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離心機(jī)的主要構(gòu)造和類型
離心機(jī)可分為工業(yè)用離心機(jī)和實驗用離心機(jī),。實驗用離心機(jī)又分為制備性離心機(jī)和分析性離心機(jī),，制備性離心機(jī)主要用于分離各種生物材料,，每次分離的樣品容量比較大,，分析性離心機(jī)一般都帶有光學(xué)系統(tǒng),，主要用于研究純的生物大分子和顆粒的理化性質(zhì),，依據(jù)待測物質(zhì)在離心場中的行為（用離心機(jī)中的光學(xué)系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測）,，能推斷物質(zhì)的純度、形狀和分子量等,。分析性離心機(jī)都是超速離心機(jī),。
1. 制備性離心機(jī)可分為三類：
⑴ 普通離心機(jī)：zui大轉(zhuǎn)速6000 rpm左右，zui大相對離心力近6000×g,，容量為幾十毫升至幾升,，分離形式是固液沉降分離,，轉(zhuǎn)子有角式和外擺式，其轉(zhuǎn)速不能嚴(yán)格控制,，通常不帶冷凍系統(tǒng),，于室溫下操作，用于收集易沉降的大顆粒物質(zhì),，如紅血球,、酵母細(xì)胞等。這種離心機(jī)多用交流整流子電動機(jī)驅(qū)動,，電機(jī)的碳刷易磨損,，轉(zhuǎn)速是用電壓調(diào)壓器調(diào)節(jié)，起動電流大,，速度升降不均勻,，一般轉(zhuǎn)頭是置于一個硬質(zhì)鋼軸上，因此地平衡離心管及內(nèi)容物就極為重要,，否則會損壞離心機(jī),。
⑵ 高速冷凍離心機(jī)：zui大轉(zhuǎn)速為20000～25000rpm（r/min），zui大相對離心力為89000×g,，zui大容量可達(dá)3升,，分離形式也是固液沉降分離，轉(zhuǎn)頭配有各種角式轉(zhuǎn)頭,、蕩平式轉(zhuǎn)頭,、區(qū)帶轉(zhuǎn)頭、垂直轉(zhuǎn)頭和大容量連續(xù)流動式轉(zhuǎn)頭,、一般都有制冷系統(tǒng)，以消除高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)頭與空氣之間摩擦而產(chǎn)生的熱量,，離心室的溫度可以調(diào)節(jié)和維持在0～40C,，轉(zhuǎn)速、溫度和時間都可以嚴(yán)格準(zhǔn)確地控制,，并有指針或數(shù)字顯示,，通常用于微生物菌體、細(xì)胞碎片,、大細(xì)胞器,、硫銨沉淀和免疫沉淀物等的分離純化工作，但不能有效地沉降病毒,、小細(xì)胞器（如核蛋白體）或單個分子,。
⑶ 超速離心機(jī)：轉(zhuǎn)速可達(dá)50000～80000 rpm，相對離心力zui大可達(dá)510000×g,，zui的生產(chǎn)廠商有美國的貝克曼公司和日本的日立公司等,，離心容量由幾十毫升至2升,，分離的形式是差速沉降分離和密度梯度區(qū)帶分離，離心管平衡允許的誤差要小于0.1克,。超速離心機(jī)的出現(xiàn),，使生物科學(xué)的研究領(lǐng)域有了新的擴(kuò)展，它能使過去僅僅在電子顯微鏡觀察到的亞細(xì)胞器得到分級分離,，還可以分離病毒,、核酸、蛋白質(zhì)和多糖等,。
超速離心機(jī)主要由驅(qū)動和速度控制,、溫度控制、真空系統(tǒng)和轉(zhuǎn)頭四部分組成,。超速離心機(jī)的驅(qū)動裝置是由水冷或風(fēng)冷電動機(jī)通過精密齒輪箱或皮帶變速,，或直接用變頻感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動，并由微機(jī)進(jìn)行控制,，由于驅(qū)動軸的直徑較細(xì),，因而在旋轉(zhuǎn)時此細(xì)軸可有一定的彈性彎曲，以適應(yīng)轉(zhuǎn)頭輕度的不平衡,，而不致于引起震動或轉(zhuǎn)軸損傷,，除速度控制系統(tǒng)外，還有一個過速保護(hù)系統(tǒng),，以防止轉(zhuǎn)速超過轉(zhuǎn)頭zui大規(guī)定轉(zhuǎn)速而引起轉(zhuǎn)頭的撕裂或爆炸,，為此，離心腔用能承受此種爆炸的裝甲鋼板密閉,。
溫度控制是由安裝在轉(zhuǎn)頭下面的紅外線射量感受器直接并連續(xù)監(jiān)測離心腔的溫度,，以保證更準(zhǔn)確更靈敏的溫度調(diào)控，這種紅外線溫控比高速離心機(jī)的熱電偶控制裝置更敏感,，更準(zhǔn)確,。
超速離心機(jī)裝有真空系統(tǒng)，這是它與高速離心機(jī)的主要區(qū)別,。離心機(jī)的速度在2000 rpm以下時,，空氣與旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)頭之間的磨擦只產(chǎn)生少量的熱，速度超過20000 rpm時,，由磨擦產(chǎn)生的熱量顯著增大,，當(dāng)速度在40000 rpm以上時，由磨擦產(chǎn)生的熱量就成為嚴(yán)重問題,，為此,，將離心腔密封，并由機(jī)械泵和擴(kuò)散泵串聯(lián)工作的真空泵系統(tǒng)抽成真空，溫度的變化容易控制,，磨擦力很小,，這樣才能達(dá)到所需的超高轉(zhuǎn)速。
2. 轉(zhuǎn)頭：
⑴ 角式轉(zhuǎn)頭：角式轉(zhuǎn)頭是指離心管腔與轉(zhuǎn)軸成一定傾角的轉(zhuǎn)頭,。它是由一塊完整的金屬制成的,，其上有4～12個裝離心管用的機(jī)制孔穴，即離心管腔,，孔穴的中心軸與旋轉(zhuǎn)軸之間的角度在20～40度之間,，角度越大沉降越結(jié)實，分離效果越好,。這種轉(zhuǎn)頭的優(yōu)點是具有較大的容量,，且重心低，運轉(zhuǎn)平衡,，壽命較長,，顆粒在沉降時先沿離心力方向撞向離心管，然后再沿管壁滑向管底,，因此管的一側(cè)就會出現(xiàn)顆粒沉積,，此現(xiàn)象稱為“壁效應(yīng)”，壁效應(yīng)容易使沉降顆粒受突然變速所產(chǎn)生的對流擾亂,，影響分離效果,。
⑵ 蕩平式轉(zhuǎn)頭：這種轉(zhuǎn)頭是由吊著的4或6個自由活動的吊桶（離心套管）構(gòu)成。當(dāng)轉(zhuǎn)頭靜止時,，吊桶垂直懸掛,，當(dāng)轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)速達(dá)到每分鐘200到800轉(zhuǎn)時，吊桶蕩至水平位置,，這種轉(zhuǎn)頭做密度梯度區(qū)帶離心,，其優(yōu)點是梯度物質(zhì)可放在保持垂直的離心管中，離心時被分離的樣品帶垂直于離心管縱軸,，而不像角式轉(zhuǎn)頭中樣品沉淀物的界面與離心管成一定角度,，因而有利于離心結(jié)束后由管內(nèi)分層取出已分離的各樣品帶。其缺點是顆粒沉降距離長,，離心所需時間也長。
⑶ 區(qū)帶轉(zhuǎn)頭：區(qū)帶轉(zhuǎn)頭無離心管,，主要由一個轉(zhuǎn)子桶和可旋開的頂蓋組成,，轉(zhuǎn)子桶中裝有十字型隔板裝置，把桶內(nèi)分隔成四個或多個扇形小室,，隔板內(nèi)有導(dǎo)管,，梯度液或樣品液從轉(zhuǎn)頭中央的進(jìn)液管泵入，通過這些導(dǎo)管分布到轉(zhuǎn)子四周，轉(zhuǎn)頭內(nèi)的隔板可保持樣品帶和梯度介質(zhì)的穩(wěn)定,。沉降的樣品顆粒在區(qū)帶轉(zhuǎn)頭中的沉降情況不同于角式和外擺式轉(zhuǎn)頭,，在徑向的散射離心力作用下，顆粒的沉降距離不變,，因此區(qū)帶轉(zhuǎn)頭的“壁效應(yīng)”極小,，可以避免區(qū)帶和沉降顆粒的紊亂，分離效果好,，而且還有轉(zhuǎn)速高,，容量大，回收梯度容易和不影響分辨率的優(yōu)點,，使超離心用于制備和工業(yè)生產(chǎn)成為可能,。區(qū)帶轉(zhuǎn)頭的缺點是樣品和介質(zhì)直接接觸轉(zhuǎn)頭，耐腐蝕要求高,，操作復(fù)雜,。
⑷ 垂直轉(zhuǎn)頭：其離心管是垂直放置，樣品顆粒的沉降距離zui短,，離心所需時間也短,，適合用于密度梯度區(qū)帶離心，離心結(jié)束后液面和樣品區(qū)帶要作九十度轉(zhuǎn)向,，因而降速要慢,。
⑸ 連續(xù)流動轉(zhuǎn)頭：可用于大量培養(yǎng)液或提取液的濃縮與分離，轉(zhuǎn)頭與區(qū)帶轉(zhuǎn)頭類似,，由轉(zhuǎn)子桶和有入口和出口的轉(zhuǎn)頭蓋及附屬裝置組成,，離心時樣品液由入口連續(xù)流入轉(zhuǎn)頭，在離心力作用下,，懸浮顆粒沉降于轉(zhuǎn)子桶壁,，上清液由出口流出。
3. 離心管：
離心管主要用塑料和不銹鋼制成,，塑料離心管常用材料有聚乙烯（PE）,，聚碳酸酯（PC），聚丙烯（PP）等,，其中PP管性能較好,。塑料離心管的優(yōu)點是透明（或半透明），硬度小,，可用穿刺法取出梯度,。缺點是易變形，抗有機(jī)溶劑腐蝕性差,，使用壽命短,。
不銹鋼管強(qiáng)度大,，不變形，能抗熱,，抗凍,，抗化學(xué)腐蝕。但用時也應(yīng)避免接觸強(qiáng)腐蝕性的化學(xué)藥品,，如強(qiáng)酸,、強(qiáng)堿等。
塑料離心管都有管蓋,，離心前管蓋必須蓋嚴(yán),，倒置不漏液。管蓋有三種作用：
①防止樣品外泄,。用于有放射性或強(qiáng)腐蝕性的樣品時,，這點尤其重要。②防止樣
品揮發(fā),。③支持離心管,，防止離心管變形。
4. 分析性離心機(jī)：
分析性離心機(jī)使用了特殊設(shè)計的轉(zhuǎn)頭和光學(xué)檢測系統(tǒng),，以便連續(xù)地監(jiān)視物質(zhì)在一個離心場中的沉降過程,。從而確定其物理性質(zhì)。
分析性超速離心機(jī)的轉(zhuǎn)頭是橢圓形的,，以避免應(yīng)力集中于孔處,。此轉(zhuǎn)頭通過一個有柔性的軸聯(lián)接到一個高速的驅(qū)動裝置上，轉(zhuǎn)頭在一個冷凍的和真空的腔中旋轉(zhuǎn),，轉(zhuǎn)頭上有2～6個裝離心杯的小室,，離心杯是扇形石英的，可以上下透光,，離心機(jī)中裝有一個光學(xué)系統(tǒng),，在整個離心期間都能通過紫外吸收或折射率的變化監(jiān)測離心杯中沉降著的物質(zhì)，在預(yù)定的期間可以拍攝沉降物質(zhì)的照片,，在分析離心杯中物質(zhì)沉降情況時,，在重顆粒和輕顆粒之間形成的界面就像一個折射的透鏡，結(jié)果在檢測系統(tǒng)的照像底板上產(chǎn)生了一個“峰”,，由于沉降不斷進(jìn)行,，界面向前推進(jìn)，因此峰也移動,，從峰移動的速度可以計算出樣品顆粒的沉降速度,。
分析性超速離心機(jī)和主要特點就是能在短時間內(nèi)，用少量樣品就可以得到一些重要信息,，能夠確定生物大分子是否存在,，其大致的含量，計算生物大分子的沉降系數(shù),，結(jié)合界面擴(kuò)散,，估計分子的大小，檢測分子的不均一性及混合物中各組份的比例,，測定生物大分子的分子量,，還可以檢測生物大分子的構(gòu)象變化等。
制備性超速離心的分離方法：
1. 差速沉降離心法：
這是zui普通的離心法,。即采用逐漸增加離心速度或低速和高速交替進(jìn)行離心,，使沉降速度不同的顆粒，在不同的離心速度及不同離心時間下分批分離的方法,。此法一般用于分離沉降系數(shù)相差較大的顆粒,。
差速離心首先要選擇好顆粒沉降所需的離心力和離心時間。當(dāng)以一定的離心力在一定的離心時間內(nèi)進(jìn)行離心時,，在離心管底部就會得到zui大和zui重顆粒的沉淀,，分出的上清液在加大轉(zhuǎn)速下再進(jìn)行離心，又得到第二部分較大較重顆粒的沉淀及含較小和較輕顆粒的上清液,，如此多次離心處理,，即能把液體中的不同顆粒較好地分離開。此法所得的沉淀是不均一的,，仍雜有其它成分,，需經(jīng)過2～3次的再懸浮和再離心，才能得到較純的顆粒,。
此法主要由于組織勻漿液中分離細(xì)胞器和病毒,，其優(yōu)點是：操作簡易，離心后用傾倒法即可將上清液與沉淀分開,，并可使用容量較大的角式轉(zhuǎn)子,。缺點是：須多次離心，沉淀中有夾帶,，分離效果差,，不能一次得到純顆粒，沉淀于管底的顆粒受擠壓,，容易變性失活,。
2. 密度梯度區(qū)帶離心法（簡稱區(qū)帶離心法）：
區(qū)帶離心法是將樣品加在惰性梯度介質(zhì)中進(jìn)行離心沉降或沉降平衡，在一定的離心力下把顆粒分配到梯度中某些特定位置上,，形成不同區(qū)帶的分離方法,。此法的優(yōu)點是：①分離效果好，可一次獲得較純顆粒,；②適應(yīng)范圍廣,，能象差速離心法一樣分離具有沉降系數(shù)差的顆粒,，又能分離有一定浮力密度差的顆粒；③顆粒不會擠壓變形,，能保持顆?；钚裕⒎乐挂研纬傻膮^(qū)帶由于對流而引起混合,。
此法的缺點是：①離心時間較長,；②需要制備惰性梯度介質(zhì)溶液；③操作嚴(yán)格,，不易掌握,。
密度梯度區(qū)帶離心法又可分為兩種：
（1）差速區(qū)帶離心法：當(dāng)不同的顆粒間存在沉降速度差時（不需要像差速沉降離心法所要求的那樣大的沉降系數(shù)差）。在一定的離心力作用下,，顆粒各自以一定的速度沉降,，在密度梯度介質(zhì)的不同區(qū)域上形成區(qū)帶的方法稱為差速區(qū)帶離心法。此法僅用于分離有一定沉降系數(shù)差的顆粒（20% 的沉降系數(shù)差或更少）或分子量相差3倍的蛋白質(zhì),，與顆粒的密度無關(guān),，大小相同，密度不同的顆粒（如線粒體,，溶酶體等）不能用此法分離,。
離心管先裝好密度梯度介質(zhì)溶液，樣品液加在梯度介質(zhì)的液面上,，離心時,，由于離心力的作用，顆粒離開原樣品層,，按不同沉降速度向管底沉降,，離心一定時間后，沉降的顆粒逐漸分開,，zui后形成一系列界面清楚的不連續(xù)區(qū)帶,，沉降系數(shù)越大，往下沉降越快,，所呈現(xiàn)的區(qū)帶也越低,，離心必須在沉降zui快的大顆粒到達(dá)管底前結(jié)束，樣品顆粒的密度要大于梯度介質(zhì)的密度,。梯度介質(zhì)通常用蔗糖溶液,，其zui大密度和濃度可達(dá)1.28 kg/cm3和60％。
此離心法的關(guān)鍵是選擇合適的離心轉(zhuǎn)速和時間
（2）等密度區(qū)帶離心法：離心管中預(yù)先放置好梯度介質(zhì),，樣品加在梯度液面上,，或樣品預(yù)先與梯度介質(zhì)溶液混合后裝入離心管，通過離心形成梯度,，這就是預(yù)形成梯度和離心形成梯度的等密度區(qū)帶離心產(chǎn)生梯度的二種方式,。
離心時,，樣品的不同顆粒向上浮起，一直移動到與它們的密度相等的等密度點的特定梯度位置上,，形成幾條不同的區(qū)帶,，這就是等密度離心法。體系到達(dá)平衡狀態(tài)后,，再延長離心時間和提高轉(zhuǎn)速已無意義，處于等密度點上的樣品顆粒的區(qū)帶形狀和位置均不再受離心時間所影響,，提高轉(zhuǎn)速可以縮短達(dá)到平衡的時間,，離心所需時間以zui小顆粒到達(dá)等密度點（即平衡點）的時間為基準(zhǔn)，有時長達(dá)數(shù)日,。
等密度離心法的分離效率取決于樣品顆粒的浮力密度差,，密度差越大，分離效果越好,，與顆粒大小和形狀無關(guān),，但大小和形狀決定著達(dá)到平衡的速度、時間和區(qū)帶寬度,。
等密度區(qū)帶離心法所用的梯度介質(zhì)通常為氯化絕CSCl,，其密度可達(dá)1.7 g/cm3。此法可分離核酸,、亞細(xì)胞器等,，也可以分離復(fù)合蛋白質(zhì)，但簡單蛋白質(zhì)不適用,。
收集區(qū)帶的方法有許多種,，例如：
（1） 用注射器和滴管由離心管上部吸出。
（2） 有針刺穿離心管底部滴出,。
（3） 用針刺穿離心管區(qū)帶部份的管壁,，把樣品區(qū)帶抽出。
（4）用一根細(xì)管插入離心管底,，泵入超過梯度介質(zhì)zui大密度的取代液,，將樣品和梯度介質(zhì)壓出，用自動部分收集器收集,。
離心操作的注意事項
高速與超速離心機(jī)是生化實驗教學(xué)和生化科研的重要精密設(shè)備,，因其轉(zhuǎn)速高，產(chǎn)生的離心力大,，使用不當(dāng)或缺乏定期的檢修和保養(yǎng),，都可能發(fā)生嚴(yán)重事故，因此使用離心機(jī)時都必須嚴(yán)格遵守操作規(guī)程,。
1. 使用各種離心機(jī)時,，必須事先在天平上精密地平衡離心管和其內(nèi)容物,，平衡時重量之差不得超過各個離心機(jī)說明書上所規(guī)定的范圍，每個離心機(jī)不同的轉(zhuǎn)頭有各自的允許差值,，轉(zhuǎn)頭中不能裝載單數(shù)的管子,，當(dāng)轉(zhuǎn)頭只是部分裝載時，管子必須互相對稱地放在轉(zhuǎn)頭中,，以便使負(fù)載均勻地分布在轉(zhuǎn)頭的周圍,。
2. 裝載溶液時，要根據(jù)各種離心機(jī)的具體操作說明進(jìn)行,，根據(jù)待離心液體的性質(zhì)及體積選用適合的離心管,，有的離心管無蓋，液體不得裝得過多,，以防離心時甩出,，造成轉(zhuǎn)頭不平衡、生銹或被腐蝕,，而制備性超速離心機(jī)的離心管,，則常常要求必須將液體裝滿，以免離心時塑料離心管的上部凹陷變形,。每次使用后,，必須仔細(xì)檢查轉(zhuǎn)頭，及時清洗,、擦干,，轉(zhuǎn)頭是離心機(jī)中須重點保護(hù)的部件，搬動時要小心,，不能碰撞,，避免造成傷痕，轉(zhuǎn)頭長時間不用時,，要涂上一層上光臘保護(hù),，嚴(yán)禁使用顯著變形、損傷或老化的離心管,。
3. 若要在低于室溫的溫度下離心時,。轉(zhuǎn)頭在使用前應(yīng)放置在冰箱或置于離心機(jī)的轉(zhuǎn)頭室內(nèi)預(yù)冷。
4. 離心過程中不得隨意離開,，應(yīng)隨時觀察離心機(jī)上的儀表是否正常工作,，如有異常的聲音應(yīng)立即停機(jī)檢查，及時排除故障,。
5. 每個轉(zhuǎn)頭各有其zui高允許轉(zhuǎn)速和使用累積*,，使用轉(zhuǎn)頭時要查閱說明書，不得過速使用。每一轉(zhuǎn)頭都要有一份使用檔案,，記錄累積的使用時間,，若超過了該轉(zhuǎn)頭的zui高使用*，則須按規(guī)定降速使用,。