ما هو جهاز الطرد المركزي وكيف يعمل؟

إن فهم وظيفة جهاز الطرد المركزي وكيفية عمله أمر بالغ الأهمية لتعظيم فائدته في البيئات المخبرية. يعد جهاز الطرد المركزي أداة حيوية مطلوبة بشكل متكرر في العمل المعملي نظرًا لأهميته. إن معرفة مبادئ جهاز الطرد المركزي والقوى التي يستخدمها يمكن أن تعزز فائدته بشكل كبير.

ما هو جهاز الطرد المركزي؟

جهاز الطرد المركزي هو جهاز متعدد الاستخدامات يستخدم قوة الطرد المركزي الناتجة عن الدوران لفصل محتويات العينة بشكل فعال بناء على كثافتها. عندمايبدأ جهاز الطرد المركزي بالدوران، فإنه يولد قوة طرد مركزي قوية، مما يخلق آلية فصل العنية بشكل دقيق. في حين أن الفصل الطبيعي الناجم عن الجاذبية يحدث بمرور الوقت، فإن جهاز الطرد المركزي يوفر نتائج سريعة للمختبر والتطبيقات الأخرى المختلفة.

يشمل مصطلح "جهاز الطرد المركزي" كل من الجهاز نفسه وعمل استخدامه. إنه يتضمن حاوية تدور بسرعة خلال حمل العينة، مما يتيح فصل محتوياتها بناء على الكثافة. تستخدم أجهزة الطرد المركزي عادة لفصل الجسيمات المختلفة، بما في ذلك السوائل والمواد الصلبة، عن السوائل. وعلاوة على ذلك، فقد توسعت تطبيقاتها إلى ما هو أبعد من الفصل الميكانيكي، بما في ذلك فصل وتنقية ومراقبة العضيات والخلايا والمكونات الخلوية، فضلا عن مخاليط أكثر تعقيدا من الأحماض النووية والبروتينات والفيروسات. ونتيجة لذلك، زاد الطلب على أبحاث الفيروسات، مما أدى إلى تقدم كبير في تقنيات الطرد المركزي، والتي بلغت ذروتها في نهاية المطاف في تطوير أجهزة الطرد المركزي التجارية التي نعرفها اليوم.

تعد أجهزة الطرد المركزي من المعدات المخبرية السائدة المصممة خصيصا لفصل المكونات التي تختلف في الحجم من خلال استخدام قوة الطرد المركزي. هذه القوة، نتيجة للدوران، تدفع الجسيمات بعيدا عن مركز الدوران. لتسهيل الفصل الفعال في السوائل أو المحاليل السائلة، تعمل أجهزة الطرد المركزي بسرعات عالية جدا، مستغلة الإمكانات الهائلة لقوة الفصل هذه. ونتيجة لذلك، أصبحت أجهزة الطرد المركزي أداة قياسية وقيمة في بروتوكولات مختلفة. وهي تستخدم على نطاق واسع في المجالات الصناعية والعلمية، مثل فصل خلايا الدم. بالإضافة إلى ذلك، يمكن العثور على أجهزة الطرد المركزي كمكونات دوارة داخل أدوات علمية أكثر تعقيدا.

مفهوم الطرد المركزي: مقدمة عن الآلية

الطرد المركزي هو العملية التي تستغل القوى الطبيعية المؤثرة على الجسيمات ذات الكثافات المختلفة لتسريع فصلها وهي تنطوي على تركيز هذه القوى لفصل الجسيمات بناء على كثافتها في أنبوب اختبار. يمكن تحقيق الطرد المركزي من خلال طرق الترشيح أو الترسيب حيث تستخدم الترشيح شاشة شبكية للاحتفاظ بالمكونات الصلبة مع السماح للمكونات السائلة بالمرور. ومع ذلك، فإن الترشيح غير مناسب لطرد عينات الدم بسبب صغر حجم مكونات الدم.

بغض النظر عن الطريقة المستخدمة، فإن الطرد المركزي ينطوي على تعليق الجسيمات في سائل وتعريضها لجهاز الطرد المركز كما يحدث الفصل بسبب تطبيق قوة الطرد المركزي، والتي تدفع الأشياء إلى الخارج، مثل نحو طرف أنابيب الدم، حيث يتم تدويرها في حركة دائرية.

يشير الطرد المركزي، في الأساس، إلى تطبيق قوة الطرد المركزي على جسم أو مادة كما تستخدم هذه الطريقة بشكل شائع في المجالات العلمية مثل الكيمياء وعلم الأحياء الجزيئي لفصل الجزيئات ذات الكثافات المختلفة. على سبيل المثال، يتم وضع محلول يحتوي على جزيئين مختلفين داخل جهاز طرد مركزي يدور بسرعة لتوليد قوة الطرد المركزي المذكورة أعلاه وبالتالي، ستنفصل الجزيئات.

على غرار الطريقة التي يتم بها دفعك نحو الحافة الخارجية لدوار ملعب بينما يظل صديقك، الذي يمسك بالقطب المركزي، غير متأثر، يتم دفع الجزيئات ذات الكثافات المحددة نحو الحواف الخارجية لجهاز الطرد المركزي، بينما تظل جزيئات أخرى أقرب إلى محور الدوران المركزي. في أجهزة الطرد المركزي المعملية، حيث يتم اختبار الجسيمات عادة داخل محلول سائل، تغرق الجسيمات الأثقل أو تلك ذات الكثافة الأكبر في قاع المحلول، بينما تطفو الجزيئات الأخف أو الأقل كثافة إلى الأعلى.

ما هي تطبيقات أجهزة الطرد المركزي؟

تستخدم أجهزة الطرد المركزي على نطاق واسع في المختبرات لفصل السوائل أو الغازات بناء على كثافتها. وفي البيئات البحثية والسريرية، تلعب أجهزة الطرد المركزي دورا حيويا في تطبيقات مختلفة مثل جمع الخلايا وتنقية العضيات وتنقية الفيروسات, البروتينات و الأحماض النووية. يعود تاريخ أجهزة الطرد المركزي إلى عام 1864 عندما قدم أنطونين براندتل أول جهاز طرد مركزي تجاري، والذي تم تصميمه لفصل الكريمة عن الحليب في صناعة الألبان وبعد فترة وجيزة، في عام 1869، أصبح فريدريش ميشر أول من استخدم جهاز الطرد المركزي في المختبر لعزل عضيات الخلية حيث للتعمق في الجوانب التاريخية لأجهزة الطرد المركزي.

أحد الأمثلة على استخدام أجهزة الطرد المركزي في البيئات السريرية هو فصل مكونات الدم كما تتطلب الاختبارات المختلفة إما المصل أو البلازما، وكلاهما يمكن الحصول عليهما من خلال الطرد المركزي. يتم الحصول على المصل عن طريق السماح لعينة دم كاملة بالتجلط في درجة حرارة الغرفة، ثم يتم الطرد المركزي لإزالة الجلطة والحصول على السائل المصلي. على النقيض من ذلك، يتم الحصول على البلازما من الدم الكامل الذي يتم جمعه في أنابيب معالجة بمضادات التخثر، والتي تمنع التجلط وبعد الطرد المركزي، يتم فصل الخلايا، تاركة وراءها السائل المصلي.

يتم استخدام أجهزة الطرد المركزي على نطاق واسع في البيئات المعملية بسبب قدرتها الرائعة على فصل الجسيمات بناء على الكثافة. هذا مفيد بشكل خاص عند عزل مكونات بيولوجية محددة لأغراض الاختبار. على سبيل المثال، في عينة الدم، تمكن الطرد المركزي من فصل خلايا الدم الحمراء، التي تستقر في قاع الأنبوب، عن البلازما التي تبقى في الأعلى. الطرد المركزي ضروري لتطبيقات بحثية مختلفة، بما في ذلك فصل بلازما الدم للاختبار، وعزل الحمض النووي، وحتى فصل الرواسب في البول.

كيف تعمل أجهزة الطرد المركزي؟

تعمل أجهزة الطرد المركزي عن طريق فصل الجسيمات المعلقة في سائل بناءً على عوامل مثل حجم الجسيمات، والكثافة، ولزوجة الوسط، وسرعة الدوار. في المحلول، تتسبب قوة الجاذبية في غرق الجسيمات الأكثر كثافة من المذيب بينما تطفو الجسيمات الأقل كثافة إلى الأعلى. تستفيد الطرد المركزي حتى من أدنى اختلافات الكثافة لفصل الجسيمات داخل المحلول. عندما يدور الدوار حول محور مركزي، فإنه يولد قوة طرد مركزي تدفع الجسيمات بعيدًا عن محور الدوران. إذا تجاوزت قوة الطرد المركزي قوى الطفو للوسط السائل وقوة الاحتكاك التي تمارسها الجسيمات، يحدث الترسيب.

الآن بعد أن فهمت كيف تعمل أجهزة الطرد المركزي، أصبح من الواضح أنها آلة تستخدم لتطبيق قوة الطرد المركزي لفصل المواد، مثل خلايا الدم والبلازما. يتعايش هذان المكونان، بكثافتين مختلفتين، داخل أجسامنا. من خلال إخضاعهما لقوة الطرد المركزي في جهاز الطرد المركزي، يمكن فصلهما، مما يسهل التعامل الفردي. ومن المثير للاهتمام أن أجهزة الطرد المركزي لا تقتصر على المختبرات العلمية ولكن يمكن العثور عليها أيضا في منازلنا. تعمل الغسالات في الأساس، كأجهزة طرد مركزي. أثناء دورة التنشيف، تكون الملابس المبللة والماء داخل الغسالة هي المواد التي تهدف آلية الطرد المركزي إلى فصلها. يولد التنشيف السريع قوة خارجية من المركز، تعرف باسم قوة الطرد المركزي. تتسبب هذه القوة في دفع الملابس نحو حواف الغسالة، والتي غالبا ما تكون مبطنة بثقوب صغيرة. بمجرد الضغط على الجوانب، تطرد القوة الماء من الملابس، مما يفسر سبب عدم بللها بشكل مفرط عند إخراجها من الغسالة وبالتالي، تعمل صورة الغسالة كتذكير مفيد عند التفكير في مفهوم تشغيل جهاز الطرد المركزي.

كيف تختار جهاز الطرد المركزي المناسب؟

1- نوع جهاز الطرد المركزي

إن نوع جهاز الطرد المركزي الذي يجب أن تفكر فيه هو أول وأهم نقطة يجب مراعاتها، والتي تعتمد على وضع الطرد المركزي لتطبيقاتك.على سبيل المثال، تكون أجهزة الطرد المركزي منخفضة السرعة وأجهزة الطرد المركزي الدقيقة كافية بشكل عام لمعظم أعمال البحث والتشخيص التي تستخدم عادة الطرد المركزي التفاضلي. ومع ذلك، فإن أسلوب الطرد المركزي بتدرج الكثافة كما يستلزم استخدام أجهزة الطرد المركزي الدقيقة أو أجهزة الطرد المركزي فائقة السرعة نظرا لقدرتها على الوصول إلى سرعات أعلى، والحفاظ على درجة الحرارة، وتحمل فترات تشغيل ممتدة.

2- دوار أجهزة الطرد المركزي

تتأثر سعة أجهزة الطرد المركزي وأنواع العينات وحجم الحاويات التي يمكنها استيعابها بتصميم دوارها, تعتبر أجهزة الطرد المركزي ذات الدوار الأفقي بشكل عام أكثر ملاءمة لترسيب الخلايا والجسيمات الكبيرة في حبيبات مسطحة.حيث تحتوي العديد من أجهزة الطرد المركزي اليوم على دوارات قابلة للتبديل، مما يسمح للمستخدمين باختيار حجم وشكل الحاوية التي يريدون استخدامها. ومع ذلك، يمكن لأجهزة الطرد المركزي ودواراتها أن تشغل مساحة كبيرة في المختبر.

3. نظام التبريد

عادة ما تكون أجهزة الطرد المركزي منخفضة السرعة أو أجهزة الطرد المركزي الدقيقة المستخدمة في الوقت الحاضر مزودة بنظام تبريد أو نظام بيليتيه قادرعلى تقليل وتنظيم درجة حرارة جهاز الطرد المركزي أثناء تشغيله, تتضمن هذه الميزة الإضافية عادة تكلفة إضافية ولا تهدف عادة إلى مواجهة الحرارة المتولدة أثناء الطرد المركزي بل إنها مصممة في المقام الأول لحماية العينات الحية أو العمليات المعرضة لتقلبات درجات الحرارة.

4. التحكم في التسارع والتباطؤ

إن مستويات التسارع والتباطؤ القابلة للتعديل في أجهزة الطرد المركزي ضرورية لتجنب إتلاف العينات الحية بسبب القوى العنيفة الناتجة عن تغيرات السرعة أثناء الطرد المركزي. فإذا كنت تتعامل مع عينات حساسة بشكل متكرر، فمن المستحسن اختيار أجهزة الطرد المركزي التي تتميز بمستويات تسارع وتباطؤ قابلة للتعديل.

5. ميزات الأمان

تولد أجهزة الطرد المركزي قوة كبيرة لتدوير العينات بسرعات عالية، لذلك فإن أي عطل أثناء التشغيل يمكن أن يسبب ضررا شديدا للمستخدمين وتلفا للمنطقة المحيطة. تتضمن أجهزة الطرد المركزي الحديثة الآن ميزات أمان لمنع الحوادث والأعطال التشغيلية حيث تم تجهيز معظم أجهزة الطرد المركزي بجهاز كشف الخلل الذي ينبه المستخدمين إذا لم يتم توزيع العينات بالتساوي على الدوار قبل أن يصل جهاز الطرد المركزي إلى أقصى سرعته.