离心机发明小史:奶油和钱学森之间有什么关系?

科学大院 2022-09-24 07:00


正文共2922字,预计阅读时间约为8分钟


前有为了摸鱼发明移液枪,后有为分离奶油制造离心机~那个摸鱼创造移液枪的第二集来啦!(点这里看第一集


有一天摸鱼时候,我看到下面这张图,不禁会心一笑。



经常做实验的生物专业学生们,对于离心机这种重量稍没配平的就颠三倒四、直接桌面起舞的祖宗那可真是太熟悉了,但凡用过离心机的都少不了离心机三问:


“是谁在离心,离完告我一声!”

“这谁离的心,我拿出来了啊…”

“有人离心吗?请带我一个!”

……


虽然离心机天天用,但是你不一定对它知根知底。比如这离心机是谁发明啊,什么时候发明的呀,最开始是什么样子滴,最开始发明出来是干什么的呀?哎~~~不知道吧,听我给你慢慢讲来。


离心机的出现 


说到离心机还得从牛奶说起。牛奶里有丰富的脂肪,脂肪以小液滴的形式分散在牛奶之中形成的乳浊液。将牛奶静置,其中的脂肪上浮就是奶油。对于牛奶加工厂而言,时间就是金钱,牛奶长期静置分层一来浪费时间,二来很容易变质。牛奶厂需要一种能快速分离出奶油的设备。


牛奶的结构与静置分层


伟大的牛顿力学告诉我们,只要你把牛奶放进一个大桶,把桶快速旋转起来,密度大的“脱脂牛奶”会被快速甩到四周贴紧筒壁,密度小的奶油会留在桶中心,这时候只需在桶中间捅个窟窿,哗啦啦流出来的就是奶油啦。


牛奶分离器原理


这么简单的事情你能想到,早在1864年,22岁的德国青年小安东宁·普朗特(Antonin Prandtl jnr. ,1795-1892)也想到了,但是因为正在上学并且没钱实践,这个想法一直没办法实验。好在他的二哥亚历山大·普朗特(Alexander Prandtl)小有家资,根据小安东宁的构想,几经实验真的把奶油分离器做了出来还有了重大改进。


左:小安东宁夫妇;右:亚历山大


1875年,亚历山大带着自己的牛奶分离器参加了德国法兰克福的世界博览会。现场人头攒动观者如堵,但没有人意识到自己正在见证历史。毕竟这是世界上第一台离心机啊!(严格来说这里是世界上第一台离心“机”而不是离心的应用,据说古人会把摘下的蜂巢放在陶罐里,用绳子一端系住陶罐,手抓绳子另一端,旋转甩动陶罐把蜜快速取出来)。


人力运转的牛奶分离器


离心机进入生物实验室 


即使是一堆混杂在一起的混合物,只要放进离心机这么一转,大的小的轻的重的就能分散开,这种分离出不同组份的特性自然也吸引了世界上最聪明的那群人——科学家的眼光。

瑞士医生和生物学家弗雷德里希·米歇尔(Friedrich Miescher)最早使用离心机系统用于生物学研究。他在1869年从白细胞的细胞核中分离出一种富含磷酸盐的沉淀,他挠了挠头,随意地起了个名字叫“核素”。后来我们知道,所谓的“核素”其实是DNA (准确来说还裹挟了很多核蛋白)。


这个最早使用离心机的生物学家也成为第一个提取DNA的人。所以说啊,用离心机提DNA那就是生物狗的宿命,你说是吧?没日没夜提质粒的你。


弗雷德里希·米歇尔

(1844.8.13 – 1895.8.26)


以前生物学家研究细胞,最多也就是显微镜看,染个色,面对细胞里面的花花世界“只能看,摸不着”。但是“破碎细胞+离心机分离”的方法可以从细胞中分离出来各种各样的组分,极大的促进了生物学的发展。只不过那时候的离心机嘛,长得也比较老古董,而且靠的是人力转动!不过别小瞧这群生物学家的麒麟臂,手摇离心机最高转速度竟然高达3000 rpm(也就是一秒就能转50圈!)。


左:19 世纪的实验室手摇离心机 ;右:手摇离心机动图


随着科技进步,实验室的离心机鸟枪换炮:


1912年,随着第二次工业革命推进电气化,出现了电动机驱动的离心机。

1925年,瑞典化学家西奥多·斯文伯格(Theodor Svenberg)发明了第一台超速离心机,相对离心力可达到900,000 g。


1940年,SPINCO(后来被Beckman收购)生产了第一台商用超速离心机。


1962年,Eppendorf公司开发了世界上第一台用于实验室的微型离心机(3200型)并立刻受到各个实验室追捧。只不过那时候的离心机就像你家的电风扇,使用的是带刻度盘的机械计时开关来控制离心时间,计时并不精确。


一台生产于1975年的Eppendorf 3200型迷你离心机,最大转速为15000rpm


1976年,德国的Hettich公司发明了第一台微处理器控制的离心机ROTO MAGNA K4S,实现了离心时间的精准控制。这项技术远远领先于时代,并将在接下来的几十年中成为离心机的标配。这时候的微量离心机已经和现在实验室的离心机很接近了。


后续各个公司对实验室离心机不断改进,加入了电脑控制、慢速停止、液晶显示屏、制冷……逐步变成了我们现在用的离心机的样子(见下图)。



伴随着离心机的发展,生物学也取得了一系列的突破


1926年西奥多·斯文伯格因为发明的超速离心机能确定复杂蛋白质和病毒的分子量和亚基结构,获得了当年诺奖。


1930年代,比利时医生和细胞生物学家阿尔伯特·克劳德(Albert Claude,1899.8.24-1983.5.22)发现破坏细胞膜释放细胞内容物再过滤离心,就能分出细胞的不同组分。这个方法大大加快了细胞内结构的研究,并获得了1974年的诺奖。


1958 年,Matthew Meselson和 Franklin Stahl使用氮同位素标记了跨代大肠杆菌的DNA,并使用密度梯度离心表明DNA是半保守复制的,最后于2004年的拉斯克医学科学特别成就奖。

…………


仍旧有价值的“土法”离心机 


随着科学技术的发展,现代社会的离心机越来越高速、先进、智能,科技感拉满。然而在偏远落后地区,仍有很多要用却用不了离心机的窘迫和尴尬。

例如非洲一些地区疟疾横行,对血液离心分层和疟原虫检测十分必要,但如果你对当地医院建议“只要三千九百八,离心设备带回家,插上电源就能用,患者治好笑哈哈”,当地人可能会问你两个问题:“第一,饭都没得吃,哪儿来的钱?第二,什么是电啊?”


虽然也有人用打蛋器或者沙拉搅拌机能达到每分钟几百转想用来代替离心机,但是距离真正的“接地气”还是有点差距。


2017年1月10号, Nature Biomedical Engineering介绍了一种超级简单的人力纸离心机“paperfuge”。这玩意其实就是小时候大家都玩过的“转扣子”,一根线对折从纸圆盘中间两个孔穿过,装了血液的毛细吸管附着在纸盘上,双手一“扽”,噌噌噌就达到125,000 r.p.m的速度(等效离心力为30,000 g)。90秒能把血液分层,15分钟分离出疟原虫。


点击观看↓↓↓



尾 声


说回离心机的发明人普朗特兄弟吧,也许是因为鼓捣流动的牛奶有了家学渊源,安东尼·普朗特后来生了个孙子叫路德维希·普朗特(Ludwig Prandtl)专门在哥廷根大学研究空气的流体力学。路德维希带博士收的关门弟子叫陆士嘉,回到中国创立了北京航空航天大学;路德维希收了另一个博士叫西奥多·冯·卡门(Theodore von Kármán),冯·卡门又收了几个“小有名气”的博士:钱学森,郭永怀,胡宁,林家翘……等下一次吃着奶油冰激凌的时候,你是否会想到,奶油、钱学森、离心机,他们之间竟然还有这种奇妙渊源。


参考文献:

[1] https://m.facebook.com/sketchingscience.atgc/posts/2540171486222068/?locale2=zh_CN

[2] https://alum.mit.edu/slice/childrens-toy-inspires-life-saving-healthcare-tool

[3] https://www.nature.com/articles/s41551-016-0009

[4] https://marineprogress.com/marine-purifiers-principles-of-operation/

[5] https://www.labx.com/item/Eppendorf-3200-15-000-rpm-table-top-centrifuge-tested/3933267

[6] https://dairyprocessinghandbook.tetrapak.com/chapter/chemistry-milk

[7] https://corporate.Eppendorf.com/en/company/history/#c2677

[8] https://en.wikipedia.org/wiki/Separator_(milk)

[9] https://en.wikipedia.org/wiki/Ludwig_Prandtl

[10] https://en.wikipedia.org/wiki/Theodore_von_K%C3%A1rm%C3%A1n

[11] https://en.wikibooks.org/wiki/Proteomics/Protein_Separations_-_Centrifugation/History_of_the_Centrifuge

[12] https://www.wikiwand.com/en/Centrifuge

[13] https://en.wikipedia.org/wiki/Meselson%E2%80%93Stahl_experiment





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