التثفيل centrifugation هوعملية فيزيائية تعتمد على تطبيق مبدأ القوة النابذة force centrifuge الناتجة من عمل الدوران المتسارع، الغاية منه فصل مزيج من المواد السائلة أوالغازية ذات الكثافة المتباينة، أوفصل الجزيئات أوالقطيرات أوالعناصر المعلقة في سائل.

ويستخدم التثفيل في الدراسات والبحوث الفهمية التابعة لمجالات كثيرة مثال: البيولوجية الخلوية والجزيئية والتحاليل الطبية، وصار من التقنيات المستخدمة كثيراً في مخابر الفيزياء الحيوية والكيمياء الحيوية والصناعات المتنوعة.

القوة النابذة والتثفيل

تؤدي قوة الجاذبية الأرضية الطبيعية إلى فصل حبيبات أوعناصر معلقة في سائل تبعاً لكثافتها وأوزانها. ويلاحظ حتى هذه العناصر إما حتى تطفوعلى سطح السائل، وإما حتى تتوضع في قعر الإناء وتتجمع مشكّلة الراسب. ويطلق على هذه الحادثة الأخيرة اسم عملية الترسيب sédimentation. وتشكل درجة لزوجة السائل وحجم الحبيبات المعلقة فيه وكتلتها، عوامل هامة في مسار عملية الترسيب. وعندما تكون هذه الحبيبات متساوية الكثافة، فالحبيبات الأكبر هي التي تتوضع في الأسفل تليها الحبيبات الصغيرة فوقها. وهذا ما يلاحظ على سبيل المثال في حالة التربة المعلقة في الماء.

وتجدر الإشارة إلى أنه عندما تكون الحبيبات أوالجسيمات المعلقة في السائل صغيرة جداً، فتكون عملية الترسيب بطيئة جداً حتى إنها تبدوشبه متوقفة كما هي الحال في المحاليل الغروانية solutions colloïdales. ويقوم الباحثون والمحلّلون بقياس ما يسمى سرعة الترسيب vitesse de sédimentation ويسميها بعضهم سرعة التثفل للعناصر المدروسة. وقد وجدوا حتى هذه السرعة بطيئة نسبياً وهي في حدود 10-15 ميليمتراً في الساعة فيما يتصل بالكريات الدموية المعلقة في المصل عند الرجال، و15 ـ 25 ميليمتراً في الساعة عند النساء، وقد تبين أنها تتبدل تحت تأثير الحالات السقمية. وتنخفض هذه السرعة إلى عدة ميكرومترات في الساعة في حالة الفيروسات الكبيرة المعلقة في الماء، وأما الجزيئات البروتينية فيلزمها عدة أيام لتنتقل ميكرومتراً واحداً.

ويلاحظ وفقاً لهذه المعطيات حتى عملية الترسيب بعمل قوة الجاذبية الأرضية أوالثنطقة الأرضية، تأخذ وقتاً طويلاً على العموم قد يتجاوز الساعات أوالأيام، أما باستخدام عملية التثفيل الناتجة عن القوة النابذة فيمكن اختصار المدة اللازمة إلى دقائق معدودة.

تنشأ القوة النابذة نتيجة لدوران الجسم حول محور، وتتناسب هذه القوة مع عدد من العوامل أهمها سرعة الدوران وبُعْد الجسم المتحرك عن محور الدوران وكتلته وترتبط بالقانون الآتي:

F = 0.0001117 (rpm)2 . R . M

حيث ترمز F إلى القوة force وrpm إلى عدد الدورات في الدقيقة rotation par minute وR إلى نصف قطر دائرة الدوران radius ويقدر عادة بالسنتمتر وM كتلة الجسم المتحرك masse مقدرة بالغرام.

يضاف إلى ذلك درجة لزوجة السائل عندما تكون العناصر الخاضعة للتثفيل معلقة في سائل، ودرجة الحرارة بصورة عامة.

وتقدر قوة التثفيل بالمقارنة مع الجاذبية الأرضية التي تعبر عنها بالثنطقة gravité ويرمز لها بالحرف G. وتبعاً لسرعة الدوران في المثفلة تخضع العناصر المدروسة لقوة تعادل على سبيل المثال:خمسة أوعشرة أوحتى 500.000 ثنطقة أوأكثر وبهذه الصورة تفهم أهمية عملية التثفيل.

أما قياس ثابت الترسيب فيقدر بوحدة يطلق عليها اسم سفيدبرغ Svedberg (نسبة إلى العالم الذي شرح الموضوع في أبحاثه الخاصة بالتثفيل)، ويرمز لها بالحرف S وهي وحدة دقيقة جداً وتقدر بأجزاء الثانية. وقد عثر الباحثون حتى مقدار ثابت الترسيب يختلف باختلاف المواد أوالجزيئات المدروسة، وعلى سبيل المثال يبلغ فيما يخص محلول زلال البيض ovalbumine في الماء بدرجة حرارة 20ْ مئوية مقدار 3.55 S، وفيما يخص خضاب دم الإنسان hémoglobine مقدار 4.28 S.

أجهزة التثفيل

عمد الصناعيون تطبيقاً لمبادئ القوة النابذة إلى تصميم أجهزة أطلق عليها اسم المثفلات centrifugeuses. وهي أجهزة تتمتع بدرجة عالية من المتانة لمقاومة القوة الكبيرة التي تخضع لها في أثناء الدوران. إذ إذا المثفلة الصغيرة التي لا يتجاوز نصف قطرها 10سم، والتي تدور بسرعة /3000/ ثلاثة آلاف دورة في الدقيقة (وهي سرعة معتدلة تستخدم عادة في مخابر التحليل)، تبيَّن أنها تخضع في محيطها لقوة تسارع أوثنطقة تعادل /1000/ ألف مرة قوة الثنطقة الأرضية. وتكفي هذه القوة لفصل الخلايا أوالجراثيم المعلقة في سائل. ولكن عثر أنها غير قادرة على فصل العناصر الدقيقة كالفيروسات أوالجزيئات البروتينية التي يحتاج فصلها إخضاعها إلى قوى أكبر بكثير تولدها مثفلات تدور بسرعات كبيرة جداً. على سبيل المثال: تبيَّن حتى هذه المثفلات الأخيرة عندما تدور بسرعة /60000/ دورة في الدقيقة أي /1000/ دورة في الثانية الواحدة، فإن القوة النابذة المؤثرة تعادل /200000/ مرة قوة الثنطقة الأرضية. ولهذا أطلق على هذه الأجهزة اسم المثفلات الفائقة أوفوق المثفلات ultracentrifugeuses. وتجدر الإشارة إلى حتى هذه المثفلات فائقة السرعة قد صنعت من خلائط معدنية خاصة وترتبط بجهاز تبريد وجهاز تخلية من الهواء لمنع ازدياد درجة الحرارة بعمل الاحتكاك. يضاف إلى ذلك وضعها في غرف موصدة في أثناء التشغيل لتجنب أي احتمال من انفجار أوكسر قد يحدث نتيجة لهذه السرعات الكبيرة الفائقة.

أنواع المثفلات

تُنتِج المصانع المتخصصة بالتجهيزات المخبرية أوالصناعية أنماطاً متعددة من المثفلات يتناسب عملها مع نوعية التطبيقات المطلوبة. وتختلف هذه المثفلات في أبعادها وفي سرعة دورانها اختلافاً كبيراً، ويمكن تصنيفها عموماً في ثلاثة أنماط رئيسة هي:

المثفلات ذات الأنابيب الثابتة: وهي المثفلات التي تشتمل على عدد من الأنابيب المناسبة لوضع المحاليل المطلوب فصلها، وتدور في محيط المثفلة وهي مغروسة بزاوية مائلة محددة (الشكل-1)، ولا تتغير درجة ميل الأنابيب أثناء الدوران. وفي هذه الحالة تتجمع العناصر في قعر الأنابيب بشكل مائل في الجهة اللقاءة لمحور الدوران. وتستخدم هذه المثفلات الصغيرة عموماً في بعض المخابر وتوجد فيها أنواع تدور بسرعة كبيرة جداً، وتدخل في هذه الحالة في أصناف فوق المثفلات.

المثفلات ذات الأنابيب المتحركة: وهي المثفلات التي تحتوي أنابيب محيطية متمفصلة تكون في حالة الراحة معلقة بالاتجاه الشاقولي بعمل الجاذبية الأرضية. وعندما تبدأ المثفلة بالدوران تتحرك هذه الأنابيب موضعياً حول المفصلة، وترتفع بالاتجاه الأفقي نحوالمحيط الخارجي (الشكل-2). وتأخذ العناصر المعلَّقة في السائل داخل الأنابيب بالتجمع تباعاً نحوالقعر حسب سرعة دوران المثفلة وحسب حجوم هذه العناصر وأوزانها وحسب درجة لزوجة السائل.

وهي تستخدم بكثرة في مخابر التحاليل الطبية لقياس سرعة التثفل في الدم على سبيل المثال بكل دقة، وفي مخابر البحث الفهمي لتقدير الأوزان الجزيئية لمختلف المواد كبيرة الجزيئات macromolécules كالبروتينات أولإجراء عمليات فوق التثفيل التفاضلي وغير ذلك من الاختبارات والعمليات المعقدة.

وتجدر الإشارة إلى حتى بعض أنواع هذه المثفلات قد صمّم بكيفية تمكّن من تتبع مراحل التثفيل وقياس التدرّجات gradients التي تطرأ على المحاليل المثفَّلة. ويتم ذلك عبر نافذة خاصة تسمح بتسليط أشعة ضوئية على المحلول واستقبال الأشعة الصادرة على لوحة تصوير، أوتسجيل مراحل التثفيل باستخدام الخلايا الكهرضوئية cellules photo éléctriques.

المثفلات ذات الأسطوانة المثقبة: يختلف تصميم هذه المثفلات عن النمطين السابقين، إذ يتألف جهاز التثفيل فيها من أسطوانة داخلية مثقبة، قابلة للدوران حول محور أفقي أوشاقولي، يحيط بها أسطوانة موصدة أوخزان لتجميع المادة السائلة التي يجب فصلها أواستخلاصها. ويوصَل الخزان من ناحيته السفلية بأنبوب يصب في خزان آخر أوأوعية معدة لتفريغ السائل الناتج من عملية التثفيل أوتخزينه (الشكل-3).

يستخدم هذا النمط من المثفلات في مجالات تطبيقية مختلفة كما هي الحال في بعض التجهيزات المنزلية مثال: الغسالات الآلية وأجهزة عصير الفواكه أوفي بعض الصناعات.

التثفيل الصناعي

تعتمد بعض المصانع على النمط الأخير من المثفلات لتنقية منتجاتها أوتسريع عمليات التجفيف والاستخلاص الصناعي. وهنا تستخدم مثفلات كبيرة تصمم بالحجم الذي يناسب الصناعة الخاصة لاستيعاب خطوط الإنتاج.

ويمكن إجراء بحوث حيوية متقدمة باستخدام النظائر المشعة radioisotopes قبل إخضاع الخلايا إلى عملية التثفيل لمتابعة مراحل استقلاب الجزيئات الموسومة بالنظير المشع وتحديد العضيات الخلوية التي لها الدور الأساسي في عمليات الهجريب الحيوية. ويبرهن على حركة الجزيئات باستخدام كيفية التصوير الشعاعي الذاتي autoradiographie في جميع فترة زمنية من التثفيل.

وتجدر الإشارة إلى حتى هناك طرائق خاصة من التثفيل التفاضلي تطبق لفصل الفيروسات أوجزيئات الدنا DNA أوالرنا RNA أوالبروتينات وغيرها من الجزيئات المتناهية في الدقة، وقد أطلق عليها اسم التثفيل متساوي الكثافة c.isopycnique أوالتثفيل المِنْطَقي c.zonale وفي هذه الطرائق تستخدم محاليل أملاح المعادن الثقيلة مثال كلور السيزيوم الذي يحدث التثفيل التفاضلي فيها مناطق من التدرّجات مرتبطة بالكثافة التي تتزايد من أعلى أنبوب التثفيل إلى أسفله.

إلى غير ذلك يلاحظ إذا طرائق التثفيل المتنوعة تستخدم في مجالات متنوعة في مخابر التحليل الكيماوي والطبي والتطبيقات الصناعية، وتطبق أيضاً في مراكز الطاقة النووية لفصل نظائر اليورانيوم 235 عن اليورانيوم 238.

المصادر

محمد أبوحرب. "التثفيل". الموسوعة العربية.

مراجع