本質的に、遠心分離機は溶液内の成分をその物理的特性に基づいて分離します。 巨大な回転力を使用して沈降の自然なプロセスを加速させ、より密度の高い、より大きい、またはより重い粒子を容器の底に集めさせ、より軽い成分を上部の液体中に浮遊させます。
遠心分離機は、重力を劇的に加速させる装置です。サンプルを高速で回転させて強力な遠心力を発生させ、溶液中の混合粒子をその密度、サイズ、形状によって選別します。
核心原理：遠心分離の仕組み
遠心分離機が何をするかを理解するには、まずそれが生み出す力を理解する必要があります。このプロセスは、私たちが毎日目にする自然現象を強化したものです。
重力から遠心力へ
泥水の入った瓶をそのままにしておくとどうなるか想像してみてください。時間が経つと、重い砂やシルトは重力によって底に沈み、上部にはより澄んだ水が残ります。遠心分離機も同じことをしますが、何千倍も速く行います。
サンプルを高速で回転させることにより、相対遠心力（RCF）として知られる強力な外向きの力が生成されます。この力は地球の重力よりもはるかに強く、溶液内のすべての粒子に作用します。
決定要因：密度とサイズ
すべての粒子がこの力に等しく反応するわけではありません。密度が高く、サイズの大きい粒子ほどRCFの影響を大きく受け、より速く外側（チューブの底に向かって）に移動します。
この移動の差、つまり沈降速度が分離の鍵となります。全細胞のような重い成分は、タンパク質やウイルスのような小さな成分よりもはるかに速く、低い速度で分離します。
結果としての分離：上清とペレット
遠心分離後、溶液は物理的に2つの異なる部分に分離されます。
チューブの底に集まる固く圧縮された物質はペレットと呼ばれます。
上部に残る透明な液体は上清と呼ばれます。これら2つの成分は、上清を注意深く注ぎ出す（デカンテーションする）ことで簡単に分離できます。
分離結果を決定する要因は何か？
望ましい分離を達成することは、単に機械の電源を入れるだけではありません。結果は、理解し、正しく設定する必要があるいくつかの重要なパラメーターによって慎重に制御されます。
速度の役割（RPM vs. RCF）
速度は最も重要な要素です。多くの場合、毎分回転数（RPM）で表されますが、これはモーターがローターをどれだけ速く回転させているかを単純に示します。
しかし、より科学的に正確な測定値は相対遠心力（RCF）であり、多くの場合「重力倍数」（x g）で測定されます。RCFはローターの半径を考慮に入れるため、サンプルに適用される真の分離力を示します。同じRPMで稼働している2つの異なる遠心分離機は、非常に異なるRCFを生成する可能性があります。
時間の重要性
遠心分離の持続時間も重要です。スピン時間が長いほど、より小さいまたは密度の低い粒子が沈降し、コンパクトなペレットを形成する時間が長くなります。
酵母細胞のような大きな粒子を分離するには数分しかかからないかもしれませんが、小さな細胞外小胞を分離するには、はるかに高い力で数時間かかる場合があります。
溶液自体の影響
液体、つまり溶媒の特性も役割を果たします。グリセロールを含むような高粘度の溶液は、粒子の動きを遅らせます。
温度も要因となる可能性があり、溶液の粘度や生体サンプルの安定性に影響を与えます。これが、多くの高速遠心分離機が冷蔵されている理由です。
一般的な用途と分離の種類
ペレット化の基本原理は単純ですが、遠心分離ははるかに高度な分離に使用でき、現代の生物学および化学の基礎となっています。
分画遠心分離
これは最も一般的な手法です。混合物を段階的に高速の遠心分離速度にかけ、異なる沈降速度に基づいて成分を分離します。
低速スピンでは、まず全細胞がペレット化されます。その後、上清が除去され、はるかに高速でスピンされ、ミトコンドリアやその他の細胞小器官のような小さな成分がペレット化されます。
密度勾配遠心分離
この高度な方法は精製に使用されます。サンプルは、密度勾配のある溶液（例：スクロースまたは塩化セシウム勾配）の上に層状に重ねられます。
遠心分離中、粒子は勾配を通過し、自身の密度と同じ点に達すると停止します。これにより、サイズは非常に似ているが密度が異なる粒子の非常に正確な分離が可能になります。
日常の例
研究室以外でも、多くの場面で遠心分離に出くわします。血液銀行で赤血球を血漿から分離したり、乳製品産業でクリームを牛乳から分離したり、廃水処理で固形物を液体から分離したりするのに使用されます。
目的に合った適切な選択
選択するパラメーターは、溶液で何を達成したいかに完全に依存します。
- 大きな、密度の高い粒子（細胞など）の分離が主な目的の場合： 低RCF（例：500 x g）での短時間スピン（5〜10分）で通常十分です。
- より小さな成分（細胞小器官や細菌など）の収集が主な目的の場合： 中程度のRCF（例：10,000〜20,000 x g）でより長いスピン（15〜30分）が必要になります。
- 非常に小さな粒子（ウイルスやタンパク質など）の分離が主な目的の場合： 非常に高いRCF（100,000 x g超）で1時間から数時間かかる超遠心分離機が必要です。
- 特定の分子を高精度で精製することが主な目的の場合： 密度勾配遠心分離が最も適切で強力な手法です。
重力よりもはるかに大きな力を加えることで、遠心分離機は均一な溶液を明確で分離可能な層に変え、分析と精製に不可欠なツールとなります。
要約表：
| 分離目標 | 一般的なRCF（x g） | 一般的な時間 | 主な結果 |
|---|---|---|---|
| 大きな粒子（例：細胞） | 500 x g | 5-10分 | 密度の高い物質のペレット |
| より小さな成分（例：細菌） | 10,000-20,000 x g | 15-30分 | 単離された細胞小器官または微生物 |
| 微粒子（例：ウイルス） | >100,000 x g | 1時間以上 | 高純度分離 |
| 精密精製 | 様々（勾配） | 様々 | 密度に基づく単離 |
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