遠心分離 原理 沈降係数 密度勾配 分離

遠心分離 原理

遠心分離 原理の基礎メカニズム

遠心分離とは、回転によって発生する遠心力を利用して、比重の異なる物質を分離する技術です。自然の重力沈降では数時間から数日かかる分離が、遠心力を加えることで数分〜数十分に短縮されます。

参考）遠心分離機の仕組み 機械事業

原理を一言で言えば「回転半径と回転数の2乗に比例する遠心力」を発生させ、これにより粒子に働く見かけの重力を1Gの数千倍〜数十万倍に高めることです。遠心効果は以下の式で表されます。

遠心効果 ≒ 895 / rN²

遠心分離 原理を支えるストークスの法則

v = d²(ρₚ - ρₗ)g / 18η

• 粒子の沈降速度は粒子サイズの2乗に比例する
• 粒子と溶媒の密度差が大きいほど速く沈降する
• 粒子密度と溶媒密度が等しい場合、沈降速度はゼロになる
• 溶媒の粘度が高いほど、沈降速度は遅くなる
• 重力（または遠心力）が大きいほど、沈降速度は速くなる

医療従事者が知っておくべき意外な事実は、同じ直径の粒子でも形状が球からずれると沈降速度が低下することです。这是因为、非球形粒子は溶媒分子との摩擦抵抗が大きくなるためです。

参考）遠心分離の原理と実験方法を解説｜沈降係数と密度勾配遠心分離

遠心分離の原理と実験方法を解説｜沈降係数と密度勾配遠心法 - 理化学情報
ストークスの法則の導出と沈降係数の定義が詳しく解説されています。

遠心分離 原理の沈降係数とS値

沈降係数（sedimentation coefficient）は、粒子が遠心場においてどの程度速く沈降するかを示す指標です。この値は「S値」または「スベドべリ単位（S）」で表され、1S = 10⁻¹³秒に定義されます。

沈降係数sは以下の式で定義されます。

s = v / (rω²) = M(1 - ρV̄) / (Nₐf)

ここでvは粒子速度、rは回転軸からの距離、ωは角速度、Mはモル質量、ρは溶媒密度、V̄は偏比容、Nₐはアボガドロ定数、fは摩擦係数です。

この式が示す重要な関係は以下の通りです。

• 粒子のモル質量が大きいほど、沈降係数は大きくなる
• 偏比容（密度の逆数）が小さいほど、速く沈降する
• 摩擦係数が小さい（＝球に近い形状）ほど、沈降は速い

臨床検査でよく使われるリボソームの沈降係数は、大腸菌の場合70S（30Sと50Sのサブユニットから構成）です。この値は、RNAとタンパク質の複合体としての構造解析に不可欠なパラメータです。

意外な事実として、同じ質量の粒子でも、溶媒和（粒子周囲に溶媒分子が配向する現象）の度合いにより沈降係数が大きく変化します。溶媒和すると見かけの体積が増加し、摩擦係数が増大するため、沈降が遅くなるのです。

遠心分離 原理の密度勾配遠心法

密度勾配遠心法は、溶液中に密度の異なる層を作り、粒子をそれぞれの密度に等しい位置まで沈降（または浮遊）させる技術です。この手法は、1958年にメセルソンとスタールがDNAの半保存的複製を実証した実験で有名です。

参考）https://www.jove.com/ja/science-education/v/14616/centrifugation

密度勾配遠心法には、大きく分けて2つの方法があります。

速度沈降遠心分離

平衡沈降遠心分離
塩化セシウム（CsCl）溶液などを用いて20〜70%のような急な密度勾配を作ります。遠心すると、各成分は自身の密度と溶液密度が等しくなる位置でバンドを形成し、分離が完了します。

医療従事者にとって重要な応用例は、血漿中のリポタンパク質（LDL、HDLなど）の分離です。これらの粒子は密度がわずかに異なるため、密度勾配遠心法で精確に分画できます。

密度勾配遠心法の原理と実際の応用例が詳しく解説されています。

遠心分離 原理の意外な事実と臨床的意義

遠心分離には、意外な歴史的事実がいくつかあります。

遠心分離機の実用化は19世紀
スウェーデンの発明家グスタフ・デ・ラバルが、1883年に世界初の連続運転型遠心分離機（クリームセパレーター）を実用化しました。この装置は、牛乳からクリームを分離するために発明され、140年以上にわたり改良が続けられています。

参考）分離とは - 遠心分離機の仕組みとラインナップ

超遠心機は100,000G以上

臨床検査でのRCFの重要性

RCF = 11.18 × r × (Q/1000)²

血液検査の標準化

相対遠心力の計算とノモグラムの使用方法が詳しく解説されています。

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