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离心机原理及离心机转子原理种类介绍

离心机是一种常用的稍大型的仪器,几乎每个实验室都会配置一到两台甚至数台。大家对其并不陌生,只是可能只了解其中少数种类。刚好小编实验室最近准备购置一台离心机,所以搜集并整理了一些关于离心机及其转子种类的资料分享给大家。

 

一、离心技术的基本原理

1、离心力(force, F)

F = m * a = m * ω2r2

a:粒子旋转的加速度

m:粒子的有效质量,g为单位

ω:粒子旋转的角速度,弧度/s为单位

r:粒子的旋转半径,cm为单位

2、相对离心力(relative centrifuge force, RCF)

通常离心力常用地球引力(g)的倍数来表示,因而称为相对离心力(RCF)。常用数字×g来表示,例如13000g表示相对离心力为13000。相对离心力指在离心场中,作用与颗粒的离心力相当于地球重力的倍数,单位是重力加速度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为每分钟转数

由上式可知,只要给出旋转半径r,则RCF和rpm之间可以相互换算。

由于转头的形状及结构的差异,每台离心机的离心管从管口至管底的各点与旋转轴之间的距离是不一样的,所以在计算时规定旋转半径均用平均半径rav代替,即最大半径rmax和最小半径rmin的平均值。

一般,低速离心时常以转速rpm来表示,高速离心时则以g表示。报告离心条件时使用RCF比rpm要科学,因为它可以真实地反映颗粒在离心管内不同位置的离心力及其动态变化。

 

二、离心机的种类

离心机按用途分为工业用离心机实验用离心机。后者根据功能又分为制备性离心机和分析性离心机。制备性离心机一般用来分离各种生物材料,分离的样品量比较大,也是大多数科研实验室配备的离心机种类。分析性离心机常用来研究纯的生物大分子和颗粒的理化性质,一般有光学系统,可监测粒子在离心场中的行为,能推断物质的纯度、形状和分子量等,且都是超速离心机。此处只介绍几种制备性离心机,分析性离心机将在以后同大家一起分享。

制备性离心机根据转速可分为普通离心机、高速离心机、超速离心机等。具体如下:

1、普通离心机

最大转速6000rpm左右,最大RCF接近6000g,容量为几十毫升至几升,分离形式是固液沉降分离,其转速不能严格控制,通常不带冷冻系统,室温操作,用于收集易沉淀的大颗粒物质,如:细胞等。在细胞培养实验室常常能见到,一般购买国产产品即可,如湖南湘仪牌、上海飞鸽牌等。

2、高速离心机

转速为2000-25000rpm,最大RCF为89000×g,最大容量可达3L,一般都有制冷系统,以消除高速旋转转头与空气之间摩擦而产生的热量,离心室的温度可以调节和维持在0℃-4℃,可以严格准确的控制转速温度和时间,并有指针或数字显示。通常用于微生物菌体、细胞碎片、大细胞器、硫酸铵沉淀和免疫沉淀物等的分离纯化工作,但不能有效地沉降病毒、小细胞器或单个分子。高速离心机是实验室中最常见的离心机类型,一般的分子实验室都会配备,比较好的品牌有艾本德(eppendorf)、赛默飞世尔(thermofisher)、西格玛(sigma)等,价格一般在几万至几十万。

3、超速离心机

转速可达50000-80000rpm,RCF最高可达510000×g,离心容量由几十毫升至2升,分离形式为差速沉降分离和密度梯度区带分离,需严格配平(误差<0.1g)。与高速离心机的主要区别是增加了真空系统。常用于分离亚细胞器、病毒、核酸、蛋白质和多糖等。超速离心机一般只有大型实验室或公共平台才有能力购买,价格几十万甚至上百万。比较好的品牌有日立(HITACHI)、贝克曼库尔特(Beckman)。

 

三、离心机转子的种类

离心机的转子是其主要的工作部件,一台离心机的全套转子甚至比离心机主机还要贵。且转子的规格、品种的多少也是衡量离心机生产技术掌握程度的重要标志,常见的转子类型为固定角转子、水平转子,此外还有区带转子、连续流动转子、垂直转子等。

1、固定角转子

离心管与转子的转轴之间有一定的角度,角度变化范围通常在14°-45°,如下图1。此种转子重心低,寿命长,容量较大,转速较高,能承受的最大离心力可达800000g。主要用于分离沉降速度有明显差异的颗粒样品。颗粒在扇形溶液移动的距离很短,碰到外壁的颗粒沿着管壁滑到管底,形成沉淀,因此这种转子能很快地收集沉淀物。分离过程中,由于管壁的作用,在离心管内将会引起强烈的对流,对具有相同沉降速率的颗粒会产生不良影响,如图2。

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图1 不同孔径的固定角转子

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图2 固定角转子颗粒离心过程示意图

2、水平转子

又称甩平转子、荡平转子。转头静止时,处于转头中的离心管中心线与旋转轴平行。转头旋转加速时,离心管中心线由平行位置逐渐过渡到垂直位置,即与旋转轴成90°角。此种转子主要用于样品做密度梯度离心。颗粒移动距离长,相应离心时间一般也较长,溶液中的组分相对于管壁的位置在离心过程中和离心后不发生改变,因此离心效果好,但因颗粒在离心场中是从旋转中沿径向散离出去,而不是按相互平行的路线沉降。颗粒碰到外壁沿着管壁滑到管底,因此也会产生对流,但比固定角转子小,如图4。低速启动或停机时会产生振动,影响分离效果。水平转子又分为敞开式和封闭式两种,一般制备容量大,转速小于10000rpm,离心力场在16000×g以内的,作为敞开式,主要用于样品的初分离。制备容量较前者小,转速大于10000rpm,离心力场在16000×g以上的,为了减少风力的影响,一般作为封闭式,主要用于线粒体、叶绿体、细胞核等的分离和密度梯度离心。此外,用于离心酶标板的转子也可归纳为水平转子,如下图3。

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图3 几种常见的水平转子及其适配器

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图4 水平转子颗粒离心过程示意图

3、区带转子

区带转子无离心管,主要由带有四块叶片的转子体和密封系统组成,转子体和四块叶片将离心池分为四个扇形小室,阻止溶液在离心池中旋转,叶片上有径向导管,溶液通过导管从中心流向转子体外壁(如图5)。装样和取样时应小心,装样一般在2500-3000rpm运转中进行。首先将梯度液中较轻的部分通过密封管道泵入转子内,由于惯性力的存在,梯度液在转子外壁的垂直方向形成均匀的一层(如图6)。再依次将密度较高的梯度液泵入,随着密度的增高和梯度液的不断泵入,密度较低的梯度液被推向中心,直到转子完全装满。然后通过密封组件中心输液管把待分离的样品(其密度与梯度液中最轻的密度部分还低)加入,接着把密度更低的溶液注入,用以取代中心附近的样品。装完后,移去密封组件,盖上转子盖,在一定转速离心一定时间后,转速降至2500-3000rpm,装上密封组件及输液管,通过泵入较密的液体到转子的液体由轻至重依次挤出。此种转子主要用于大容量的密度梯度离心,当实验所需制备的样品量多,而水平转子因受到量的限制时,采用区带离心是较好的。沉降的样品颗粒在区带转头中的沉降情况不同于角式和外摆式转子,在径向的散射离心力作用下,颗粒的沉降距离不变,因此区带转头的“壁效应”极小,可以避免区带和沉降颗粒的紊乱,分离效果好。只是区带转子中样品和介质直接接触转头,耐腐蚀要求高,操作复杂。

 

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图5 区带转子组成部件                                               图6 区带转子离心过程示意图

 

4、连续流动转子

连续流动转子与区带转子类似,由转头主体和有入口、出口的转头盖及附属装置组成。此种转头主要用于悬浮介质中高速分离较小的颗粒物质,如在培养液中分离细胞,大量培养液或提取液的浓缩与分离等。在运转过程中,悬浮样品以一定速度从转子体中心流入离心池,由于溶液中的组分轻重不同,在离心力场作用下,重粒子具有较大的惯性离心力、沉降快。当流速增大(降低)到一定值时,重粒子将留在离心池外缘底部,而介质将从出口流出并带走较轻的粒子(如图7)。收集组分的方法是把组分冲洗出离心池或者留在转子体内。连续流动转子是利用离心淘析技术对整细胞或大的亚细胞粒子进行分离。在无菌和低温条件下,被分离的组分能保持活性、回收率高。如果液流方向与离心力方向相反,即降低了粒子运行速度,相当于增长了运行距离,从而提高了分辨能力。

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图7 连续流动转子颗粒离心过程示意图

5、垂直转子

垂直转子的离心管垂直插入转头孔内,在离心过程中始终与旋转轴平行,而离心时液层发生角度变化,从开始的水平方向改成垂直方向,当转头降速时,垂直分布的液层又逐渐趋向水平,待旋转停止后,液面又完全恢复成水平方向,如图8。此种转子主要用于样品在短时间做密度梯度离心。水平转子分离粒子位移距离长,分辨能力高,分离后组分的区带较宽,便于回收,但所需时间长。垂直转子分离的粒子位移距离等于离心管直径,离心时间比水平转子短,但粒子得不到充分分离,将会失去一些组分,又因区带与梯度介质的接触面大,易于扩散,停机后密度重新定向,易于混合,所以作区带离心的效果,垂直转子比不上水平转子。

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图8 垂直转子颗粒离心过程示意图