અલ્ટ્રાસેન્ટ્રિફ્યૂજ

January, 2001

અલ્ટ્રાસેન્ટ્રિફ્યૂજ (ultracentrifuge) : ગુરુત્વાકર્ષણ કરતાં લગભગ 2,50,000 ગણું બળ ઉપજાવતી, સંવહનરહિત, (convection-free) ઉચ્ચગતિક (high speed) પરિભ્રમણીય અલગન પ્રયુક્તિ. 1923માં સ્વેડબર્ગે અલ્ટ્રાસેન્ટ્રિફ્યૂજનો ઉપયોગ કરીને રક્તમાંનું હીમોગ્લોબિન ચાર પ્રોટીન એકમોનું બનેલું છે તેમ પુરવાર કર્યું હતું.

કલિલ(colloid) દ્રાવણને ઠરવા દેતાં ભારે કણો તળિયે બેસે છે, જ્યારે હલકા કણો ઉપર તરે છે. કણની તળિયા તરફની ગતિ ગુરુત્વાકર્ષણ (g) અને પ્રવાહી માધ્યમ તરફથી તેના ઉપર થતા ઘર્ષણઅવરોધરૂપી બળ વચ્ચેનું સંતુલન નક્કી કરે છે. દ્રાવણને એક પાત્રમાં ભરીને પાત્રને સેન્ટ્રિફ્યૂજમાં ઘુમાવવામાં આવે તો કણો ઉપર ગુરુત્વાકર્ષણ કરતાં અનેકગણું અપકેન્દ્રી બળ (centrifugal force) અસર કરતું હોઈ અવસાદન (sedimentation) પામવાની ગતિ ઘણી વધારી શકાય. સેન્ટ્રિફ્યૂજના ભ્રામક(rotor)ના પરિઘ પાસેના ભાગો ધરી પાસેના ભાગો કરતાં વધુ ઝડપથી ફરતા હોવાથી વાયુ સાથે ઘર્ષણ થતાં સેન્ટ્રિફ્યૂજમાં તાપમાન-પ્રવણતા (temperature gradient) ઉત્પન્ન થાય છે. પરિણામે પ્રવાહીમાં ઉષ્ણતાનયન-પ્રવાહો ઉત્પન્ન થઈને અવસાદનમાં ખલેલ પહોંચાડે છે. અલ્ટ્રાસેન્ટ્રિફ્યૂજમાં અનેકગણું (g) ઉત્પન્ન થવા છતાં ખલેલરૂપ પ્રવાહો ઉત્પન્ન થાય નહિ તેવી યોજના (દા.ત., ભ્રામકને શૂન્યાવકાશમાં મૂકીને) કરેલી હોય છે.

અપકેન્દ્રીબળ f = mxω2

[જ્યાં m = દળ, x = કણનું કેન્દ્રથી અંતર, ω = કોણીય વેગ (angular)]. જેમ ભ્રમણનો દર વધુ તેમ fની કિંમતમાં વધારો થાય છે. મિનિટના 20,000થી 50,00,000 ભ્રમણસંખ્યાનો ઉપયોગ કરીને 105 સુધીનું અપકેન્દ્રી બળ મેળવી શકાય છે. અપકેન્દ્રી બળની કિંમત (g) એકમમાં મેળવવા માટે નીચેનું સમીકરણ ઉપયોગી છે.

સાપેક્ષ અપકેન્દ્રીબળ(g)માં, = 5.59 × 1040N2D = 0.204V2D RCF અથવા FR

જ્યાં N = ભ્રમણગતિ (rpm); D = વર્તુળાકાર પથનો વ્યાસ; V = પરિભ્રમણ વર્તુળના પરિઘની આસપાસ ઘટકની ગતિ, મી/સેકન્ડમાં.

દ્રાવણ ભરેલા પાત્રની દીવાલો પારદર્શક હોય તો પ્રકાશની મદદથી જુદા જુદા અંતરે તેમાં થતા અવસાદનનો અભ્યાસ ફોટોગ્રાફી મારફતે કરી શકાય છે. આ માટે દ્રાવણના વક્રીભવનાંક (refractive index), વ્યતિકરણ અને ર્દશ્ય તથા પારજાંબલી અવશોષણ (visible and ultra violet absorption) જેવી વિશિષ્ટતાઓનો ઉપયોગ કરાય છે. કણોના અણુભાર મેળવવા માટે નીચેની બે પદ્ધતિઓ ઉપયોગી છે :

(1) અવસાદન-દર પદ્ધતિ : સામાન્ય સ્થિતિમાં કૉલૉઇડ કણના અવસાદનને બ્રાઉનિયન ગતિ અવરોધે છે. આ બે બળો વચ્ચે સમતોલન સ્થપાય છે ત્યારે દ્રાવણમાં એક પરિસીમા (boundary) રચાય છે. આ પરિસીમાની પરિઘ તરફ થતી ગતિ માપવામાં આવે છે અને નીચેના સમીકરણનો ઉપયોગ કરીને અણુભાર મેળવવામાં આવે છે :

m = 4/3 πr3ρ

જ્યાં m = કણનું દળ
  r = કણની ત્રિજ્યા
  r = કણની ઘનતા
  p = 3.14

mને ઍવેગૅડ્રો અંક (6.02 × 1023) વડે ગુણતાં, અણુભાર મળે છે.

(2) અવસાદન-સમતોલન પદ્ધતિ : જ્યારે કણનો અવસાદન-દર અને કણનો વિરુદ્ધ દિશામાં થતો પ્રસરણ-દર સરખા બને ત્યારે સમતોલન સ્થપાય છે. આ સમયે જુદા જુદા અંતરે દ્રાવણનું સંકેન્દ્રણ માપવામાં આવે છે. નીચેના સમીકરણનો ઉપયોગ કરીને અણુભાર મેળવાય છે :

અથવા

જ્યાં M = અણુભાર, x1 અને x2 ધરીથી અંતરો, C1 અને C2 = સાંદ્રતા (concentration) અનુક્રમે x1 અને x2 અંતરે, ρ= દ્રાવણની ઘનતા, ρm = માધ્યમની ઘનતા, ∇ = વિશિષ્ટ કદ (કદ પ્રતિ ગ્રામ), R = વાયુ અચળાંક, T = તાપમાન (નિરપેક્ષ), ω = કોણીય વેગ દ્રાવ્યનું આંશિક.

અલ્ટ્રાસેન્ટ્રિફ્યૂજ બૃહદ અણુઓ(macro-molecules)ના અણુભાર માપવા તથા મિશ્રણોને અણુભાર પ્રમાણે અલગ કરવા માટે ઉપયોગી છે. જીવશાસ્ત્ર, જીવભૌતિકશાસ્ત્ર, જીવરસાયણશાસ્ત્ર તથા આયુર્વિજ્ઞાનમાં તેનો ઘણો ઉપયોગ થાય છે.

મફતલાલ જેસિંગભાઈ પટણી