Principio de funcionamiento y ejemplos de aplicación de la centrífuga.

Introducción: Centrífuga: la "mano separadora" invisible"

Las centrífugas de laboratorio son equipos indispensables en biología, química, medicina y otros campos. Separan rápidamente componentes con diferentes densidades en líquidos mediante la fuerza centrífuga generada por la rotación de alta velocidad. Ya sea para la estratificación de la sangre, la extracción de orgánulos celulares o la purificación de nanomateriales, las centrífugas desempeñan un papel clave. Este artículo analizará su principio de funcionamiento y escenarios de aplicación típicos mediante una combinación de gráficos y texto.

Principio de funcionamiento de las centrífugas: ¿Cómo fuerza la centrífuga las sustancias "en capas"?

1. La naturaleza de la fuerza centrífuga

La fuerza centrífuga es una fuerza de inercia que genera una "fuerza virtual" que aleja el objeto del centro de rotación mientras gira alrededor de su eje. La fórmula es:

F = metro × ω² × r
(m: masa del objeto; ω: velocidad angular; r: radio de rotación)

2. Flujo de trabajo

1. Cargue la muestra en un tubo de centrífuga y colóquela simétricamente en el rotor (asegure el equilibrio);
2. Establezca la velocidad (RPM) y el tiempo para iniciar la centrifugación;
3. Bajo rotación a alta velocidad, los componentes más densos se sedimentan hacia afuera para formar precipitados; los más densos quedan en la capa superior;
4. Después de detenerse, el líquido se estratifica según un gradiente de densidad y puede absorberse capa por capa.

• Rotor: El componente central que lleva el tubo centrífugo (rotor angular/rotor horizontal);
• motor de accionamiento: proporciona potencia rotativa;
• Sistema de refrigeración (opcional): evita que las muestras se sobrecalienten;
• sistema de control: Ajustar velocidad, tiempo y temperatura.

Clasificación y parámetros básicos de las centrífugas.

1. Clasificación por velocidad

2. Análisis de parámetros clave

Fuerza centrífuga relativa (RCF): Un indicador de la eficiencia de separación real, fórmula.:

FCR = 1,118 × 10⁻⁵ × r × (RPM)²
(r: radio de rotación, unidad de centímetro)

Rango de control de temperatura: -20 ℃ a 40 ℃ para proteger muestras sensibles al calor;
Capacidad del rotor: Desde una pequeña cantidad de 0,2mL hasta una gran cantidad de 1L, se puede adaptar a diferentes necesidades.

Ejemplos de aplicaciones clásicas

Ejemplo 1: estratificación de la sangre (pruebas médicas)

Objetivo: Aislar plasma, glóbulos blancos y glóbulos rojos.

1. Recoger muestras de sangre entera y añadir anticoagulante;
2. Centrifugar a 3000 RPM durante 10 minutos;
3. Resultados estratificados (de arriba a abajo): plasma (55%), leucocitos/plaquetas (<1%), glóbulos rojos (45%).

Ejemplo 2: Aislamiento de orgánulos (investigación biológica)

Meta: Extraer mitocondrias o núcleos celulares.

1. Después de la lisis celular, el homogeneizado se centrifugó a baja velocidad (1000 RPM) para eliminar las células intactas;
2. El sobrenadante se centrifugó a 10.000 RPM para precipitar las mitocondrias;
3. El sobrenadante final se ultracentrifugó (100.000 RPM) para obtener microsomas.

Llave: La pureza se mejora mediante centrifugación en gradiente (p. ej., gradiente de densidad de sacarosa).

Ejemplo 3: extracción de ADN (biología molecular)

Objetivo: Aislar y purificar el ADN de las células.

1. Lisar células para liberar ADN;
2. Añadir tampón de unión y centrifugar a alta velocidad para adsorber el ADN en la membrana de gel de sílice;
3. Lavado para eliminar impurezas;
4. El ADN se eluyó mediante centrifugación a baja velocidad.

Proceso de purificación centrífuga de ADN.

Ejemplo 4: Purificación de nanomateriales (Ciencia de Materiales)

Objetivo: Separar nanopartículas de oro de diferentes tamaños de partícula.

1. La mezcla sintetizada se centrifuga a velocidad de gradiente.:
2. 5000 RPM elimina agregados de partículas grandes;
3. Recoger el tamaño de partícula objetivo (por ejemplo, 20 nm) a 15.000 RPM;
4. 20.000 RPM capturan partículas más pequeñas (5 nm).

La microscopía electrónica de transmisión (TEM) verificó la distribución del tamaño de las partículas.

Precauciones operativas

• Equilibrio y simetría: Los tubos de centrífuga deben colocarse simétricamente, con una diferencia de calidad de ≤0,1 g para evitar accidentes causados ​​por el desequilibrio del rotor;
• Límite de velocidad: Está estrictamente prohibido exceder la velocidad nominal del rotor;
• Bioseguridad: Las muestras de patógenos requieren el uso de rotores sellados o centrífugas de bioseguridad;
• Mantenimiento: Limpie periódicamente la corrosión del rotor y compruebe el envejecimiento de los anillos de sellado.

Perspectivas de futuro: inteligencia y miniaturización

• Centrífuga inteligente: Los sensores incorporados monitorean la fuerza centrífuga y la temperatura en tiempo real y ajustan automáticamente los parámetros;
• Centrífuga de mano: Microdispositivo alimentado por USB para satisfacer las necesidades de pruebas rápidas in situ;
• diseño verde: Los rotores silenciosos y de baja energía se han convertido en algo común.

Las centrífugas logran una separación eficiente de sistemas mixtos complejos mediante principios físicos simples. Desde el diagnóstico médico hasta la investigación científica de vanguardia, continúa ampliando los límites del desarrollo científico. Comprender sus principios y estandarizar las operaciones son habilidades esenciales para todo experimentador.