سانتریفیوژ چیست؟

سانتریفیوژ چیست و چه کاربردهایی دارد؟

سانتریفیوژ‌ (centrifuge) وسیله‌ای است که «نیروی گریزازمرکز پایدار» را اعمال می‌کند. این نیرو ناشی از چرخش است. ما در ادامه می‌خواهیم به این موضوعات بپردازیم که دستگاه سانتریفیوژ چیست؟ کاربرد سانتریفیوژ به چه صورت است؟

سانتریفیوژ چیست؟

الکساندر پرانتل (alexander Prandtl) اولین سانتریفیوژ را در سال 1875 برای جداسازی خامه از شیر ابداع کرد. از آن زمان سانتریفیوژ آزمایشگاهی به یکی از ابزارهای حیاتی در کاربردهای مختلف علمی و بالینی تبدیل شده‌است.
سانتریفیوژ آزمایشگاهی دستگاهی است که برای جداسازی اجزای یک مخلوط مایع استفاده می‌شود. جداسازی از طریق چرخاندن کانتینر (container) حاوی مواد با سرعت بسیار بالا به دست می‌آید. نیروهای ایجاد‌شده باعث می‌شوند که مواد سنگین‌تر به ته ظرف بروند.
سانتریفیوژ دستگاهی است که برای جداسازی اجزای مخلوط به کمک نیروی گریزازمرکز استفاده می‌شود. نمونه در این دستگاه با چرخش سریع (معمولا از ۲۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ دور بر دقیقه) حول یک محور ثابت به حالت افقی و یا در زوایای مختلف درآمده و نیروی گریزازمرکز بر آن اعمال می‌شود.
سانتریفیوژ از تجهیزات عمومی آزمایشگاهی است که در انواع معمولی و یخچال‌دار در بازار وجود دارد. یکی از رایج‌ترین کاربردهای این دستگاه در آزمایشگاه‌های پزشکی و برای جداسازی اجزای خون از یکدیگر است.

انواع سانتریفیوژ

• سانتریفیوژ رومیزی
• میکروسانتریفیوژ
• سانتریفیوژ ایستاده
• ظرفیت بزرگ
• “STAT”
• خنک‌کننده
• پرسرعت
• اولتراسانتریفیوژ (Ultracentrifuge)

اجزای سانتریفیوژ

سانتریفیوژ آزمایشگاهی، دستگاهی است که از نیروی گریزازمرکز ایجادشده توسط مکانیزم چرخشی روتورها (Rotors) برای جداسازی مواد با اندازه‌‌ی ذرات مختلف در یک محلول یا سوسپانسیون استفاده می‌کند. به‌طور معمول در مواد دارویی، مواد غذایی، حفاظت از محیط‌زیست و آزمایشات شیمیایی استفاده می‌شود.
کل دستگاه دارای ظاهری زیبا، طراحی ارگونومیک (ergonomic)، کنترل سرعت، کنترل دما و سایر قابلیت‌های کاربرپسند است که تکنیک جداسازی را آسان‌تر می‌کند.
یک دستگاه سانترفیوژ آزمایشگاهی پایه باید دارای ویژگی‌های زیر در ساخت آن باشد:
• رک (Rack) اصلی: این یک قاب است که از یک بدنه، درب و یک ظرف در داخل تشکیل شده‌است. کل جعبه از فولاد و مخزن داخلی از فولاد ضدزنگ ساخته می‌شود.
• بازوهای چرخان (Rotating Arms): روتورها به چند روتور زاویه‌ای و افقی تقسیم می‌شوند. جداسازی با سرعت بالا انجام می‌شود. مقاومت در روتورهای افقی بزرگ‌تر از مقاومت در روتور زاویه‌ای است.
• “Driving System”: سیستم محرک توسط یک موتور، محور محرک و مکانیزمی برای تعدیل آن اجرا می‌شود. موتور با فرکانس “AC” کار می‌کند و یک محور محرک مهروموم‌شده و روغن‌کاری‌شده را می‌چرخاند و نیروها و ارتعاشات و صداهای حاصل توسط سیستم تعدیل جذب می‌شود.
• سیستم کنترل: یک سیستم کنترل از طریق یک میکروکامپیوتر با یک صفحه‌ی لمسی و یک صفحه‌ی نمایش دیجیتال به ‌دست می‌آید. از این واحد کنترل می‌توان برای تنظیم سرعت چرخش و نیروی گریزازمرکز استفاده کرد.
• سیستم خنک‌کننده: سیستم خنک‌کننده، از یک واحد کمپرسور (Compressor) به‌طور کامل مهروموم‌شده استفاده می‌کند که دارای مدارهایی برای کنترل تبرید و گرمایش است.
• سیستم حفاظتی-امنیتی: این یک سیستم ایمنی است که دارای یک محافظ جریان اصلی، حفاظت از دمای بالا، حفاظت از سرعت بالا، حفاظت از تعادل و محافظ درب است.

اصول کار با دستگاه سانتریفیوژ

یک سانتریفیوژ آزمایشگاهی توسط یک موتور الکتریکی هدایت می‌شود که سوسپانسیون‌های مایع را با سرعت بالا می‌چرخاند. نیروی گریزازمرکز سبب می‌شود که ذرات سنگین‌تر به قسمت‌های بیرونی‌ لوله‌ی نمونه حرکت کنند و ذرات سبک‌تر به مرکز نزدیک‌تر شوند. سانتریفیوژهای آزمایشگاهی براساس اصل ته‌نشینی کار می‌کنند که در آن نیروی گریزازمرکز برای جداسازی مواد سنگین‌تر و چگالی کمتر استفاده می‌شود.
در هر محلول داده‌شده، ذرات سبک‌تر به‌سمت بالا شناور می‌شوند. اگر اختلاف چگالی به‌طور قابل‌توجهی بیشتر باشد، ذرات سریع‌تر حرکت می‌کنند و اگر تفاوتی نداشته باشند، ثابت می‌مانند. اگر نیروی گریزازمرکز بسیار قوی‌تری از نیروی گرانشی معمول اعمال کنیم، می‌توانیم حتی از تفاوت‌های کوچک در چگالی بهره ببریم تا ذرات مختلف را در یک محلول جدا کنیم.

کاربرد سانتریفیوژ

• جداسازی مخلوط‌ها با چگالی نزدیک
• جداسازی مایعات غیرقابل اختلاط
• جداسازی مواد جامد معلق رسوبی
• استخراج سلول‌های خونی
• استخراج پروتئین
• جداسازی ایزوتوپ
• محیط‌های شبیه‌سازی گرانش برای فضانوردان
• استخراج “DNA”
• استخراج DNA پلاسمید (به‌طور معمول باکتری یا مخمر)
• سنتز مواد در یک محیط با جاذبه‌ی بالا
• عملکرد چرخش ماشین لباس‌شویی

نحوه کار با سانتریفیوژ

آماده‌سازی و بارگیری (Loading) نمونه‌ها
قبل از استفاده، بطری‌ها و لوله‌های سانتریفیوژ را از لحاظ «وجود ترک» بررسی کنید. از آنجا که یک سانتریفیوژ با سرعت بالا می‌چرخد، اگر به‌درستی، نمونه‌ی مایع در آن قرار نگیرد، به‌راحتی می‌تواند تبدیل به آئروسل (aerosol) شود. ممکن است لوله‌های ترک‌خورده در سرعت‌های بالا بشکنند یا حداقل باعث نشت مایع به روتورها شوند.
لوله‌های شکسته یا ترک‌خورده را دور بریزید تا در آینده به‌طور تصادفی از آن‌ها استفاده نکنید.
بطری‌ها و لوله‌های سانتریفیوژ را از لحاظ «وجود ترک» بررسی کنید.

بستن درب لوله‌ها با پوشش مناسب
لوله‌هایی که برای کار با سانتریفیوژ مشخص می‌شوند، دارای درپوش یا درهای مناسبی هستند که لوله را مهروموم می‌کند. استفاده از درپوش یا پوشش متفاوت مانند فویل (Foil) می‌تواند منجر به ریخته‌شدن نمونه در داخل سانتریفیوژ شود. اگر از نمونه، آئروسل ایجاد شود، می‌تواند برای سلامتی و محیط‌زیست خطرناک باشد؛ همچنین می‌تواند منجر به ازدست‌دادن نمونه‌های گران‌بها شود.
درب لوله‌ها را با پوشش مناسب ببندید.

استفاده از ماده‌ی ضدعفونی‌کننده، قبل از قراردادن لوله در سانتریفیوژ
اگر با مواد زیستی خطرناک کار می‌کنید، پاک‌کردن لوله بسیار مهم است. بهترین راه پیشگیری برای هرگونه نشت احتمالی یا تشکیل آئروسل، این است که نمونه را قبل از شروع سانتریفیوژ با یک ضدعفونی‌کننده‌ی مناسب پاک کنید.
قبل از قراردادن لوله در سانتریفیوژ قسمت بیرونی آن را با ماده‌ی ضدعفونی‌کننده پاک کنید.

برچسب‌گذاری لوله‌ها برای شناسایی
ممکن است بدانید که چگونه لوله‌های خود را قبل از شروع چرخش در سانتریفیوژ قرار داده‌اید؛ اما در پایان چرخش نتوانید لوله‌ها را از هم تفکیک کنید. مطمئن شوید که روی هر لوله برچسب گذاشته‌اید تا بتوانید لوله‌ها را از هم تشخیص دهید.
لوله‌ها را برای شناسایی برچسب‌گذاری کنید.

ایجاد تعادل برای لوله‌های قرارداده‌شده در سانتریفیوژ
در سرعت‌های بالا اگر جرم‌های برابر، مقابل یکدیگر در روتور وجود نداشته باشد، یک سانتریفیوژ به‌راحتی می‌تواند «نامتعادل» شود. به یاد داشته باشید که جرم‌ لوله‌ها (نه حجم) را متعادل کنید.
• لوله‌های نامتعادل می‌تواند منجر به آسیب دائمی سانتریفیوژ شود. اگر روتور از بقیه‌ی سانتریفیوژ جدا شود، ممکن است خطرناک باشد.
• تعادل در سرعت‌های بالای سانتریفیوژ بسیار مهم است.
• بسیاری از سانتریفیوژها در صورت احساس «بار نامتعادل» به‌طور خودکار خاموش می‌شوند؛ اما سانتریفیوژهای قدیمی ممکن است این ویژگی را نداشته باشند. اگر سانتریفیوژ دچار تکان یا لرزش شد، تعادل آن از بین رفته‌است و باید به‌سرعت آن را متوقف کنید.
برای لوله‌هایی که می‌خواهید در سانتریفیوژ قرار دهید، تعادل ایجاد کنید.

قراردادن لوله‌ها در مقابل یکدیگر در سانتریفیوژ
اگر فقط 1 نمونه را سانتریفیوژ می‌کنید، باید یک لوله‌ی تعادل درست کنید تا درست در مقابل لوله‌ی نمونه بارگذاری شود.
اگر بیش از 2 لوله را سانتریفیوژ می‌کنید، فقط لوله‌هایی که به‌طور مستقیم روبه‌روی یک‌دیگر هستند، باید از نظر جرم برابر باشند.
لوله‌ها را در مقابل یکدیگر در قرار دهید.

واردکردن سرعت سانتریفیوژ
سرعت سانتریفیوژ اغلب برحسب چرخش در دقیقه (RPM) یا چند بار چرخش کامل روتور در یک دقیقه وارد می‌شود. سرعت را نیز می‌توان برحسب نیروی گریزازمرکز نسبی (RCF) یا نیروی “G” نیز وارد کرد. سانتریفیوژهای امروزی دیجیتال هستند و تنظیماتی برای هر دو دارند.
سرعت سانتریفیوژ را وارد کنید.

بازکردن درب، بعد از توقف کامل روتور
بسیاری از سانتریفیوژهای مدرن دارای یک قفل هستند و تا زمانی که روتور متوقف نشود، قفل آن باز نمی‌شود. سانتریفیوژهای قدیمی ممکن است این ویژگی را نداشته باشند؛ بنابراین قبل از بازکردن درب مطمئن شوید که روتور دیگر حرکت نمی‌کند.
فقط بعد از توقف کامل روتور، درب را باز کنید.

خروج دقیق لوله‌ها بعد از متوقف‌شدن سانتریفیوژ
به‌آرامی لوله‌ها را خارج کنید تا سوسپانسیون جداشده دوباره با هم مخلوط نشود.
بعد از این که سانتریفیوژ متوقف شد

نویسندگان: حسن مسرور،ذریحانه ارفعی
ویراستار: حدیث پرهیزگاری

منابع:

1.https://www.iqsdirectory.com/articles/centrifuge.html

2.https://www.kewlab.com/blog/post/an01

3.https://www.wikihow.com/Use-a-Centrifuge