原則として、遠心分離は、密度、サイズ、形状などの物理的特性が異なる成分を持つあらゆる不均一混合物の構成要素を分離できます。これは、重力の力を劇的に増幅させることにより、液体から固体を分離したり、混ざり合わない液体同士を分離したり、さらには溶媒から高分子を分離したりするために使用される強力な実験室および産業技術です。
理解すべき核となる原理は、遠心分離は化学に基づいて物質を分離するのではなく、物理学に基づいて分離するということです。混合物中の成分の密度が異なる場合、遠心分離機はより密度の高い物質を底に押し付け、密度の低い物質を上に残します。
遠心分離の基本原理：仕組み
遠心分離は、本質的に加速沈降の方法です。比較的弱い重力の力を、高速回転によって生成されるはるかに強力な遠心力に置き換えます。
重力の影響力の増幅
遠心分離機はサンプルを固定軸の周りで回転させ、相対遠心力（RCF）またはG-フォースとして知られる強力な外向きの力をサンプルに加えます。この力は、地球の重力の数千倍、あるいは数十万倍にもなることがあります。
この巨大な力は、混合物から密度の高い粒子が沈降しようとする自然な傾向を劇的に加速させます。
密度の重要な役割
分離にとって最も重要な要因は密度です。混合物を回転させると、すべての構成要素が同じ遠心力を受けます。
しかし、密度の高い構成要素が密度の低い構成要素を押し出し、密度の高い物質が外側に向かって移動し、チューブの底にペレットとして集まります。その上に残る密度の低い液体は上清と呼ばれます。
粒子サイズと形状の影響
密度が主要ですが、粒子のサイズと形状も役割を果たします。同じ密度であっても、より大きな粒子はより小さな粒子よりも速く沈降します。なぜなら、液体の粘性抵抗を克服するための質量が大きいためです。
この原理は、細胞小器官など、異なるサイズの構成要素を分離するために使用される技術である分画遠心分離の基礎となります。
一般的な用途と分離可能な混合物
この原理により、生物学、化学、産業において信じられないほど幅広い用途が可能になります。
固体-液体分離
これは遠心分離の最も一般的な用途です。液体中に懸濁している固体粒子を分離するために使用されます。
例としては、増殖培地から細菌細胞や真核細胞を沈殿させること、化学反応中に生成した沈殿物を回収すること、ワインやビールの酵母を取り除くことによる清澄化などがあります。
液体-液体分離
遠心分離は、油と水のように混ざり合わない2つの混ざり合わない液体を分離するのに非常に効果的です。
このプロセスはエマルションを急速に破壊し、密度の高い液体を底に、密度の低い液体を上に押し付け、2つの明確な層を形成します。これは、牛乳からクリーム（脂肪）を分離する酪農加工で使用されます。
生物学的および高分子の分離
高速または超遠心分離機を使用すると、非常に小さく、密度の差がわずかしかない構成要素を分離することが可能です。
これには、血液成分（赤血球および白血球と血漿の分離）、細胞小器官（ミトコンドリア、核、リボソームなど）の単離、細胞抽出物からのタンパク質、DNA、RNAなどの高分子の精製が含まれます。
限界の理解
このプロセスを信頼するには、それが何ができないかを理解する必要があります。遠心分離を強力にしている物理的原理が、その限界も定義しています。
遠心分離で分離できないもの
遠心分離は、真溶液とも呼ばれる均一混合物には効果がありません。水に溶けた塩のような真溶液では、溶質は分子レベルまで分解され、均一に分散しています。
遠心力が作用するための有意な密度の差がありません。溶解した粒子は単純に小さすぎて、物理的な力だけで分離するには統合されすぎています。
機器の重要性
達成できる分離の種類は、使用する機器に直接関係しています。単純な卓上遠心分離機は、細胞の沈殿に最適です。
しかし、微小なウイルスや個々のタンパク質を分離するには、極端なG-フォースを生成できる特殊で高価な機器である超遠心分離機が必要です。
混合物に対する適切な選択
この知識を適用するには、まず混合物の性質と目的を特定します。
- 目に見える固体と液体の分離が主な目的の場合： 中程度の速度での標準的な遠心分離機がほぼ常に正しいツールです。
- 2つの液体のエマルションを破壊することが主な目的の場合： 遠心分離は、密度に基づいて層化プロセスを劇的に加速させます。
- 非常に小さな生物学的粒子（例：細胞小器官、ウイルス）を単離することが主な目的の場合： 非常に高いG-フォースを生成できる超遠心分離機が必要になります。
- 溶媒から溶解した固体を分離することが主な目的の場合： 遠心分離は機能しません。蒸発、クロマトグラフィー、または蒸留などの別の方法を使用する必要があります。
結局のところ、遠心分離は、物理的な違いを利用して分離を達成するための物理的なツールです。
要約表：
| 分離タイプ | 一般的な例 | 主要原理 |
|---|---|---|
| 固体-液体 | 細菌細胞、沈殿物 | 密度の違いにより固体がペレット化される |
| 液体-液体 | 油/水、クリーム/牛乳 | 混ざり合わない液体が密度によって層をなす |
| 生物学的 | 血液成分、細胞小器官、タンパク質 | 高G-フォースによりサイズ/密度で分離 |
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