離心機(jī)及其轉(zhuǎn)子的種類(lèi)，你了解多少

離心機(jī)是一種常用的稍大型的儀器，幾乎每個(gè)實(shí)驗(yàn)室都會(huì)配置一到兩臺(tái)甚至數(shù)臺(tái)。大家對(duì)其并不陌生，只是可能只了解其中少數(shù)種類(lèi)。剛好小編實(shí)驗(yàn)室*近準(zhǔn)備購(gòu)置一臺(tái)離心機(jī)，所以搜集并整理了一些關(guān)于離心機(jī)及其轉(zhuǎn)子種類(lèi)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(duì)離心力（relative centrifuge force, RCF）

通常離心力常用地球引力（g）的倍數(shù)來(lái)表示，因而稱(chēng)為相對(duì)離心力（RCF）。常用數(shù)字×g來(lái)表示，例如13000g表示相對(duì)離心力為13000。相對(duì)離心力指在離心場(chǎng)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(tái)離心機(jī)的離心管從管口至管底的各點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)軸之間的距離是不一樣的，所以在計(jì)算時(shí)規(guī)定旋轉(zhuǎn)半徑均用平均半徑rav代替，即*大半徑rmax和*小半徑rmin的平均值。

一般，低速離心時(shí)常以轉(zhuǎn)速rpm來(lái)表示，高速離心時(shí)則以g表示。報(bào)告離心條件時(shí)使用RCF比rpm要科學(xué)，因?yàn)樗梢哉鎸?shí)地反映顆粒在離心管內(nèi)不同位置的離心力及其動(dòng)態(tài)變化。

二、離心機(jī)的種類(lèi)

離心機(jī)按用途分為工業(yè)用離心機(jī)和實(shí)驗(yàn)用離心機(jī)。后者根據(jù)功能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)一般用來(lái)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(shí)驗(yàn)室配備的離心機(jī)種類(lèi)。分析性離心機(jī)常用來(lái)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(cè)粒子在離心場(chǎng)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(jī)。此處只介紹幾種制備性離心機(jī)，分析性離心機(jī)將在以后同大家一起分享。

制備性離心機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)速可分為普通離心機(jī)、高速離心機(jī)、超速離心機(jī)等。具體如下：

1、普通離心機(jī)

*大轉(zhuǎn)速6000rpm左右，*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?chē)?yán)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(xì)胞等。在細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)室常常能見(jiàn)到，一般購(gòu)買(mǎi)國(guó)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(jī)

轉(zhuǎn)速為2000-25000rpm，*大RCF為89000×g，*大容量可達(dá)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(yán)格準(zhǔn)確的控制轉(zhuǎn)速溫度和時(shí)間，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、硫酸銨沉淀和**沉淀物等的分離純化工作，但不能有效地沉降病毒、小細(xì)胞器或單個(gè)分子。高速離心機(jī)是實(shí)驗(yàn)室中*常見(jiàn)的離心機(jī)類(lèi)型，一般的分子實(shí)驗(yàn)室都會(huì)配備，比較好的品牌有艾本德（eppendorf）、賽默飛世爾（thermofisher）、西格瑪（sigma）等，價(jià)格一般在幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)。

3、超速離心機(jī)

轉(zhuǎn)速可達(dá)50000-80000rpm，RCF*高可達(dá)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(yán)格配平（誤差＜0.1g）。與高速離心機(jī)的主要區(qū)別是增加了真空系統(tǒng)。常用于分離亞細(xì)胞器、病毒、核酸、蛋白質(zhì)和多糖等。超速離心機(jī)一般只有大型實(shí)驗(yàn)室或公共平臺(tái)才有能力購(gòu)買(mǎi)，價(jià)格幾十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)。比較好的品牌有日立（HITACHI）、貝克曼庫(kù)爾特（Beckman）。

三、離心機(jī)轉(zhuǎn)子的種類(lèi)

離心機(jī)的轉(zhuǎn)子是其主要的工作部件，一臺(tái)離心機(jī)的全套轉(zhuǎn)子甚至比離心機(jī)主機(jī)還要貴。且轉(zhuǎn)子的規(guī)格、品種的多少也是衡量離心機(jī)生產(chǎn)技術(shù)掌握程度的重要標(biāo)志，常見(jiàn)的轉(zhuǎn)子類(lèi)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(dòng)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(zhǎng)，容量較大，轉(zhuǎn)速較高，能承受的*大離心力可達(dá)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(dòng)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(guò)程中，由于管壁的作用，在離心管內(nèi)將會(huì)引起強(qiáng)烈的對(duì)流，對(duì)具有相同沉降速率的顆粒會(huì)產(chǎn)生**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(guò)程示意圖

2、水平轉(zhuǎn)子

又稱(chēng)甩平轉(zhuǎn)子、蕩平轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)頭靜止時(shí)，處于轉(zhuǎn)頭中的離心管中心線(xiàn)與旋轉(zhuǎn)軸平行。轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)加速時(shí)，離心管中心線(xiàn)由平行位置逐漸過(guò)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(dòng)距離長(zhǎng)，相應(yīng)離心時(shí)間一般也較長(zhǎng)，溶液中的組分相對(duì)于管壁的位置在離心過(guò)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(chǎng)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(xiàn)沉降。顆粒碰到外壁沿著管壁滑到管底，因此也會(huì)產(chǎn)生對(duì)流，但比固定角轉(zhuǎn)子小，如圖4。低速啟動(dòng)或停機(jī)時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，影響分離效果。水平轉(zhuǎn)子又分為敞開(kāi)式和封閉式兩種，一般制備容量大，轉(zhuǎn)速小于10000rpm，離心力場(chǎng)在16000×g以?xún)?nèi)的，作為敞開(kāi)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(chǎng)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(xiàn)粒體、葉綠體、細(xì)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(jiàn)的水平轉(zhuǎn)子及其適配器

圖4 水平轉(zhuǎn)子顆粒離心過(guò)程示意圖

3、區(qū)帶轉(zhuǎn)子

區(qū)帶轉(zhuǎn)子無(wú)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(gè)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(guò)導(dǎo)管從中心流向轉(zhuǎn)子體外壁（如圖5）。裝樣和取樣時(shí)應(yīng)小心，裝樣一般在2500-3000rpm運(yùn)轉(zhuǎn)中進(jìn)行。首先將梯度液中較輕的部分通過(guò)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)子完全裝滿(mǎn)。然后通過(guò)密封組件中心輸液管把待分離的樣品（其密度與梯度液中*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(shí)間后，轉(zhuǎn)速降至2500-3000rpm，裝上密封組件及輸液管，通過(guò)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(shí)驗(yàn)所需制備的樣品量多，而水平轉(zhuǎn)子因受到量的限制時(shí)，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(guò)程示意圖

4、連續(xù)流動(dòng)轉(zhuǎn)子

連續(xù)流動(dòng)轉(zhuǎn)子與區(qū)帶轉(zhuǎn)子類(lèi)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(xì)胞，大量培養(yǎng)液或提取液的濃縮與分離等。在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)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(chǎng)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(shí)，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(dòng)轉(zhuǎn)子是利用離心淘析技術(shù)對(duì)整細(xì)胞或大的亞細(xì)胞粒子進(jìn)行分離。在無(wú)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(yùn)行速度，相當(dāng)于增長(zhǎng)了運(yùn)行距離，從而提高了分辨能力。

圖7 連續(xù)流動(dòng)轉(zhuǎn)子顆粒離心過(guò)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(guò)程中始終與旋轉(zhuǎn)軸平行，而離心時(shí)液層發(fā)生角度變化，從開(kāi)始的水平方向改成垂直方向，當(dāng)轉(zhuǎn)頭降速時(shí)，垂直分布的液層又逐漸趨向水平，待旋轉(zhuǎn)停止后，液面又完全恢復(fù)成水平方向，如圖8。此種轉(zhuǎn)子主要用于樣品在短時(shí)間做密度梯度離心。水平轉(zhuǎn)子分離粒子位移距離長(zhǎng)，分辨能力高，分離后組分的區(qū)帶較寬，便于回收，但所需時(shí)間長(zhǎng)。垂直轉(zhuǎn)子分離的粒子位移距離等于離心管直徑，離心時(shí)間比水平轉(zhuǎn)子短，但粒子得不到充分分離，將會(huì)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(kuò)散，停機(jī)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(guò)程示意圖