Ultracentrifuga je znanstveno orodje ali instrument, ki je sposoben zelo hitro vrteti predmete ali tekočine v majhni, stisnjeni komori. Odvisno od posebnega namena so ta orodja lahko zelo majhna ali precej velika – mnoga se zlahka prilegajo na mizo, druga pa zavzamejo cele prostore. Načini njihovega delovanja in njihovi osnovni cilji so običajno približno enaki, ne glede na posebnosti. Na splošno se ultracentrifugiranje izvaja pri hitrosti, višji od 20,000 vrt/min, in se uporablja za ločevanje drobnih delcev drug od drugega, da se določi njihova velikost in molekulska masa. Široko se uporablja tudi za preučevanje visokih polimerov, zlasti beljakovin, nukleinskih kislin, virusov in drugih bioloških makromolekul. Obstajajo pripravljalne in analitične različice tega orodja, obe pa se uporabljajo v znanosti o polimerih, biokemiji in molekularni biologiji. Čeprav se stroji običajno štejejo za varne, lahko hitrosti, pri katerih delujejo, predstavljajo nekatera tveganja, zlasti za operaterje, ki niso previdni. Običajno je potrebno temeljito usposabljanje vseh raziskovalcev, ki bodo uporabljali to in drugo povezano opremo.
Osnovni koncept in glavne uporabe
Običajno obstaja nekaj različnih načinov za razgradnjo kompozitnih materialov na posamezne komponente, vendar je centrifugiranje pogosto prednostna metoda v mnogih raziskovalnih znanostih. Vrtenje spojin okoli fiksne osi med uporabo pravokotne sile uporablja fiziko za izolacijo delcev in v bistvu razstavljanje stvari na njihove molekularne komponente. Enostavne tekočine in raztopine se pogosto ločijo v standardni centrifugi, ki je osnova v številnih učilnicah fizike in kemije. Ultracentrifuga deluje na enak način, vendar se običajno vrti veliko hitreje in močneje, zaradi česar je primerna za bolj zapletene spojine in snovi. Te “ultra” sorte so najpogostejše v farmacevtskih raziskavah in razvoju, uporabljajo pa se tudi v številnih inženiringih, pogosto pri kemičnih in okoljskih aplikacijah.
Pripravljalni modeli
Preparativna ultracentrifuga je običajno najpogostejša vrsta v laboratorijih in raziskovalnih centrih. Uporablja se za izolacijo določenih delcev za ponovno uporabo in velja za visoko zmogljiv instrument, ki je zanesljiv in učinkovit ter deluje hitro in tiho. Ima različne rotorje, ki so primerni za vrsto nalog ločevanja, ki se uporabljajo v celični biologiji, biokemiji in molekularni biologiji. Vzorec se lahko vrti pri visoki hitrosti, dokler se njegove komponente ne ločijo, takrat jih je mogoče izolirati, izmeriti in nadalje preučevati. Večina pripravljalnih enot vključuje samodejno upravljanje življenjske dobe rotorja, barvni LCD zaslon in zmogljivosti pozitivne povratne informacije. Mnogi so sposobni tudi digitalno prenašati rezultate v računalnike in pametne telefone.
Analitična centrifuga
Analitično centrifugiranje je še ena možna uporaba tovrstnih orodij. Ta tehnika meri fizikalne lastnosti sedimentnih delcev in njihovo obnašanje v stanju raztopine. Theodor Svedberg je izumil analitično različico tega orodja in prejel Nobelovo nagrado za kemijo za raziskave, ki jih je opravil z njim. Najpogosteje je v biomedicinskih raziskavah.
V analitičnih scenarijih se vzorci centrifugirajo v celici, optični sistem pa v realnem času projicira sliko celice na računalnik ali film. Najpogostejše vrste analiznih eksperimentov so poskusi s hitrostjo sedimentacije in ravnotežjem, ki ponujajo informacije o oblikah, velikostih in konformacijskih spremembah makromolekul.
Nevarnosti in tveganja
Z uporabo ultracentrifuge so povezane nevarnosti, ker deluje pri zelo visokih hitrostih in pogosto uporablja rešitve, ki vključujejo močne kemikalije. Oba dejavnika povzročata mehansko obremenitev, ki lahko povzroči obrabo rotorjev. Poleg tega morajo biti rotorji pravilno obremenjeni in uravnoteženi, sicer se lahko zlomijo, kar povzroči znatno škodo, poškodbe in celo eksplozijo. Vsak instrument je treba redno vzdrževati, uporabniki pa morajo biti ustrezno usposobljeni za pravilno obremenitev in uravnoteženje. Priporočljivo je tudi redno čiščenje rotorjev, zaradi varnosti in natančnosti.