Седиментационный анализ в центробежном поле

В отличие от грубодисперсных, частицы высокодисперсных систем под действием силы тяжести практически не оседают или оседают очень медленно.

" Основы седиментационного анализа в гравитационном поле описаны в подпараграфе 8.5.1.

Однако, заменяя действие гравитационного поля действием центрифуги с большим центробежным ускорением, можно осадить такие частицы намного быстрее. Например, частицы размером 0,8 мкм оседают в водной среде под действием силы тяжести на глубину 0,1 м почти за трое суток. В лабораторной центрифуге со скоростью вращения около 600 об/мин эти же частицы осядут менее чем за секунду. Очевидно, что увеличение скорости вращения центрифуги позволит наблюдать за осаждением частиц самых малых размеров. По аналогии с ультрамикроскопом, позволяющим различать частицы высокодисперсных систем, ультрафильтрацией — методом очистки фильтрованием под давлением через пористую мембрану, способную задерживать частицы размером менее 0,1 мкм, и т. д. центрифуга для осаждения высокодисперсных систем и коллоидных растворов получила название ультрацентрифуги.

Исторический экскурс

Первые ультрацентрифуги сконструировал и применил для исследований высокодисперсных систем шведский ученый Т. Сведберг. Скорость вращения в них достигала 10 000 об/мин и развивалось ускорение 5000д.

В 1926 г. Сведбергу была присуждена Нобелевская премия по химии «За работы в области дисперсных систем». В своей нобелевской лекции Сведберг, сделав обзор технических и теоретических проблем, связанных с его работой, описал большое потенциальное значение, какое, по его мнению, будет иметь ультрацентрифуга для прогресса во многих областях, включая медицину, физику, химию и промышленность. В новой лаборатории физической химии, специально построенной для Сведберга шведским правительством, он провел долгие годы, совершенствуя конструкцию и возможности ультрацентрифуги.

Скорость центрифугирования современных ультрацентрифуг достигает 130 000 об/мин, и при этом создается ускорение до 10⁶—10⁷g, что позволяет разделять и анализировать частицы размерами менее 100 нм.

Вопросы практики

В биохимии и медицине ультрацентрифуги сегодня применяются для разделения и выделения белков, липопротеинов, ДНК, РНК, субклеточных фракций и вирусов, в исследованиях в области белкового и генетического анализа.

Процесс оседания частиц во время вращения при ультрацентрифугировании наблюдают с помощью специальных оптических систем, измеряя путь, проходимый частицей в направлении от центра вращения.

При ультрацентрифугировании (рис. 8.7) происходит ускоренное оседание частиц под действием центробежной силы F_ueHTp = т-——со².г. Здесь Р-Ро.

т-— — масса оседающей частицы с учетом архимедовой поправки Р.

на выталкивающую силу жидкости; ю²х — центробежное ускорение; х — возрастающее расстояние от центра вращения до оседающей частицы. Линейная скорость частицы dx/dx увеличивается. Угловая скорость ш = 2яу остается постоянной и определяется частотой вращения v (оборотов в секунду).

Рис. 8.7. Оседание частицы при ультрацентрифугировании

В ходе центрифугирования сила тяжести, действующая на частицу, значительно меньше центробежной силы, поэтому можно считать, что частица оседает исключительно под действием центробежной силы. Ей противодей;

и р л dx

ствует сила вязкого сопротивления дисперсионной среды F_c =6лгг|—.

^у dx

В состоянии равновесия равнодействующая сил равна нулю. Приняв равновесие между центробежной силой и силой вязкого сопротивления, получим.

Учитывая, что коэффициент диффузии D = RT/(6nrrN_A), разделим переменные и проинтегрируем это уравнение от Х до х₂ по расстоянию от центра вращения до частицы и, соответственно, от 0 до т по времени (xj — расстояние от центра вращения до частицы в нулевой момент времени, х₂ — через т секунд):

Это уравнение используется для определения молекулярной массы ВМС методом ультрацентрифугирования.

?? Определение молекулярной массы ВМС методом ультрацентрифугирования описано в подпараграфе 8.5.3.

Кроме того, полученное уравнение позволяет вычислить размер (радиус) частиц сферической формы, выразив массу частицы через плотность и объем (m = Vp = 4/3nr^sp) и используя выражение для коэффициента диффузии D = RT/(6nrrN_A):

Резюме

При ультрацентрифугировании происходит ускоренное оседание частиц под действием центробежной силы, что во много раз увеличивает скорость седиментации.