Eine Ultrazentrifuge ist ein wissenschaftliches Werkzeug oder Instrument, das in der Lage ist, Objekte oder Flüssigkeiten in einer kleinen, komprimierten Kammer sehr schnell zu drehen. Je nach Verwendungszweck können diese Werkzeuge sehr klein oder ziemlich groß sein – viele passen problemlos auf eine Tischplatte, während andere ganze Räume einnehmen. Die Art und Weise, wie sie arbeiten und ihre grundlegenden Ziele sind jedoch unabhängig von den Besonderheiten in der Regel ungefähr gleich. Im Allgemeinen wird die Ultrazentrifugation mit einer Geschwindigkeit von mehr als 20,000 U/min durchgeführt und dient dazu, winzige Partikel voneinander zu trennen, um deren Größe und Molekulargewicht zu bestimmen. Es wird auch häufig verwendet, um Hochpolymere zu untersuchen, insbesondere Proteine, Nukleinsäuren, Viren und andere biologische Makromoleküle. Es gibt präparative und analytische Versionen dieses Tools, und beide werden in der Polymerwissenschaft, Biochemie und Molekularbiologie verwendet. Obwohl die Maschinen normalerweise als sicher gelten, können die Geschwindigkeiten, mit denen sie betrieben werden, einige Risiken bergen, insbesondere für unvorsichtige Bediener. Eine gründliche Ausbildung ist normalerweise von allen Forschern erforderlich, die diese und andere verwandte Ausrüstung verwenden werden.
Grundkonzept und Hauptanwendungen
Normalerweise gibt es verschiedene Möglichkeiten, Verbundmaterialien in ihre einzelnen Komponenten zu zerlegen, aber das Zentrifugieren ist in vielen Forschungswissenschaften oft eine bevorzugte Methode. Das Drehen von Verbindungen um eine feste Achse, während eine senkrechte Kraft ausgeübt wird, verwendet die Physik, um Partikel zu isolieren und Dinge im Wesentlichen in ihre molekularen Komponenten zu zerlegen. Einfache Flüssigkeiten und Lösungen trennen sich oft in einer Standardzentrifuge, die in vielen Physik- und Chemieklassenzimmern unverzichtbar ist. Eine Ultrazentrifuge funktioniert auf die gleiche Weise, dreht sich jedoch typischerweise viel schneller und kräftiger, was sie für komplexere Verbindungen und Substanzen geeignet macht. Diese „Ultra“-Sorten sind am häufigsten in der pharmazeutischen Forschung und Entwicklung zu finden und werden auch in vielen technischen Bereichen eingesetzt, oft bei chemischen und Umweltanwendungen.
Präparative Modelle
Eine präparative Ultrazentrifuge ist normalerweise der gebräuchlichste Typ in Labors und Forschungszentren. Es dient zur Isolierung bestimmter Partikel zur Wiederverwendung und gilt als Hochleistungsgerät, das zuverlässig und effizient ist und schnell und leise arbeitet. Es verfügt über eine Vielzahl von Rotoren, die für eine Reihe von Trennaufgaben in der Zellbiologie, Biochemie und Molekularbiologie geeignet sind. Eine Probe kann mit hoher Geschwindigkeit geschleudert werden, bis sich ihre Komponenten trennen, dann können sie dann isoliert, gemessen und weiter untersucht werden. Die meisten präparativen Einheiten umfassen eine automatische Rotorlebensdauerverwaltung, einen Farb-LCD-Bildschirm und positive Rückkopplungsfunktionen. Viele sind auch in der Lage, Ergebnisse digital auf Computer und Smartphones zu übertragen.
Analytische Zentrifuge
Die analytische Zentrifugation ist eine weitere mögliche Verwendung für diese Art von Werkzeugen. Diese Technik misst die physikalischen Eigenschaften von sedimentierenden Partikeln und ihr Verhalten im Lösungszustand. Theodor Svedberg erfand die analytische Version dieses Werkzeugs und erhielt für seine Forschungen damit den Nobelpreis für Chemie. Es ist am häufigsten in der biomedizinischen Forschung.
In analytischen Szenarien werden Proben in einer Zelle zentrifugiert und ein optisches System projiziert ein Bild der Zelle in Echtzeit auf einen Computer oder Film. Die gebräuchlichsten Arten von analytisch basierten Experimenten sind die der Sedimentationsgeschwindigkeit und des Gleichgewichts, die Informationen über die Formen, Größen und Konformationsänderungen von Makromolekülen liefern.
Gefahren und Risiken
Die Verwendung einer Ultrazentrifuge birgt Gefahren, da sie mit sehr hohen Geschwindigkeiten arbeitet und häufig Lösungen verwendet, die aggressive Chemikalien enthalten. Beide Faktoren erzeugen eine mechanische Belastung, die zu einem Verschleiß der Rotoren führen kann. Darüber hinaus müssen Rotoren richtig belastet und ausgewuchtet werden, da sie sich sonst lösen und erhebliche Schäden, Verletzungen und sogar Explosionen verursachen können. Jedes Instrument sollte regelmäßig gewartet werden, und die Benutzer sollten entsprechend geschult werden, um es richtig zu laden und auszubalancieren. Aus Sicherheits- und Genauigkeitsgründen wird auch eine regelmäßige Reinigung der Rotoren empfohlen.