قوة الطرد المركزي النسبية

RCF (قوة الطرد المركزي النسبية) تعبر عن القوة الفعلية المؤثرة على العينة مقاسة بوحدات الجاذبية الأرضية (g). بينما RPM هو عدد اللفات في الدقيقة، أي السرعة الزاوية للدوار. الفرق الأساسي أن RCF تعتمد على نصف القطر (r) أيضاً، وليس فقط على RPM. على سبيل المثال، دواران بسرعات RPM متساوية ولكن بنصف قطر مختلف سيعطيان قوى RCF مختلفة تماماً. هذا يعني أن استخدام RPM فقط لا يضمن تكرار التجارب بين أجهزة مختلفة أو دوارات مختلفة. لذلك، في البروتوكولات العلمية (مثل فصل المكونات الخلوية)، يجب ذكر RCF بدلاً من RPM. فمثلاً، لفصل الخلايا، البروتوكول يقول 'قم بالطرد المركزي عند 1000 g لمدة 10 دقائق' وليس 'عند 2000 RPM'. إذا كنت تستخدم جهازاً معيناً، يمكنك تحويل RCF المطلوب إلى RPM باستخدام الصيغة العكسية: RPM = sqrt(RCF / (1.118e-5 * r)). هذا يضمن تكرار النتائج بغض النظر عن الجهاز.

الثابت 1.118×10^-5 هو نتيجة تحويل الوحدات من النظام المتري إلى وحدة g. أساساً، قوة الطرد المركزي تعطى بالعلاقة: F = m ω² r، حيث ω هي السرعة الزاوية بالراديان/ثانية. لكننا نقيس ω بوحدة RPM، ونريد التعبير عن القوة بوحدة g (تسارع الجاذبية). الخطوات: 1) تحويل RPM إلى راديان/ثانية: ω = (2π * RPM) / 60. 2) تسارع الطرد المركزي a = ω² r. 3) تقسيم a على g (≈ 9.81 m/s² = 981 cm/s²) للحصول على RCF. نكتب: RCF = ( (2π/60)² ) * r * RPM² / g. حساب الثابت: (2π/60)² ≈ (0.10472)² ≈ 0.010966. ثم 0.010966 / 9.81 ≈ 0.001118. لكن r مقدرة عادة بالسنتيمتر، و1 متر = 100 سم، لذا عند استخدام r بالسم نحتاج تعديل: 0.001118 * 100 = 0.1118؟ كلا، لأن a = ω² r، r بالأمتار، لكننا نريد r بالسم، لذا فعلياً: a = ω² * (r/100) = (ω² r)/100. ثم RCF = a/g = (ω² r)/(100g). بإدخال ω من RPM: ω = 2π RPM/60، إذن ω² = (4π² RPM²)/3600 = (π² RPM²)/900. ثم RCF = ( (π² RPM²)/900 * r ) / (100g) = (π² r RPM²) / (90000 g). باستخدام g=9.81 m/s²≈981 cm/s²، نحصل على: RCF = (π² r RPM²) / (90000 * 981). π² ≈ 9.8696، إذن RCF = (9.8696 r RPM²) / (88,290,000) ≈ (1.118e-7) r RPM²؟ لكن هذا يعطي 1.118e-7، بينما الثابت الصحيح هو 1.118e-5. أين الخطأ؟ الصيغة المستخدمة عالمياً هي: RCF = 1.118 × 10^-5 × r (cm) × RPM². التناقض يحدث لأن g في بعض التعريفات تؤخذ كـ 9.81 m/s²، ولكن في علم الأحياء غالباً ما تستخدم g = 980 cm/s². لذا: RCF = (ω² r) / g = ( (4π² RPM²/3600) * r ) / 980 = (4π² r RPM²) / (3600*980) = (4π² r RPM²) / 3,528,000. π²≈9.8696، 4π²≈39.4784، ثم RCF = (39.4784 r RPM²)/3,528,000 ≈ (1.119×10^-5) r RPM². وهذا يطابق الثابت المتداول. لذلك الثابت مأخوذ من g=980 cm/s² لسهولة. يمكن قراءة الأوراق البحثية التي تناقش دقة هذا الثابت.

في الدوارات الزاوية (fixed-angle rotors)، الأنابيب توضع بزاوية ثابتة (عادة 25-45 درجة) بالنسبة لمحور الدوران. في هذه الحالة، المسافة من محور الدوران إلى العينة تختلف من القمة (أقرب نقطة) إلى القاع (أبعد نقطة). لذلك، تتعرض العينة لتدرج في قوة RCF على طول الأنبوب. هذا التدرج يمكن أن يؤثر على كفاءة الفصل، خاصة في الطرد المركزي الفائق. في الدوارات المتأرجحة (swing-bucket rotors)، الأنابيب تتدلى بحرية وتصبح موازية لاتجاه القوة أثناء الدوران، مما يجعل نصف القطر ثابتاً تقريباً للعينة بأكملها، وبالتالي تكون القوة منتظمة. لحساب RCF دقيق، يستخدم العلماء نصف القطر الفعال (effective radius) وهو المسافة من محور الدوران إلى منتصف الأنبوب (أو إلى مكان العينة). في الدوارات الزاوية، يمكن أن يختلف نصف القطر الفعال بنسبة 10-20% بين القمة والقاع. لذلك، من المهم ذكر نصف القطر المستخدم في الحسابات. في الكثير من الأجهزة، توفر الشركة المصنعة قيم RCF مقابل RPM في جداول أو برامج. استخدام متوسط نصف القطر يعطي تقديراً معقولاً، لكن في الأبحاث الحساسة يجب قياس نصف القطر بدقة أو استخدام قيمة RCF الموصى بها للدوار.

في علم الأحياء، يستخدم الطرد المركزي في مجموعة واسعة من التطبيقات، ولكل منها نطاق RCF خاص: 1) فصل الخلايا الكاملة (100-400 g): لفصل خلايا الدم (RBCs, WBCs) أو الخلايا المزروعة. خفيف نسبياً لمنع تلف الخلايا. 2) فصل النوى الخلوية (600-1000 g): بعد تكسير الخلايا، الطرد المركزي البطيء يرسّب النوى بينما تبقى العضيات الأخرى في الطاف. 3) فصل الميتوكوندريا والليسوسومات (10,000-20,000 g): طرد مركزي عالي السرعة. الميتوكوندريا أكبر وأثقل من الميكروسومات. 4) فصل الميكروسومات والريبوسومات (100,000 g): يتطلب أجهزة طرد مركزي فائق (ultracentrifuge). 5) الفصل في تدريج الكثافة (مثل سكروز أو كلوريد السيزيوم): يستخدم RCF ثابت لترسيب الجزيئات إلى أوزان طافية مختلفة. 6) الطرد المركزي الفائق التحليلي: يستخدم لدراسة خصائص الجزيئات (مثل الوزن الجزيئي) تحت قوى عالية جداً (تصل إلى 500,000 g). في الطب، يستخدم لفصل البلازما أو المصل، أو لعزل الجسيمات الفيروسية. اختيار RCF المناسب أمر حاسم لنجاح التجربة، حيث أن القوة الزائدة قد تتلف العضيات، والقوة الضعيفة لا تؤدي إلى الفصل المطلوب.