جهاز الطرد المركزي فائق السرعة

جهاز الطرد المركزي الفائق هو جهاز طرد مركزي مُحسَّن لتدوير دوار بسرعات عالية جدًا، قادر على توليد تسارع يصل إلى مليون ضعف تسارع الجاذبية الأرضية ( حوالي 9800 كم/ث² ). ^{[ 1 ]} يوجد نوعان من أجهزة الطرد المركزي الفائق: جهاز الطرد المركزي التحضيري وجهاز الطرد المركزي التحليلي . يُستخدم كلا النوعين من الأجهزة على نطاق واسع في البيولوجيا الجزيئية والكيمياء الحيوية وعلم البوليمرات . ^{[ 2 ]}

في عام 1924، بنى تيودور سفيدبيرغ جهاز طرد مركزي قادرًا على توليد قوة 7000 غ (عند 12000 دورة في الدقيقة)، وأطلق عليه اسم جهاز الطرد المركزي الفائق، وذلك لمقارنته بالمجهر فائق الدقة الذي طُوّر سابقًا. وفي الفترة ما بين عامي 1925 و1926، بنى سفيدبيرغ جهاز طرد مركزي فائق جديد يسمح بمجالات تصل إلى 100000 غ (42000 دورة في الدقيقة). ^{[ 3 ]} تُصنّف أجهزة الطرد المركزي الفائقة الحديثة عادةً على أنها تسمح بمجالات تزيد عن 100000 غ. ^{[ 4 ]} فاز سفيدبيرغ بجائزة نوبل في الكيمياء عام 1926 لأبحاثه حول الغرويات والبروتينات باستخدام جهاز الطرد المركزي الفائق. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 3 ]}

في أوائل ثلاثينيات القرن العشرين، اكتشف إميل هنريوت أن نفاثات الهواء المضغوط الموضوعة في أماكن مناسبة يمكنها تدوير دوار بدون محامل بسرعات عالية جدًا، وطوّر جهاز طرد مركزي فائق السرعة بناءً على هذا المبدأ. قام جيسي بيمز من قسم الفيزياء بجامعة فرجينيا بتكييف هذا المبدأ أولًا لكاميرا عالية السرعة ، ثم بدأ بتحسين جهاز الطرد المركزي الفائق السرعة الخاص بهنريوت، لكن دواراته كانت تسخن باستمرار. ^{[ 7 ]}

حلّ إدوارد غريدون بيكلز، أحد طلاب بيم، المشكلة عام 1935 عن طريق تفريغ النظام من الهواء، مما سمح بتقليل الاحتكاك الناتج عند السرعات العالية. كما مكّنت أنظمة التفريغ من الحفاظ على درجة حرارة ثابتة عبر العينة، مما أدى إلى القضاء على تيارات الحمل الحراري التي كانت تتداخل مع تفسير نتائج الترسيب. ^{[ 8 ]}

في عام 1946، شارك بيكلز في تأسيس شركة سبينكو (شركة الأدوات المتخصصة) لتسويق أجهزة الطرد المركزي التحليلية والتحضيرية فائقة السرعة بناءً على تصميمه. رأى بيكلز أن تصميمه معقد للغاية للاستخدام التجاري، فقام بتطوير نسخة أسهل تشغيلًا وأكثر موثوقية. ولكن حتى مع التصميم المُحسّن، ظلت مبيعات أجهزة الطرد المركزي التحليلية منخفضة، وكادت سبينكو أن تُفلس. نجت الشركة بالتركيز على مبيعات أجهزة الطرد المركزي التحضيرية فائقة السرعة، التي أصبحت شائعة الاستخدام في المختبرات الطبية الحيوية. ^{[ 8 ]} في عام 1949، طرحت سبينكو جهاز الطرد المركزي موديل L، وهو أول جهاز طرد مركزي تحضيري فائق السرعة يصل إلى سرعة قصوى تبلغ 40,000 دورة في الدقيقة . في عام 1954، استحوذت شركة بيكمان إنسترومنتس (التي أصبحت لاحقًا بيكمان كولتر ) على الشركة، مُشكّلةً بذلك أساس قسم أجهزة الطرد المركزي في سبينكو. ^{[ 9 ]}

تتوفر أجهزة الطرد المركزي فائقة السرعة بمجموعة واسعة من الدوارات المناسبة لمجموعة كبيرة من التجارب. صُممت معظم الدوارات لحمل الأنابيب التي تحتوي على العينات. تسمح الدوارات ذات الدلو المتأرجح بتعليق الأنابيب على مفصلات بحيث تعيد توجيهها إلى الوضع الأفقي عند تسارع الدوار الأولي. ^{[ 10 ]} أما الدوارات ذات الزاوية الثابتة فهي مصنوعة من قطعة واحدة من المادة، وتحمل الأنابيب في تجاويف محفورة بزاوية محددة مسبقًا. صُممت الدوارات القطاعية لاحتواء حجم كبير من العينة في تجويف مركزي واحد بدلاً من الأنابيب. بعض الدوارات القطاعية قادرة على التحميل والتفريغ الديناميكي للعينات أثناء دوران الدوار بسرعة عالية.

تُستخدم الدوارات التحضيرية في علم الأحياء لترسيب الجزيئات الدقيقة، مثل العضيات الخلوية ( الميتوكوندريا ، والميكروسومات ، والريبوسومات ) والفيروسات . كما يمكن استخدامها في عمليات الفصل بالتدرج ، حيث تُملأ الأنابيب من الأعلى إلى الأسفل بتركيز متزايد لمادة كثيفة في محلول. تُستخدم تدرجات السكروز عادةً لفصل العضيات الخلوية، بينما تُستخدم تدرجات أملاح السيزيوم لفصل الأحماض النووية. بعد دوران العينة بسرعة عالية لفترة كافية لإتمام الفصل، يُترك الدوار ليتوقف تدريجيًا، ثم يُضخ المحلول المتدرج برفق من كل أنبوب لعزل المكونات المفصولة.

تُشكل الطاقة الحركية الدورانية الهائلة للدوار في جهاز الطرد المركزي فائق السرعة أثناء التشغيل مصدر قلق بالغ، إذ قد ينفجر بشكل مروع. تُصنع الدوارات عادةً من معادن ذات نسبة قوة إلى وزن عالية، مثل الألومنيوم أو التيتانيوم. وتؤدي ضغوط الاستخدام الروتيني والمحاليل الكيميائية القاسية في نهاية المطاف إلى تدهور الدوارات. لذا، يُعد الاستخدام السليم للجهاز والدوارات ضمن الحدود الموصى بها، والصيانة الدقيقة للدوارات لمنع التآكل والكشف عن أي تدهور، أمراً ضرورياً للحد من هذا الخطر. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

في الآونة الأخيرة، صُنعت بعض الدوارات من مادة مركبة خفيفة الوزن من ألياف الكربون، وهي أخف بنسبة تصل إلى 60%، مما يؤدي إلى معدلات تسارع/تباطؤ أسرع. كما أن دوارات ألياف الكربون المركبة مقاومة للتآكل، مما يزيل سببًا رئيسيًا لتلف الدوارات. ^{[ 13 ]}

• الطرد المركزي التحليلي
• الطرد المركزي فائق السرعة بكثافة الطفو
• الطرد المركزي التفاضلي
• جهاز طرد مركزي غازي
• تيودور سفيدبرغ
• جهاز طرد مركزي من نوع زيب

الوسائط المتعلقة بأجهزة الطرد المركزي الفائقة المختبرية على ويكيميديا ​​كومنز

• الطرد المركزي التحليلي الحديث في علم البروتين: مراجعة تعليمية
• دراسة المركبات البروتينية المتعددة بواسطة الطرد المركزي التحليلي متعدد الإشارات لسرعة الترسيب
• تقرير عن انفجار جهاز طرد مركزي فائق السرعة