rpm8000 می باشد. در گروه دوم، دور دوران بین rpm 24000-21000 با حداکثر rpm 30000 و در اولترا rpm 100000-75000 با حداکثر rpm120000 می‌باشد.
سانتریفیوژهای دور پایین که در هر دو فرم یخچال دار و بدون یخچال موجود می باشند، بیشتر جهت سانتریفیوژ کردن سلولهای خونی یا ذرات حجیم استفاده شده و برای جداسازی ذرات ریز سرعت آن کافی نمی‌باشد.
سانتریفیوژهای دور بالا برای بیشتر فرآورده ها استفاده می‌شود و همگی یخچالدار می‌باشند. دو نوع سانتریفیوژ با دور بالا وجود دارد: کم ظرفیت و پرظرفیت.
سانتریفیوژ کم ظرفیت مدل Discrete-Sampling می‌تواند میکروارگانیزمها، سلول ها، دبریهای سلولی، ویروسها و ارگانهای سلولی را جدا نماید. سانتریفیوژ پرظرفیت مدل ContinuousFlow برای بدست آورد مخمرباکتری از محیط کشت، پروتئین از نمونه ها و ویروس و باکتریوفاژ از نمونه های رقیق شده کاربرد دارد.
اولتراها، برای تفکیک مواد تشکیل‌دهنده سلولی کاربرد دارند و همگی دارای یخچال می‌باشند. زیرا در دورهای بالا اصطکاک هوا باعث گرم شدن دستگاه و درنتجیه تخریب پروتئین ها می شود. اولتراها بطور تیپیک در مراکز تحقیقاتی استفاده میشوند.
در تقسیم بندی دیگر، سانتریفیوژها به انواع شناور، زاویه ثابت و محوری تقسیم می گردند.
سانتریفیوژ های شناور به نام های ذیل نیز خوانده می شوند، Swing out - Swing bucket/ Horizoatalhead در این نوع سانتریفیوژها (سانتریفیوژهای شناور)، جایگاه قرار گرفتن نمونه ها طبق نیروی ثقل، عمود بر زمین می باشد. اما با شروع حرکت سانتریفیوژ، جایگاه نمونه ابتدا از حالت عمودی زاویه پیدا کرده و سپس کاملاً شناور شده و طبق نیروی گریز از مرکز به سمت خارج و به حالت افقی با سطح زمین در می آید، لذا به آن نوع شناور یا Swing گفته می‌شود. بطور خلاصه در این نوع سانتریفیوژ، در حالت توقف وضعیت عمودی و در حالت دوران نمونه ها وضعیت افقی با سطح زمین دارند.
در این نوع سانتریفیوژ، ذرات معلق بر اثر نیروی گریز از مرکز به بخش خارجی، یعنی انتهای لوله ها رانده میشوند و رسوب به صورت یک لایه تقریباً یکنواخت در ته لوله تشکیل می گردد. در پایان عمل، لوله های حاوی نمونه مجدداً به حالت عمودی درآمده، رسوب در ته لوله و محلول شفاف در بالای آن قرار می گیرد. می توان با پیپت پاستور یا سمپلر، مایع فوقانی را از رسوب جدا کرد. درصورتیکه دور سانتریفیوژ بالا باشد و یا زمان دوران افزایش داده شود می توان حتی با دکانته کردن، رسوب را از محلول فوقانی جدا کرد.
در سانتریفیوژهای زاویه ثابت که با نام های Fixed angle / angle headخوانده می شوند، لوله حاوی نمونه نسبت به محور دوران یک زاویه ثابت دارد. این زاویه از 25 تا 45 درجه می‌تواند متغیر باشد. در این نوع سانتریفیوژ نیز ذرات معلق براثر نیروی گریز از مرکز به سمت خارج محور دوران رانده میشوند اما برخلاف سانتریفیوژهای شناور رسوب در جدال و بخشی از کف لوله که در قسمت خارجی محور دوران قرار دارد، رانده می‌شود. البته هر قدر این زاویه نسبت به محور دوران کمتر باشد، رسوب بیشتر در جداره تشکیل می گردد و اگر زاویه بیشتر باشد، رسوب بیشتر در کف تشکیل میگردد.
شکل آئرودینامیک روتور، اجازه دوران در دور بالاتر و رسوب ذرات ریزتر را می‌دهد. لذا میزان رسوب دهی این نوع سانتریفیوژ از نوع شناور بالاتر است. اگر در نوع شناور بخواهیم مانند زاویه ثابت، از دور بالاتر استفاده کنیم در اثر اصطکاک بیشتر با هوا،درجه حرارت افزایش خواهد یافت.
در سانتریفیوژهای محوری (Axial)، در اصل لوله حاوی نمونه در طول محور عمودی خود دوران می کند (برخلاف سانتریفیوژهای معمولی که در طول محور افقی دوران می کنند). این دستگاهها بطور تجاری برای مقاصد بالینی در دسترس می باشند. معمولاً در تیوب های سپتوم دار وکیوم شده، خون فرد نمونه گیری می‌شود و سپس در جایگاه مخصوص خود به نام Axial separation module، بطور خودکار در حول محور عمودی خود شروع به دوران می کند. یک سوزن از طریق درب لاستیکی یا همان سپتوم می‌تواند داخل لوله شده و از قسمت مرکزی، نمونه شفاف را برداشت کند. در این روش ذرات معلق که می‌تواند سلولهای خونی باشند، به قسمت محیطی لوله ها رانده میشوند. در این دستگاههای تجاری برای آزمایشگاههای بالینی، کل فرآیند جداسازی در طی 70 ثانیه کامل میگردد که زمان مناسبی می‌باشد.
اساس روش 3
اساس سانتریفیوژ، حرکت دورانی حول یک محور ثابت است و افزایش قدرت نیروی سانتریفیوژ بستگی به شعاع دوران و سرعت دوران دارد. این نیرو نیروی سانتریفیوژ نسبی (Relative centrifugal force) یا RCF نامیده می‌شود که براساس ضریبی از g بیان می‌شود.
RCF = 2 r/g
= سرعت زاویه ای (رادیان در ثانیه)
r = شعاع سانتریفیوژی (سانتی متر)
تعداد دور در دقیقه با rpm = /30 rpm
رابطه نیروی سانتریفیوژی ودور در دقیقه عبارت خواهد بود از:
مقایسه سانتریفیوژها می تواند براساسRCF باشد، زیرا RCF است که توانایی تفکیک یک سانتریفیوژ را به خوبی مشخص می‌کند. اعمال RCF برای یک نمونه، به فاصله ثابت نمونه با مرکز چرخش بستگی دارد. بعلت اینکه فاصله عمقی نمونه با قسمت سطحی آن از مرکز متفاوت است، اعمال RCF نیز متفاوت خواهد بود.
سانتریفیوژ به سه طریقه اصلی اجرا می شود:
رسوب دهی تمایزی (Differential pelleting)
سرعت منطقه ای (Rate - Zonal)
ایزوپیکریک (Isopycric)
در روش رسوب دهی تمایزی، ابتدا ذرات تقریباً بطور یکنواخت در محلول معلق هستند. با شروع سانتریفیوژ، ذرات با سرعتهای متفاوت به سمت انتهای لوله یا در جهت نیروی سانتریفیوژ حرکت می‌کنند. روش رسوب دهی تمایزی، در اصل جدسازی در محیط یکنواخت می‌باشد. می توان عمل جدسازی سانتریفیوژی را در محیط گرادیان نیز انجام داد. همانطور که اشاره شد سانتریفیوژ را به دو روش سرعت منطقه ای و ایزوپیکریک اجرا می کنند. در روش اول، جداسازی به سرعت نسبی مناطق مختلف بستگی دارد. اما روش دوم، به دانسیته ذرات شناور در محیط وابسته است. در روش های فوق، ذرات مختلف به صورت نوارهایی در طول گرادیان محیط دراثر سانتریفیوژ جدا میشوند.
بهرحال سانتریفیوژ، دستگاهی است که برای جداسازی ذرات از محلول برحسب اندازه، شکل، دانسیته و ویسکوزیته محیط مورد استفاده قرار می گیرد. در بیولوژی، این ذرات معمولاً محلول ها، ارگانل های سلولی ویروس ها، مولکولهای درشت مانند پروتئین ها و اسیدهای نوکلئیک می‌باشند.
اجزاءدستگاه
قسمتهای اصلی تشکیل دهنده یک سانتریفیوژ، موتور الکتریکی، شافت و سرروتور است. روتور که لوله های حاوی نمونه را نگهداری می‌کند با سرعت تنظیم شده توسط موتور، میچرخد.
روتور، برای جلوگیری از خطرات احتمالی ناشی از شکسته شدن یا موارد مشابه در یک محفظه قرار گرفته است. با توجه به حساسیت روتور درع ملکرد سانتریفیوژ این بخش همواره با کامپیوتر طراحی می‌شود، چرا که کوچکترین عدم تعادل مانع از رسیدن به دور موردنظر می‌شود. ازلحاظ جنس، روتورهای سانتریفهای معمولی از سیف گسترده ای از مواد ساخته میشوند (استیل، برنز یا حتی پلاستیک). هرچند امروزه سعی بر این است که از آلومینیوم یا آلیاژهای بهتر استفاده شود. روتورهای سرعت بالا، از آلیاژ آلومینیوم و تیتانیوم ساخته میشوند. در مورد اولتراسانتریفیوژ نیز همینگونه می‌باشد.
هنگام کار کردن با روتورهای آلومینیومی همواره باید مراقب آلودگی و خوردگی این روتورها بود. آلیاژهای آلومینیوم و تیتانیوم، از استحکام کافی و حداقل وزن برخوردار می‌باشند. قیمت روتورهای تیتانیوم گرانتر است ولی در عوض از تفاوت بیشتری در برابر خوردگی برخوردارند.