高速冷凍離心機的原理及應(yīng)用

高速冷凍離心機技術(shù)操作訓(xùn)練掌握離心分離的原理熟悉離心機主機的基本構(gòu)件及操作程序了解離心機的安全使用和日常保養(yǎng)【實驗?zāi)康摹侩x心分離原理【實驗原理】當(dāng)懸浮液繞軸旋轉(zhuǎn)時，懸浮中的微粒就同時受到背向轉(zhuǎn)軸方向的離心力和正向轉(zhuǎn)軸方向的介質(zhì)浮力的雙向作用，微粒的運動軌跡取決于所受合力的方向。根據(jù)物理學(xué)原理推導(dǎo)可知：

F合=F離-F介=Vr×4p2N2r/3600-Vs×4p2N2r/3600=V4p2N2r/3600×（r-s）式中V表示微粒的體積，N表示每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)，r表示微粒至轉(zhuǎn)軸的距離，p與s分別表示微粒與其介質(zhì)的密度。當(dāng)r=s時，F(xiàn)合=0，微粒受力平衡，故將維持距轉(zhuǎn)軸恒定的距離轉(zhuǎn)動，也就不可能被分離開；當(dāng)r<s時，F(xiàn)合<0，微粒主要受向心力作用，故而將向轉(zhuǎn)軸方向移動，直至浮到介質(zhì)表面；當(dāng)r>s時，F(xiàn)合>0，微粒主要受離心力作用而向遠離轉(zhuǎn)軸方向移動，直至沉淀到容器底部。

因此，r>s是微粒從懸浮液中進行離心分離的基本條件。使用普通離心機的根本目的就在于使這樣的微粒從懸浮液中分離出來。離心力及其作用

從理論上講，凡是能通過離心分離的微粒在懸浮液靜置時，受重力與浮力的共同作用也能自動沉降而得以分離，只是分離所需時間較長，效果較差，沉降本領(lǐng)較弱。一般常用相對離心力（RCF）的大小來表示離心分離的本領(lǐng)強弱。相對離心力是指微粒在離心分離時所受的合力（F合）與在靜置分離時所受合力（F’合）的比值。F’合=Vr×g-Vs×g=Vg×（r-s）故RCF=F合/F’合=4p2N2r/3600g由于4p2N2r/3600就是微粒處的角加速度，所以相對離心力又是微粒在離心時的角加速度與在靜置時的重力加速度之比。很明顯，只要調(diào)節(jié)N或/和r就可影響RCF的值，從而改變其離心分離本領(lǐng)。實驗中RCF的值常用多少倍于重力加速度表示，如1000×g。離心力與作用時間的積累效應(yīng)微粒在懸浮液中被分離的速度快慢除與轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)數(shù)大小有關(guān)外，還與離心時間長短有關(guān)，即離心力作用于微粒上具有時間積累效應(yīng)。衡量時間積累效應(yīng)高低的物理量常用沖量矩的大小來表示，沖量矩（Lt）的值等于離心力的力矩（L）與離心時間(t)的乘積，依物理學(xué)原理可推導(dǎo)出：Lt=（2pRn/60）2×t，即沖量矩的大小與轉(zhuǎn)速（N）的平方和時間的乘積成正比。由此可見，在同一離心轉(zhuǎn)頭的條件下（N，r一定），轉(zhuǎn)動時間越長，沖量矩越大，分離效果越好。對同一懸浮液，因轉(zhuǎn)動的時間不同而有不同的沖量矩，若調(diào)節(jié)影響沖量矩的兩個可變因子即轉(zhuǎn)速(N)和時間（t），可以在較低轉(zhuǎn)、速較長時間得到較高轉(zhuǎn)速、較短時間同樣的沖量矩，從而得到相同的分離效果。但是，若轉(zhuǎn)速相差太大，則會受擴散作用影響而使較低轉(zhuǎn)速離心的分離效果下降。實驗過程中，欲使沉淀與母液分開，常使用過濾和離心兩種方法。但在下述情況下，使用離心方法效果較好。沉淀有粘性或母液粘稠。沉淀顆粒小，容易透過濾紙。沉淀量過多而疏松。沉淀量很少，需要定量測定?；蚰敢毫亢苌伲蛛x時應(yīng)減少損失。沉淀和母液必須迅速分開。一般膠體溶液。離心技術(shù)概述離心技術(shù)就其原理來說屬于一種物理的技術(shù)手段，目前在農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、食品衛(wèi)生、生物制品、生物工程、細胞生物學(xué)、分子生物學(xué)和生物化學(xué)等諸多領(lǐng)域里得到了廣泛的應(yīng)用，使離心機，尤其是超速離心機已成為現(xiàn)代生物化學(xué)實驗室中不可缺少的必備設(shè)備。為了滿足生產(chǎn)、科研和教學(xué)的不同需要，不同類型、不同規(guī)格和不同用途的離心機應(yīng)運而生，且隨著整個科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不斷地得到改進、提高和更新。離心機的種類工業(yè)用途低速（N<10,000rpm）高速（N=10,000~30,000rpm）超高速（N>30,000rpm）實驗用途分析用途：分析超速離心機制備用途普通離心機水平式離心機斜角式離心機冰凍離心機大容量冷凍離心機高速冷凍離心機超高速冷凍離心機不同類型的離心機不僅具有不同的構(gòu)造，而且具有不同的應(yīng)用范圍。普通離心機的最大轉(zhuǎn)速在10000rpm以下，最大相對離心力小于10000×g，容量從幾十毫升至幾升，分離形式是固液沉降分離，轉(zhuǎn)子有角式和外擺式，其轉(zhuǎn)速不能嚴(yán)格控制，通常不帶冷凍系統(tǒng)，于室溫下操作。這種離心機多用交流整流電動機驅(qū)動，電機碳刷易磨損，轉(zhuǎn)速由電壓調(diào)壓器調(diào)節(jié)，起動電流大，速度升降不均勻，一般轉(zhuǎn)頭是置于一個硬質(zhì)鋼軸上，因此離心前精確平衡離心管及其內(nèi)容物極為重要，否則易造成的離心機損壞。在現(xiàn)代實驗室中，普通離心機通常在下列情況下用于物質(zhì)的分離和提取：（1）沉淀有粘滯；（2）沉淀顆粒小，容易透過濾紙；（3）沉淀量過多而疏松；（4）沉淀量過少，而需要定量分析；（5）母液粘稠；（6）母液量很少，分離時需減少損失；（7）沉淀和母液需迅速分離；（8）一般膠體溶液。高速離心機能夠?qū)悠啡芤褐械膽腋∥镔|(zhì)進行高純度的分離、濃縮、精制和提取，多用于血液、細胞、蛋白質(zhì)、酶、病毒、激素等的分離制備和收集。高速冷凍離心機一般最大轉(zhuǎn)速為10000～30000rpm，最大相對離心力為90000×g左右，最大容量可達3升，分離形式也是固液沉降分離，轉(zhuǎn)頭配有各種角式轉(zhuǎn)頭、蕩平式轉(zhuǎn)頭、區(qū)帶轉(zhuǎn)頭、垂直轉(zhuǎn)頭和大容量連續(xù)流動式轉(zhuǎn)頭、一般都有制冷系統(tǒng)，以消除高速旋轉(zhuǎn)時轉(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0～40℃，轉(zhuǎn)速、溫度和時間都可以嚴(yán)格準(zhǔn)確地控制，并有指針或數(shù)字顯示，通常用于微生物菌體、細胞碎片、大細胞器、硫酸銨沉淀物和免疫沉淀物等的分離與純化工作，但不能有效地沉降病毒、小細胞器(如核蛋白體)或單個分子。超速離心機目前主要用于：（1）測定生物大分子和高分子聚合物的沉降系數(shù)（S）、擴散系數(shù)（D）和分子量（M）；（2）研究生物大分子的大小和形狀；（3）研究生物大分子的締合、離解和降解；（4）追隨分離高分子的提純過程，鑒定其均一程度，測定其組成和濃度；（5）分離提純血清脂蛋白；（6）發(fā)現(xiàn)異常血清蛋白質(zhì)成分等。離心機的構(gòu)造與轉(zhuǎn)速的關(guān)系：有；：無。Sigma3K-30高速冷凍離心機Sigma1-15K高速冷凍離心機簡要說明A－所有相關(guān)參數(shù)，如轉(zhuǎn)速、離心力、時間和溫度均可以設(shè)定B－轉(zhuǎn)速、離心力參數(shù)可以放大觀察C－適用轉(zhuǎn)頭的參數(shù)可以檢索顯示D－離心設(shè)定程序可以調(diào)用修改技術(shù)指標(biāo)

Sigma3K-30高速冷凍離心機詳細說明：1、臺式高速冷凍離心機，最大離心力可達60000g以上2、離心轉(zhuǎn)速范圍100rpm～30000rpm，設(shè)定步長1rpm3、所有可能的運行參數(shù)均可以任意設(shè)定4、離心轉(zhuǎn)頭自動識別，可以防止轉(zhuǎn)子過速運轉(zhuǎn)5、多種規(guī)格角轉(zhuǎn)頭可選，適配離心管范圍從微量管到85mL(10mL)6、可選配一種水平轉(zhuǎn)頭7、配置高效致冷系統(tǒng)，溫度范圍-20℃~40℃8、無需離心機運轉(zhuǎn)即可完成轉(zhuǎn)頭預(yù)冷9、無碳刷免維護變頻電機，使用壽命長10、高品質(zhì)的電機系統(tǒng)11、自動離心機蓋閉鎖功能12、產(chǎn)品符合IEC1010等國際安全標(biāo)準(zhǔn)Sigma3K-30高速冷凍離心機技術(shù)指標(biāo)

Sigma1-15K-高速冷凍離心機臺式高速冷凍離心機，用于微量管的離心沉降處理24孔水平轉(zhuǎn)頭，用于1.5mL至2.2mL微量離心管的離心30孔或24孔角轉(zhuǎn)頭，包括離心蓋40孔角轉(zhuǎn)頭，用于0.25mL至0.4mL微量離心管的離心最高轉(zhuǎn)速時最低溫度：<4℃免維護無碳刷變頻電機驅(qū)動，并具有“正?！焙汀叭岷汀敝苿庸δ芤壕э@示運行溫度、離心速度和離心力及時間預(yù)設(shè)運行時間最長可達30分鐘或持續(xù)運轉(zhuǎn)以秒為單位顯示“短時運轉(zhuǎn)”鋼制機身，保證安全性和穩(wěn)定性，低噪音頂蓋關(guān)閉鎖定裝置，安全可靠，符合國際安全標(biāo)準(zhǔn)（IEC1010）Sigma-1-15K-高速冷凍離心機詳細說明：一、離心機的準(zhǔn)備在離心操作前必需首先準(zhǔn)備好離心機。備機包括：1.機型的選擇：即根據(jù)具體的實驗要求選擇水平式離心機或斜角式離心機。2.離心套筒的準(zhǔn)備：檢查離心套筒內(nèi)是否有橡皮緩沖膠墊，膠墊上若附著碎玻璃等雜物應(yīng)清除。3.離心機檢查：檢查離心機安放是否平穩(wěn)，轉(zhuǎn)軸是否牢固，潤滑是否良好，離心腔內(nèi)有無異物，缸蓋能否鎖緊等。二、電源的準(zhǔn)備電源應(yīng)選擇與離心機使用說明書相吻合的電源，電原插座必須有地線以保證離心安全。若實驗室沒有合適的電源，則應(yīng)重新安裝電源線，電源插座應(yīng)靠近離心機以方便操作。三、平衡附件的準(zhǔn)備平衡附件包括：1.天平：普通離心機用1／1000的臺秤進行離心平衡，臺平上固定兩個等重的燒杯，以備平衡之用。2.離心管和配平管：離心管用于裝離心液，配平管用于裝配乎液(注意：配平管的長度一般不宜超過離心管的長度，以避免水平離心時被轉(zhuǎn)軸打碎)。3.燒杯與皮頭吸管：燒瓶用來盛配平液，皮頭吸管用來吸配平液進行配平。四、離心液的準(zhǔn)備

離心液應(yīng)根據(jù)具體的實驗要求進行準(zhǔn)備。五、試機

在以上準(zhǔn)備完成以后，應(yīng)先讓離心機進行空載運轉(zhuǎn)，密切觀察空載運轉(zhuǎn)情況是否正常，在無異常時方可進行離心。【實驗準(zhǔn)備】1．取離心管裝上離心液放于一對重量相近的離心套筒的橡膠孔中，離心液面距離心管口至少應(yīng)留2cm的距離，以免離心時離心液濺出。2．調(diào)平稱量天平，將置于離心機對稱位置上的離心套筒、離心管及內(nèi)盛物配平，相差不超過0.05克，將平衡好的離心套筒放于離心機支架對稱位置的吊環(huán)中，上離心機缸蓋，鎖牢。。3．檢查離心機是否安放平穩(wěn)，電源開關(guān)及調(diào)速桿。4．設(shè)置離心機的操作參數(shù)（速度、時間、溫度）。5．插上電源插頭，打開電門開關(guān)。6．按Start鍵，離心機運行。離心完畢，將調(diào)速桿緩慢退回到‘零位”，關(guān)掉電門，拔下電源插頭，任離心機自停（切記：不能用手助停，以免沉淀物泛起、損壞離心轉(zhuǎn)軸、碰傷人的肢體）。7．待離心機完全停止轉(zhuǎn)動后，打開缸蓋取出離心套筒及離心管。8．清潔離心套筒、離心管及離心腔。9.紀(jì)錄離心機的使用情況?！緦嶒灢僮鳌?.離心前必需將放置于對稱位置上的離心套筒、離心管及離心液進行精確平衡，重量差不超過0.05克。對于高速和超速離心機，不僅要求重量平衡，而且要求配平液的密度與離心液的密度相等，以達到力矩平衡。2.離心機安放要求水平、穩(wěn)固，轉(zhuǎn)軸上的支架要牢固，轉(zhuǎn)軸潤滑良好，吊欄應(yīng)活動自如，保證離心機的正常運轉(zhuǎn)。3.離心管盛液不宜過滿，避免腐蝕性液體濺出腐蝕離心機，同時造成離心不平衡。4.離心開始前應(yīng)檢查轉(zhuǎn)頭是否擰緊。放入離心套筒后應(yīng)緊蓋、鎖牢，防止意外事故的發(fā)生。離心完畢應(yīng)關(guān)電門、拔掉電源插頭任機自停，嚴(yán)禁用手助停，以免傷人損機，使沉淀泛起。5.注意離心機的保養(yǎng)和“四防”。離心機使用完畢，要及時清除離心機內(nèi)水滴、污物及碎玻璃渣，擦凈離心腔、轉(zhuǎn)軸、吊環(huán)、套筒及機座。經(jīng)常做好離心機的防潮、防過冷、防過熱、防腐蝕藥品污染，延長使用壽命。6.離心過程若發(fā)現(xiàn)異常情況應(yīng)立即按Stop鍵，然后，再進行檢查。如聽到碎玻璃渣聲響，可能是試管被打碎，應(yīng)重新更換試管。若整個離心機座轉(zhuǎn)動起來，則是嚴(yán)重不平衡所至。若離心機不轉(zhuǎn)動，則可能是保險絲燒斷，應(yīng)重新更換保險絲。若發(fā)生機械或電機故障，應(yīng)報告指導(dǎo)教師請專門維修人員檢修?！咀⒁馐马棥恳?離心機在預(yù)冷狀態(tài)時，離心機蓋必須關(guān)閉，離心結(jié)束后取出轉(zhuǎn)頭要倒置于實驗臺上，擦干腔內(nèi)余水，離心機蓋處于打開狀態(tài)。

二.轉(zhuǎn)頭在預(yù)冷時轉(zhuǎn)頭蓋可擺放在離心機的平臺上，或擺放在實驗臺上，千萬不可不擰緊浮放在轉(zhuǎn)頭上，因為一旦誤啟動，轉(zhuǎn)頭蓋就會飛出，造成事故！三.轉(zhuǎn)頭蓋在擰緊后一定要用手指觸摸轉(zhuǎn)頭與轉(zhuǎn)蓋之間有無縫隙，如有縫隙要擰開重新擰緊，直至確認無縫隙方可啟動離心機。四.在離心過程中，操作人員不得離開離心機室，一旦發(fā)生異常情況操作人員不能關(guān)電源(POWER），要按STOP。在預(yù)冷前要填寫好離心機使用記錄。五.不得使用偽劣的國產(chǎn)離心管，不得使用老化、變形、有裂紋的離心管。六.在節(jié)假日和晚間最后一個使用離心機例行安全檢查后方能離去。七.在儀器使用過程中發(fā)生機器故障，部件損壞情況時要及時與我們聯(lián)系。【離心機使用守則】超速離心機一般轉(zhuǎn)速可達50000～80000rpm，相對離心力最大可達510000×g左右，最著名的生產(chǎn)廠商有美國的貝克曼公司和日本的日立公司等，離心容量由幾十毫升至2升，分離的形式為差速沉降分離和密度梯度區(qū)帶分離。超速離心機的出現(xiàn)，使生物科學(xué)的研究領(lǐng)域有了新的擴展，它既可以分離細胞的亞細胞器結(jié)構(gòu)，也可以分離病毒、核酸、蛋白質(zhì)和多糖等生物大分子。超速離心機主要由驅(qū)動系統(tǒng)、速度和溫度控制系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和轉(zhuǎn)頭四部分組成。超速離心機的驅(qū)動裝置由水冷或風(fēng)冷電動機通過精密齒輪箱或皮帶變速，或直接用變頻感應(yīng)電機驅(qū)動，并由微機精確控制。驅(qū)動軸的直徑較細，在旋轉(zhuǎn)時有一定的彈性彎曲，以適應(yīng)轉(zhuǎn)頭輕度的不平衡，而不致于引起震動或轉(zhuǎn)軸損傷。除速度控制系統(tǒng)外，超速離心機還有過速保護系統(tǒng)，以防止轉(zhuǎn)速超過轉(zhuǎn)頭最大規(guī)定轉(zhuǎn)速時引起轉(zhuǎn)頭的撕裂或爆炸。離心腔一般抗爆炸裝甲鋼板密閉，以增加安全性能。溫度控制由安裝在轉(zhuǎn)頭下面的紅外線感受器直接連續(xù)監(jiān)調(diào)離心腔的溫度，以保證準(zhǔn)確靈敏的溫度調(diào)控。超速離心機裝有真空系統(tǒng)。一般離心速度在2000rpm以下時，空氣與轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)頭之間的磨擦產(chǎn)生的熱量少，速度超過20000rpm時，磨擦產(chǎn)生的熱量顯著增大，當(dāng)速度在40000rpm以上時，由磨擦產(chǎn)生的熱量就成為嚴(yán)重問題。為此，將離心腔密封，并由真空泵系統(tǒng)抽成真空，減小磨擦力，這樣才能保證超速離心機正常工作，達到所需的超高轉(zhuǎn)速。分析性離心機使用了特殊設(shè)計的轉(zhuǎn)頭和光學(xué)檢測系統(tǒng)，以便連續(xù)監(jiān)視物質(zhì)在離心場中的沉降過程。從而確定其物理性質(zhì)。分析性超速離心機的轉(zhuǎn)頭為橢圓形，以避免應(yīng)力集中于孔處。轉(zhuǎn)頭通過一個柔性軸聯(lián)接到一個高速驅(qū)動裝置上，轉(zhuǎn)頭在冷凍真空腔中旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)頭上有2～6個裝離心杯的小室，離心杯為上下透光的扇形石英杯，離心機中裝有光學(xué)系統(tǒng)，在整個離心過程中可通過紫外吸收或折射率的變化監(jiān)測離心杯中的沉降物質(zhì)，在預(yù)定期間可以拍攝沉降物質(zhì)的照片，分析離心杯中物質(zhì)的沉降情況，計算出樣品顆粒的沉降速度。分析性超速離心機的主要優(yōu)點就是在短時間內(nèi)，用少量樣品就可以得到被離心物質(zhì)的許多重要信息，如某種生物大分子是否存在、大致含量、沉降系數(shù)、分子大小，是否均一、各組份的比例，以及測定生物大分子的分子量，檢測生物大分子的構(gòu)象變化等。從離心機的分類不難看出離心機的研制歷史經(jīng)歷了一個由低級到高級，由簡單到復(fù)雜的發(fā)展過程。高速離心機的出現(xiàn)，使離心機的應(yīng)用范圍進一步擴大。它不僅可以進行簡單的制備分離，而且能夠進行沉降、差速離心、區(qū)帶離心等研究分析。為了降低高速離心機高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的空氣阻力、摩擦阻力、熱量，以及噪聲，保持被分離生物制品的天然性質(zhì)，現(xiàn)代高速離心機都采用了制冷設(shè)備以降低溫度，采用真空設(shè)備以降低空氣阻力。此舉進一步提高了離心機的轉(zhuǎn)速，為超速離心機的誕生奠定了堅實的基礎(chǔ)。超速離心機是二十世紀(jì)二十年代才發(fā)展起來的一種先進設(shè)備。1924年瑞典科學(xué)家Svedberg首先設(shè)計制造了分析超速離心機，其轉(zhuǎn)速可達10，000～15，000rpm。1947年應(yīng)用Svedberg設(shè)計的油渦輪機超速離心機和Beams-Pickels的空氣渦輪超速離心機商品相繼問市。1959年出現(xiàn)了電動超速離心機，二十世紀(jì)七十年代初研制出了制備型超速離心機，七十年代末至八十年代初，采用調(diào)頻電機直接驅(qū)動、電子計算機程控和實驗數(shù)據(jù)微機自動化處理的超速離心機面市，使超速離心機的控制功能和數(shù)據(jù)處理更加精確可靠，操作簡便，轉(zhuǎn)速不斷提高。1979年報道，實驗用超速離心機的最高轉(zhuǎn)速可達120，000rpm。二十世紀(jì)八十年代中期，超速離心機的最高轉(zhuǎn)速已高達160，000rpm。隨著超速離心機的發(fā)展，與之配套的超速離心技術(shù)也日漸完善，形成了制備超離心和分析超離心兩大類技術(shù)