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超遠心分離機は、ローターを非常に高速で回転させるように最適化された遠心分離機であり、最大1,000,000 g (約9,800 km/s² ) の加速度を発生させることができます。[ 1 ]超遠心分離機には、分取用超遠心分離機と分析用超遠心分離機の 2 種類があります。どちらの種類の装置も、分子生物学、生化学、高分子科学において重要な用途があります。[ 2 ]
1924年、テオドール・スヴェドベリは7,000 g (12,000 rpm) を発生させることができる遠心分離機を製作し、以前に開発された超顕微鏡と対比させるために、それを超遠心分離機と名付けました。1925年から1926年にかけて、スヴェドベリは最大100,000 g (42,000 rpm) の場を可能にする新しい超遠心分離機を製作しました。[ 3 ]現代の超遠心分離機は通常、100,000 gを超えるものに分類されます。[ 4 ]スヴェドベリは、超遠心分離機を使用したコロイドとタンパク質の研究により、1926年にノーベル化学賞を受賞しました。[ 5 ] [ 6 ] [ 3 ]
1930年代初頭、エミール・アンリオは、適切な位置に圧縮空気の噴射を行うことで、ベアリングのないコマを非常に高速に回転させることができることを発見し、その原理に基づいて超遠心分離機を開発した。バージニア大学物理学科のジェシー・ビームズは、まずその原理を高速カメラに応用し、その後アンリオの超遠心分離機の改良に着手したが、彼のローターは常に過熱していた。[ 7 ]
ビームの教え子であるエドワード・グレイドン・ピッケルズは、1935年にシステムを真空にすることでこの問題を解決した。これにより、高速回転時に発生する摩擦を低減することができた。真空システムによってサンプル全体の温度を一定に保つことも可能になり、沈降結果の解釈を妨げる対流を排除することができた。 [ 8 ]
1946年、ピッケルスは自身の設計に基づいた分析用および分取用超遠心機を販売するためにスピンコ（Specialized Instruments Corp.）を共同設立した。ピッケルスは自身の設計が商業利用には複雑すぎると考え、より操作が簡単な「間違いのない」バージョンを開発した。しかし、改良された設計にもかかわらず、分析用遠心機の販売は低迷し、スピンコは倒産寸前となった。同社は、生物医学研究所で主力機として人気が出始めていた分取用超遠心機の販売に注力することで生き残った。[ 8 ] 1949年、スピンコは最大回転数40,000rpmに達した最初の分取用超遠心機であるモデルLを発表した。1954年、ベックマン・インスツルメンツ（後のベックマン・コールター）が同社を買収し、スピンコ遠心機部門の基礎を築いた。[ 9 ]
超遠心分離機には、さまざまな実験に適した多種多様なローターが用意されています。ほとんどのローターは、サンプルが入ったチューブを保持するように設計されています。 スイングバケットローターでは、チューブがヒンジで吊り下げられ、ローターが最初に加速するとチューブが水平方向に向きを変えます。[ 10 ]固定角度ローターは、単一の材料ブロックで作られており、所定の角度で穴が開けられた空洞にチューブを保持します。 ゾーンローターは、チューブではなく単一の中央空洞に大量のサンプルを収容するように設計されています。一部のゾーンローターは、ローターが高速回転している間にサンプルを動的にロードおよびアンロードすることができます。
分取用ローターは、細胞小器官（ミトコンドリア、ミクロソーム、リボソーム）やウイルスなどの微粒子画分を沈殿させるために生物学で使用されます。また、濃度勾配分離にも使用できます。濃度勾配分離では、チューブの上部から下部に向かって、濃度の高い物質を溶液として徐々に濃度を上げて充填します。 細胞小器官の分離には、一般的にショ糖濃度勾配が使用されます。核酸の分離には、セシウム塩濃度勾配が使用されます。サンプルを十分な時間高速で回転させ、分離が完了したら、ローターをゆっくりと停止させ、各チューブから濃度勾配を穏やかにポンプで排出して、分離された成分を分離します。
超遠心分離機の運転中のローターの膨大な回転運動エネルギーは、回転ローターの壊滅的な故障を深刻な懸念事項にし、それは派手に爆発する可能性がある。ローターは従来、アルミニウムやチタンなどの高強度重量金属で作られてきた。日常的な使用や過酷な化学溶液によるストレスは、最終的にローターを劣化させる。このリスクを軽減するには、推奨される制限内で装置とローターを適切に使用し、腐食を防ぎ劣化を検出するためにローターを注意深くメンテナンスする必要がある。[ 11 ] [ 12 ]
近年では、軽量な炭素繊維複合材で作られたローターもあり、最大60%軽量化され、加速/減速速度が向上しています。炭素繊維複合材ローターは耐腐食性にも優れており、ローター故障の主な原因を解消しています。[ 13 ]
ウィキメディア・コモンズにある、実験用超遠心分離機に関連するメディア