การหมุนเหวี่ยง: ประกอบด้วยอะไรประเภทความสำคัญตัวอย่าง - เคมี - 2025

การหมุนเหวี่ยงเป็นเทคนิควิธีการหรือขั้นตอนโดยใช้กลไกหรือทางกายภาพแยกโมเลกุลหรืออนุภาคที่มีความหนาแน่นต่างกันและยังมีอยู่ในของเหลว รากฐานที่สำคัญคือการประยุกต์ใช้แรงเหวี่ยงโดยใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่าเครื่องหมุนเหวี่ยง

โดยการหมุนเหวี่ยงส่วนประกอบของตัวอย่างของเหลวสามารถแยกและวิเคราะห์ได้ ในบรรดาส่วนประกอบเหล่านี้ ได้แก่ โมเลกุลหรืออนุภาคที่แตกต่างกัน ในฐานะที่เป็นอนุภาคการอ้างอิงจะสร้างขึ้นกับชิ้นส่วนของเซลล์ที่แตกต่างกันไปยังออร์แกเนลล์ของเซลล์แม้กระทั่งเซลล์ประเภทต่างๆและอื่น ๆ

เครื่องหมุนเหวี่ยง. ที่มา: Matt Janicki ผ่าน Flickr

Theodor Svedger ถือเป็นหนึ่งในผู้บุกเบิกชั้นนำในการวิจัยการหมุนเหวี่ยง รางวัลโนเบลในปีพ. ศ. 2469 ระบุว่าโมเลกุลหรืออนุภาคที่มีขนาดของตัวเองมีค่าสัมประสิทธิ์การตกตะกอนที่แตกต่างกัน S "S" มาจาก Svedger เพื่อเป็นเกียรติแก่ผลงานของเขา

อนุภาคจึงมีลักษณะอัตราการตกตะกอน ซึ่งหมายความว่าไม่ใช่ทุกคนที่ทำงานในลักษณะเดียวกันภายใต้การกระทำของแรงเหวี่ยงที่แสดงในรอบต่อนาที (รอบต่อนาที) หรือตามหน้าที่ของรัศมีโรเตอร์ (แรงเหวี่ยงสัมพัทธ์, g)

ปัจจัยที่กำหนด S และความเร็ว ได้แก่ ลักษณะของโมเลกุลหรืออนุภาค คุณสมบัติของสื่อ เทคนิคหรือวิธีการหมุนเหวี่ยง และประเภทของเครื่องหมุนเหวี่ยงที่ใช้ในด้านอื่น ๆ

การหมุนเหวี่ยงแบ่งตามประโยชน์ ในการเตรียมการเมื่อ จำกัด เฉพาะการแยกส่วนประกอบของตัวอย่าง และในการวิเคราะห์เมื่อพยายามวิเคราะห์โมเลกุลหรืออนุภาคที่แยกจากกัน ในทางกลับกันก็สามารถจำแนกตามเงื่อนไขของกระบวนการได้เช่นกัน

การหมุนเหวี่ยงในประเภทต่างๆมีความสำคัญต่อความก้าวหน้าของความรู้ทางวิทยาศาสตร์ ใช้ในศูนย์วิจัยเพื่ออำนวยความสะดวกในการทำความเข้าใจเกี่ยวกับกระบวนการทางชีวเคมีและชีวภาพที่ซับซ้อนและอื่น ๆ อีกมากมาย

ประกอบด้วยอะไรบ้าง? (กระบวนการ)

พื้นฐานของการหมุนเหวี่ยง

กระบวนการหมุนเหวี่ยงขึ้นอยู่กับข้อเท็จจริงที่ว่าโมเลกุลหรืออนุภาคที่ประกอบเป็นตัวอย่างในสารละลายจะหมุนเมื่อหมุนในอุปกรณ์ที่เรียกว่าเครื่องหมุนเหวี่ยง สิ่งนี้ทำให้เกิดการแยกตัวของอนุภาคออกจากสิ่งแวดล้อมที่ล้อมรอบพวกมันเมื่อพวกมันตกตะกอนด้วยความเร็วที่ต่างกัน

กระบวนการนี้เป็นไปตามทฤษฎีการตกตะกอนโดยเฉพาะ ด้วยเหตุนี้อนุภาคที่มีความหนาแน่นสูงกว่าจะตกตะกอนในขณะที่สารหรือส่วนประกอบที่เหลือของสิ่งแวดล้อมจะยังคงแขวนลอยอยู่

ทำไม? เนื่องจากโมเลกุลหรืออนุภาคมีขนาดรูปร่างมวลปริมาตรและความหนาแน่นของตัวเอง ดังนั้นไม่ใช่ทุกคนที่จัดการกับตะกอนในลักษณะเดียวกันซึ่งแปลเป็นค่าสัมประสิทธิ์การตกตะกอนที่แตกต่างกัน S; และด้วยอัตราการตกตะกอนที่แตกต่างกัน

คุณสมบัติเหล่านี้คือคุณสมบัติที่อนุญาตให้โมเลกุลหรืออนุภาคถูกแยกออกจากกันด้วยแรงเหวี่ยงด้วยความเร็วการหมุนเหวี่ยงที่กำหนด

แรงเหวี่ยง

แรงเหวี่ยงจะได้รับอิทธิพลจากปัจจัยหลายประการที่จะกำหนดการตกตะกอน ได้แก่ สิ่งที่มีอยู่ในโมเลกุลหรืออนุภาค กับลักษณะของสภาพแวดล้อมที่พบ; และปัจจัยที่เกี่ยวข้องกับเครื่องหมุนเหวี่ยงที่ดำเนินการขั้นตอนการหมุนเหวี่ยง

ในความสัมพันธ์กับโมเลกุลหรืออนุภาคมวลปริมาตรจำเพาะและปัจจัยการลอยของสิ่งเดียวกันมีอิทธิพลต่อปัจจัยในการตกตะกอน

เกี่ยวกับสภาพแวดล้อมที่ล้อมรอบมวลของตัวทำละลายที่ถูกแทนที่ความหนาแน่นของตัวกลางความต้านทานต่อการเคลื่อนที่และค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานมีความสำคัญ

เกี่ยวกับเครื่องหมุนเหวี่ยงปัจจัยที่สำคัญที่สุดที่มีผลต่อกระบวนการตกตะกอน ได้แก่ ประเภทของโรเตอร์ความเร็วเชิงมุมแรงเหวี่ยงและความเร็วของแรงเหวี่ยง

ประเภทของเครื่องหมุนเหวี่ยง

มีเครื่องหมุนเหวี่ยงหลายชนิดที่ตัวอย่างอาจต้องใช้ความเร็วในการหมุนเหวี่ยงที่แตกต่างกัน

ขึ้นอยู่กับความเร็วสูงสุดที่พวกเขาไปถึงซึ่งแสดงด้วยความเร่งแบบแรงเหวี่ยง (แรงเหวี่ยงสัมพัทธ์ g) สามารถจำแนกได้ว่าเป็นเครื่องหมุนเหวี่ยงซึ่งมีความเร็วสูงสุดประมาณ 3,000 กรัม

ในขณะที่อยู่ในสิ่งที่เรียกว่า supercentrifuges ช่วงความเร็วที่มากขึ้นสามารถเข้าถึงได้ใกล้ 25,000 ก. และในอุลตร้าเซนตริฟิวส์ความเร็วจะสูงขึ้นมากถึง 100,000 ก.

ตามเกณฑ์อื่น ๆ มีไมโครเซนตริฟิวจ์แบบตั้งโต๊ะหรือเครื่องหมุนเหวี่ยงซึ่งมีความพิเศษในการดำเนินกระบวนการหมุนเหวี่ยงที่ปริมาตรตัวอย่างขนาดเล็กโดยมีช่วง 12,000 ถึง 15,000 กรัม

มีเครื่องหมุนเหวี่ยงความจุสูงที่ช่วยให้สามารถหมุนเหวี่ยงตัวอย่างที่มีขนาดใหญ่ขึ้นและมีปริมาณตัวอย่างความเร็วสูงเช่นอุลตร้าเซนตริฟิวก์

โดยทั่วไปต้องควบคุมปัจจัยหลายประการเพื่อป้องกันโรเตอร์และตัวอย่างจากความร้อนสูงเกินไป สำหรับสิ่งนี้อัลตราเซนตริฟิวจ์ถูกสร้างขึ้นด้วยสภาวะสุญญากาศหรือการทำความเย็นแบบพิเศษและอื่น ๆ

ประเภทโรเตอร์

หนึ่งในองค์ประกอบที่กำหนดคือประเภทของโรเตอร์อุปกรณ์ที่หมุนและตำแหน่งที่วางท่อ ใบพัดมีหลายประเภท ในบรรดาตัวหลัก ได้แก่ โรเตอร์สวิงอาร์ม, โรเตอร์มุมคงที่และโรเตอร์แนวตั้ง

ในการหมุนใบพัดเมื่อวางท่อในอุปกรณ์ของโรเตอร์ประเภทนี้และเมื่อหมุนท่อจะได้รับการจัดเรียงในแนวตั้งฉากกับแกนของการหมุน

ในใบพัดมุมคงที่ตัวอย่างจะอยู่ภายในโครงสร้างที่มั่นคง ดังที่เห็นในภาพและในเครื่องหมุนเหวี่ยงจำนวนมาก

และในโรเตอร์แนวตั้งในอุลตร้าเซนตริฟิวจ์บางตัวท่อจะหมุนขนานกับแกนหมุน

ประเภทของการหมุนเหวี่ยง

ประเภทของการหมุนเหวี่ยงแตกต่างกันไปตามวัตถุประสงค์ของการใช้งานและเงื่อนไขในการดำเนินการ เงื่อนไขเหล่านี้อาจแตกต่างกันขึ้นอยู่กับประเภทของตัวอย่างและลักษณะของสิ่งที่จะแยกและ / หรือวิเคราะห์

มีเกณฑ์การจำแนกประเภทแรกโดยพิจารณาจากวัตถุประสงค์หรือวัตถุประสงค์ของการปฏิบัติงาน ได้แก่ การหมุนเหวี่ยงแบบเตรียมการและการหมุนเหวี่ยงเชิงวิเคราะห์

การหมุนเหวี่ยงแบบเตรียมการ

ได้รับชื่อนี้เมื่อใช้การหมุนเหวี่ยงเป็นหลักเพื่อแยกหรือแยกโมเลกุลอนุภาคเศษเซลล์หรือเซลล์เพื่อใช้หรือวิเคราะห์ในภายหลัง ปริมาณตัวอย่างที่ใช้โดยทั่วไปเพื่อวัตถุประสงค์นี้ค่อนข้างมาก

การหมุนเหวี่ยงเชิงวิเคราะห์

การหมุนเหวี่ยงเชิงวิเคราะห์จะดำเนินการเพื่อวัดหรือวิเคราะห์คุณสมบัติทางกายภาพเช่นค่าสัมประสิทธิ์การตกตะกอนและมวลโมเลกุลของอนุภาคที่ตกตะกอน

การหมุนเหวี่ยงตามวัตถุประสงค์นี้สามารถทำได้โดยใช้เงื่อนไขมาตรฐานที่แตกต่างกัน ดังที่เป็นกรณีตัวอย่างหนึ่งในเทคนิคการหมุนเหวี่ยงแบบวิเคราะห์พิเศษซึ่งช่วยในการวิเคราะห์โมเลกุลหรืออนุภาคที่แยกออกแม้จะเกิดการตกตะกอนก็ตาม

ในบางกรณีอาจต้องใช้หลอดหมุนเหวี่ยงควอตซ์ ดังนั้นจึงอนุญาตให้ผ่านแสงที่มองเห็นได้และแสงอัลตราไวโอเลตเนื่องจากในระหว่างกระบวนการหมุนเหวี่ยงโมเลกุลจะถูกสังเกตและวิเคราะห์ด้วยระบบแสง

มีเกณฑ์การจำแนกประเภทอื่น ๆ ขึ้นอยู่กับลักษณะหรือเงื่อนไขที่ใช้ในกระบวนการหมุนเหวี่ยง เหล่านี้ ได้แก่ : การหมุนเหวี่ยงที่แตกต่างกันการหมุนเหวี่ยงโซนหรือวงและการหมุนเหวี่ยงแบบสมดุล isopycnic หรือการตกตะกอน

การหมุนเหวี่ยงที่แตกต่างกัน

การหมุนเหวี่ยงประเภทนี้ประกอบด้วยการนำตัวอย่างไปปั่นเหวี่ยงโดยทั่วไปจะใช้โรเตอร์มุมสำหรับเวลาและความเร็วที่กำหนด

มันขึ้นอยู่กับการแยกอนุภาคเนื่องจากความแตกต่างของความเร็วในการตกตะกอนซึ่งเกี่ยวข้องโดยตรงกับขนาดของอนุภาค สิ่งที่มีขนาดใหญ่และใหญ่กว่า S ตั้งอยู่ที่ด้านล่างของท่อ ส่วนที่มีขนาดเล็กกว่าจะยังคงถูกระงับ

การแยกตะกอนที่ถูกระงับมีความสำคัญในการหมุนเหวี่ยงประเภทนี้ อนุภาคแขวนลอยต้องถูกแยกออกจากท่อเพื่อให้ตะกอนหรือเม็ดสามารถแขวนไว้ในตัวทำละลายอื่นเพื่อการทำให้บริสุทธิ์ในภายหลัง นั่นคือมันถูกหมุนอีกครั้ง

เทคนิคประเภทนี้ไม่มีประโยชน์ในการแยกโมเลกุล แต่สามารถใช้แยกเช่นออร์แกเนลล์ของเซลล์เซลล์และอนุภาคอื่น ๆ

การหมุนเหวี่ยงโซนหรือวง

การหมุนเหวี่ยงแบบโซนหรือวงจะทำการแยกส่วนประกอบของตัวอย่างโดยอาศัยความแตกต่างของ S เมื่อผ่านตัวกลางที่มีการไล่ระดับความหนาแน่นที่สร้างไว้ล่วงหน้า เช่น Ficoll หรือซูโครสเป็นต้น

ตัวอย่างวางอยู่ด้านบนของการไล่ระดับสีของหลอดทดลอง จากนั้นจะทำการหมุนเหวี่ยงด้วยความเร็วสูงและการแยกจะเกิดขึ้นในแถบต่างๆที่เรียงกันตรงกลาง (ราวกับว่าเป็นเจลาตินที่มีหลายชั้น)

อนุภาคที่มีค่า S ต่ำกว่าจะยังคงอยู่ที่จุดเริ่มต้นของตัวกลางในขณะที่อนุภาคที่มีขนาดใหญ่กว่าหรือมีค่า S สูงกว่าให้ไปที่ด้านล่างของท่อ

ด้วยขั้นตอนนี้ส่วนประกอบที่พบในแถบการตกตะกอนต่างๆสามารถแยกออกจากกันได้ สิ่งสำคัญคือต้องควบคุมเวลาให้ดีเพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้โมเลกุลหรืออนุภาคทั้งหมดของตัวอย่างตกลงที่ด้านล่างของท่อ

การหมุนเหวี่ยงแบบ Isopycnic และประเภทอื่น ๆ

- การหมุนเหวี่ยงยังมีอีกหลายประเภทเช่น isopycnic สิ่งนี้เชี่ยวชาญในการแยกโมเลกุลขนาดใหญ่แม้ว่าจะเป็นชนิดเดียวกันก็ตาม ดีเอ็นเอเข้ากันได้ดีกับโมเลกุลขนาดใหญ่ประเภทนี้เนื่องจากมีการแปรผันของลำดับและปริมาณของฐานไนโตรเจน ดังนั้นตะกอนด้วยความเร็วที่แตกต่างกัน

- นอกจากนี้ยังมีการหมุนเหวี่ยงด้วยรังสีอัลตราไวโอเลตซึ่งมีการศึกษาลักษณะการตกตะกอนของสารชีวโมเลกุลซึ่งเป็นกระบวนการที่สามารถตรวจสอบได้โดยใช้แสงอัลตราไวโอเลตเป็นต้น

มีประโยชน์ในการทำความเข้าใจโครงสร้างใต้เซลล์หรือออร์แกเนลล์ นอกจากนี้ยังช่วยให้เกิดความก้าวหน้าในอณูชีววิทยาและการพัฒนาโพลีเมอร์

การประยุกต์ใช้งาน

มีพื้นที่มากมายในชีวิตประจำวันที่ใช้การหมุนเหวี่ยงประเภทต่างๆ ใช้สำหรับบริการด้านสุขภาพในห้องปฏิบัติการวิเคราะห์ทางชีวภาพในอุตสาหกรรมยาและด้านอื่น ๆ อย่างไรก็ตามความสำคัญสามารถสรุปได้เป็นสองคำ: แยกกันและระบุลักษณะ

แยกอนุภาค

ในทางเคมีเทคนิคการหมุนเหวี่ยงที่แตกต่างกันได้พิสูจน์แล้วว่ามีความสำคัญอย่างยิ่งด้วยเหตุผลหลายประการ

ช่วยให้สามารถแยกโมเลกุลหรืออนุภาคที่เข้ากันได้สองตัว ช่วยขจัดสิ่งสกปรกสารหรืออนุภาคที่ไม่ต้องการในตัวอย่าง ตัวอย่างเช่นตัวอย่างที่คุณต้องการเก็บรักษาโปรตีนไว้เท่านั้น

ในตัวอย่างทางชีววิทยาเช่นเลือดพลาสมาสามารถแยกออกจากส่วนประกอบของเซลล์ได้โดยการหมุนเหวี่ยง สิ่งนี้มีส่วนช่วยในการทดสอบทางชีวเคมีหรือภูมิคุ้มกันในพลาสมาหรือซีรั่มประเภทต่างๆตลอดจนการศึกษาตามปกติหรือการศึกษาพิเศษ

แม้แต่การหมุนเหวี่ยงก็ช่วยให้สามารถแยกเซลล์ประเภทต่างๆออกจากกันได้ ตัวอย่างเช่นจากตัวอย่างเลือดเซลล์เม็ดเลือดแดงสามารถแยกออกจากเม็ดเลือดขาวหรือเม็ดเลือดขาวและจากเกล็ดเลือด

ยูทิลิตี้เดียวกันนี้สามารถหาได้จากการหมุนเหวี่ยงในของเหลวทางชีวภาพใด ๆ : ปัสสาวะน้ำไขสันหลังน้ำคร่ำและอื่น ๆ อีกมากมาย ด้วยวิธีนี้การวิเคราะห์ที่หลากหลายสามารถทำได้

เป็นเทคนิคการกำหนดลักษณะ

นอกจากนี้ยังทำให้สามารถศึกษาหรือวิเคราะห์ลักษณะหรือคุณสมบัติทางอุทกพลศาสตร์ของโมเลกุลหลายชนิด ส่วนใหญ่เป็นโมเลกุลที่ซับซ้อนหรือโมเลกุลขนาดใหญ่

เช่นเดียวกับโมเลกุลขนาดใหญ่หลายชนิดเช่นกรดนิวคลีอิก ทำให้ง่ายต่อการระบุรายละเอียดของชนิดย่อยของโมเลกุลเดียวกันเช่น RNA และแอปพลิเคชันอื่น ๆ อีกมากมาย

ตัวอย่างการหมุนเหวี่ยง

- ด้วยเทคนิคการหมุนเหวี่ยงที่แตกต่างกันทำให้เกิดความก้าวหน้าในความรู้ที่แน่นอนเกี่ยวกับกระบวนการทางชีวภาพที่ซับซ้อนเช่นกระบวนการติดเชื้อและการเผาผลาญเป็นต้น

- ผ่านการหมุนเหวี่ยงทำให้มีการอธิบายลักษณะโครงสร้างและหน้าที่ของโมเลกุลและชีวโมเลกุลหลายประการ ในบรรดาสารชีวโมเลกุลดังกล่าวโปรตีนอินซูลินและฮีโมโกลบิน และในทางกลับกันกรดนิวคลีอิก (DNA และ RNA)

- ด้วยการสนับสนุนของการหมุนเหวี่ยงความรู้และความเข้าใจในกระบวนการต่างๆที่ช่วยดำรงชีวิตได้ถูกขยายออกไป หนึ่งในนั้นคือวงจร Krebs

ในด้านอรรถประโยชน์เดียวกันนี้มีผลต่อความรู้เกี่ยวกับโมเลกุลที่ประกอบเป็นห่วงโซ่การหายใจ ดังนั้นการให้แสงสว่างเพื่อทำความเข้าใจเกี่ยวกับกระบวนการที่ซับซ้อนของฟอสโฟรีเลชันออกซิเดชั่นหรือการหายใจระดับเซลล์ที่แท้จริงท่ามกลางกระบวนการอื่น ๆ อีกมากมาย

- ในที่สุดก็มีส่วนในการศึกษากระบวนการต่างๆเช่นโรคติดเชื้อโดยให้วิเคราะห์เส้นทางตามด้วย DNA ที่ฉีดโดย phage (ไวรัสแบคทีเรีย) และโปรตีนที่เซลล์เจ้าบ้านสามารถสังเคราะห์ได้

อ้างอิง

1. ปารุลกุมาร. (เอสเอฟ) เครื่องหมุนเหวี่ยง: บทนำประเภทการใช้งานและรายละเอียดอื่น ๆ (พร้อมแผนภาพ) นำมาจาก: biologydiscussion.com
2. บทที่ 3 การหมุนเหวี่ยง. . กู้คืนจาก: phys.sinica.edu.tw
3. พื้นฐานชีวเคมีและอณูชีววิทยาประยุกต์. (ชีววิทยา) หัวข้อที่ 2: การหมุนเหวี่ยง. . นำมาจาก: ehu.eus
4. Mathews, CK และ Van Holde, KE (1998) ชีวเคมี, 2nd ed. McGraw-Hill Interamericana
5. วิกิพีเดีย (2018) การหมุนเหวี่ยง นำมาจาก: en.wikipedia.org