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實驗室*的離心機了解一下！

　　作為制藥工業中重要設備之一，離心機在本次疫情中，更是*，被應用于血液分離、病毒研究、DNA研究、藥品提純等場合。

　　離心機這么“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驗室都在使用的儀器——離心機。

　　1什么是離心機？

　　離心機是利用離心力，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械。離心機主要用于將懸浮液中的固體顆粒與液體分開，或將乳濁液中兩種密度不同，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，例如用洗衣機甩干濕衣服；特殊的超速管式分離機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，有的沉降離心機還可對固體顆粒按密度或粒度進行分級。

　　2離心機的簡史

　　離心機的發展表現在構造上的不斷改進和離心方法的創新。

　　工業離心機誕生于歐洲，19世紀中葉，先后出現紡織品脫水用的三足式離心機，和制糖廠分離結晶砂糖用的上懸式離心機。

　　十九世紀末到二十世紀初，只能生產低速離心機，二十世紀20年代開始生產高速離心機。

　　二十世紀70年代研發了高速變頻離心機，80年代將變頻電機和微型計算機相結合，使離心機技術更加成熟和完善，基本滿足各行業的研究和醫學上的使用。

　　在近四十多年的發展中，離心機結構、性能、種類變化很大，分離質量、生產能力不斷提高，應用范圍更加廣泛。

　　3離心機的原理

　　離心是利用旋轉運動的離心力以及物質的沉降系數或懸浮密度的差異進行分離、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的轉速、顆粒的質量、大小和密度。

　　離心機是利用離心機的轉子高速旋轉產生強大的離心力，迫使液體中微粒克服擴散加快沉降速度，把樣品中具有不同沉降系數和浮力密度的物質分離開。

　　離心力

　　離心力（centrifugalforce，Fc）當物體所受外力小于運動所需要的向心力時，物體將向遠離圓心的方向運動。物體遠離圓心運動的現象稱為離心現象，也叫離心運動。

　　離心運動是由于向心力消失或不足而造成的。

　　離心作用是根據在一定角速度下作圓周運動的任何物體都受到一個向外的離心力進行的。離心力（Fc）的大小等于離心加速度ω2r與顆粒質量m的乘積，即：

　　ω是旋轉角速度，Ｎ是每分鐘轉頭旋轉次數，r為離心半徑，m是質量。

　　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，這個現象稱為重力沉降。

　　微粒在液體介質中的沉降將受到介質的浮力、介質阻力及擴散現象的影響。

　　沉降速度(sedimentationvelocity)指在強大離心力作用下，單位時間內物質運動的距離。即：

　　式中，為ρo介質的密度，ρ為微粒的密度，g為重力加速度，f為阻力系數。

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

　　K系數：是用來描述在一個轉子中，將粒子沉降下來的效率。K系數與離心轉速及粒子沉降的路徑有關，所以K系數是一個變數。

　　沉降系數：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差別很大，利用它們沉降系數的差別就可以應用離心技術來進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

　　在離心機中，離心管（centrifugetube）放于離心轉頭里，當離心機開動時，離心管繞離心轉頭的軸旋轉，作圓周運動，在離心管內的樣品顆粒將同樣運動。

　　假如顆粒處于真空中，顆粒會沿切線方向飛去,也就是當離心管由圖中的0位轉到1位時，顆粒到達離心管底部A位。對于離心管而言，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。這種顆粒在圓周運動時的切線運動稱為離心沉降。

　　實際上顆粒是在介質中運動的，顆粒作切線運動時將由于介質的摩擦阻力，使其在離心管中依圖中虛線所示的曲線運動，當離心管由0位轉到2位時，顆粒由頂位移到B位。介質的阻力越大，顆粒的沉降速度越小、沉降的距離也越短。旋轉速度越大，顆粒在離心管中沉降越快。

　　4離心機的構成

　　普通離心機由電動機、轉盤、調速器。套管、底座等組成，其中電動機是輕載時轉速高，但隨著負載的增加轉速則會急劇下降。

　　1.轉速：

　　離心機根據大轉速的不同區分。

　　2.容量：

　　每次需要離心多少個樣品管，每個樣品管需要多少容量，這些因素決定一個離心機的總容量，簡單的來說離心機的總容量=每個離心管的容量×離心機管個數，總容量和工作量的大小是相匹配的。

　　3.轉子：

　　離心機的轉子主要分為兩種：

　　水平轉子：運轉時吊籃處于水平狀態，與轉軸成直角，樣品將沉淀集中于離心管的底部。

　　角轉子：離心容器與轉軸成一固定角度，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子，如果希望樣品集中于離心管的底部和靠近底部的側壁上就選擇角轉子。還有一些特殊實驗或特殊樣本需要特殊的轉子如：大容量吊籃（多應用于血站），酶標板轉子，載玻片轉子，PCR轉子，試管架轉子和毛細管轉子等。

　　轉子都有固定的規格，它是和離心機的容量結合起來的，如12*5ml的角轉子，既決定了轉子的類型也決定了離心機的容量，所以轉子的選擇非常重要。

　　離心機驅動系統結構

　　4.控制系統：

　　高檔的離心機都采用了微電腦控制系統，這些控制系統不但能確保離心機安全的運行還能自動完成工作任務。

　　現在很多離心機都有較好的人性化的控制系統，比如：轉子識別功能，安全鎖功能，故障提示功能，加速和減速曲線等。離心機的主要部件是電機，目前，市場上主要是無碳刷電機。

　　5離心機的分類

　　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。

　　可將離心機分為以下幾種型式：

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

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

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

　　高速離心機

　　按操作方式分

　　可將離心機分為以下型式：

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

　　2、連續式離心機：其進料、分離、洗滌和卸渣等過程，有間隙自動進行和連續自動進行兩種。

　　按卸渣方式分

　　可將離心機分為以下型式：

　　刮刀卸料離心機、活塞推料離心機

　　螺旋卸料離心機、離心力卸料離心機

　　振動卸料離心機、顛動卸料離心機

　　按國家標準與市場使用份額分為以下四種

　　三足式離心機、螺旋離心機

　　碟片式分離機、管式分離機

　　按分離方式分

　　沉降式離心機、過濾式離心機

　　隨著石油、化工、紡織、醫藥等領域繼續不斷的發展速度，離心機市場規模也在不斷擴大。未來，隨著實驗室科研要求的不斷提升，離心機或將朝著更高速、更精密、更智能的方向發展。