Nguyên lý làm việc và ví dụ ứng dụng của máy ly tâm

Giới thiệu: Máy ly tâm - “bàn tay chia cắt” vô hình"

Máy ly tâm trong phòng thí nghiệm là thiết bị không thể thiếu trong sinh học, hóa học, y học và các lĩnh vực khác. Chúng nhanh chóng tách các thành phần có mật độ khác nhau trong chất lỏng thông qua lực ly tâm được tạo ra bởi chuyển động quay tốc độ cao. Cho dù đó là phân tầng máu, chiết xuất cơ quan tế bào hay tinh chế vật liệu nano, máy ly tâm đều đóng một vai trò quan trọng. Bài viết này sẽ phân tích nguyên lý hoạt động của nó và các kịch bản ứng dụng điển hình thông qua sự kết hợp giữa đồ họa và văn bản.

Nguyên lý hoạt động của máy ly tâm: Lực ly tâm “tạo lớp” chất như thế nào?

1. Bản chất của lực ly tâm

Lực ly tâm là lực quán tính tạo ra một "lực ảo" đẩy vật ra khỏi tâm quay khi nó quay quanh trục của nó. Công thức là:

F = m × ω² × r
(m: khối lượng vật; ω: vận tốc góc; r: bán kính quay)

2. Quy trình làm việc

1. Nạp mẫu vào ống ly tâm và đặt đối xứng vào rôto (đảm bảo cân bằng);
2. Đặt tốc độ (RPM) và thời gian bắt đầu ly tâm;
3. Khi quay ở tốc độ cao, các thành phần đậm đặc hơn sẽ lắng ra ngoài tạo thành kết tủa; những cái dày đặc hơn vẫn ở lớp trên;
4. Sau khi dừng, chất lỏng được phân lớp theo gradient mật độ và có thể được hấp thụ từng lớp.

• Cánh quạt: Thành phần lõi mang ống ly tâm (rotor góc/rotor ngang);
• Động cơ truyền động: cung cấp năng lượng quay;
• Hệ thống lạnh (tùy chọn): ngăn ngừa mẫu quá nóng;
• Hệ thống điều khiển: Điều chỉnh tốc độ, thời gian và nhiệt độ.

Phân loại và các thông số cốt lõi của máy ly tâm

1. Phân loại theo tốc độ

2. Phân tích các thông số chính

Lực ly tâm tương đối (RCF): Một chỉ số về hiệu quả tách thực tế, công thức:

RCF = 1,118 × 10⁻⁵ × r × (RPM)²
(r: bán kính quay, đơn vị centimet)

Phạm vi kiểm soát nhiệt độ: -20oC đến 40oC để bảo vệ các mẫu nhạy cảm với nhiệt;
Công suất rôto: Từ lượng nhỏ 0,2mL đến lượng lớn 1L, nó có thể được điều chỉnh cho phù hợp với các nhu cầu khác nhau.

Ví dụ ứng dụng cổ điển

Ví dụ 1: Phân tầng máu (xét nghiệm y tế)

Khách quan: Cô lập huyết tương, bạch cầu và hồng cầu.

1. Thu thập mẫu máu toàn phần và thêm chất chống đông máu;
2. Ly tâm ở tốc độ 3000 vòng/phút trong 10 phút;
3. Kết quả phân tầng (từ trên xuống dưới): huyết tương (55%), bạch cầu/tiểu cầu (<1%), hồng cầu (45%).

Ví dụ 2: Phân lập bào quan (nghiên cứu sinh học)

Mục tiêu: Chiết xuất ty thể hoặc nhân tế bào.

1. Sau khi ly giải tế bào, chất đồng nhất được ly tâm ở tốc độ thấp (1000 vòng/phút) để loại bỏ các tế bào không bị gián đoạn;
2. Chất nổi phía trên được ly tâm ở tốc độ 10.000 vòng/phút để kết tủa ty thể;
3. Chất nổi phía trên cuối cùng được siêu ly tâm (100.000 vòng/phút) để thu được microsome.

Chìa khóa: Độ tinh khiết được cải thiện bằng cách ly tâm gradient (ví dụ, gradient mật độ sucrose).

Ví dụ 3: Tách chiết DNA (sinh học phân tử)

Khách quan: Phân lập và tinh sạch DNA từ tế bào.

1. Ly giải tế bào để giải phóng DNA;
2. Thêm đệm liên kết và ly tâm ở tốc độ cao để hấp phụ DNA vào màng silica gel;
3. Rửa để loại bỏ tạp chất;
4. DNA được rửa giải bằng cách ly tâm tốc độ thấp.

Quá trình tinh chế ly tâm DNA

Ví dụ 4: Tinh chế vật liệu nano (Khoa học vật liệu)

Khách quan: Để tách các hạt nano vàng có kích thước hạt khác nhau.

1. Hỗn hợp tổng hợp được ly tâm ở tốc độ gradient:
2. Tốc độ 5000 vòng/phút loại bỏ các tập hợp hạt lớn;
3. Thu thập kích thước hạt mục tiêu (ví dụ: 20nm) ở tốc độ 15.000 vòng/phút;
4. 20.000 vòng/phút thu được các hạt nhỏ hơn (5nm).

Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) đã xác minh sự phân bố kích thước hạt.

Phòng ngừa hoạt động

• Cân bằng và đối xứng: Các ống ly tâm cần được đặt đối xứng, chênh lệch chất lượng ≤0,1g để tránh tai nạn do mất cân bằng rôto;
• Giới hạn tốc độ: Nghiêm cấm vượt quá tốc độ định mức của rôto;
• An toàn sinh học: Các mẫu mầm bệnh yêu cầu sử dụng rôto kín hoặc máy ly tâm an toàn sinh học;
• BẢO TRÌ: Thường xuyên làm sạch rôto bị ăn mòn và kiểm tra độ lão hóa của vòng đệm.

Triển vọng tương lai: trí thông minh và sự thu nhỏ

• Máy ly tâm thông minh: Cảm biến tích hợp theo dõi lực ly tâm và nhiệt độ theo thời gian thực và tự động điều chỉnh các thông số;
• Máy ly tâm cầm tay: Thiết bị micro hỗ trợ USB đáp ứng nhu cầu kiểm tra nhanh tại chỗ;
• Thiết kế xanh: Rôto có độ ồn thấp, năng lượng thấp đã trở thành xu hướng chủ đạo.

Máy ly tâm đạt được sự phân tách hiệu quả các hệ thống hỗn hợp phức tạp thông qua các nguyên tắc vật lý đơn giản. Từ chẩn đoán y tế đến nghiên cứu khoa học tiên tiến, nó tiếp tục vượt qua các ranh giới phát triển khoa học. Hiểu nguyên tắc của nó và tiêu chuẩn hóa các hoạt động là những kỹ năng cần thiết cho mọi người thử nghiệm.