Аналитические ультрацентрифуги: прошлое, настоящее и будущее

В 1924 г. Никольс и Сведберг во время работы в США построили первую ультрацентрифугу, ротор которой вращался со скоростью 12 тысяч об/ мин (7000g), a в 1925-1926 гг. Лизхолм и Сведберг по возвращении в Швецию создали центрифугу со скоростью вращения ротора 42000 об/ минуту (100000g). Представление о последней дает рисунок 24.1а. Заметим, что ротор приводился во вращение масляной турбиной (в некоторых модификациях сжатым воздухом), поэтому сама центрифуга была очень громоздкой издавала большой шум и располагалась в трех комнатах специально построенного двухэтажного здания.

Справедливости ради следует отметить, что существенный вклад в конструирование аналитических центрифуг внесли американские ученые Вильямс (J.W. Williams), совместно с которым Сведберг разработал первую центрифугу, Гроден (Groden) и (Дж. Бимс) J. Beams. Отметим также вклад Е. Пикельса (Е. Pickel’s), который 1936 году создал, а затем позже выпустил на рынок центрифугу, ротор которой приводился в действие электрическим мотором (Model E). В 1947 году он основал компанию Specialty Instruments Co. (Spinco) для коммерческого выпуска модели Е, получившей широкое распространение среди исследователей и разошедшейся по миру в количестве нескольких тысяч экземпляров.

Рис. 24.2а. Первая аналитическая ультрацентрифуга Сведберга и одна из последних коммерческих машин – модель XL фирмы Bekman-Coulter

В дальнейшем ряд фирм также начали строить аналитические ультрацентрифуги, приводимые в действие электрическими двигателями, из которых в первую очередь следует отметить центрифугу фирмы MSE (Англия). В Советском Союзе выпускалась центрифуга УЦА-10 (СКБ Аналитического приборостроения, Москва), а в Венгрии - центрифуга МОМ (Metrimpex).

На вышеперечисленных четырех центрифугах в течение многих лет было выполнено основное количество исследований, пока им всем на смену в 1992 г. не пришла центрифуга фирмы Beckman, Optima XL, которая занимает сегодня лидирующее положение на рынке (рис. 24). В этой Лекции мы опишем ее основные характерные черты, поскольку в этой центрифуге воплощены последние достижения механики, оптики и электроники к тому времени.

Введение в практику центрифуги Оptima ХL существенно увеличило точность измерений и объем данных, которые могут быть получены в эксперименте. Это стало возможным благодаря наличию в ней микропроцессорного контроля за экспериментальными параметрами и высоко качественной оптики. Простое сравнение возможностей классического аналитического центрифугирования, полученного на центрифугах типа Spinco-E или УЦА-10 и на центрифуге Оptima ХL-А ясно демонстрирует преимущество последней.

Рис. 24.

Кроме оптики поглощения Оptima ХL-I оборудована релеевской интерференционной системой, которая позволяет выполнять измерения растворов макромолекул с низким оптическим поглощением. Кроме того в ней может быть встроен блок флуоресцентной оптики фирмы AVIV, получившей сокращенное название (AU-FDS) от английского Analytical Ultracentrifuge Fluorescence Detection System (рис 24.2b)

Рис. 24.2б. Общий вид устройства флуоресцирующей оптики фирмы AVIV в роторном отсеке

Основными частями центрифуги являются: ротор, находящийся в охлаждаемом вакуумном пространстве ее корпуса, оптическая система для наблюдения за распределением концентрации в образце во время центрифугирования, а также система накопления и обработки данных. Начнем с напоминания некоторых общих понятий, которые необходимо знать исследователю перед использованием аналитической ультрацентрифуги.

Гравитационное поле, образующееся при центрифугировании, (g), равно квадрату угловой скорости ротора (ω в радианах в сек) и радиальному расстоянию (r, в сантиметрах) частицы от оси вращения, и выражается уравнением: g = ω²r. Поскольку один оборот ротора равен 2π радиан, то его угловая скорость в радианах в секунду может быть выражена в об·мин^-1 и общее уравнение, выражающее скорость вращения ротора, будет равно: ω =2π (об·мин^-1)/ 60. Тогда гравитационное поле g, выраженное в об/мин, равняется: g = 4π²(об·мин^-1)²·r/3600. Значение g обычно выражается в единицах гравитационного поля Земли (g = 981 см²·сек^-1), т. е. отношение веса частицы в поле центрифуги к весу этой же частицы в поле с искусственной гравитацией и является относительным центрифужным полем, g΄, или множителем при g: g΄= 4π²(об·мин^-1)² r/3600 × 981 или в сокращенном виде: g΄ = (1.118´10^-5) (об·мин^-1)²r. При скорости 60 000 об·мин^-1 g΄ ~ 300 000. Все вышесказанное означает, что ротор ультрацентрифуги должен быть тщательно уравновешен перед началом опыта, поскольку 1 г становится весящим 30 кг.

В заключение заметим, что центрифужная сила может быть использована в качестве растягивающей силы при манипуляции с одиночными молекулами.