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實(shí)驗(yàn)室*的離心機(jī)了解一下！

　　作為制藥工業(yè)中重要設(shè)備之一，離心機(jī)在本次疫情中，更是*，被應(yīng)用于血液分離、病毒研究、DNA研究、藥品提純等場合。

　　離心機(jī)這么“全能”，到底是為什么呢？

　　本期我們和大家分享幾乎所有研究實(shí)驗(yàn)室都在使用的儀器——離心機(jī)。

　　1什么是離心機(jī)？

　　離心機(jī)是利用離心力，分離液體與固體顆粒或液體與液體的混合物中各組分的機(jī)械。離心機(jī)主要用于將懸浮液中的固體顆粒與液體分開，或?qū)⑷闈嵋褐袃煞N密度不同，又互不相溶的液體分開（例如從牛奶中分離出奶油）；它也可用于排除濕固體中的液體，例如用洗衣機(jī)甩干濕衣服；特殊的超速管式分離機(jī)還可分離不同密度的氣體混合物；利用不同密度或粒度的固體顆粒在液體中沉降速度不同的特點(diǎn)，有的沉降離心機(jī)還可對(duì)固體顆粒按密度或粒度進(jìn)行分級(jí)。

　　2離心機(jī)的簡史

　　離心機(jī)的發(fā)展表現(xiàn)在構(gòu)造上的不斷改進(jìn)和離心方法的創(chuàng)新。

　　工業(yè)離心機(jī)誕生于歐洲，19世紀(jì)中葉，先后出現(xiàn)紡織品脫水用的三足式離心機(jī)，和制糖廠分離結(jié)晶砂糖用的上懸式離心機(jī)。

　　十九世紀(jì)末到二十世紀(jì)初，只能生產(chǎn)低速離心機(jī)，二十世紀(jì)20年代開始生產(chǎn)高速離心機(jī)。

　　二十世紀(jì)70年代研發(fā)了高速變頻離心機(jī)，80年代將變頻電機(jī)和微型計(jì)算機(jī)相結(jié)合，使離心機(jī)技術(shù)更加成熟和完善，基本滿足各行業(yè)的研究和醫(yī)學(xué)上的使用。

　　在近四十多年的發(fā)展中，離心機(jī)結(jié)構(gòu)、性能、種類變化很大，分離質(zhì)量、生產(chǎn)能力不斷提高，應(yīng)用范圍更加廣泛。

　　3離心機(jī)的原理

　　離心是利用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的離心力以及物質(zhì)的沉降系數(shù)或懸浮密度的差異進(jìn)行分離、濃縮和提純生物樣品的一種方法。懸浮液在高速旋轉(zhuǎn)下，由于巨大的離心作用，使懸浮的微小顆粒以一定的速度沉降，從而使溶液得以分離，顆粒的沉降速度取決于離心機(jī)的轉(zhuǎn)速、顆粒的質(zhì)量、大小和密度。

　　離心機(jī)是利用離心機(jī)的轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力，迫使液體中微粒克服擴(kuò)散加快沉降速度，把樣品中具有不同沉降系數(shù)和浮力密度的物質(zhì)分離開。

　　離心力

　　離心力（centrifugalforce，F(xiàn)c）當(dāng)物體所受外力小于運(yùn)動(dòng)所需要的向心力時(shí)，物體將向遠(yuǎn)離圓心的方向運(yùn)動(dòng)。物體遠(yuǎn)離圓心運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象稱為離心現(xiàn)象，也叫離心運(yùn)動(dòng)。

　　離心運(yùn)動(dòng)是由于向心力消失或不足而造成的。

　　離心作用是根據(jù)在一定角速度下作圓周運(yùn)動(dòng)的任何物體都受到一個(gè)向外的離心力進(jìn)行的。離心力（Fc）的大小等于離心加速度ω2r與顆粒質(zhì)量m的乘積，即：

　　ω是旋轉(zhuǎn)角速度，Ｎ是每分鐘轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)次數(shù)，r為離心半徑，m是質(zhì)量。

　　液體中的微粒在重力場中的分離

　　重力沉降：把生物樣品中的微粒從液體中分離出來，直接的方法是將液體靜置一段時(shí)間，液體中的微粒受重力的作用，較重的微粒下沉與液體分開，這個(gè)現(xiàn)象稱為重力沉降。

　　微粒在液體介質(zhì)中的沉降將受到介質(zhì)的浮力、介質(zhì)阻力及擴(kuò)散現(xiàn)象的影響。

　　沉降速度(sedimentationvelocity)指在強(qiáng)大離心力作用下，單位時(shí)間內(nèi)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的距離。即：

　　式中，為ρo介質(zhì)的密度，ρ為微粒的密度，g為重力加速度，f為阻力系數(shù)。

　　沉降時(shí)間：在實(shí)際工作中，常常遇到要求在已有的離心機(jī)上把某一種溶質(zhì)從溶液中全部沉降分離出來需用多大轉(zhuǎn)速與多長時(shí)間可達(dá)到目的的問題。如果轉(zhuǎn)速已知，則需確定分離某粒子所需的時(shí)間即沉降時(shí)間。

　　K系數(shù)：是用來描述在一個(gè)轉(zhuǎn)子中，將粒子沉降下來的效率。K系數(shù)與離心轉(zhuǎn)速及粒子沉降的路徑有關(guān)，所以K系數(shù)是一個(gè)變數(shù)。

　　沉降系數(shù)：顆粒在單位離心力場作用下的沉降速度，其單位為秒。各種生物樣品的沉降系數(shù)差別很大，利用它們沉降系數(shù)的差別就可以應(yīng)用離心技術(shù)來進(jìn)行定性和定量的分析及分離制備。

　　液體中的微粒在離心力場中的沉降

　　在離心機(jī)中，離心管（centrifugetube）放于離心轉(zhuǎn)頭里，當(dāng)離心機(jī)開動(dòng)時(shí)，離心管繞離心轉(zhuǎn)頭的軸旋轉(zhuǎn)，作圓周運(yùn)動(dòng)，在離心管內(nèi)的樣品顆粒將同樣運(yùn)動(dòng)。

　　假如顆粒處于真空中，顆粒會(huì)沿切線方向飛去,也就是當(dāng)離心管由圖中的0位轉(zhuǎn)到1位時(shí)，顆粒到達(dá)離心管底部A位。對(duì)于離心管而言，樣品顆粒由頂位移到了A位，也就是由離心管頂部移到了底部，這與重力場中的由高處落到低處相似。這種顆粒在圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的切線運(yùn)動(dòng)稱為離心沉降。

　　實(shí)際上顆粒是在介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的，顆粒作切線運(yùn)動(dòng)時(shí)將由于介質(zhì)的摩擦阻力，使其在離心管中依圖中虛線所示的曲線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)離心管由0位轉(zhuǎn)到2位時(shí)，顆粒由頂位移到B位。介質(zhì)的阻力越大，顆粒的沉降速度越小、沉降的距離也越短。旋轉(zhuǎn)速度越大，顆粒在離心管中沉降越快。

　　4離心機(jī)的構(gòu)成

　　普通離心機(jī)由電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)盤、調(diào)速器。套管、底座等組成，其中電動(dòng)機(jī)是輕載時(shí)轉(zhuǎn)速高，但隨著負(fù)載的增加轉(zhuǎn)速則會(huì)急劇下降。

　　1.轉(zhuǎn)速：

　　離心機(jī)根據(jù)大轉(zhuǎn)速的不同區(qū)分。

　　2.容量：

　　每次需要離心多少個(gè)樣品管，每個(gè)樣品管需要多少容量，這些因素決定一個(gè)離心機(jī)的總?cè)萘浚唵蔚膩碚f離心機(jī)的總?cè)萘?每個(gè)離心管的容量×離心機(jī)管個(gè)數(shù)，總?cè)萘亢凸ぷ髁康拇笮∈窍嗥ヅ涞摹?/p>

　　3.轉(zhuǎn)子：

　　離心機(jī)的轉(zhuǎn)子主要分為兩種：

　　水平轉(zhuǎn)子：運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)吊籃處于水平狀態(tài)，與轉(zhuǎn)軸成直角，樣品將沉淀集中于離心管的底部。

　　角轉(zhuǎn)子：離心容器與轉(zhuǎn)軸成一固定角度，樣品將沉淀集中于離心管底部及靠近底部的側(cè)壁。

　　如果希望分離的樣品集中于離心管的底部就選擇水平轉(zhuǎn)子，如果希望樣品集中于離心管的底部和靠近底部的側(cè)壁上就選擇角轉(zhuǎn)子。還有一些特殊實(shí)驗(yàn)或特殊樣本需要特殊的轉(zhuǎn)子如：大容量吊籃（多應(yīng)用于血站），酶標(biāo)板轉(zhuǎn)子，載玻片轉(zhuǎn)子，PCR轉(zhuǎn)子，試管架轉(zhuǎn)子和毛細(xì)管轉(zhuǎn)子等。

　　轉(zhuǎn)子都有固定的規(guī)格，它是和離心機(jī)的容量結(jié)合起來的，如12*5ml的角轉(zhuǎn)子，既決定了轉(zhuǎn)子的類型也決定了離心機(jī)的容量，所以轉(zhuǎn)子的選擇非常重要。

　　離心機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　4.控制系統(tǒng)：

　　高檔的離心機(jī)都采用了微電腦控制系統(tǒng)，這些控制系統(tǒng)不但能確保離心機(jī)安全的運(yùn)行還能自動(dòng)完成工作任務(wù)。

　　現(xiàn)在很多離心機(jī)都有較好的人性化的控制系統(tǒng)，比如：轉(zhuǎn)子識(shí)別功能，安全鎖功能，故障提示功能，加速和減速曲線等。離心機(jī)的主要部件是電機(jī)，目前，市場上主要是無碳刷電機(jī)。

　　5離心機(jī)的分類

　　按分離因素Fr值分

　　分離因素Fr是指物料在離心力場中所受的離心力，與物料在重力場中所受到的重力之比值。

　　可將離心機(jī)分為以下幾種型式：

　　1、常速離心機(jī)（Fr≤3500（一般為600~1200），這種離心機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，直徑較大。）

　　2、高速離心機(jī)（Fr=3500~50000，這種離心機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，一般轉(zhuǎn)鼓直徑較小，而長度較長。）

　　3、超高速離心機(jī)（Fr>50000，由于轉(zhuǎn)速很高（50000r/min以上），所以轉(zhuǎn)鼓做成細(xì)長管式。）

　　高速離心機(jī)

　　按操作方式分

　　可將離心機(jī)分為以下型式：

　　1、間隙式離心機(jī)：其加料、分離、洗滌和卸渣等過程都是間隙操作，并采用人工、重力或機(jī)械方法卸渣，如三足式和上懸式離心機(jī)。

　　2、連續(xù)式離心機(jī)：其進(jìn)料、分離、洗滌和卸渣等過程，有間隙自動(dòng)進(jìn)行和連續(xù)自動(dòng)進(jìn)行兩種。

　　按卸渣方式分

　　可將離心機(jī)分為以下型式：

　　刮刀卸料離心機(jī)、活塞推料離心機(jī)

　　螺旋卸料離心機(jī)、離心力卸料離心機(jī)

　　振動(dòng)卸料離心機(jī)、顛動(dòng)卸料離心機(jī)

　　按國家標(biāo)準(zhǔn)與市場使用份額分為以下四種

　　三足式離心機(jī)、螺旋離心機(jī)

　　碟片式分離機(jī)、管式分離機(jī)

　　按分離方式分

　　沉降式離心機(jī)、過濾式離心機(jī)

　　隨著石油、化工、紡織、醫(yī)藥等領(lǐng)域繼續(xù)不斷的發(fā)展速度，離心機(jī)市場規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。未來，隨著實(shí)驗(yàn)室科研要求的不斷提升，離心機(jī)或?qū)⒊咚佟⒏堋⒏悄艿姆较虬l(fā)展。