Keep Calm and Spin On: The Whats and Whys of Centrifugation (日本語)

遠心分離について、もっと具体的に言えば、有名なコーネル大学の遠心分離事故のように、遠心分離がうまくいかないことにまつわる怖い話を聞いたことがあるでしょう。 遠心分離にまつわる失敗の多くは、ユーザーの不適切な取り扱いによるものです。 したがって、機械や人にダメージを与えないためには、遠心分離中になぜ私たちが行うことを理解することが重要です。 ここでは、遠心分離中に見落とされやすい最も一般的な問題をいくつか挙げ、それらがなぜ遠心分離機の適切な取り扱いにとって非常に重要なのかを説明します。

It’s All About Balance

遠心分離は、サイズと密度に基づいてサンプル成分を効果的に分離するために遠心力を発生させます。 わずかな重量のアンバランスが異常な振動を引き起こし、ローターにダメージを与えることがあります。 バランスを崩した遠心分離機は、不安定な化学反応と同じくらい危険です。 装置の破損だけでなく、装置の故障、サンプルの破損による有害な汚染物質の環境への放出（感染性サンプル、有害なエアロゾルなど）、ユーザーの負傷など、ドミノ式に大惨事が発生する可能性があります。

A) The Need for Precise Balancing at High Speeds

高速遠心分離の際には、精密なバランシングが重要です。 このことをよく理解するためには、物理学の基本的な概念に立ち返る必要があります。 ニュートンの第2法則によると、力（F）は質量（M）×加速度（A）に等しい。 したがって、遠心分離の際に発生する遠心力は、試料の質量と加速度に正比例します。 円運動の場合、加速度は回転速度とローターの半径に関係します。

B) Balancing Based on Rotor Type

遠心分離機のローターが角度固定式かスイングバケット式かにかかわらず、バランスをとる際に考慮すべき2つの重要な要素は、サンプルの量とチューブの対称的な配置です。 すべてのチューブのサンプル量が同じであること、チューブが遠心分離機の中で真向かいに配置されていることが重要です。 チューブの数が不揃いの場合は、実験用チューブと同量の水を入れたチューブを1本追加して均等にします。 溶液の密度が似ていない場合（アセトンと水など）は、正しくバランスをとるために、チューブは体積ではなく質量が同じになるようにします。 スイングバケット式ローターの場合、さらに考慮すべき点は、すべてのスロットにマシンに適した、同じ重さのローターバケットが入っていることを確認することです。

2.RCFとRPMの違いとその理由

遠心力の速さを表すのに、RCF（相対遠心力）とRPM（毎分回転数）がよく使われます。 しかし、この2つの単位は全く違います。 RPMは回転速度を表し、ローターの半径に依存します。 RCFは試料にかかる遠心力を表し、ローターの半径と回転速度の両方を考慮しています。 回転数を適切に調整すれば、ローターの大きさが異なる遠心分離機でも同じRCFを得ることができます。 これにより、RCFは遠心分離機間で比較することができるため、遠心速度を表すのに最適な単位となっています。一方、RPMは同じローター半径の遠心分離機であれば一定です。

3.時間、速度、および遠心分離

遠心分離速度の選択は、サンプル中の粒子のサイズと壊れやすさに依存します。 粒子径が小さいほど、遠心分離速度は速くなります。 例えば、バクテリアの細胞は、哺乳類の細胞（500-2000×g）よりも高い速度（2000-10000×g）でペレット化されます。

分離効率に影響を与えるもう一つの重要な要素はRCFです。 RCFはローターの半径とRPMの二乗に比例します。 RCFがRPMの二乗に依存することから、1000RPMで5分、500RPMで10分という遠心分離速度は互換性がありません。 前者は後者よりもはるかに大きなRCFを生成します。

4.異なる温度での遠心分離

遠心分離は熱を発生させ、遠心分離機内の温度を上昇させます（時には15°C以上）。 これは、温度に敏感なサンプルの安定性に影響を与える可能性があります。 このような場合、通常は冷蔵遠心機が好まれます。 しかし、常温の遠心分離機でも一定の温度を保つことができます。

A) ロータの材質

遠心分離中の温度は、ロータの材質の熱伝導率に影響されます。 鉄やアルミなどの金属製のローターは、密度が高く、熱伝導率が高いため、熱を効率よく伝え、冷えていきます。 熱を効率よく伝え、すぐに冷めてしまいます。 逆に、ポリマーやカーボンファイバーなどの素材は、熱を遮断し、一定の温度を保つことができます。

B) ローターの形状

扇風機の羽根が機械の内外の空気の流れに影響を与えるのと同じように、ローターの形状が遠心分離機内の空気の流れを決定します。 温度を維持するためには、ローターの形状によって遠心分離機内の空気の流れを最適化することが不可欠です。

C) 速度

回転速度は、温度の上昇に正比例し、速度が高いほど熱が発生しやすくなります。 遠心分離機の最大速度と、実験の結果を変えない温度範囲を維持する速度の範囲を理解することが重要です。 通常、このような情報はメーカーが機器のマニュアルで提供してくれるので、ユーザーは制限を理解して回避することができます。

5. ブレーキをかけるかかけないか

遠心分離の際、サンプル成分の分離は減速段階でも継続して行われます。 多くの遠心分離機には、減速設定（ブレーキ）を制御してより早く停止させるオプションがありますが、このオプションが本当に必要なのはどのような場合か、またサンプルの結果にどのような影響があるのか

ブレーキは、急停止の影響を受けない核酸抽出やバクテリア細胞のペレッティングを伴う遠心分離の際に特に有効です。 しかし、末梢血単核細胞の分離やグラジエント遠心など、急な減速に敏感な実験では、ブレーキをかけると分離した層が再混合してしまうことがあります。 このような場合には、ブレーキをオフにして減速を緩やかにし、グラディエントを乱さないようにするのが適しています。 遠心分離機の中には、さまざまな減速度を設定できるものがあります。 これは、哺乳類の細胞を回転させるときに便利です。哺乳類の細胞は、急激な減速に敏感ですが、同時に、遠心分離機が停止するまでの時間を最小限にするためにある程度の減速が必要です。

6.ペレットの行方

遠心分離の最も一般的な用途の1つは、細菌細胞や哺乳類細胞、核酸などのサンプルをペレット化することです。 角度固定式のローターを使用している場合は、ローターの角度によってペレットの位置が決まります。 ペレットの位置を常に把握するためには、蓋のヒンジが同じ向きになるようにチューブを回転させるのが良い実験方法です（例えば、蓋のヒンジが外側を向いている状態）。 これは、DNA抽出の際に、エタノール洗浄ステップの後にペレットがほとんど見えなくなってしまう場合に、サンプルの損失を防ぐために特に有効です。

全体として、この記事を読むことで、遠心分離機をより快適に、自信を持って使えるようになることを願っています。

全体として、この記事を読むことで、遠心分離機をより快適に、自信を持って使うことができるようになれば幸いです。 あなたに力がありますように！

1. Eppendorf. 遠心分離機の安全性について。
2. エッペンドルフ。 熱伝導率。
3. Sigma. Sigma 4-5L を用いた High Throughput Ambient Temperature Centrifugation 中のサンプル温度
4. Owen Mitch Griffith. Sample Re-mixing During Density Gradient Separations with Thermo Scientific Fiberlite F21-8x50y mL Fixed-Angle Rotor（サーモサイエンティフィック ファイバーライト F21-8x50y mL 固定アングルローターによる密度勾配分離中のサンプル再混合）。