5.离心机技术.

离心机技术第一节:离心机的分类、结构、特点和用途2离心机:离心机是一种结构复杂的高速旋转机械，是利用离心力、不同物质在离心场中沉降速度的差异，对混合溶液进行快速分离的专门设备。

是一种将装有样品溶液的离心管、瓶或袋的转头置于离心轴上，利用转头绕轴高速旋转所产生的强大离心力，使样品中不同性质颗粒相互分离的特殊装置。

3离心技术:离心技术是一种利用转头高速旋转时产生强大的离心力而发展起来的一种分离技术。

借助于离心机旋转所产生的巨大离心力，根据液体中悬浮物质的颗粒大小、密度、沉降系数和浮力等的不同，而使物质分离的过程。

(这里所述的颗粒通常为细胞、细胞器、生物大分子、生物大分子复合体等。

)4 离心机的分类离心机主要有2种分类方法:①以离心机的用途分类②以离心机的转速分类①以离心机的用途分类:⑴备式离心机(常用) :主要用于对不同密度、不同形状的物质颗粒进行分离提纯，高速和超速离心机带有制冷系统，超速离心机还带有真空系统。

⑵析式离心机:主要用于观察、分析物质颗粒在离心时的运动状态，测定该物质颗粒的沉降系数、扩散系数和物质质量等，带有一套光学系统。

②以离心机的转速分类:⑴低速离心机（普通离心机）⑵高速离心机⑶超高速离心机（超速离心机）7低速离心机（普通离心机）特点：转速低于10 000r/min；最大相对离心力小于1×104×g ；离心容量为几十毫升至几升；分离形式是固液沉降分离；转头有角转头和水平转头。

用途：主要用于物质的分离和提取。

8 高速离心机特点：转速为10 000～25 000r/min；相对离心力为（104~105）×g；离心最大容量可达3升；分离形式是固液沉降分离。

配有各种角式转头、水平式转头、区带转头、垂直转头和大容量连续流动式转头。

一般都有制冷系统，以消除高速旋转时转头与空气之间摩擦而产生的热量，离心腔的温度可以调节和维持在0～4℃，转速、温度和时间都可以严格准确地控制，并有指针或数字显示。

用途：主要用于对样品溶液中的悬浮物质进行高纯度的分离、浓缩、精制和提取。

9超高速离心机特点：转速为25 000~120 000r/min；相对离心力最大可达106×g；离心容量有几十毫升至2升；离心形式是差速沉降分离和密度梯度区带分离。

超高速离心机的驱动装置由水冷或风冷电动机通过精密齿轮箱或皮带变速，或直接用变频感应电机驱动，并由微机精确控制。

驱动轴的直径较细，在旋转时有一定的弹性弯曲，以适应转头轻度的不平衡，而不致于引起震动或转轴损伤。

除速度控制系统外，超速离心机还有过速保护系统，以防止转速超过转头最大规定转速时引起转头的撕裂或爆炸。

超高速离心机温度控制由安装在转头下面的红外线感受器直接连续监调离心腔的温度，以保证准确灵敏的温度调控。

超高速离心机配备真空系统。

一般离心速度在2 000 r/min以下时，空气与转头之间的磨擦产生的热量少，速度超过20 000 r/min时，磨擦产生的热量显著增大，当速度在40 000 r/min 以上时，由磨擦产生的热量就成为严重问题。

为此，将离心腔密封，并由真空泵系统抽成真空，减小磨擦力，这样才能保证超高速离心机正常工作，达到所需的超高转速。

用途：超高速离心机可以用于一般的物质分离、制备，也可以用于生物大分子的鉴定以及分子性质的分析和分子量的测定。

13国际知名生产厂商：美国：贝克曼-库尔特(Beckman-Kulter) 公司；日本：日立(Hitachi)公司；德国：艾本德（Eppendorf）公司,哈默公司,西格玛（Sigma）公司等。

14国内主要生产厂商：北京医用离心机厂；上海安亭科学仪器厂；湖南湘仪离心机仪器有限公司；北京雷勃尔离心机有限公司等。

15 离心机的基本结构和主要配件:离心机的主要结构大体相似，一般来讲，转速愈高，其构造也愈复杂。

而分析式离心机比制备式的在结构又要复杂一些。

主要是增加了光学测试、照像或打印和绘图装置。

16 离心机的构成单元: ⑴控制系统⑵安全系统⑶离心室⑷驱动系统⑸制冷系统（高速和超离）⑹真空系统（超离）⑺光学系统（超离）17控制系统:是离心机的指挥中心，各种设定的参数通过控制系统来执行，主要包括：速度控制,温度控制,真空度控制,18.安全系统:电子门锁,安全保护机壳,转子自动识别和过速保护,转子动态不平衡检测器,离心室超温保护19离心机的主要配件转头（转子）转头是离心机的重要组成部分。

正确使用转头是安全使用离心机的重要环节。

转头种类: 离心机最常用的转头有角转头、水平转头、区带转头、垂直转头和大容量连续流动式转头等。

20Ⅰ角转头（fixed-angle rotor）离心时离心管与转轴之间的角度无变化，离心管放到转头中和旋转轴始终保持着一定的角度（一般是25~35°）。

这类转头的优点是具有较大的容量，速度可升得较高。

主要用于差速离心。

21Ⅱ水平转头（swingingbucket rotor）离心时离心管与转轴之间的角度发生变化，可用于差速离心、密度梯度离心和等密度梯度离心。

水平式转头通常由一个转头上悬吊着3 ～6 个自由活动的吊桶( 离心管套) 构成。

当转头静止时，这些吊桶垂直悬挂，随着转头升速，约有600 r/min 时，吊桶外甩到水平位置，即和旋转轴顶成90°。

这类转头主要用于密度梯度沉降，其主要优点是梯度物质放在垂直的离心管中，而离心时离心管保持水平状态，不同组分物质沉降到离心管不同区域，呈现出横过离心管的带状，而不像角式转头中那样成角度。

其缺点是形成区带所需的时间较长。

由角转头或水平转头的剖面图可以看到，离心管顶部到旋转中心的距离和离心管底部到旋转中心的距离不一样，因此离心管顶部和底部所承受的离心力场亦不一样。

通常称离心管顶部到旋转中心的距离为最小离心半径，该处承受的离心力场为最小离心力场，而把离心管底部到旋转中心的距离称为最大离心半径。

转头最小半径到最大半径的距离为离心沉降距离。

24 制造转头的材料：主要有铝合金和钛合金两种。

两种材料的优缺点比较：铝合金：优点是价格较便宜，比重小，重量轻，容易加工，即使最终破碎时，对装甲防护壁（离心腔）损伤较小。

缺点是容易受酸、碱、盐的腐蚀，另外金属强度与重量之比没有钛合金大，因此铝合金转子的最高转速较钛合金转子的最高转速低一些。

钛合金：优点是抗化学腐蚀性和抗疲劳性相当好，它较铝合金的强度与重量比大得多，因此钛合金转子所能经受的离心力几乎是相应铝合金转子的2倍，是转子的最合适材料。

缺点是价格昂贵，难以纯化和加工。

26使用转头的注意事项:（1）离心机通常是在极高转速下工作的，当转头所承受的离心力超过转头材料的抗拉强度或转头材料有内部缺陷时，转头便有可能发生爆炸，毁坏设备，危及操作者的人身安全，因此，每个转头都有允许的最高工作转速。

27（2）离心转头的常用标记:FA-固定角转头; V- 垂直角转头; SW-水平转头; CF-连续转头; Z- 区带转头英文标记符号后面的数字表示转头的最高转速，数字后面的英文字母表示制作转头的金属材料，例如SW65Ti表明为水平转子，最高转速为65000r／min，转头由钛合金制成。

28离心管:常用离心管的材质:多聚乙烯丙烯管（PA）;聚乙烯管（PE）;聚碳酸酯管（PC）;聚丙烯管（PP）;硝酸纤维管（NC）;玻璃管;不锈钢管29不同材质离心管的性能：1.PA管（多聚乙烯丙烯管）：半透明，化学性能稳定，耐酸、碱，耐高温消毒，120 ℃消毒30min不会裂。

2.PP管（聚丙烯管）：半透明，耐酸、碱，可加热，但常易变色，忌高压消毒，低温下发脆。

不要用在4℃以下离心。

3.PC管（聚碳酸酯管）：透明度好，硬度大，能耐高温消毒。

但不耐强酸强碱及某些有机溶剂，与氯仿、苯酚等易溶解。

主要用于5万(r/min)以上离心。

管（硝酸纤维管）：质地较软，透明，但不耐强酸强碱及某些有机溶剂，不能高压消毒。

适合于蔗糖、甘油等密度梯度离心。

目前已淘汰。

5.PE管（聚乙烯）：不透明.对丙酮、醋酸、盐酸等稳定。

高温易变软，使用时样液必须装满。

6.不锈钢管：抗热，抗化学腐蚀，能高压消毒，但较重，也较贵。

32离心管的化学品耐药性（一）33注：S:适用；M:可用；U:不适用；S I:褪色；N:未知34 离心机的发展趋势1.注重安全、环保和国际标准化各国均制定了相应的安全标准。

环保主要表现在两方面，一是制冷系统采用不含氟化物的新型制冷剂，以避免破坏地球大气的臭氧层，二是降噪音。

2.多功能、自动化和微机控制随着离心机制造和应用技术的发展，离心机在程序变速、直接输入离心力、操作程序的存储和调用、仪器状态的自动诊断、尽可能全的显示离心机参数、更加完善的安全保护功能等方面有很大的发展。

采用微机技术后，可由软件替代硬件的功能或完成硬件难以实现的功能，如离心机控制、电机控制、不仅大大简化硬件的结构，而且多功能、自动化也成为现实。

采用感应电机驱动系统，使用寿命延长，运行平稳，噪音小。

使用微机处理控制系统，数字式温度补偿系统能够保证精确控制样品的温度而非离心腔的温度。

安全防护监控界面主要包括超速、超温、转头不平衡、转头识别和门锁监控等。

3.交流变频调整逐步取代直流调速。

4.转头改进和种类增多。

37 离心机的工作原理:离心机的离心分离技术是一个复杂的离心沉降过程，其工作原理涉及了离心力、重力、角速度、悬浮液的物理化学性质等。

38离心力（centrifugal force,Fc）离心作用是根据在一定角速度下，作圆周运动的任何物体都受到一个向外的离心力进行的。

离心力（Fc）的大小等于离心加速度ω2 r 与颗粒质量m 的乘积，即：F＝mω2 r 式中，ω为旋转角速度(弧度/秒) ；r为颗粒离开旋转中心的距离(cm)；m为质量(g)。

39相对离心力:常用相对离心力（RCF）的大小来表示离心分离的本领强弱。

相对离心力是指颗粒所受到的离心力与地心引力之比值，即离心时作用于颗粒的离心力相当于重力的倍数。

即：RCF = F离心力／F重力= mω2r/mg = ω2r/g ; r：为颗粒离开旋转中心的距离(cm); g：为地球重力加速度（980cm/sec2）40由于各种离心机转头的半径或者离心管至旋转轴中心的距离不同，离心力会发生变化，因此在文献中常用“相对离心力”或“数字×g”表示离心力。

只要RCF 值不变，一个样品可以在不同的离心机上获得相同的结果。

如1000×g。

一般情况下，低速离心时离心机的参数常以转数（r／min）表示。

高速离心时离心机的参数则以相对离心力(数字×g)表示。

41 相对离心力与转速的转换公式因转头旋转一次等于2π弧度，故转头的角速度以离心机转头每分钟旋转的次数n，即转/每分（r/min）表示时，可写成下列公式：ω = 2π•n/60F = m •(2π•n/60)2 •rRCF = (2π•n/60)2 • r/980= 1.12×10-5 • n2 •r42 转数与相对离心力的转换根据上面公式，Dole（多尔）和Cotzias （科滋亚斯）制作了转速（r/min）、旋转半径（r，离心管液中间到旋转轴中心的距离）和离心力的关系的列线图：将离心机转数换成相对离心力时，先在离心机半径®标尺上取已知的离心机半径，在转数标尺(r/min)上取已知的离心机转数，然后在这两点间划一条直线，直线通过图中间RCF标尺上的交叉点即为相应的相对离心力数值。