Princípio de funcionamento e exemplos de aplicação de centrífuga

Introdução: Centrífuga - a "mão separadora" invisível"

As centrífugas de laboratório são equipamentos indispensáveis ​​em biologia, química, medicina e outras áreas. Eles separam rapidamente componentes com diferentes densidades em líquidos por meio da força centrífuga gerada pela rotação em alta velocidade. Quer se trate de estratificação sanguínea, extração de organelas celulares ou purificação de nanomateriais, as centrífugas desempenham um papel fundamental. Este artigo analisará seu princípio de funcionamento e cenários típicos de aplicação por meio de uma combinação de gráficos e texto.

Princípio de funcionamento das centrífugas: como a força centrífuga "camada" de substâncias?

1. A natureza da força centrífuga

A força centrífuga é uma força inercial que gera uma "força virtual" que afasta o objeto do centro de rotação à medida que ele gira em torno de seu eixo. A fórmula é:

F = m × ω² × r
(m: massa do objeto; ω: velocidade angular; r: raio de rotação)

2. Fluxo de trabalho

1. Carregar a amostra em um tubo de centrífuga e colocá-la simetricamente no rotor (garantir o equilíbrio);
2. Defina a velocidade (RPM) e o tempo para iniciar a centrifugação;
3. Sob rotação em alta velocidade, os componentes mais densos se depositam para formar precipitados; os mais densos permanecem na camada superior;
4. Após a parada, o líquido é colocado em camadas de acordo com um gradiente de densidade e pode ser absorvido camada por camada.

• Rotor: O componente central que transporta o tubo de centrífuga (rotor angular/rotor horizontal);
• Motor de acionamento: fornece energia rotativa;
• Sistema de refrigeração (opcional): evita o superaquecimento das amostras;
• Sistema de controle: Ajuste velocidade, tempo e temperatura.

Classificação e parâmetros principais de centrífugas

1. Classificação por velocidade

2. Análise dos principais parâmetros

Força centrífuga relativa (RCF): Um indicador da eficiência real de separação, fórmula:

RCF = 1,118 × 10⁻⁵ × r × (RPM)²
(r: raio de rotação, unidade de centímetro)

Faixa de controle de temperatura: -20°C a 40°C para proteger amostras sensíveis ao calor;
Capacidade do rotor: Desde uma pequena quantidade de 0,2mL até uma grande quantidade de 1L, pode ser adaptado a diferentes necessidades.

Exemplos de aplicações clássicas

Exemplo 1: Estratificação sanguínea (exames médicos)

Objetivo: Isole plasma, glóbulos brancos e glóbulos vermelhos.

1. Coletar amostras de sangue total e adicionar anticoagulante;
2. Centrifugar a 3000 RPM por 10 minutos;
3. Resultados estratificados (de cima para baixo): plasma (55%), glóbulos brancos/plaquetas (<1%), glóbulos vermelhos (45%).

Exemplo 2: Isolamento de organelas (pesquisa biológica)

Meta: Extraia mitocôndrias ou núcleos celulares.

1. Após a lise celular, o homogeneizado foi centrifugado a baixa velocidade (1000 RPM) para remover células não rompidas;
2. O sobrenadante foi centrifugado a 10.000 RPM para precipitar as mitocôndrias;
3. O sobrenadante final foi ultracentrifugado (100.000 RPM) para obtenção de microssomas.

Chave: A pureza é melhorada pela centrifugação em gradiente (por exemplo, gradiente de densidade de sacarose).

Exemplo 3: Extração de DNA (biologia molecular)

Objetivo: Isolar e purificar o DNA das células.

1. Lisar células para liberar DNA;
2. Adicione tampão de ligação e centrifugue em alta velocidade para adsorver DNA à membrana de sílica gel;
3. Lavagem para retirar impurezas;
4. O DNA foi eluído por centrifugação em baixa velocidade.

Processo de purificação centrífuga de DNA

Exemplo 4: Purificação de nanomateriais (Ciência dos Materiais)

Objetivo: Para separar nanopartículas de ouro de diferentes tamanhos de partículas.

1. A mistura sintetizada é centrifugada em velocidade gradiente:
2. 5.000 RPM removem grandes agregados de partículas;
3. Colete o tamanho de partícula alvo (por exemplo, 20 nm) a 15.000 RPM;
4. 20.000 RPM captura partículas menores (5nm).

A microscopia eletrônica de transmissão (MET) verificou a distribuição do tamanho das partículas.

Precauções operacionais

• Equilíbrio e simetria: Os tubos centrífugos precisam ser colocados simetricamente, com diferença de qualidade ≤0,1g para evitar acidentes causados ​​por desequilíbrio do rotor;
• Limite de velocidade: É estritamente proibido ultrapassar a velocidade nominal do rotor;
• Biossegurança: As amostras de patógenos requerem o uso de rotores selados ou centrífugas de biossegurança;
• Manutenção: Limpe regularmente a corrosão do rotor e verifique o envelhecimento dos anéis de vedação.

Perspectivas futuras: inteligência e miniaturização

• Centrífuga inteligente: Sensores integrados monitoram a força centrífuga e a temperatura em tempo real e ajustam automaticamente os parâmetros;
• Centrífuga portátil: Microdispositivo alimentado por USB para atender às necessidades de testes rápidos no local;
• Projeto verde: Rotores de baixo ruído e baixo consumo de energia tornaram-se populares.

As centrífugas conseguem uma separação eficiente de sistemas mistos complexos através de princípios físicos simples. Do diagnóstico médico à investigação científica de ponta, continua a ultrapassar os limites do desenvolvimento científico. Compreender seus princípios e padronizar as operações são habilidades essenciais para todo experimentador.