離心機及其轉子的種類

發布時間：2020-04-21 19:22 原文鏈接：離心機及其轉子的種類

離心機是生物學實驗中必不可少的儀器，看似通用的儀器，卻是有許多學問的，實驗操作中我們需要了解離心機知識，能夠合理利用它而更穩定地為我們的實驗服務。

離心機作為一種實驗室通用儀器，幾乎每個實驗室都會配置一到兩臺甚至數臺。大家對其并不陌生，我們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）的倍數來表示，因而稱為相對離心力（RCF）。常用數字×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，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

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，所以在計算時規定旋轉半徑均用平均半徑rav代替，即最大半徑rmax和最小半徑rmin的平均值。

一般，低速離心時常以轉速rpm來表示，高速離心時則以g表示。報告離心條件時使用RCF比rpm要科學，因為它可以真實地反映顆粒在離心管內不同位置的離心力及其動態變化。

二、離心機的種類

離心機按用途分為工業用離心機和實驗用離心機。后者根據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，可監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。此處和大家分享下幾種實驗室常用的制備性離心機。

制備性離心機根據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

最大轉速6000rpm左右，最大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，室溫操作，用于收集易沉淀的大顆粒物質，如：細胞等。在細胞培養實驗室常常能見到。

WIGGENS的UNICEN21系列臺式通用離心機，提供了九種可選轉頭，每種轉頭根據客戶的具體應用不同，配以不同的適配器，可以解決您幾乎所有的實驗室通用性離心的需要。

UNICEN21離心機

2、高速離心機

轉速為2000-25000rpm，最大RCF為89000×g，最大容量可達3L，一般都有制冷系統，以消除高速旋轉轉頭與空氣之間摩擦而產生的熱量，離心室的溫度可以調節和維持在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最常見的離心機類型，一般的分子實驗室都會配備。

WIGGENS的MICROCEN和BIOCEN系列高速離心機，是實驗室高速，小量樣品離心操作的理想選擇。

MICROCEN高速離心機

BIOCEN高速離心機

3、超速離心機

轉速可達50000-80000rpm，RCF最高可達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帶分離，需嚴格配平（誤差＜0.1g）。與高速離心機的主要區別是增加了真空系統。常用于分離亞細胞器、病毒、核酸、蛋白質和多糖等。超速離心機價格較高，一般只有大型實驗室或公共平臺才進行配備。

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。且轉子的規格、品種的多少也是衡量離心機生產技術掌握程度的重要標志，常見的轉子類型主要為固定角轉子、水平轉子。此外還有區帶轉子、連續流動轉子、垂直轉子等，這些類型的轉子并不常用，我們在這里就不做介紹了。

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，能承受的最大離心力可達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，因此也會產生對流，但比固定角轉子小，如圖4。低速啟動或停機時會產生振動，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。