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離心機及轉(zhuǎn)子的種類你了解多少?

來源:維根技術(shù)(北京)有限公司   2022年11月08日 17:02  

離心機是生物學(xué)實驗中*的儀器,看似通用的儀器,卻是有許多學(xué)問的,實驗操作中我們需要了解離心機知識,能夠合理利用它而更穩(wěn)定地為我們的實驗服務(wù)。

離心機作為一種實驗室通用儀器,幾乎每個實驗室都會配置一到兩臺甚至數(shù)臺。大家對其并不陌生,我們整理了一些關(guān)于離心機及其轉(zhuǎn)子種類的資料分享給大家。


一、離心技術(shù)的基本原理

1、離心力(force, F)
F = m * a = m * ω2r2
a:粒子旋轉(zhuǎn)的加速度
m:粒子的有效質(zhì)量,g為單位
ω:粒子旋轉(zhuǎn)的角速度,弧度/s為單位
r:粒子的旋轉(zhuǎn)半徑,cm為單位

2、相對離心力(relative centrifuge force, RCF)
通常離心力常用地球引力(g)的倍數(shù)來表示,因而稱為相對離心力(RCF)。常用數(shù)字×g來表示,例如13000g表示相對離心力為13000。相對離心力指在離心場中,作用與顆粒的離心力相當(dāng)于地球重力的倍數(shù),單位是重力加速度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為每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)
由上式可知,只要給出旋轉(zhuǎn)半徑r,則RCF和rpm之間可以相互換算。

由于轉(zhuǎn)頭的形狀及結(jié)構(gòu)的差異,每臺離心機的離心管從管口至管底的各點與旋轉(zhuǎn)軸之間的距離是不一樣的,所以在計算時規(guī)定旋轉(zhuǎn)半徑均用平均半徑rav代替,即大半徑rmax和小半徑rmin的平均值。

一般,低速離心時常以轉(zhuǎn)速rpm來表示,高速離心時則以g表示。報告離心條件時使用RCF比rpm要科學(xué),因為它可以真實地反映顆粒在離心管內(nèi)不同位置的離心力及其動態(tài)變化。

WIGGENS離心機均有RPM和RCF雙顯示功能,操作者可以一目了然的看到轉(zhuǎn)速和離心力。


二、離心機的種類
離心機按用途分為工業(yè)用離心機實驗用離心機。后者根據(jù)功能又分為制備性離心機和分析性離心機。制備性離心機一般用來分離各種生物材料,分離的樣品量比較大,也是大多數(shù)科研實驗室配備的離心機種類。分析性離心機常用來研究純的生物大分子和顆粒的理化性質(zhì),一般有光學(xué)系統(tǒng),可監(jiān)測粒子在離心場中的行為,能推斷物質(zhì)的純度、形狀和分子量等,且都是超速離心機。此處和大家分享下幾種實驗室常用的制備性離心機。

制備性離心機根據(jù)轉(zhuǎn)速可分為普通離心機、高速離心機、超速離心機等。具體如下:

1、普通離心機
大轉(zhuǎn)速6000rpm左右,大RCF接近6000g,容量為幾十毫升至幾升,分離形式是固液沉降分離,其轉(zhuǎn)速不能嚴(yán)格控制,通常不帶冷凍系統(tǒng),室溫操作,用于收集易沉淀的大顆粒物質(zhì),如:細(xì)胞等。在細(xì)胞培養(yǎng)實驗室常常能見到。

WIGGENS的UNICEN21系列臺式通用離心機,提供了九種可選轉(zhuǎn)頭,每種轉(zhuǎn)頭根據(jù)客戶的具體應(yīng)用不同,配以不同的適配器,可以解決您幾乎所有的實驗室通用性離心的需要。

UNICEN21離心機

2、高速離心機
轉(zhuǎn)速為2000-25000rpm,大RCF為89000×g,大容量可達(dá)3L,一般都有制冷系統(tǒng),以消除高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)頭與空氣之間摩擦而產(chǎn)生的熱量,離心室的溫度可以調(diào)節(jié)和維持在0℃-4℃,可以嚴(yán)格準(zhǔn)確的控制轉(zhuǎn)速溫度和時間,并有指針或數(shù)字顯示。通常用于微生物菌體、細(xì)胞碎片、大細(xì)胞器、硫酸銨沉淀和免疫沉淀物等的分離純化工作,但不能有效地沉降病毒、小細(xì)胞器或單個分子。高速離心機是實驗室中常見的離心機類型,一般的分子實驗室都會配備。

WIGGENS的MICROCEN和BIOCEN系列高速離心機,是實驗室高速,小量樣品離心操作的理想選擇。

               

MICROCEN高速離心機                BIOCEN高速離心機

3、超速離心機
轉(zhuǎn)速可達(dá)50000-80000rpm,RCF高可達(dá)510000×g,離心容量由幾十毫升至2升,分離形式為差速沉降分離和密度梯度區(qū)帶分離,需嚴(yán)格配平(誤差<0.1g)。與高速離心機的主要區(qū)別是增加了真空系統(tǒng)。常用于分離亞細(xì)胞器、病毒、核酸、蛋白質(zhì)和多糖等。超速離心機價格較高,一般只有大型實驗室或公共平臺才進行配備。


三、離心機轉(zhuǎn)子的種類
離心機的轉(zhuǎn)子是其主要的工作部件,一臺離心機的全套轉(zhuǎn)子甚至比離心機主機還要貴。且轉(zhuǎn)子的規(guī)格、品種的多少也是衡量離心機生產(chǎn)技術(shù)掌握程度的重要標(biāo)志,常見的轉(zhuǎn)子類型主要為固定角轉(zhuǎn)子、水平轉(zhuǎn)子。此外還有區(qū)帶轉(zhuǎn)子、連續(xù)流動轉(zhuǎn)子、垂直轉(zhuǎn)子等,這些類型的轉(zhuǎn)子并不常用,我們在這里就不做介紹了。

1、固定角轉(zhuǎn)子
離心管與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸之間有一定的角度,角度變化范圍通常在14°-45°,如下圖1。此種轉(zhuǎn)子重心低,壽命長,容量較大,轉(zhuǎn)速較高,能承受的大離心力可達(dá)800000g。主要用于分離沉降速度有明顯差異的顆粒樣品。顆粒在扇形溶液移動的距離很短,碰到外壁的顆粒沿著管壁滑到管底,形成沉淀,因此這種轉(zhuǎn)子能很快地收集沉淀物。分離過程中,由于管壁的作用,在離心管內(nèi)將會引起強烈的對流,對具有相同沉降速率的顆粒會產(chǎn)生不良影響,如圖2。

圖1 不同孔徑的固定角轉(zhuǎn)子


圖2 固定角轉(zhuǎn)子顆粒離心過程示意圖

2、水平轉(zhuǎn)子
又稱甩平轉(zhuǎn)子、蕩平轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)頭靜止時,處于轉(zhuǎn)頭中的離心管中心線與旋轉(zhuǎn)軸平行。轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)加速時,離心管中心線由平行位置逐漸過渡到垂直位置,即與旋轉(zhuǎn)軸成90°角。此種轉(zhuǎn)子主要用于樣品做密度梯度離心。顆粒移動距離長,相應(yīng)離心時間一般也較長,溶液中的組分相對于管壁的位置在離心過程中和離心后不發(fā)生改變,因此離心效果好,但因顆粒在離心場中是從旋轉(zhuǎn)中沿徑向散離出去,而不是按相互平行的路線沉降。顆粒碰到外壁沿著管壁滑到管底,因此也會產(chǎn)生對流,但比固定角轉(zhuǎn)子小,如圖4。低速啟動或停機時會產(chǎn)生振動,影響分離效果。水平轉(zhuǎn)子又分為敞開式和封閉式兩種,一般制備容量大,轉(zhuǎn)速小于10000rpm,離心力場在16000×g以內(nèi)的,作為敞開式,主要用于樣品的初分離。制備容量較前者小,轉(zhuǎn)速大于10000rpm,離心力場在16000×g以上的,為了減少風(fēng)力的影響,一般作為封閉式,主要用于線粒體、葉綠體、細(xì)胞核等的分離和密度梯度離心。此外,用于離心酶標(biāo)板的轉(zhuǎn)子也可歸納為水平轉(zhuǎn)子,如下圖3。

        圖3 幾種常見的水平轉(zhuǎn)子及其適配器

圖4 水平轉(zhuǎn)子顆粒離心過程示意圖

WIGGENS在各型離心機中均配備完善的轉(zhuǎn)子類型和各種適配器,保證了客戶可以大限度的實現(xiàn)了一機多用功能。


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