سانتریفیوژ آزمایشگاهی به زبان ساده دستگاهی است که از آن برای چرخاندن مواد با سرعت بالا استفاده می‌شود. از این دستگاه معمولا برای جدا کردن ذرات جامد از یک مایع یا تقسیم مخلوط مایعات به اجزای مختلف آن استفاده می کنند. Centrifuge با چرخاندن مواد در سرعت های بالا (این سرعت بستگی به نوع دستگاه دارد) موجب جداسازی مواد بر اساس وزن مولکولی آنها می‌شود.
ترکیبات درون یک محلول را اگر به شکل امولسیون و یا مخلوط همگن باشد نمی‌توان آن را در مدت کوتاه بدون اعمال نیروی خاصی جدا کرد. لذا سانتریفیوژ با اعمال نیروی گریز از مرکز موجب می‌شود ترکیبات به ترتیب وزن مولکولی خود، فاز‌های جدا از هم را تشکیل دهند.
سانتریفیوژ علوم هشتم
کاربرد دستگاه سانتریفیوژ چیست؟ یکی از پرسش‌های مقطع دوره اول متوسطه پایه هشتم رشته درس علوم تجربی میباشد. یکی از متداول‌ترین و مهم‌ترین تجهیزات در آزمایشگاه‌ها، Centrifuge است. سانتریفیوژ آزمایشگاهی (Laboratory centrifuge) دستگاهی است که با استفاده از نیروی گریز از مرکز که به آن g-force نیز می‌گویند، اجزای یک ترکیب مانند خون را از یکدیگر جدا می‌کند.
نحوه‌ی کار سانتریفیوژ آزمایشگاهی نیز مانند سایر سانتریفیوژها میباشد. بدین شکل که یک روتور حول یک محور ثابت توسط یک موتور الکتریکی چرخیده می‌شود. نیروی گریز از مرکز ایجاد شده توسط این چرخش، باعث می‌شود تا مواد مختلف با توجه به چگالی‌هایشان از یکدیگر جدا شوند.
سانتریفیوژ های آزمایشگاهی دو آیتم قابل تنظیم دارند. سرعت و مدت زمان چرخش. سرعت با دو واحد RPM و RCF نمایش داده می‌شود. RPM و یا Revolutions Per Minute نشان دهنده تعداد دور‌هایی است که روتور سانتریفیوژ در یک دقیقه می‌زند. همچنین RCF و یا Relative Centrifugal Force نشان دهنده نیروی نسبی سانتریفیوژ میباشد که عموما با حرف G نیز نشان می‌دهند.
مفهوم RPM مشخص است ولی در رابطه با RCF و یا G مقدار آن بستگی به شتاب وارده به نمونه دارد و با براساس فاصله نمونه با مرکز چرخش روتور تعیین می‌شود و نسبت به RPM استاندارد‌تر است. چرا که به عنوان مثال در دو Centrifuge با شعاع‌های روتور مختلف ولی سرعت چرخش یکسان، مقدار G فرق خواهد داشت. لذا اگر میزان 20 هزار G را وارد دو سانتریفیوژ با شعاع روتور مختلف وارد کنیم، سرعت چرخش در هر یک تفاوت خواهد داشت.
نحوه محاسبات در دستگاه‌های سانتریفیوژ آزمایشگاهی
مقادیر RPM و PCF قابل تبدیل به هم می باشند و هر یک RCF برابر با (RPM2×r×10-5×1.118) میباشد که r نشان دهنده شعاع روتور به سانتی متر است. این رابطه نشان دهنده دخیل بودن فاکتور شعاع روتور بوده و به عنوان مثال اگر دو سانتریفیوژ با شعاع روتورهای 5 سانتی متر و 10 سانتی متر وجود داشته باشند و قرار باشد در مقدار 10 هزار RPM بچرخند، در سانتریفیوژ با روتور 5 سانتی متر میزان G برابر با 5.590 و در سانتریفیوژ با روتور 10 سانتی متر برابر با 11.180 خواهد بود.
انواع سانتریفیوژ از نظر تقسیم بندی
- سانتریفیوژ معمولی دور پایین
- سانتریفیوژ معمولی دور بالا
- سانتریفیوژ یخچال دار دور بالا
- اولترا سانتریفیوژ
سیستم یخچالی در سانتریفیوژ‌های دور بالا از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. چرا که با افزایش سرعت چرخش روتور، گرمای زیادی از موتور آن حاصل می‌شود که در صورت حساسیت به دما ترکیباتی که سانتریفیوژ می‌شوند، با خنک کردن محفظه آن توسط سیستم یخچالی، احتمال وارد شدن آسیب به نمونه از بین می‌رود. ترکیباتی مانند پروتئین‌ها به دما حساس بوده و در دما‌های بالا ساختار‌های یه بعدی خود را از دست می‌دهند. لذا این مسئله اهمیت وجود یخچال را نشان می‌دهد.
انواع روتورهای سانتریفیوژ آزمایشگاهی
روترهایی زاویه ثابت
روتورهای زاویه ثابت دارای قابلیت تغییر زاویه را ندارند و نمونه ها در یک زاویه‌ی ثابت قرار گرفته و در همین زاویه به گردش درمی‌آیند. این روتورها به دلیل عدم برخورداری از قطعه‌ی متحرک، در معرض تنش کمتری قرار دارند و توانایی رسیدن به سرعت‌های بالا را دارند.
زاویه‌ی قرارگیری نمونه‌ها در روتورهای آزمایشگاهی زاویه ثابت معمولا بین ۲۵ تا ۴۵ درجه است که البته اکثر روتورهای زاویه ثابت دارای زاویه‌ی ۴۵ درجه هستند. نکته‌ای که باید بدان توجه داشت آن است که هر چقدر زاویه‌ی قرارگیری نمونه‌ها در یک روتور زاویه متغییر بیشتر باشد، رسوب تشکیل شده متراکم تر خواهد بود و زوایای کوچکتر روتور باعث پراکندگی رسوبات می‌شود.
روترهای زاویه متغییر
روترهای زاویه متغییر قابلیت تغییر زاویه را دارند، بنابراین نسبت به روتورهای زاویه ثابت در تنش بیشتری قرار داشته و نیروی نسبی گریز از مرکز کمتری را ایجاد میکنند. در روتورهای زاویه متغییر آزمایشگاهی، توانایی استفاده از آداپتورهای متنوع‌تری وجود دارد و بنابراین استفاده از لوله‌های نمونه با حجم‌ها و شکل‌های مختلفی امکان‌پذیر است.
در این نوع از روتورها، لوله‌های نمونه به هنگام سکون دستگاه، به صورت عمودی قرار می‌گیرند. با چرخش سانتریفیوژ و سرعت گرفتن آن، لوله‌ها کم‌کم به صورت افقی درآمده تا در نهایت در زاویه‌ی ۱۸۰ درجه و به صورت کاملا افقی قرار می‌گیرند.
سانتریفیوژ آزمایشگاهی یخچال دار چیست؟
سیستم یخچالی (خنک کننده) در سانتریفیوژ‌های دور بالا از اهمیت ویژه ای برخوردار است. چرا که با افزایش سرعت چرخش روتور (که با کمک موتور ایجاد می شود)، گرمای زیادی از موتور آن حاصل می‌شود که در صورتی که ماده‌ای که درون دستگاه قرار داده می شود به گرما حساس باشد، ممکن است در نتیجه آزمایش تاثیر منفی داشته باشد.
برای رفع این مشکل با خنک کردن محفظه دستگاه توسط سیستم یخچالی، احتمال وارد شدن آسیب به نمونه از بین می‌رود. ترکیباتی مانند پروتئین ها به دما حساس بوده و در دما‌های بالا ساختار‌های سه بعدی خود را از دست می دهند. لذا این مسئله اهمیت وجود سانتریفیوژ یخچالدار را نشان می‌دهد.
اجزای مختلف دستگاه سانتریفیوژ آزمایشگاهی
موتور
موتور اصلی‌ترین وجه تمایز یک سانتریفیوژ آزمایشگاهی است و به صورت کلی موتور دستگاه یا ذغالی می‌باشند و یا و یا براشلس میباشد.
تفاوت اصلی به غیر از آنکه در موتورهای براشلس سرعت بالاتری را می توان از موتور دریافت نمود این میباشد که در موتورهای ذغالی پس از یک بازه زمانی مشخص به دلیل جریان برقی که در هنگام استارت دستگاه به موتور وارد می‌شود ذغال دستگاه مصرف شده و معمولاً بعد از چهار و یا پنج سال نیاز به تعویض ذغال دارند اما در موتورهای براشلس اینگونه نیست.
برد الکترونیکی
برد دستگاه قطعه الکترونیکی میباشد که به وسیله آن می‌توان مدت زمان انجام پروسه سانتریفیوژ آزمایشگاهی و همچنین تنظیم سرعت موتور و تنظیم میزان شتاب دهنده و کاهنده در زمان شروع و پایان فعالیت با دستگاه و چنین سایر برنامه‌ریزی‌های دستگاه را با آن انجام می‌دهند.
بدنه خارجی دستگاه
بدنه خارجی دستگاه سانتریفیوژ آزمایشگاهی در مدل‌های ساخت داخل عمدتاً فلزی بوده با رنگ الکترواستاتیک رنگ آمیزی شده است اما می‌تواند بسته به قالب آن از قطعات پلاستیکی و یا فایبرگلاس نیز تشکیل شده باشد.
فن دستگاه
به دلیل کارکردن موتور دستگاه انرژی گرمایشی ایجاد می‌گردد که حتماً برای خنک کردن موتور دستگاه میبایست یک فن در کنار موتور قرار بگیرد و در توالی زمانی مشخص با حرکت دمندگی سبب خنک شدن موتور دستگاه گردد.
تاکومتر دستگاه
تاکومتر وسیله‌ای میباشد که تعداد دور بر دقیقه را مشخص می‌نمایند و در ارتباط با برد دستگاه میباشد، که به وسیله آن می‌توان تعداد دور بر دقیقه یا همان RPM دستگاه را تنظیم نمود و توسط نمایشگر‌های LED که بر روی دستگاه تعبیه شده اند آن را به نمایش کاربر گذاشت.
درب دستگاه
دستگاه سانتریفیوژ به دلیل نیروی بسیار زیادی که در زمان چرخش به واسطه حرکت دورانی که دارد ایجاد می‌نماید باید دارای ایمنی بسیار زیادی باشد. یکی از موارد بسیار مهم که سبب افزایش ایمنی دستگاه میباشد در F آن است.I در قسمت اتصال درب دستگاه میبایست از اتصال دهنده‌های الکتریکی استفاده نمود تا در صورت بروز مشکل و از جا خارج شدن درب ، دستگاه به صورت اتوماتیک موتور را خاموش نماید به غیر از این موضوع میبایست جنس درب دستگاه نیز از امنیت کافی و استحکام کافی برخوردار باشد.
روتور سانتریفیوژ
به وسیله روتور می‌توان مشخص نمود که چه لوله‌هایی را در فرآیند سانتریفیوژ بتوان استفاده نمود و همانگونه که در بالا به آن اشاره کردیم روتورها دارای انواع مختلفی می‌باشند و برای لوله‌های متفاوتی نیز طراحی شده اند.
LCD
بر روی اکثر دستگاه‌ها، یک LCD گرافیکی وجود دارد که می تواند اطلاعاتی همچون سرعت و تایم تنظیم شده بر روی دستگاه،مقدار گرانش، پیغام های هشدار و … را نمایش دهد.
نکات ایمنی هنگام کار با سانتریفیوژ
- همواره توجه داشته باشید که نمونه‌ها را به صورت صحیح و متوازن در سانتریفیوژ قرار دهید،
- هنگام روشن کردن سانتریفیوژ از بسته بودن درب آن اطمینان حاصل کنید (در صورتی که دستگاه به سنسور درب مجهز نیست)،
- توصیه می‌شود دستگاه را بدون قرار دادن باگت‌ها به راه نیندازید،
- قبل از راه‌اندازی دستگاه، مایعات ریخته شده در داخل روتور را کاملا تمیز و پاک کنید،
- بعد از اتمام فرآیند حداقل ۱۰ دقیقه صبر کنید تا آئروسل‌ها ته‌نشین شوند و سپس درب دستگاه را باز نمایید،
- از سانتریفیوژ نمودن لوله های حاوی نمونه خون، ادرار، خلط و مایعات قابل اشتعال که درپوش نداشته باشند خودداری نمایید،
- در صورت شکستن و یا ترک خوردن لوله‌ی نمونه، درب دستگاه را حداقل تا ۳۰ دقیقه باز نکنید،
- چنانچه به هنگام سانتریفیوژ کردن، یکی از لوله‌ها شکست، قبل از انجام سانتریفیوژ مجدد، باگت‌ها، آداپتورها و محفظه‌ی روتور را از تکه‌های شیشه پاکسازی و تمیز کنید،
- تمام کشتها یا نمونه هایی که در آنها احتمال ایجاد آئروسل های عفونی وجود دارد باید در لوله مخصوص سانتریفیوژ ویا محفظه هایی با در کاملاً محکم سانتریفوژ شوند،
- هر لوله دارای حداکثر ظرفیت پُرکردن است، که این حداکثر مقدار معمولاً دو سوم یا ۸۰ درصد حجم کل آن است. هیچگاه لوله‌ی نمونه را بیش از حداکثر ظرفیت خود پر نکنید. با این کار اطمینان حاصل می‌شود که نمونه در هنگام سانتریفیوژ شدن، با درب لوله هیچ تماسی نداشته باشد،
- هنگام کار با دستگاه مطمئن شوید که سیستم تعادلی آن درست باشد (تراز بودن دستگاه) زیرا که روتورهای متعادل نشده هنگام چرخش ایجاد ارتعاش میکنند.
نیروی g
نیروی گرانش یا g-Force که به نیروی g نیز معروف است، به مقدار شتاب اعمال شده به نمونه درون دستگاه می‌گویند. این مقدار به عواملی همچون دور در دقیقه، شعاع روتور و نیروی گرانش زمین وابسته است. در استفاده از سانتریفیوژ، پیشنهاد می‌شود که به جای استفاده از rpm از نیروی g استفاده شود چراکه اندازه روتور ممکن است تغییر کند اما با تغییر اندازه روتور، مقدار rpm ثابت می‌ماند.
در حقیقت با استفاده از «نیروی گریز از مرکز نسبی» (Relatve Centrifuge Force) یا همان نیروی g، با تغییر اندازه روتور، مقدار RCF نیز تغییر می‌کند. روش‌های مختلفی برای تبدیل rpm به RCF یا همان نیروی g وجود دارد که یکی از این روش‌ها در زیر آورده شده است:
RCF=1.118×R×(rpm/1000)2
که در رابطه بالا، R، شعاع «روتور» (Rotor) و واحد آن سانتیمتر است.
مثال
نیروی g را برای یک میکروسانتریفیوژ با سرعت 5000 دور در دقیقه و شعاع روتور 7 سانتیمتر حساب کنید؟
شکل دیگر رابطه بالا، به صورت زیر است که در آن، S سرعت سانتریفیوژ و بر حسب دور در دقیقه است:
g=(1.118×10–5)×R×S2
میکرو سانتریفیوژها
از میکرو سانتریفیوژها در مطالعه و آزمایش در حجم‌های کوچکی از مولکول‌های بیولوژیکی و سلول‌ها استفاده می‌شود. لوله‌های میکروسانتریفیوژها معمولا در حدود 0/5-2 میلی‌لیتر از مایع را در خود جای می‌دهند و با سرعت زاویه‌ای 12 تا 13 هزار RPM می‌چرخند. میکروسانتریفیوژها اندازه کوچکی دارند که به راحتی روی یک میز قرار می‌گیرند و حتی برخی از انواع آن قابل حمل هستند. علاوه بر این، در برخی از این دستگاه‌ها، امکان «سردکردن» (Refrigeration) نیز وجود دارد.
