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密度梯度离心基础知识
作者:余兴明 来源:中科院上海生物化学研究所 时间:2007-8-5

    (II) 梯度型式选择:
      离心时,溶液中各种组份都同时处在离心声中,被分离的组份及梯度材料的分子都在离心力作用下向离心管底部(甩平、角式)或外壁(垂直管、近垂直管、区带转头、连续流转头)沉降。对于梯度材料,如果它们的沉降速度在离心初始阶段远大于浓度扩散速度,那么就可以形成连续的密度梯度。这就是"自形成梯度"产生的基本原理。我们可以把被分离样品和梯度材料混合在一起离心,梯度材料去离心过程中形成密度梯度,而样品中不同组份则沉降(或上浮)到它们自己的等密度区。
      另一种方法是预先制备好密度梯度,将样品铺在离心管(或区带转头)的某一部份(如离心管上部,下部或中部),离心,使样品中各种组份沉降(或上浮)到它们自己的等密度区前后,从而达到了我们所需要的"平衡"结果。
      预先形成梯度可以是不连续的(阶梯型),也可以是连续梯度。阶梯型不连续梯度大多适用于从植物或动物组织的匀浆中分离整细胞或亚细胞器,或用于某些病毒的纯化。而连续梯度由于共密度平滑地变化,对于某些生物样品的多种成份组合的分离可以得到较低市制分辨率而得到了广泛的应用。
      选择自形成梯度还是预形成梯度,主要取决于材料的性质。如果些胶体硅材料可在10000~20000xg的离心声中离心30分钟就可以自形成梯度(例如美国Du pont公司的的Ludox及瑞典pharmarcia公司的Percoll)。但对某一些材料,自形成梯度的时间很长,对离心力的要求也很高。如CSCL或Meterizamide需要去50000~500000xg的离心声中离心数少时甚至数十小时才能自形成梯度(如用CSCL做质粒DNA分离,梯度液中加E.B.和Triton x-100,在490000xg需要离心4小时,才能利用CSCL的自形成梯度分离出质粒DNA,染色体DNA,RNA和蛋白质。)
      预形成梯度的主要优点是离心时间较短,因为我们只要故虑样品中某个组份到达其等官度区所需要的时间。预形成梯度常被用来分离较大颗粒,如>100S的样品。
    预形成梯度的缺点是
    *被分离样品的容量较少(与自形成梯度相比)
    *对某些样品如细胞或病毒会因单向沉降而产生颗粒聚结从而减少了样品回收率至影响纯度。
    *预先制备样度液需较长时间,亦较繁复。
      与预形成梯度相比较,自形成梯度有较大样品容积(特别是使用垂直剖面积较大的垂直管或近垂直离心这个优点更突出);可以简单地高速初始密度;离心过程中样品既右上浮又右沉降,也就是混在梯度液中的样品在离心过程中,在梯度材料自形成梯度的同量从离心力的正反二个方向向自己的等密度区靠扰,最后排列在自己的等密度区上下形成纯样品区带。从这个意义上说,样品是真正到达了自己的等密度区而具有很高制纯度。
    自形成梯度的等密度离心又称均衡等密度离心(Eguilibrim-Isopycnic)
    (III) 自形成梯度
      综上所述,某些梯度材料能够在离心过程中形成密度梯度,Ludox,Percoll中的胶体硅颗粒可以较快地向离心管靠低(如甩平转头)等或外侧(垂直管转头)而另一些材料如CSCL,CS2SO4,Metrizamide等则在沉降过程中爱到共反向浓度扩散的影响,达到平衡的时间就比较长。平衡后梯度曲线的形状不仅依赖于梯度材料本身,也取决于其他一些离心条件。自形成梯度的最基本条件是样品中需要分离的各种组份在分离后都就包含在梯度范围中。最佳的自形梯度形状还应该使被分离后都处在各自的较窄的纯样品区带内,只有这样才能得到较高的分辨率。但很多单一组份在尺寸和密度上都有差异。就使得同种样品区带离心后显得比较宽。为了提高分辨率变必须使梯度曲线变得陡一些,但要随心所欲做到这一点都很困难。
      幸运的是对于所有梯度材料,计算自形成梯度的公(也就是自形成梯度曲线的形成原理)是一样的。由于用CSCL分离质粒DNA已有近30年历史,大多数定量分析工作集中于讨论CSCL梯度。
      用下面的一些公式可以计算自形成梯度曲线的形状,可用于设计最合适的密度梯度。
    *梯度曲线的斜率:
    密度梯度曲线中某一点的最终斜率ds/dr可以用下式计算:

    ω是角度(弧度/秒) γ:从旋转中心到计算点的距离(cm)
    βo:梯度材料的密度梯度比例常数
    βo的数值请参考①余兴明"质粒DNA的超速离心分离"
    或②J.B.Martin"Biopolymers"9,1970,P597
    用这个公式计算梯度曲线的中下部占3/4离心管中梯度高度的ds/dr值比较接近实际情况,对上部1/4长度与实际情况有些差别。

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