Wirówki laboratoryjne
Wirówki laboratoryjne stanowią jeden z najważniejszych przyrządów wykorzystywanych w laboratorium do przygotowywania próbek. Wirówka uważana jest za najbardziej wydajny sposób rozdzielania próbek o różnej gęstości. W obecnych czasach dostępnych jest wiele typów wirówek, począwszy od modeli stołowych po duże wolnostojące wirówki.
Historia wirówki laboratoryjnej
Historia wirówki sięga 1659 roku, kiedy to holenderski matematyk i naukowiec Christiaan Huygens w swoim dziele „De vi centrifuga” stworzył termin „siła odśrodkowa”.
Następnie 200 lat później w 1864 roku, niemiecki mistrz piwowarski Antonin Prandtl wpadł na pomysł wirówki mleczarskiej. Urządzenie to przyspieszyło proces oddzielania śmietanki od mleka, co stanowiło jednocześnie pierwszy krok do nowoczesnych przetworów mlecznych o określonej zawartości tłuszczu.
W ciągu następnych 30 lat ewolucja wirówek przyspieszyła.
Potencjał wirówki w warunkach laboratoryjnych został po raz pierwszy wykorzystany przez szwajcarskiego lekarza i biologa Friedricha Mieschera, który wykorzystał siłę odśrodkową, aby uzyskać z komórek coś co nazwał „nukleiną” – obecnie znaną jako DNA. W 1869 roku Miescher użył prostego systemu wirowania do izolacji organelli komórkowych. Proces ten doprowadził do odkrycia nowej, ważnej klasy składników biologicznych, nazwanych później kwasami nukleinowymi.
W 1879 roku Gustaf de Laval zademonstrował pierwszy ciągły separator odśrodkowy. Odkrycie to po raz pierwszy umożliwiło komercjalizację wirówki.
Następny duży krok naprzód w ewolucji wirówki nastąpił w latach dwudziestych i trzydziestych XX wieku.
W 1925 roku szwedzki chemik Theodor Svedberg, zajmujący się koloidami, opracował ultrawirówkę zdolną do osiągnięcia 900 000 g. Svedberg użył swojej wirówki do określenia masy cząsteczkowej i struktury podjednostki bardzo złożonych białek, takich jak hemoglobina. Informacja ta zapoczątkowała rewolucję w rozumieniu struktur białek. W 1926 roku Svedberg otrzymał Nagrodę Nobla za wynalezienie ultrawirówki i za pracę w dziedzinie chemii koloidów.
Ultrawirówka Svedberga była jednak zasadniczo instrumentem analitycznym, zaprojektowanym specjalnie do dokładnego rejestrowania granic sedymentacji. Przekształcenie go do procesów preparatywnych byłoby niemożliwe z prostego powodu, że jego oś wirnika była pozioma. Przejście od tych instrumentów analitycznych do nowoczesnych ultrawirówek preparatywnych nastąpiło dzięki staraniom francuskiego fizyka Emile’a Henriota , który był w stanie osiągnąć bardzo wysokie prędkości obrotowe za pomocą bezłożyskowej głowicy napędzanej i wspomaganej sprężonym powietrzem.
W 1930 roku belgijski lekarz i biolog komórkowy Albert Claude odkrył proces frakcjonowania komórek, w którym wirowanie stanowi niezbędny etap. W tym samym czasie Jesse Beams, amerykański fizyk z University of Virginia, pracował nad ultrawirówkami wysokopróżniowymi, aby osiągnąć jeszcze wyższe prędkości niż ultrawirówka Svedberga. Jego badania opierały się na zasadach magnetyzmu.
Lata pięćdziesiąte były pełne przełomowych wynalazków specjalizujących się w nowych technikach wirówek.
W 1942 roku Albert Claude i jego kolega James S. Potter opublikowali innowacyjny artykuł zatytułowany „Izolacja nici chromatynowych z jądra spoczynkowego komórek białaczkowych”. W artykule przedstawiono serię etapów wirowania, w których albo supernatant albo osad był zbierany aż do osiągnięcia pożądanego składnika komórkowego.
Następnie po II wojnie światowej w latach 1946-1947 Edward Pickles założył firmę Spinco, która specjalizowała się w projektowaniu i produkcji ultrawirówek. W 1949 roku firma wprowadziła pierwszą komercyjną ultrawirówkę preparatywną Model L, która mogła obracać się do 40 000 obr/min.
W 1950 roku amerykański biochemik Myron K. Brakke zastosował wirowanie w gradiencie gęstości jako technikę separacji do oczyszczenia wirusa żółtej karłowatości ziemniaka. Od tego czasu technika ta stała się szeroko stosowanym narzędziem do oczyszczania makrocząsteczek, wirusów i organelli.
W 1955 roku Beckman Instruments (obecnie Beckman Coulter) producent ultrawirówek przejął firmę Spinco. Beckman natychmiast zaczął ulepszać konstrukcje wirówek.
W 1962 roku Netheler & Hinz Medizintechnik, firma z siedzibą w Hamburgu w Niemczech , opracowała pierwszą mikrowirówkę do użytku laboratoryjnego. Ten system mikrolitrowy (model 3200) został wprowadzony do użytku w rutynowych laboratoriach analitycznych w skali mikrolitrowej i oferował tylko jedno pokrętło do kontrolowania czasu wirowania. System Microliter był podstawą szerokiej gamy narzędzi dla laboratorium molekularnego, które zostały następnie opracowane przez różne firmy biotechnologiczne i laboratoryjne.
W 1964 roku firma Eppendorf zaprezentowała pierwszą mikrowirówkę do użytku laboratoryjnego – Centrifuge 3200, rewolucjonizując w ten sposób globalne badania w dziedzinie nauk przyrodniczych.
Dwanaście lat później w 1976 roku zaprezentowano innowację w świecie wirówek. Firma Hettich przedstawiła pierwszą wirówkę sterowaną mikroprocesorem. Technologia ta znacznie wyprzedziła swoje czasy i w następnych dziesięcioleciach stała się standardem w wirówkach.
W latach 90-tych Beckman wprowadził na rynek wysokowydajną wirówkę Avanti, która stała się jednym z najpopularniejszych modeli wirówek w historii.
W tym dziesięcioleciu Firma Hettich pokazała innowacyjne urządzenia, takie jak pierwsza wirówka sterowana robotem, radykalnie poprawiająca wydajność pracy w wysokowydajnych badaniach przesiewowych i medycznych laboratoriach diagnostycznych. Ta wirówka laboratoryjna oferowała również sterowanie PC i regulowane pozycjonowanie wirnika.
Lata 90 to dynamiczny rozwój małych i cichych wirówek laboratoryjnych oraz wirówek z chłodzeniem, które zapoczątkowały nową erę na rynku.
Oryginalne wirniki, takie jak te zbudowane przez Svedberga, były wykonane ze stali rozciągliwej. Obecnie materiały takie jak stopy aluminium i tytan są stosowane w celu wytrzymania dużych sił odśrodkowych. Wprowadzanie nowych materiałów na wirniki poprawia żywotność i użyteczność wirówek. Wirniki z włókna węglowego Fiberlite TM (stosowane w wirówkach wolnostojących).
Standardowe funkcje wirówek obejmują teraz również procesy chłodzenia, programowania, automatycznego wykrywania niewyważenia, redukcji szumów i wymiennych systemów wirników. W nowoczesnych wirówkach dodano również systemy próżniowe, aby zmniejszyć tarcie i utrzymać kontrolę temperatury.
W dzisiejszych czasach klienci mogą wybierać z szerokiej gamy wirówek stołowych, stojących i ultrawirówek przeznaczonych do pracy, zarówno badawczej, diagnostycznej, jak i produkcyjnej.
Proces wirowania laboratoryjnego
Wirówki oddzielają cząstki i struktury zawieszone w cieczy, przykładając tysiące równoważników siły grawitacji do próbki poprzez wirowanie. Laboratoria używają wirówek do klarowania zawiesin, oddzielania cieczy, izolowania zawieszonych cząstek, wykonywania pomiarów gęstości i do wielu innych zastosowań.
Wirowanie to proces koncentracji sił naturalnych, które działają na wszystkie cząstki o różnej gęstości, aby przyspieszyć naturalny proces separacji. W trakcie wirowania siła odśrodkowa powoduje rozdzielenie różnych składników mieszaniny.
W istocie wirowanie polega na separacji poprzez sedymentację. Gęstsze cząsteczki opadają na dno probówki, podczas gdy bardziej lekkie cząsteczki pozostają zawieszone. Odwirowanie spowoduje wyparcie cząstek nawet nieznacznie różniących się gęstością. Na szybkość odwirowania wpływają cztery czynniki:
- gęstość próbek i roztworu,
- temperatura i lepkość,
- odległość, na jaką cząstki są przemieszczane,
- prędkość obrotu.
Szybkość wirowania jest określana przez przyspieszenie przyłożone do próbki, zwykle wyrażone w obrotach na minutę (RPM) lub w wielokrotnościach g (przyspieszenie ziemskie spowodowane grawitacją).
Konstrukcja wirówki laboratoryjnej
Celem wirówki jest powtórzenie i przyspieszenie wirowania w celu oddzielenia składników próbki. Ze względu na występujące siły maszyny te są starannie zaprojektowane, aby pracować wydajnie, jednocześnie zapewniając operatorowi bezpieczeństwo.
W środku wirówki znajduje się mocny silnik, który tworzy wirowanie. Do silnika dołączony jest wirnik, w którym będą spoczywały pojemniki, w których znajdują się probówki zawierające materiał do odwirowania. Pojemniki te można wirować pod kątem 45 stopni (wirówka o stałym kącie), 90 stopni (wirówka pozioma) lub bez kąta (wirówka pionowa). W zależności od wirówki, probówki mogą być albo ładowane pod kątem, pod jakim będą się obracać, albo ładowane do pojemnika, który po uruchomieniu dostosuje się do innego kąta. Ta druga metodologia jest nazywana wiadrem obrotowym i jest powszechnie stosowana w wirówkach poziomych.
W zależności od wybranej wirówki może być dostępnych wiele różnych możliwości kontroli. Niektóre wirówki są wstępnie zaprogramowane na jeden, dwa lub trzy ustawienia przetwarzania. Niektóre są całkowicie programowalne dzięki wyposażeniu w wyświetlacz cyfrowy. Niezależnie od typu sterowania, po uruchomieniu wirówka będzie uruchamiać silnik w oparciu o podane ustawienia. Podczas cyklu próbka w probówkach zostanie rozdzielona na różne składniki, dzięki czemu są one gotowe do analizy.
Rodzaje wirówek laboratoryjnych
Mikrowirówki laboratoryjne
Mikrowirówki są kompaktowe, bezpieczne i łatwe w użyciu, łączą moc z wszechstronnością i wygodą. Mikrowirówki mogą obsługiwać wszystkie protokoły mikroobjętości – w tym minipreparaty kwasów nukleinowych, kolumny do wirowania, probówki i paski do PCR oraz kapilary hematokrytowe – na niewielkiej powierzchni.
Małe wirówki laboratoryjne
Małe wirówki stołowe używane są głównie do niewielkich ilości materiału, który szybko osiada, takiego jak komórki drożdży czy erytrocyty. Wirówki te oferują zmaksymalizowaną pojemność w kompaktowej obudowie, dostosowując się do ustawień wielu laboratoriów z elastycznością dostosowywania się do zmieniających się potrzeb klinicznych i badawczych.
Zastosowania badawcze: biologia komórkowa, mikrobiologia, genomika / biologia molekularna, proteomika, biochemia, badania farmaceutyczne.
Zastosowania kliniczne: chemia kliniczna, mikrobiologia kliniczna, hematologia, immunologia, badania kliniczne.
Wirówki laboratoryjne ogólnego przeznaczenia
Wirówki te charakteryzują się innowacyjnymi technologiami wirnika zaprojektowanymi z myślą o lepszej wydajności i elastyczności na stole laboratoryjnym, większej pojemności próbek i zwiększonej prędkości. Istnieje szeroki wybór rotorów, łyżek i adapterów dostosowanych do indywidualnych potrzeb użytkowania.
Wirówki laboratoryjne o dużej pojemności
Wirówki o dużej pojemności stanowią połączenie najnowocześniejszej technologii, dużej prędkości i wszechstronnych możliwości rotora, co pozwala zmaksymalizować produktywność dzięki imponującym szybkościom przyspieszenia. Umożliwia to zebranie mikroorganizmów, szczątków komórkowych, większych organelli komórkowych i wytrąconych białek.
Ultrawirówki laboratoryjne
Ultrawirówki łączą wyjątkową prędkość, bezpieczeństwo i ergonomię w kompaktowej konstrukcji. Ultrawirówki i mikro-ultrawirówki są zaprojektowane tak, aby zapewniać wyjątkową prędkość. Ultrawirówki służą do separacji makrocząsteczek / badań kinetyki wiązania ligandów, oddzielania różnych frakcji lipoprotein z osocza i deprotonizacji płynów fizjologicznych do ananilizacji aminokwasów.
Wirówki laboratoryjne z chłodzeniem
Chłodzenie stanowi ważny dodatek do każdej wirówki laboratoryjnej. Wirówki laboratoryjne z chłodzeniem mają zakres temperatur od -20°C do 40°C, co czyni je idealnymi do analizy DNA, RNA, PCR lub przeciwciał. Wirówka laboratoryjna z chłodzeniem może osiągać prędkości obrotowe ponad 30 000 obr/min i względną siłę odśrodkową (RCF) ponad 65 000 x g.