离心机和转子的类型、原理和用途

离心机是一种用于根据混合物的大小、密度、介质粘度和转子转速分离混合物成分的装置。

• 离心机通常在实验室中用于从粗提取物中分离生物分子。
• 在离心机中，样品被保存在围绕固定点(轴)旋转的转子中，产生垂直于轴的强作用力。
• 有不同类型的离心机用于分离不同的分子，但它们都是根据沉淀原理工作的。

相对离心力(RCF)

• 相对离心力是衡量不同类型和尺寸转子强度的指标。
• 这是由于旋转而施加在转子内容物上的力。
• RCF是作用在样品上的垂直力，它总是相对于地球引力。
• 不同离心机的RCF可用于转子的比较，从而选择适合特定功能的最佳离心机。

相对离心力(RCF)的计算公式为:

RCF (g Force)= 1.118 × 10⁵× r × (RPM)²

在哪里r是转子的半径(厘米)，和RPM是转子每分钟旋转的速度。

离心机转子

离心机的转子是用来容纳装有样品的管子的动力装置。离心机转子的设计是为了产生能够使样品中成分分离的转速。离心机中使用的转子主要有三种类型，它们是:

1.定角转子

图:固定角度转子。图片来源:贝克曼库尔特公司

• 这些转子保持样品管在一个角度45°相对于转子的轴。
• 在这种类型的转子中，颗粒撞击管的另一边，在那里颗粒最终滑落并在底部收集。
• 随着管道路径长度的增加，这些转子比其他类型的转子更快。
• 然而，由于力的方向与管道的位置不同，一些粒子可能会留在管道的两侧。

2.摆动斗转子/水平转子

图:摆动斗转子/水平转子。图片来源:贝克曼库尔特公司

• 摆动斗转子持有在90°的角度的管作为转子摆动的过程开始。
• 在这个转子中，管子被悬挂在架子上，架子允许管子被移动到足以获得水平位置。
• 在这种类型的转子中，颗粒沿着力的方向或路径存在，允许颗粒从转子向管的底部移动。
• 由于管保持水平，上清液保持平面，使沉积的颗粒与上清液分离。

3.立式转子

图:垂直转子。图片来源:贝克曼库尔特公司

• 在所有转子中，垂直转子的路径长度最短，运行时间最快，分辨率最高。
• 在垂直转子中，在离心机运行期间，管是垂直的。
• 转子的屈服是不理想的，因为管子的位置不对准离心力的方向。
• 结果，颗粒非但没有沉降下来，反而倾向于向管道的外壁扩散。
• 这些通常用于等差和密度梯度离心分离．

离心机类型

1.台式离心机

图:Thermo Scientific™Sorvall™ST 8小型台式离心机。图片来源:热科学．

• 台式离心机是一种紧凑的离心机，通常用于临床和研究实验室。
• 它是由一个电动机驱动的，其中的管子围绕一个固定的轴旋转，从而产生垂直于管子的力。
• 因为它们非常紧凑，所以在空间更小的实验室里很有用。
• 市面上有各种不同用途的台式离心机。
• 台式离心机有一个带有放置样管架的转子和一个关闭离心机工作单元的盖子。

2.连续式离心机

图:连续流离心过程中的设备布置。图片来源:贝克曼库尔特公司

• 连续流离心机是一种快速离心机，可以在不影响沉降速率的情况下对大量样品进行离心。
• 这种类型的离心机允许在高离心力下分离大量样品，从而消除了每次循环排空和填充管的繁琐部分。
• 它们具有较短的路径长度，这有利于将固体部分从上清液中分离出来，从而保持了过程的速度。
• 它们也有更大的容量，节省了时间，因为样品不需要像传统离心机那样一次又一次地加载和卸载。
• 该离心机可在4小时或更短的时间内离心最多1升的样品。

3.气体离心机

图:用于分离铀同位素的逆流式气体离心机示意图。图片来源:维基百科(Inductiveload)．

• 气体离心机是一种明确用于分离基于其同位素的气体的离心机。
• 这台离心机和所有其他离心机一样，都是基于同样的离心力原理，根据分子的质量分离分子。
• 这台离心机主要用于铀-235和铀-238的提取和分离。
• 气体离心机不同于其它间歇式离心机，它的工作原理是使气体连续进出离心机。
• 这些离心机被布置成级联，这样气体就会根据它们的同位素被分成两个单位，然后被传递到下一个离心机上进行进一步的处理。
• 气体离心机已经取代了其他气体扩散方法，因为它们比以前的技术提供更高浓度的气体。

4.血细胞比容离心机

图:AHN myLab®红细胞压积离心机。图片来源:安安生物科技有限公司．

• 红细胞压积离心机是用于测定给定血液样本中红细胞体积分数的专用离心机。
• 该离心机提供红细胞压积值，可用于生物化学，免疫，血液测试和其他一般临床测试。
• 血细胞比容离心机可用于帮助诊断失血、红细胞增多症(红细胞计数高于正常水平)、贫血、骨髓衰竭、白血病和多发性骨髓瘤。
• 微红细胞压积离心机快速达到11000转/分的速度和高达15000克的rcf来旋转管样品。
• 红细胞压积离心机的组成类似于台式离心机，但这种离心机是专门用于血液样本的。

5.高速离心机

图:Avanti JXN-30系列高速离心机。图片来源:贝克曼库尔特公司

• 高速离心机，顾名思义，就是能够以稍大的速度运行的离心机。
• 高速离心机的转速可以从15000到30000转。
• 高速离心机通常用于较复杂的生化实验室，对操作速度要求较高。
• 高速离心机具有控制过程速度和温度的系统，这是分析敏感生物分子所必需的。
• 高速离心机配有不同的适配器，以适应各种尺寸和体积的样管。
• 在这些离心机中，所有三种类型的转子都可以用于离心过程。

6.低速离心机

图:低速离心机- ScanSpeed 406和ScanSpeed 416。图片来源:LaboGene．

• 低速离心机是实验室中常用的常规颗粒分离的传统离心机。
• 这些离心机的最大转速为每分钟4000-5000转。
• 这些通常在室温下操作，因为它们没有提供控制操作速度或温度的系统。
• 这些离心机可采用摆动斗和固定角度型转子。
• 这些是简单而紧凑的离心机，是分析血液样本和其他生物样本的理想选择。
• 低速离心机的工作原理与所有其他离心机相同，但其应用仅限于分离较简单的溶液。

7.微型离心机

图:16号和20号。图片来源:贝克曼库尔特公司

• 微离心机是用于分离体积较小的样品的离心机，范围从0.5到2µl。
• 微型离心机通常以大约12,000-13,000 rpm的速度运行。
• 用于细胞核、DNA等细胞器的分子分离和苯酚的提取。
• 与大型离心机中使用的标准试管相比，微型离心机也被称为microfuge，使用的样管尺寸更小。
• 一些微型离心机配有适配器，方便使用较大的管和较小的管。
• 具有温度控制的微离心机可用于温度敏感样品的操作。

8.冷冻离心机

图:Allegra 64R台式冷冻离心机。图片来源:贝克曼库尔特公司

• 冷冻离心机是具有-20°C至-30°C温度控制的离心机。
• 有一种不同的离心机，它具有温度控制系统，这对于需要较低温度的各种过程是必不可少的。
• 冷冻离心机除了转子和用于样管的机架外，还有一个温度控制单元。
• 这些离心机提供高达60,000 xg的RCF，是分离各种生物分子的理想选择。
• 它们通常用于收集快速分离的物质，如酵母细胞、叶绿体和红细胞。
• 冷冻离心机的腔室与外界是密封的，以满足操作条件。

9.超速离心

图:超速离心。图片来源:贝克曼库尔特公司

• 超离心机是一种运行速度极高的离心机，可以分离出更小的分子，如核糖体、蛋白质和病毒。
• 它是最精密的一种离心机，可以分离出其他离心机无法分离的分子。
• 在这种离心机中存在制冷系统，以帮助平衡由于剧烈旋转而产生的热量。
• 这些离心机的转速可高达每分钟15万转。
• 它既可用于准备工作，也可用于分析工作。
• 超离心机可以在连续流动系统中大批量分离分子。
• 除了分离外，超离心机还可用于测定大分子的性质，如大小、形状和密度。

10.真空离心机/浓缩器

图:Savant™SpeedVac™SPD120真空浓缩器和套件。图片来源:热科学．

• 真空离心机利用离心力、真空和热量来加速实验室样品的蒸发。
• 这些离心机能够处理大量样品(一次多达148个样品)。
• 这种类型的离心机用于化学和生物实验室，用于有效蒸发样品中存在的溶剂，从而浓缩样品。
• 这些通常用于高通量实验室的样品，可能有大量的溶剂。
• 旋转蒸发器用于去除不必要的溶剂并消除溶剂碰撞。
• 离心机的工作原理是降低腔室的压力，这也降低了样品的沸点。
• 这导致溶剂蒸发，浓缩待分离的颗粒。

参考

1. 威尔逊，K.，沃克，J.(2018)。生物化学与分子生物学原理与技术“，”第八版。剑桥大学出版社:纽约。
2. Serwer，噬菌体:分离，编辑(s): Ian D. Wilson，分离科学百科全书，学术出版社，2000年，2102-2109页，
3. ISBN 9780122267703, https://doi.org/1016/B0-12-226770-2/07381-6。(http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B0122267702073816)
4. https://www.beckman.com/resources/fundamentals/principles-of-centrifugation/rotor-types
5. https://www.beckman.com/centrifuges/rotors/vertical-angle
6. https://www.beckman.com/resources/reading-material/application-notes/principles-of-continuous-flow-centrifugation
7. http://origin.who.int/medical_devices/innovation/hospt_equip_8.pdf
8. https://www.news-medical.net/Life-Science-and-Laboratory/Microcentrifuges
9. https://www.mybiosource.com/learn/testing-procedures/rate-zonal-centrifugation/