مفهوم نیروی سانتریفوژ نسبی (RCF) و سرعت چرخشی در سانتریفوژها چیست؟

چنانچه ذرات در يك نمونه داراي جرم هاي متفاوتي باشند، مي توان براساس اختلاف جرم و تأثير نيروي ثقل آنها را از يكديگر جدا نمود. براي تسريع اين عمل از روشي بنام سانتريفوژ يا ميان گريزش استفاده مي شود. مبناي اصلي سانتريفوژ، اصل گريز از مركز است كه يكي از اصول فيزيك دوران محسوب مي شود. درحقيقت سانتريفوژ توسط نيروي گريز از مركز، ذرات سوسپانسيون را از مايع جدا مي كند.

همچنين مي تواند باعث تفكيك دو مايع با تراكم متفاوت گردد. اين مايعات مي توانند مايعات بدن باشند (مانند خون، سرم و ادرار). سانتريفوژ با ايجاد نيرويي چندين برابر نيروي جاذبه، باعث افزايش سرعت طبيعي جدايي ذرات با تراكم متفاوت مي گردد.

اساس روش

اساس سانتريفوژ، حركت دوراني حول يك محور ثابت است و افزايش قدرت نيروي سانتريفوژ بستگي به شعاع دوران و سرعت دوران دارد. اين نيرو نيروي سانتريفوژ نسبي (Relative centrifugal force) يا RCF ناميده مي شود كه براساس ضريبي از g بيان مي شود.

برای استاندارد کردن فشار وارد بر نمونه در تمام سانتریفیوژها، از واژه ی بنام RCF یا "نیروی نسبی سانتریفیوژ" استفاده می کنند، معمولا در پروتکل ها، برای سانتریفیوژ نمونه، مقدار شتاب وارده به نمونه را بجای سرعت چرخشی، مانند "دور بر دقیقه" ترجیح می دهند. تفاوت این دو مهم است، زیرا همانطور که گفتیم، دو روتور با شعاعِ متفاوت، در سرعت چرخشی یکسان، شتاب متفاوتی به نمونه اعمال می کنند.

برای مثال در دو سانتریفوژ که در یکی شعاع روتور 20 سانتیمتر و در دیگری 10 سانتیمتر است اگر در یک سرعت یکسان بچرخند مثلا 25000 درور دقیقه نیروی وارد شده به نمونه متفاوت خواهد بود.

RCF=1.118×10^-5×r×(rpm)²

In r= 10 cm      RCF=1.118×10^-5×10×(25000)² = 73750 g

In r= 20 cm      RCF=1.118×10^-5×20×(25000)² = 147500 g

بطور کلی، RCF استانداردتر از RPM است و در پروتکل های جدید از RCF برای سانتریفیوژ استفاده می شود مقايسه سانتريفوژها مي تواند براساس RCF باشد، زيرا RCF است كه توانايي تفكيك يك سانتريفوژ را به خوبي مشخص مي كند. اعمال RCF براي يك نمونه، به فاصله ثابت نمونه با مركز چرخش بستگي دارد. بعلت اينكه فاصله عمقي نمونه با قسمت سطحي آن از مركز متفاوت است، اعمال RCF نيز متفاوت خواهد بود.

در استفاده از این وسیله باید زمان سانتریفیوژ و نیروی سانتریفیوژ (relative centrifugal force) RCF به دقت مشخص و رعایت شود. برای انتخاب سانتریفیوژ بایستی RCF در نظر گرفته شود و تعداد دور در دقیقه ( rpm) اهمیت چندانی ندارد.

نحوه محاسبه

RCF(relative centrifugal force) or G-force     

RCF=1.118×10^-5×r×(rpm)²

r :  شعاع سانتریفوژ بر حسب سانتیمتر(مرکز شفت موتور تا وسط لوله)

rpm(Revolutions per minute) :  تعداد دور در دقیقه
RCF  : نیروی نسبی سانتریفیوژ  بر حسب  واحد g یا همان واحد گرانش زمین بیان می شود.
راه دیگر برای تعیین RCF استفاده از نموگرام می باشد(شکل زیر)

می توانید از لینک زیر این تبدیل واحد را انجام دهید:

http://www.hettweb.com/mobile-app

در شكل ساده، سانتريفوژ يك چرخنده فلزي است با حفره هايي كه در آن نمونه هاي موردنظر قرار داده مي شود و داراي موتوري است كه با سرعت انتخاب شده مي چرخد. سانتريفوژها به طرق مختلف تقسيم بندي مي شوند:

تقسيم بندي برحسب سرعت چرخش شامل موارد زير مي باشد:

1-        سانتريفوژهاي با دور پايين

2-        سانتريفوژهاي با دور بالا

3-        سانتريفوژهاي اولترا

در گروه اول، دور دوران بين rpm 6000-2000 (دور در دقيقه = rpm) و حداكثر rpm 8000 مي باشد. در گروه دوم، دور دوران بين rpm 24000-21000 با حداكثر rpm 30000 و در اولترا rpm 100000-75000 با حداكثر rpm 120000 مي باشد.

سانتريفوژهاي دور پايين كه در هر دو فرم يخچال دار و بدون يخچال موجود مي باشند، بيشتر جهت سانتريفوژ كردن سلولهاي خوني يا ذرات حجيم استفاده شده و براي جداسازي ذرات ريز سرعت آن كافي نمي باشد.

سانتريفوژهاي دور بالا براي بيشتر فرآورده ها استفاده مي شود و همگي يخچالدار مي باشند. دو نوع سانتريفوژ با دور بالا وجود دارد: كم ظرفيت و پرظرفيت.

سانتريفوژ كم ظرفيت مدل Discrete-Sampling مي تواند ميكروارگانيزمها، سلول ها، دبريهاي سلولي، ويروسها و ارگانهاي سلولي را جدا نمايد. سانتريفوژ پرظرفيت مدل Continuous Flow براي بدست آورد مخمر و باكتري از محيط كشت، پروتئين از نمونه ها و ويروس و باكتريوفاژ از نمونه هاي رقيق شده كاربرد دارد.

اولتراها، براي تفكيك مواد تشكيل دهنده سلولي كاربرد دارند و همگي داراي يخچال مي باشند. زيرا در دورهاي بالا اصطكاك هوا باعث گرم شدن دستگاه و درنتجيه تخريب پروتئين ها مي شود. اولتراها بطور تيپيك در مراكز تحقيقاتي استفاده مي شوند.

در تقسيم بندي ديگر، سانتريفوژها به انواع شناور، زاويه ثابت و محوري تقسيم مي گردند.

سانتريفوژهاي شناور به نام هاي ذيل نيز خوانده مي شوند، Swing out - Swing bucket/ Horizoatal head در اين نوع سانتريفوژها (سانتريفوژهاي شناور)، جايگاه قرار گرفتن نمونه ها طبق نيروي ثقل، عمود بر زمين مي باشد. اما با شروع حركت سانتريفوژ، جايگاه نمونه ابتدا از حالت عمودي زاويه پيدا كرده و سپس كاملاً شناور شده و طبق نيروي گريز از مركز به سمت خارج و به حالت افقي با سطح زمين در مي آيد، لذا به آن نوع شناور يا Swing گفته مي شود. بطور خلاصه در اين نوع سانتريفوژ، در حالت توقف وضعيت عمودي و در حالت دوران نمونه ها وضعيت افقي با سطح زمين دارند.

در اين نوع سانتريفوژ، ذرات معلق بر اثر نيروي گريز از مركز به بخش خارجي، يعني انتهاي لوله ها رانده مي شوند و رسوب به صورت يك لايه تقريباً يكنواخت در ته لوله تشكيل مي گردد. در پايان عمل، لوله هاي حاوي نمونه مجدداً به حالت عمودي درآمده، رسوب در ته لوله و محلول شفاف در بالاي آن قرار مي گيرد. مي توان با پيپت پاستور يا سمپلر، مايع فوقاني را از رسوب جدا كرد. درصورتيكه دور سانتريفوژ بالا باشد و يا زمان  دوران افزايش داده شود مي توان حتي با دكانته كردن، رسوب را از محلول فوقاني جدا كرد.

در سانتريفوژهاي زاويه ثابت كه با نام هاي Fixed angle / angle head خوانده مي شوند، لوله حاوي نمونه نسبت به محور دوران يك زاويه ثابت دارد. اين زاويه از 25 تا 45 درجه مي تواند متغير باشد. در اين نوع سانتريفوژ نيز ذرات معلق براثر نيروي گريز از مركز به سمت خارج محور دوران رانده مي شوند اما برخلاف سانتريفوژهاي شناور رسوب در جدال و بخشي از كف لوله كه در قسمت خارجي محور دوران قرار دارد، رانده مي شود. البته هر قدر اين زاويه نسبت به محور دوران كمتر باشد، رسوب بيشتر در جداره تشكيل مي گردد و اگر زاويه بيشتر باشد، رسوب بيشتر در كف تشكيل مي گردد.

شكل آئروديناميك روتور، اجازه دوران در دور بالاتر و رسوب ذرات ريزتر را مي دهد. لذا ميزان رسوب دهي اين نوع سانتريفوژ از نوع شناور بالاتر است. اگر در نوع شناور بخواهيم مانند زاويه ثابت، از دور بالاتر استفاده كنيم در اثر اصطكاك بيشتر با هوا،درجه حرارت افزايش خواهد يافت.

در سانتريفوژهاي محوري (Axial)، در اصل لوله حاوي نمونه در طول محور عمودي خود دوران مي كند (برخلاف سانتريفوژهاي معمولي كه در طول محور افقي دوران مي كنند). اين دستگاهها بطور تجاري براي مقاصد باليني در دسترس مي باشند. معمولاً در تيوب هاي سپتوم دار وكيوم شده، خون فرد نمونه گيري مي شود و سپس در جايگاه مخصوص خود به نام Axial separation module، بطور خودكار در حول محور عمودي خود شروع به دوران مي كند. يك سوزن از طريق درب لاستيكي يا همان سپتوم مي تواند داخل لوله شده و از قسمت مركزي، نمونه شفاف را برداشت كند. در اين روش ذرات معلق كه مي تواند سلولهاي خوني باشند، به قسمت محيطي لوله ها رانده مي شوند. در اين دستگاههاي تجاري براي آزمايشگاههاي باليني، كل فرآيند جداسازي در طي 70 ثانيه كامل مي گردد كه زمان مناسبي مي باشد.