원심분리기는 혼합물 속 물질을 어떤 기준으로 분리하나요?

Question

액체 속에 서로 다른 크기와 밀도를 가진 입자가 섞여 있을 경우 원심분리기를 이용하면 성분별로 분리할 수 있는데, 회전속도나 입자의 크기 및 밀도가 분리 효율에는 어떤 영향을 주는지 의견부탁드립니다.

Answer 1

안녕하세요, 고온다습님. 이중철 전문가입니다.

먼저, 원심분리기는 혼합물 속 입자들의 밀도와 크기 및 액체 매질과의 밀도 차이를 기준으로 물질을 분리하며, 회전속도의 제곱에 비례하는 강력한 원심력을 가해 자연적인 중력보다 수만 배 빠른 속도로 성분을 층별로 가라앉히거나 띄워 분리한답니다.

■ 입자의 크기와 밀도 차이가 결정하는 침강 속도

액체 속에 섞여 있는 입자가 바닥으로 가라앉는 원리는 유체역학의 스토크스 침강 법칙으로 설명할 수 있습니다.

여기서 침강 속도를 결정짓는 가장 핵심적인 요인은 바로 입자의 크기인데요. 침강 속도는 입자 지름의 제곱에 비례하기 때문에, 밀도가 서로 비슷하더라도 입자 크기가 2배 크면 무려 4배나 빠른 속도로 시험관 바닥을 향해 이동합니다. 또한 입자와 주변 액체 사이의 밀도 차이 역시 결정적인 기준이 되는데요. 입자의 밀도가 액체보다 크면 회전 중심의 바깥쪽인 시험관 바닥으로 침전되지만, 기름 성분처럼 입자의 밀도가 액체보다 작으면 부력을 받아 회전 중심축인 액체 윗부분으로 떠오릅니다. 만약 입자와 주변 액체의 밀도가 완전히 같다면 아무리 강한 힘을 가해도 침강하지 않고 그 자리에 머무르게 되거든요.

■ 회전속도의 제곱으로 증폭되는 상대원심력과 분리 효율

원심분리기가 회전할 때 발생하는 원심력은 회전 반지름에 비례하고 회전속도(RPM)의 제곱에 비례하여 급격하게 증가합니다. 즉 회전속도를 2배 올리면 입자가 받는 인공 중력의 세기인 상대원심력(RCF)은 4배로 강력해지고, 3배 올리면 9배로 치솟게 되는데요. 혈액 속 적혈구나 백혈구처럼 크기가 비교적 크고 무거운 세포들은 2,000~3,000 RPM 정도의 비교적 낮은 회전속도에서도 수 분 만에 쉽게 바닥으로 분리됩니다. 반면에 바이러스, DNA, 단백질 같은 나노 크기의 미세 입자들은 크기가 너무 작아 분자들의 열운동(브라운 운동)에 의해 흩어지려는 힘이 더 강한데요. 이러한 미세 물질을 분리하려면 분당 수만 회 이상 돌아가는 초원심분리기를 사용하여 브라운 운동을 완전히 압도할 만큼 거대한 원심가속도를 만들어주어야만 분리 효율을 극대화할 수 있습니다.

정리하자면,

원심분리기는 입자 지름의 제곱과 액체와의 밀도 차이에 따라 침강 속도가 달라지는 물리적 법칙을 바탕으로 물질을 구분하며, 회전속도를 높일수록 그 제곱만큼 분리 추진력이 폭발적으로 증가하므로 크고 무거운 입자부터 작고 가벼운 미세 분자까지 회전속도를 단계별로 조절하며 정밀하게 분리해 내는 것이랍니다.

※ 질문자님을 포함하여 소중한 분들의 건강, 재산과 안전을 지키고, 혹시나 발생할 수 있을 다양한 문제 상황에 놓이지 않기 위해서라도 저를 포함하여 다양한 토픽에서 활동하는 모든 전문가분들의 아하 지식커뮤니티에서의 답변은 예외 없이 참고 용도로만 유용하게 활용하시기 바랍니다.😉