將樣品放入離心機轉(zhuǎn)頭的離心管內(nèi),離心機驅(qū)動時,樣品液就隨離心管做勻速圓周運動,于是就產(chǎn)生了一個向外的離心力。由于不同顆粒的質(zhì)量、密度、大小及形狀等彼此各不相同,在同一固定大小的離心場中沉降速度也就不相同,由此便可以得到相互間的分離。

顆粒在介質(zhì)中發(fā)生沉降或漂浮,沉降的速度與顆粒的大小、形狀和作用在顆粒上力的大小和方向有關(guān),顆粒在離心運動中受到離心力、重力、浮力、摩擦力的共同作用,在離心力場中,無論發(fā)生沉降或者漂浮,離心力的方向與浮力的方向始終相反。當離心力加大時,反向的浮力與摩擦力增大,離心力與反向力達到平衡時,顆粒的沉降(或漂浮)加速度為零,直到各組分達到分離目的。

1.離心力 溶液中的顆粒在做圓周運動時受到一個向外的離心力。離心力(Fc)的大小等于離心加速度ω2 X與顆粒質(zhì)量m的乘積。即

F C=mG=mω2 X=m(2πn/60)2 X

式中:Fc為離心力;m為沉降顆粒的有效質(zhì)量;G為離心加速度;ω為粒子旋轉(zhuǎn)的角速度(rad/s);X為離心半徑(cm),即轉(zhuǎn)子中心軸到沉降顆粒之間的距離;n為轉(zhuǎn)子每分鐘轉(zhuǎn)速(r/ min)。

顯然,離心力隨轉(zhuǎn)速和顆粒質(zhì)量的提高而加大,隨離心半徑的減小而降低。

2.相對離心力 由于各種離心機轉(zhuǎn)子的半徑或離心管到轉(zhuǎn)軸中心的距離不同,相同離心速度產(chǎn)生的離心力也不同。目前離心力通常以相對離心力RCF表示,即離心力Fc的大小相當于地球引力(G)的倍數(shù),只要RCF不變,一個標本可以在不同的離心機上獲得相同的結(jié)果。其計算公式如下

式中,g為重力加速度(980cm/s2)。由上述公式得知,相對離心力與轉(zhuǎn)速平方和旋轉(zhuǎn)半徑的乘積成正比。

3.沉降速度 指在離心力場作用下,單位時間內(nèi)物質(zhì)運動的距離。計算公式如下

式中:v為沉降速度;d x為粒子移動距離;d t為粒子移動時間;d為球形顆粒的直徑;ρ為粒子密度;ρ0為介質(zhì)密度;η為流體介質(zhì)黏度。從式中可以看出,影響沉降速度的主要因素是顆粒的大小、形狀,顆粒與懸浮介質(zhì)密度差,介質(zhì)的黏度及離心加速度,在確定條件下,沉降速度主要取決于離心機的轉(zhuǎn)速。

4.沉降系數(shù) 表示單位離心力場下的沉降速度,即通過單位離心力場所需的時間。它以sevedberg單位計算,1S=10-13 s。

從式中得知,顆粒的沉降系數(shù)與顆粒的大小、形狀、密度及介質(zhì)的密度、黏度有關(guān)。當ρ> ρ0時,顆粒順著離心方向沉降;當ρ=ρ0時,顆粒到達某一位置時達到平衡;當ρ<ρ0時,顆粒逆離心方向上浮。

近年來,在生物化學、分子生物學及生物工程研究中,對于某些大分子化合物,當它們的詳細結(jié)構(gòu)和分子量不很清楚時,常用沉降系數(shù)描述它們的大小。如r RNA有30S亞基和50S亞基,現(xiàn)在更多用于生物大分子的分類,特別是核酸。

5.沉降時間 將某一種溶質(zhì)從溶液中全部沉降分離出來所需的時間。如果已知離心轉(zhuǎn)速,則需計算沉降時間來確定某粒子所需的時間。

式中:T s為粒子沉降時間;S為沉降系數(shù);X 2為轉(zhuǎn)軸中心到離心管底內(nèi)壁的距離;X 1為轉(zhuǎn)軸中心到離心管標本管標本液凹液面之間的距離。