超速離心機

離心機是借離心力分離液相非均一體系的設備。根據物質的沉降係數、質量、密度等的不同，套用強大的離心力使物質分離、濃縮和提純的方法稱為離心。一般說，離心機轉速在30 000r/min以上的稱為超速離心。離心技術，特別是超速離心技術是分子生物學、生物化學研究和工業生產中不可缺少的手段。

基本介紹

• 中文名：超速離心機
• 外文名：ultracentrifuge,supercentrifuge,UCF

簡介

1924年T.Svedberg和Rinde研製出世界上第一台渦輪超速離心機以來，發展非常迅速，已廣泛地套用到科學研究和生產的各個領域。離心機轉頭最高轉速已達150000 r/min（貝克曼Optima MAX-XP，2010年數據），最大離心力達1019000 X g（貝克曼Optima MAX-XP，2010年數據）。另外，通常30000rpm以上的才叫超速離心，上面名片說的不通用，但是我在那裡改不了，所以寫這兒。（蝶花公子僅改此段，其餘再論）

離心機作為一種手段，具有許多優點。例如，超速離心可在低溫下操作，保護了生物大分子的活性。製備型的離心機負載量大，一次可分離提純幾克樣品，比層析、電泳上的樣品量大得多。分析離心機不僅可測物質的分子量，還可檢驗物質的純度、構象、沉降係數等。因此離心技術在生物學研究中占有重要的地位，是分離、純化細胞、蛋白、核酸、酶和進行病毒分離的最方便最有效的工具。

離心原理

當含有細小顆粒的懸浮液靜置不動時，由於重力場的作用使得懸浮的顆粒逐漸下沉。粒子越重，下沉越快，反之密度比液體小的粒子就會上浮。微粒在重力場下移動的速度與微粒的大小、形態和密度有關，並且又與重力場的強度及液體的粘度有關。像紅血球大小的顆粒，直徑為數微米，就可以在通常重力作用下觀察到它們的沉降過程。

超速離心機

此外，物質在介質中沉降時還伴隨有擴散現象。擴散是無條件的絕對的。擴散與物質的質量成反比，顆粒越小擴散越嚴重。而沉降是相對的，有條件的，要受到外力才能運動。沉降與物體重量成正比，顆粒越大沉降越快。對小於幾微米的微粒如病毒或蛋白質等，它們在溶液中成膠體或半膠體狀態，僅僅利用重力是不可能觀察到沉降過程的。因為顆粒越小沉降越慢，而擴散現象則越嚴重。所以需要利用離心機產生強大的離心力，才能迫使這些微粒克服擴散產生沉降運動。

台式超速離心機

離心就是利用離心機轉子高速旋轉產生的強大的離心力，加快液體中顆粒的沉降速度，把樣品中不同沉降係數和浮力密度的物質分離開。離心力(F)的大小取決於離心轉頭的角速度(ω，r/min)和物質顆粒距離心軸的距離(r，cm)。它們的關係是：F=ω2R

為方便起見，F常用相對離心力也就是地心引力的倍數表示。即把F值除以重力加速度g (約等於9.8m/s2.)得到離心力是重力的多少倍，稱作多少個g。例如離心機轉頭平均半徑是6cm，當轉速是60 000r/min時，離心力是240 000×g，表示此時作用在被離心物質上的離心力是日常地心引力的24萬倍。

因此，轉速r/min和離心力g值之間並不是成正比關係，還和半徑有關。同樣的轉速，半徑大一倍，離心力(g值)也大一倍。轉速(r/min)和離心力(g值)之間的關係可用下式換算：

RCF=F離心力/F重力=mω2r/mg= ω2r/g = (2πr/r×rpm)2r/g（注意單位統一換算為標準單位）

式中：r為半徑(cm)，g為離心力(g值)

超速離心機的離心方法

概述

用離心方法分離生物大分子和亞細胞物質的基本原理是根據它們在液體介質中或者沉降速度不同而形成不同的區帶，或者它們的密度不同而停留在液體介質中不同的位置而把它們一一分開。前者是沉降速度法，套用該法時液體介質的最大密度要小於樣品中最小顆粒的密度，離心時選用高轉速和短時間；後者是沉降平衡法，套用該法時液體介質的最大密度要大於樣品中最小顆粒的密度，離心時選用較低轉速和較長時間。實際操作有幾種形式：

差速離心

這種方法是選擇不同轉速的離心，分別分離各個不同組分。例如先用低速沉降大顆粒和上清液，在高速離心上清沉降中等顆粒，最後超速離心上清沉降小顆粒。採用逐級提高離心力分離上情液的方法，把不同大小的顆粒分開。

這種方法比較簡單，方便。分離的組份沉到管底，因此可以迅速濃縮所要的組份，減少體積。但回收率和純度是有矛盾的，要提高回收率，勢必提高轉速或延長離心時間，這樣大小相近的顆粒也會沉到管底。因此該法多用於粗提純或初步濃縮樣品。

速度區帶(或速度梯度)離心

本法是將樣品放在一個連續的密度梯度液體上，通過離心，大顆粒沉降快，小顆粒沉降慢。經過一段時間，相同的顆粒就在同一深度

形成一條帶子，因此把各種組份分開來。它適用於分離密度相同、而大小不同的物質，如不同的蛋白質組份密度都差不多，但分子量不一樣，用本法很容易將其分開。但對密度不同、大小類似的物質則不易分離。

蔗糖梯度是一種常用的介質。用不同濃度的蔗糖溶液(5%-60%)配成梯度，用於梯度離心。再分別進行收集處於不同區帶里的各個組份。

沉降平衡離心

這是靜力學的方法。在離心管中形成一個液體梯度，在離心時各組份以不同的速度下沉，但最終停留在與自己相同的密度中，形成一條狹窄的平衡帶，並保持相對的穩定。為了使樣品所有組份都能達到它們的平衡位置，需要長時間離心。這種方法適用於分離大小相似但密度不同的物質，如核酸的分離。氯化銫梯度是常用於平衡離心的介質，解析度很高，可區別密度相差0.05的組分，但離心時間需十幾到幾十小時，且價格很貴。已有一種商品名叫"Percoll"的聚蔗糖溶液可以代替氯化銫梯度。該介質能迅速形成梯度，使離心時間大大縮短到1-2h而仍有很好的分離效果。並且有配套的標記珠（Density marker beads）可以測定樣品的密度。

離心機分類：轉速、容量和用途

依照轉速、容量、用途，可以大致分為分析型超速離心機、制倍型超速離心機、高速冷凍離心機、大容量冷凍低溫離心機、一般用普通低速離心機和台式(高速、低速)離心機等。

分析型超速離心機

最高轉速在60，000r/min以上，裝有懸掛式驅動裝置。選速分級很精細，速控和溫控精度高，配有鋁合金或鈦合金製造的二孔到六孔分析轉子。目前最新推出的Beckman Optima MAX-XP台式超速離心機的最高轉速達到了1,500,000rpm(2,500轉/秒)，而且運行時非常安靜(噪音僅為47dBa)，是較為先進的分析機型。裝有完善的柱面透鏡光學系統、干涉光系統和紫外吸收掃描光學系統，並能利用特別配製的數據處理微機自動計算沉降係數和分子量等物 理參數。老型號機型有MSE～75型(已停止生產)製備分析兩用超速離心機等。

製備型超速離心機

該機型從1955年開始商品化生以來已發展到第五代產品。生產的製備用超速離機最高轉速可達83,000r/min，最大相對離心力場 (R·C·F)S15，000×g以下，驅動裝置壽命已達到200億轉，同時配備有各種轉速和容量的鋁合金、鈦 合金角度轉子、水平轉子、垂直轉子、區帶轉子及其它專用轉子。每種轉子配有多邊數百種的金屬或塑膠離心管。附屬設備可選配分析用光學裝置、密度梯度形成一 收集儀、用於區帶轉子操作的特種加樣一取樣器、密度梯度泵、積分儀和切管器等。新機型具有自動化程度高(內裝微處理程式控制機)、壽命長、噪音低、不需要 水冷和故障率較低等優點。

高速冷凍離心機

高速冷凍離心機一般在常壓空氣中旋轉，具有大功率驅動電機和製冷壓縮機。額定轉速在16，000~21，000r/min之間，轉予的最大線速度不超過 28Om/s(即在跨音速區以下，空氣擾動小，易於控制)。這種離心機配備有鋁合金製造的各種轉子，包括角度轉子、水平轉子、垂直管轉子、連續流動轉子、 區帶轉子和細胞淘洗轉子等，最大離心加速度在55,000xg以下。

離心機操作步驟和保養注意事項

操作步驟

1.接通電源，打開離心機蓋。

2.按要求裝配好離心管。

3.按要求安裝離心轉頭。

4.關上離心機蓋。

5.輸入離心數據，編離心程式。

6.抽真空，並開始運行程式。

7.程式結束後，去真空。

8.打開離心機蓋，取出轉頭。

9.取出離心管並進行分析。

離心管的選用

1. 玻璃離心管絕對不能在高、超速離心機上使用。
2. PA管：化學性能穩定，半透明，能耐高溫消毒。
3. PP管：化學性能穩定，半透明，能耐高溫消毒。?PC管：透明度好，硬度大，能耐高溫消毒。但不耐強酸強鹼及某些有機溶劑。主要用於5萬(轉/分)以上離心。?CN管：質地較軟，透明，但不耐強酸強鹼及某些有機溶劑，不能高壓消毒。適合於蔗糖、甘油等密度梯度離心。應透明，利於收集。
   查表得：1萬（轉/分）RCF=6000代入公式F=1×6000=6(公斤)
   5萬（轉/分）RCF=150000代入公式F=1×150000=150(公斤)
4. 如離心管蓋子密封性差液體就不能加滿（針對高速離心且使用角度頭），以防外溢。
   外溢後果：污染轉頭和離心腔，影響感應器正常工作

保養注意事項

1、如離心管蓋子密封性差液體就不能加滿（針對高速離心且使用角度頭），以防外溢。外溢後果污染轉頭和離心腔並失去平衡，影響感應器正常工作
2、超速離心時，液體一定要加滿離心管，應超離時需抽真空，只有加滿才能避免離心管變形。
3、使用角度頭時別忘蓋轉頭蓋，如未蓋，離心腔內會產生很大的渦流阻力和摩擦升溫，這等於給離心機的電機和制冷機增加了額外負擔，影響離心機的使用壽命。

保養注意事項

1.清潔離心機腔體和轉頭，並擦乾腔內冷凝水。
2.使用完後要打開門，直至腔內恢復常溫。