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離心機及轉子原理種類
離心機是一種常用的的儀器設備，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于離心機及其轉子種類的資料分享給大家。
一、離心技術的基本原理
1、離心力（force, F）
F = m * a = m * ω2r2
a：粒子旋轉的加速度
m：粒子的有效質量，g為單位
ω：粒子旋轉的角速度，弧度/s為單位
r：粒子的旋轉半徑，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為每分鐘轉數(shù)
由上式可知，只要給出旋轉半徑r，則RCF和rpm之間可以相互換算。
由于轉頭的形狀及結構的差異，每臺離心機的離心管從管口至管底的各點與旋轉軸之間的距離是不一樣的，所以在計算時規(guī)定旋轉半徑均用平均半徑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，一般有光學系統(tǒng)，可監(jiān)測粒子在離心場中的行為，能推斷物質的純度、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，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)，以消除高速旋轉轉頭與空氣之間摩擦而產(chǎn)生的熱量，離心室的溫度可以調節(jié)和維持在0℃-4℃，可以嚴格準確的控制轉速溫度和時間，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、離心機轉子的種類
離心機的轉子是其主要的工作部件，一臺離心機的全套轉子甚至比離心機主機還要貴。且轉子的規(guī)格、品種的多少也是衡量離心機生產(chǎn)技術掌握程度的重要標志，常見的轉子類型為固定角轉子、水平轉子，此外還有區(qū)帶轉子、連續(xù)流動轉子、垂直轉子等。
1、固定角轉子
離心管與轉子的轉軸之間有一定的角度，角度變化范圍通常在14°-45°，如下圖1。此種轉子重心低，壽命長，容量較大，轉速較高，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子
圖2 固定角轉子顆粒離心過程示意圖
2、水平轉子
又稱甩平轉子、蕩平轉子。轉頭靜止時，處于轉頭中的離心管中心線與旋轉軸平行。轉頭旋轉加速時，離心管中心線由平行位置逐漸過渡到垂直位置，即與旋轉軸成90°角。此種轉子主要用于樣品做密度梯度離心。顆粒移動距離長，相應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。水平轉子又分為敞開式和封閉式兩種，一般制備容量大，轉速小于10000rpm，離心力場在16000×g以內的，作為敞開式，主要用于樣品的初分離。制備容量較前者小，轉速大于10000rpm，離心力場在16000×g以上的，為了減少風力的影響，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，用于離心酶標板的轉子也可歸納為水平轉子，如下圖3。
圖3 幾種常見的水平轉子及其適配器
圖4 水平轉子顆粒離心過程示意圖
3、區(qū)帶轉子
區(qū)帶轉子無離心管，主要由帶有四塊葉片的轉子體和密封系統(tǒng)組成，轉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，葉片上有徑向導管，溶液通過導管從中心流向轉子體外壁（如圖5）。裝樣和取樣時應小心，裝樣一般在2500-3000rpm運轉中進行。首先將梯度液中較輕的部分通過密封管道泵入轉子內，由于慣性力的存在，梯度液在轉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，蓋上轉子蓋，在一定轉速離心一定時間后，轉速降至2500-3000rpm，裝上密封組件及輸液管，通過泵入較密的液體到轉子的液體由輕至重依次擠出。此種轉子主要用于大容量的密度梯度離心，當實驗所需制備的樣品量多，而水平轉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)帶轉頭中的沉降情況不同于角式和外擺式轉子，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)帶轉頭的“壁效應”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)帶轉子中樣品和介質直接接觸轉頭，耐腐蝕要求高，操作復雜。
圖5 區(qū)帶轉子組成部件 圖6 區(qū)帶轉子離心過程示意圖
4、連續(xù)流動轉子
連續(xù)流動轉子與區(qū)帶轉子類似，由轉頭主體和有入口、出口的轉頭蓋及附屬裝置組成。此種轉頭主要用于懸浮介質中高速分離較小的顆粒物質，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。在運轉過程中，懸浮樣品以一定速度從轉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子體內。連續(xù)流動轉子是利用離心淘析技術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)流動轉子顆粒離心過程示意圖
5、垂直轉子
垂直轉子的離心管垂直插入轉頭孔內，在離心過程中始終與旋轉軸平行，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，當轉頭降速時，垂直分布的液層又逐漸趨向水平，待旋轉停止后，液面又*恢復成水平方向，如圖8。此種轉子主要用于樣品在短時間做密度梯度離心。水平轉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，垂直轉子比不上水平轉子。
圖8 垂直轉子顆粒離心過程示意圖