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離心機及轉(zhuǎn)子原理種類
離心機是一種常用的的儀器設(shè)備，幾乎每個實驗室都會配置一到兩臺甚至數(shù)臺,。大家對其并不陌生,，只是可能只了解其中少數(shù)種類。小編搜集并整理了一些關(guān)于離心機及其轉(zhuǎn)子種類的資料分享給大家,。
一,、離心技術(shù)的基本原理
1、離心力（force, F）
F = m * a = m * ω2r2
a：粒子旋轉(zhuǎn)的加速度
m：粒子的有效質(zhì)量,，g為單位
ω：粒子旋轉(zhuǎn)的角速度,，弧度/s為單位
r：粒子的旋轉(zhuǎn)半徑，cm為單位
2,、相對離心力（relative centrifuge force, RCF）
通常離心力常用地球引力（g）的倍數(shù)來表示，因而稱為相對離心力（RCF）,。常用數(shù)字×g來表示,，例如13000g表示相對離心力為13000。相對離心力指在離心場中,，作用與顆粒的離心力相當(dāng)于地球重力的倍數(shù),，單位是重力加速度g（980cm/s2）。
RCF = ma/mg = mω2r2/mg = ω2r2/g
∵ω = 2π× （rpm）/60
∴RCF = 1.119 × 10-5 × （rpm）2r
rpm：revolutions per minute為每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)
由上式可知,，只要給出旋轉(zhuǎn)半徑r,，則RCF和rpm之間可以相互換算。
由于轉(zhuǎn)頭的形狀及結(jié)構(gòu)的差異,，每臺離心機的離心管從管口至管底的各點與旋轉(zhuǎn)軸之間的距離是不一樣的,，所以在計算時規(guī)定旋轉(zhuǎn)半徑均用平均半徑rav代替,，即zui大半徑rmax和zui小半徑rmin的平均值。
二,、離心機的種類
離心機按用途分為工業(yè)用離心機和實驗室離心機,。后者根據(jù)功能又分為制備性離心機和分析性離心機。制備性離心機一般用來分離各種生物材料,，分離的樣品量比較大,，也是大多數(shù)科研實驗室配備的離心機種類。分析性離心機常用來研究純的生物大分子和顆粒的理化性質(zhì),，一般有光學(xué)系統(tǒng),，可監(jiān)測粒子在離心場中的行為，能推斷物質(zhì)的純度,、形狀和分子量等,，且都是超速離心機。此處只介紹幾種制備性離心機,，分析性離心機將在以后同大家一起分享,。
制備性離心機根據(jù)轉(zhuǎn)速可分為普通離心機、高速離心機,、超速離心機等,。具體如下：
1、普通離心機
zui大轉(zhuǎn)速6000rpm左右,，zui大RCF接近6000g,，容量為幾十毫升至幾升，分離形式是固液沉降分離,，其轉(zhuǎn)速不能嚴格控制,，通常不帶冷凍系統(tǒng)，室溫操作,，用于收集易沉淀的大顆粒物質(zhì),，如：細胞等。在細胞培養(yǎng)實驗室常常能見到,，一般購買國產(chǎn)產(chǎn)品即可,，如湖南湘儀牌、上海飛鴿牌等,。
2,、高速離心機
轉(zhuǎn)速為2000-25000rpm，zui大RCF為89000×g,，zui大容量可達3L,，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℃-4℃,，可以嚴格準確的控制轉(zhuǎn)速溫度和時間,，并有指針或數(shù)字顯示。通常用于微生物菌體,、細胞碎片,、大細胞器、硫酸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,、小細胞器或單個分子。高速離心機是實驗室中zui常見的離心機類型,，一般的分子實驗室都會配備,，比較好的品牌有艾本德（eppendorf）、湘儀等,，價格一般在幾萬至幾十萬,。
3、超速離心機
轉(zhuǎn)速可達50000-80000rpm,，RCFzui高可達510000×g,，離心容量由幾十毫升至2升，分離形式為差速沉降分離和密度梯度區(qū)帶分離,，需嚴格配平（誤差＜0.1g）,。與高速離心機的主要區(qū)別是增加了真空系統(tǒng)。常用于分離亞細胞器,、病毒,、核酸、蛋白質(zhì)和多糖等,。超速離心機一般只有大型實驗室或公共平臺才有能力購買,，價格幾十萬甚至上百萬。比較好的品牌有貝克曼庫爾特（Beckman）,。
三,、離心機轉(zhuǎn)子的種類
離心機的轉(zhuǎn)子是其主要的工作部件，一臺離心機的全套轉(zhuǎn)子甚至比離心機主機還要貴,。且轉(zhuǎn)子的規(guī)格,、品種的多少也是衡量離心機生產(chǎn)技術(shù)掌握程度的重要標(biāo)志，常見的轉(zhuǎn)子類型為固定角轉(zhuǎn)子,、水平轉(zhuǎn)子,，此外還有區(qū)帶轉(zhuǎn)子,、連續(xù)流動轉(zhuǎn)子,、垂直轉(zhuǎn)子等。
1,、固定角轉(zhuǎn)子
離心管與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸之間有一定的角度,，角度變化范圍通常在14°-45°,，如下圖1。此種轉(zhuǎn)子重心低,，壽命長,，容量較大，轉(zhuǎn)速較高,，能承受的zui大離心力可達800000g,。主要用于分離沉降速度有明顯差異的顆粒樣品。顆粒在扇形溶液移動的距離很短,，碰到外壁的顆粒沿著管壁滑到管底,，形成沉淀，因此這種轉(zhuǎn)子能很快地收集沉淀物,。分離過程中,，由于管壁的作用，在離心管內(nèi)將會引起強烈的對流,，對具有相同沉降速率的顆粒會產(chǎn)生不良影響,，如圖2。
圖1 不同孔徑的固定角轉(zhuǎn)子
圖2 固定角轉(zhuǎn)子顆粒離心過程示意圖
2,、水平轉(zhuǎn)子
又稱甩平轉(zhuǎn)子,、蕩平轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)頭靜止時,，處于轉(zhuǎn)頭中的離心管中心線與旋轉(zhuǎn)軸平行,。轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)加速時，離心管中心線由平行位置逐漸過渡到垂直位置,，即與旋轉(zhuǎn)軸成90°角,。此種轉(zhuǎn)子主要用于樣品做密度梯度離心。顆粒移動距離長,，相應(yīng)離心時間一般也較長,，溶液中的組分相對于管壁的位置在離心過程中和離心后不發(fā)生改變，因此離心效果好,，但因顆粒在離心場中是從旋轉(zhuǎn)中沿徑向散離出去,，而不是按相互平行的路線沉降。顆粒碰到外壁沿著管壁滑到管底,，因此也會產(chǎn)生對流,，但比固定角轉(zhuǎn)子小，如圖4,。低速啟動或停機時會產(chǎn)生振動,，影響分離效果。水平轉(zhuǎn)子又分為敞開式和封閉式兩種，一般制備容量大,，轉(zhuǎn)速小于10000rpm,，離心力場在16000×g以內(nèi)的，作為敞開式,，主要用于樣品的初分離,。制備容量較前者小，轉(zhuǎn)速大于10000rpm,，離心力場在16000×g以上的,，為了減少風(fēng)力的影響，一般作為封閉式,，主要用于線粒體,、葉綠體、細胞核等的分離和密度梯度離心,。此外,，用于離心酶標(biāo)板的轉(zhuǎn)子也可歸納為水平轉(zhuǎn)子，如下圖3,。
圖3 幾種常見的水平轉(zhuǎn)子及其適配器
圖4 水平轉(zhuǎn)子顆粒離心過程示意圖
3,、區(qū)帶轉(zhuǎn)子
區(qū)帶轉(zhuǎn)子無離心管，主要由帶有四塊葉片的轉(zhuǎn)子體和密封系統(tǒng)組成,，轉(zhuǎn)子體和四塊葉片將離心池分為四個扇形小室,，阻止溶液在離心池中旋轉(zhuǎn)，葉片上有徑向?qū)Ч?，溶液通過導(dǎo)管從中心流向轉(zhuǎn)子體外壁（如圖5）,。裝樣和取樣時應(yīng)小心，裝樣一般在2500-3000rpm運轉(zhuǎn)中進行,。首先將梯度液中較輕的部分通過密封管道泵入轉(zhuǎn)子內(nèi),，由于慣性力的存在，梯度液在轉(zhuǎn)子外壁的垂直方向形成均勻的一層（如圖6）,。再依次將密度較高的梯度液泵入,，隨著密度的增高和梯度液的不斷泵入，密度較低的梯度液被推向中心,，直到轉(zhuǎn)子*裝滿,。然后通過密封組件中心輸液管把待分離的樣品（其密度與梯度液中zui輕的密度部分還低）加入，接著把密度更低的溶液注入,，用以取代中心附近的樣品,。裝完后，移去密封組件,，蓋上轉(zhuǎn)子蓋,，在一定轉(zhuǎn)速離心一定時間后，轉(zhuǎn)速降至2500-3000rpm，裝上密封組件及輸液管,，通過泵入較密的液體到轉(zhuǎn)子的液體由輕至重依次擠出。此種轉(zhuǎn)子主要用于大容量的密度梯度離心,，當(dāng)實驗所需制備的樣品量多,，而水平轉(zhuǎn)子因受到量的限制時，采用區(qū)帶離心是較好的,。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)子,，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,。只是區(qū)帶轉(zhuǎn)子中樣品和介質(zhì)直接接觸轉(zhuǎn)頭,，耐腐蝕要求高，操作復(fù)雜,。
圖5 區(qū)帶轉(zhuǎn)子組成部件 圖6 區(qū)帶轉(zhuǎn)子離心過程示意圖
4,、連續(xù)流動轉(zhuǎn)子
連續(xù)流動轉(zhuǎn)子與區(qū)帶轉(zhuǎn)子類似，由轉(zhuǎn)頭主體和有入口,、出口的轉(zhuǎn)頭蓋及附屬裝置組成,。此種轉(zhuǎn)頭主要用于懸浮介質(zhì)中高速分離較小的顆粒物質(zhì)，如在培養(yǎng)液中分離細胞,，大量培養(yǎng)液或提取液的濃縮與分離等,。在運轉(zhuǎn)過程中，懸浮樣品以一定速度從轉(zhuǎn)子體中心流入離心池,，由于溶液中的組分輕重不同,，在離心力場作用下，重粒子具有較大的慣性離心力,、沉降快,。當(dāng)流速增大(降低)到一定值時，重粒子將留在離心池外緣底部,，而介質(zhì)將從出口流出并帶走較輕的粒子（如圖7）,。收集組分的方法是把組分沖洗出離心池或者留在轉(zhuǎn)子體內(nèi)。連續(xù)流動轉(zhuǎn)子是利用離心淘析技術(shù)對整細胞或大的亞細胞粒子進行分離,。在無菌和低溫條件下,，被分離的組分能保持活性、回收率高,。如果液流方向與離心力方向相反,，即降低了粒子運行速度，相當(dāng)于增長了運行距離，從而提高了分辨能力,。
圖7 連續(xù)流動轉(zhuǎn)子顆粒離心過程示意圖
5,、垂直轉(zhuǎn)子
垂直轉(zhuǎn)子的離心管垂直插入轉(zhuǎn)頭孔內(nèi)，在離心過程中始終與旋轉(zhuǎn)軸平行,，而離心時液層發(fā)生角度變化,，從開始的水平方向改成垂直方向，當(dāng)轉(zhuǎn)頭降速時,，垂直分布的液層又逐漸趨向水平,，待旋轉(zhuǎn)停止后，液面又*恢復(fù)成水平方向,，如圖8,。此種轉(zhuǎn)子主要用于樣品在短時間做密度梯度離心。水平轉(zhuǎn)子分離粒子位移距離長,，分辨能力高,，分離后組分的區(qū)帶較寬，便于回收,，但所需時間長,。垂直轉(zhuǎn)子分離的粒子位移距離等于離心管直徑，離心時間比水平轉(zhuǎn)子短,，但粒子得不到充分分離,，將會失去一些組分，又因區(qū)帶與梯度介質(zhì)的接觸面大,，易于擴散,，停機后密度重新定向，易于混合,，所以作區(qū)帶離心的效果,，垂直轉(zhuǎn)子比不上水平轉(zhuǎn)子。
圖8 垂直轉(zhuǎn)子顆粒離心過程示意圖