Wirowanie w laboratorium

Metoda wirowania jest jedną z podstawowych technik sedymentacji w laboratoriach, która pozwala na rozdzielenie cząstek o różnych rozmiarach i masie cząsteczkowej. Zasada działania tej metody polega na umieszczeniu roztworu zawierającego cząstki w wirówce i wprowadzeniu ruchu wirowego, który powoduje oddzielanie się składników o różnej gęstości i masie cząsteczkowej.

Metoda wirowania ma szerokie zastosowanie w badaniach biofizycznych, biochemicznych oraz biologicznych, gdzie pozwala na rozdzielanie składników komórkowych, białek, kwasów nukleinowych, wirusów czy peptydów. Metoda ta jest szczególnie przydatna w badaniach nad strukturami błon komórkowych oraz w izolacji organelli, jak mitochondria czy jądra komórkowe.

Aby uzyskać odpowiednie efekty rozdzielania, konieczne jest spełnienie określonych wymagań dotyczących wirówki, takich jak: stabilność i równomierność ruchu obrotowego, precyzja kontrolowania prędkości, temperatura kontrolowana przez urządzenia chłodzące oraz możliwość wymiany rotorów. Dodatkowo, należy zadbać o właściwe przygotowanie roztworów, aby nie wpłynęły na nie dodatkowe czynniki wpływające na ich gęstość.

Siła dośrodkowa działająca na cząstki podczas wirowania jest opisana wzorem:

   

gdzie F oznacza siłę działającą na cząstkę, m to masa cząstki, v to prędkość liniowa, a r to promień wirówki.

Skuteczność rozdzielania cząstek zależy od liczby cząstek, gęstości, promienia i prędkości obrotowej. Wzór na skuteczność rozdzielania wyraża się jako stosunek różnicy sił do siły ciężkości i wynosi:

   

gdzie E oznacza skuteczność rozdzielania, ρ1 i ρ2 to gęstości dwóch rozdzielanych składników, ω to prędkość kątowa, r to promień wirówki, a η to lepkość roztworu.

Obliczanie skuteczności rozdzielania podczas wirowania

Skuteczność rozdzielania w wirówce wyrażana jest zazwyczaj jako procent cząstek, które zostały rozdzielone w stosunku do całkowitej liczby cząstek. Jednostką skuteczności rozdzielania w wirówce jest więc procent (%). W przypadku obliczeń matematycznych, skuteczność rozdzielania wyrażana jest jako liczba z zakresu od 0 do 1 lub jako ułamek dziesiętny, gdzie 0 oznacza brak rozdzielenia cząstek, a 1 oznacza pełne rozdzielenie wszystkich cząstek.

Skuteczność ta zależy od takich parametrów jak różnica w gęstości między rozdzielanymi cząstkami, prędkość obrotowa, promień wirówki oraz lepkość roztworu. Im większa różnica w gęstości między cząstkami, tym łatwiej je rozdzielić, a im większa prędkość obrotowa i mniejszy promień wirówki, tym skuteczniejsze jest rozdzielanie.

Najczęściej spotykanie oznaczenie rpm oznacza „revolutions per minute” i jest to jednostka opisująca prędkość obrotową wirówki. Jak sama nazwa wskazuje, jest to liczba pełnych obrotów, jakie wirówka wykonuje w ciągu jednej minuty.

Inne spotykane jednostki mierzące prędkość obrotową wirówki to:

• radian na sekundę (rad/s) – jednostka ta wyraża prędkość obrotową jako kąt obrotu wirnika na sekundę i jest często używana w badaniach naukowych.
• G-Force (g) – jednostka ta wyraża przyspieszenie siły odśrodkowej, którą wywiera wirówka na cząstki w próbce. Wartość G-Force jest uzależniona od promienia wirówki oraz prędkości obrotowej, zgodnie z wzorem G-Force = 1,118 ⋅ 10^-5 ⋅ r ⋅ (rpm)², gdzie r to promień wirówki wyrażony w metrach, a rpm to prędkość obrotowa w rpm.
• Radiany na minutę (rad/min) – jednostka ta wyraża prędkość obrotową wirówki jako kąt obrotu na minutę.

W zależności od potrzeb, w eksperymentach z użyciem wirówek można stosować różne jednostki prędkości obrotowej, jednak w większości przypadków stosuje się jednostkę rpm.

Przykładowo, jeśli chcemy rozdzielić dwa składniki o gęstościach 1,5 i 1,3 g/cm³, przy prędkości obrotowej 5000 rpm i promieniu wirówki wynoszącym 10 cm, a lepkość roztworu to 0,01 Pa · s, możemy obliczyć skuteczność rozdzielania przy pomocy wspomnianego wcześniej wzoru:

   

   

   

Powyższy wynik oznacza, że skuteczność rozdzielania wynosi około 21%, co oznacza, że około 79% cząstek zostanie nierozdzielonych i pozostanie w roztworze.

Inny przykład obliczeń dotyczy rozdzielania dwóch składników o gęstościach 1,1 i 1,3 g/cm3, przy prędkości obrotowej 10 000 rpm i promieniu wirówki wynoszącym 5 cm, a lepkość roztworu to 0,005 Pa·s. Wzór na skuteczność rozdzielania w tym przypadku będzie miał postać:

   

   

Widzimy że zmiana parametrów dotyczących wirowania „podniosła” skuteczność rozdzielania do 75%.

Najczęściej popełniane błędy przy wirowaniu

Podczas wykonywania eksperymentów z użyciem wirówek, często popełniane są pewne błędy, które mogą wpłynąć na wyniki eksperymentu, zaliczamy do nich:

1. Nieprawidłowe ustawienie wirówki – wirówka powinna być ustawiona na płaskiej powierzchni, a jej nóżki powinny być dobrze zamocowane w podłożu lub stać na antypoślizgowych zabezpieczeniach. Nieprawidłowe ustawienie wirówki może wpłynąć na równomierne rozłożenie próbki i prowadzić do nie tylko do zaburzenia wyników, ale także zwiększonej siły i napięć wewnątrz probówek powodując ich uszkodzenie.
2. Nieprawidłowa prędkość obrotowa wirówki może prowadzić do nierównomiernego rozdzielenia próbek i spowodować błędne wyniki. Nie wszystkie plastikowe elementy są dostosowane do wysokich prędkości obrotowych. Warto również skorzystać z wspomnianego wcześniej wzoru na skuteczność rozdzielania.
3. Zbyt długi czas wirowania może prowadzić do uszkodzenia substancji badanej lub defektów w samej aparaturze – od przegrzania po pęknięcia plastików.
4. Nieprawidłowa kalibracja – czyli zgodność ruchu wirówki z jej oznaczeniami, co może wynikać także nieprawidłowym rozłożeniem masy czy źle dokręconym rotorem.
5. Niewłaściwe użycie adapterów (konwerterów) do probówek – używanie nieodpowiedniego rozmiaru akcesoriów do wirówek lub niekompatybilnych elementów może doprowadzić do uszkodzenia próbek lub zniszczenia sprzętu.

Pamiętajmy, że przed przystąpieniem do eksperymentu z użyciem wirówki należy dokładnie zapoznać się z instrukcją obsługi, a także wykonać próby kontrolne, aby upewnić się, że wirówka działa prawidłowo.