Лабораторная центрифуга: виды, принцип работы и применение

Центрифуга — один из базовых приборов медицинской лаборатории. Она используется для разделения компонентов биологического материала за счёт центробежного воздействия и позволяет подготовить кровь, мочу и другие образцы к дальнейшему исследованию.

Центрифугирование применяется в биохимии, гематологии, иммунологии, молекулярной диагностике и многих других направлениях. При этом для корректной пробоподготовки важно не только выбрать подходящую центрифугу, но и правильно установить режим работы.

Как работает лабораторная центрифуга?

При быстром вращении ротора частицы, находящиеся в жидкой среде, перемещаются с разной скоростью в зависимости от их плотности, размеров, формы и свойств среды.

Более крупные и плотные частицы обычно оседают быстрее, а менее плотные компоненты остаются в надосадочной жидкости.

Простой пример — центрифугирование крови.

После соответствующей подготовки образец можно разделить на:

• клеточные элементы;
• плазму или сыворотку в зависимости от типа пробирки и условий подготовки образца;
• промежуточные клеточные фракции при специальных методиках.

Полученный материал затем используется для выполнения лабораторных исследований.

Почему важна не только скорость вращения?

Характеристики центрифуг часто указывают в оборотах в минуту — rpm или об/мин.

Однако количество оборотов само по себе не определяет силу воздействия на образец.

Для лабораторной методики более важен показатель относительного центробежного ускорения — RCF, который обычно выражается в единицах g.

RCF зависит одновременно от:

• скорости вращения;
• радиуса ротора.

Поэтому две центрифуги с одинаковой скоростью в об/мин, но разными роторами могут создавать разное центробежное ускорение.

Если в методике указано значение RCF, заменять его аналогичным числом оборотов в минуту нельзя. Необходимо учитывать характеристики конкретного ротора.

Какие бывают центрифуги по скорости?

Единой универсальной классификации по количеству оборотов для всех производителей и областей применения не существует. Границы категорий могут различаться.

Условно центрифуги можно разделить на несколько групп.

Низко- и среднескоростные центрифуги

Используются для большинства повседневных лабораторных задач.

С их помощью выполняют:

• подготовку сыворотки и плазмы;
• осаждение клеточных элементов;
• обработку мочи;
• работу с некоторыми другими биологическими жидкостями.

Именно такие центрифуги чаще всего встречаются в клинико-диагностических лабораториях.

Высокоскоростные центрифуги

Создают значительно большее центробежное ускорение и используются для более специализированных задач.

Они могут применяться:

• при работе с клеточными компонентами;
• для выделения органелл;
• при работе с белками;
• в молекулярно-биологических исследованиях;
• на отдельных этапах выделения нуклеиновых кислот.

Часто такие приборы оснащаются охлаждением.

Ультрацентрифуги

Ультрацентрифуги способны создавать чрезвычайно высокое центробежное ускорение.

Они применяются главным образом в научных и специализированных лабораториях для работы с:

• вирусными частицами;
• липопротеинами;
• белковыми комплексами;
• мембранными структурами;
• другими многомолекулярными объектами.

Ориентироваться только на количество оборотов при сравнении таких приборов некорректно. Ключевой параметр — максимальное RCF.

Настольные и напольные центрифуги

По способу установки приборы можно разделить на настольные и напольные.

Настольные центрифуги

Это наиболее распространённый вариант для медицинской лаборатории.

Их преимущества:

• компактные размеры;
• относительно небольшой объём;
• возможность размещения непосредственно в рабочей зоне;
• большой выбор роторов и адаптеров.

Существуют как небольшие центрифуги на несколько пробирок, так и мощные настольные модели для значительного количества образцов.

Напольные центрифуги

Такие приборы обычно рассчитаны на больший объём материала или высокую производительность.

Они используются в крупных лабораториях, исследовательских центрах и службах крови.

Центрифуги с охлаждением и без него

Во время вращения ротора выделяется тепло. Повышение температуры может повлиять на некоторые образцы.

Поэтому существуют центрифуги с системой охлаждения.

Они позволяют поддерживать заданный температурный режим при работе с:

• клетками;
• некоторыми белками;
• ферментами;
• нуклеиновыми кислотами;
• другими термочувствительными материалами.

Для многих стандартных процедур пробоподготовки достаточно центрифуги без активного охлаждения, если это допускается методикой исследования.

Выбор зависит не от принципа «лучше с охлаждением», а от требований конкретной лабораторной процедуры.

Какие бывают роторы?

Ротор — одна из ключевых частей центрифуги. Именно в нём размещаются пробирки, контейнеры или специальные держатели.

Наиболее распространены два типа.

Угловой ротор

В угловом роторе пробирки фиксируются под постоянным углом к оси вращения.

Такая конструкция обеспечивает быстрое перемещение частиц к стенке и дну пробирки.

Угловые роторы широко используются:

• в микроцентрифугах;
• в молекулярной биологии;
• при осаждении клеток и частиц;
• в высокоскоростных центрифугах.

Ротор с подвесными стаканами

При остановленной центрифуге стаканы расположены вертикально, а во время вращения переходят практически в горизонтальное положение.

Такая конструкция удобна при необходимости получить горизонтальное разделение слоёв.

Подобные роторы широко применяются для:

• подготовки крови;
• работы с большим количеством пробирок;
• разделения компонентов по градиенту плотности;
• некоторых исследований в клинической лаборатории.

Выбор ротора зависит от используемых пробирок, объёма материала и требований методики.

Где применяют центрифугирование крови?

Одна из наиболее распространённых задач — подготовка крови к исследованию.

После взятия материала и выполнения необходимых преаналитических процедур центрифугирование позволяет получить плазму или сыворотку.

Они используются при большом количестве исследований, в том числе:

• биохимических;
• иммунологических;
• гормональных;
• серологических;
• коагулологических.

При этом режим центрифугирования зависит от типа пробирки и метода исследования.

Нельзя использовать один режим для всех проб крови без учёта требований производителя пробирки, реагентов и лабораторной методики.

Центрифугирование в исследованиях мочи

В классическом исследовании мочевого осадка центрифугирование позволяет сконцентрировать содержащиеся в образце форменные элементы.

В осадке могут исследоваться:

• эритроциты;
• лейкоциты;
• эпителиальные клетки;
• цилиндры;
• кристаллы;
• другие элементы.

При этом современные автоматические анализаторы мочи могут использовать и другие технологии, поэтому центрифугирование требуется не для каждого метода исследования мочи.

Центрифуги в молекулярной диагностике

В молекулярно-биологических лабораториях широко применяются микроцентрифуги.

Они используются на различных этапах пробоподготовки, например:

• при выделении ДНК и РНК;
• для осаждения материала;
• при работе с колонками для очистки нуклеиновых кислот;
• для кратковременного сбора жидкости со стенок микропробирок;
• при выполнении отдельных протоколов ПЦР-диагностики.

При этом сама центрифуга не выполняет ПЦР. Она является вспомогательным оборудованием для подготовки образцов и реагентов.

Применение в иммунологии и клеточных исследованиях

Центрифугирование используется для работы с клеточными суспензиями и выполнения различных этапов иммунологических исследований.

Например, оно может применяться для:

• осаждения клеток;
• удаления надосадочной жидкости;
• многократной отмывки клеточного материала;
• выделения определённых клеточных фракций;
• подготовки образцов к дальнейшему анализу.

Конкретный режим зависит от типа клеток и методики.

Использование в службе крови

Специализированные центрифуги применяются при работе с донорской кровью и её компонентами.

Центрифугирование может быть частью технологического процесса получения различных компонентов крови.

Такие приборы отличаются:

• большой вместимостью;
• возможностью работы со специальными контейнерами;
• точным контролем режимов;
• программируемыми циклами;
• требованиями к воспроизводимости процесса.

Оборудование для службы крови существенно отличается от небольшой настольной центрифуги клинической лаборатории.

Почему нельзя центрифугировать несбалансированный ротор?

Перед запуском центрифуги необходимо правильно сбалансировать образцы.

Пробирки, расположенные напротив друг друга, должны иметь сопоставимую массу и находиться в предусмотренных производителем позициях.

Сильный дисбаланс может привести к:

• вибрации;
• повреждению ротора;
• разрушению пробирок;
• выходу прибора из строя;
• повреждению образцов;
• потенциальной опасности для персонала.

Современные центрифуги могут иметь автоматическое обнаружение дисбаланса, но это не отменяет правильной подготовки ротора оператором.

Почему важно следить за состоянием ротора?

При вращении ротор испытывает значительные механические нагрузки.

Повреждения, коррозия, деформация или микротрещины могут снижать его прочность.

Поэтому необходимо соблюдать требования производителя по:

• очистке;
• дезинфекции;
• допустимым химическим средствам;
• максимальной нагрузке;
• максимальной скорости;
• срокам эксплуатации;
• техническому обслуживанию.

Особенно критично состояние роторов высокоскоростных центрифуг.

Какие функции есть у современных центрифуг?

В зависимости от класса оборудования прибор может иметь:

• цифровую установку скорости или RCF;
• таймер;
• программируемые режимы;
• контроль температуры;
• ускоренный или плавный разгон;
• регулируемое торможение;
• автоматическое распознавание ротора;
• защиту от превышения допустимой скорости;
• контроль дисбаланса;
• блокировку крышки во время вращения;
• сохранение рабочих программ.

Набор функций зависит от назначения прибора.

Для лаборатории важнее не максимальное количество режимов, а соответствие оборудования конкретным исследованиям и требованиям к пробоподготовке.

Как выбрать центрифугу для лаборатории?

Перед приобретением оборудования необходимо определить реальные рабочие задачи.

Следует учитывать:

• типы исследуемых образцов;
• необходимое RCF;
• объём пробирок;
• количество одновременно обрабатываемых образцов;
• тип ротора;
• необходимость охлаждения;
• совместимость с используемыми пробирками;
• интенсивность ежедневной нагрузки;
• требования к очистке и дезинфекции;
• наличие необходимых систем безопасности;
• доступность сервисного обслуживания.

Например, небольшая клиническая лаборатория и лаборатория молекулярной диагностики могут использовать совершенно разные центрифуги.

Поэтому универсальной модели, одинаково оптимальной для любых лабораторных задач, не существует.

Что важно запомнить?

Центрифуга — один из основных инструментов лабораторной пробоподготовки.

Она позволяет разделять компоненты биологических жидкостей и подготавливать образцы для множества исследований.

При выборе и эксплуатации важно учитывать не только скорость вращения, но и относительное центробежное ускорение, тип ротора, температуру, объём образцов и требования конкретной методики.

Не каждой лаборатории требуется высокоскоростная или охлаждаемая модель. Оборудование следует выбирать исходя из выполняемых исследований, предполагаемой нагрузки и применяемых лабораторных технологий.