離心機的工作原理是：在超強的離心力作用下，使旋轉(zhuǎn)中的樣品逐漸偏離旋轉(zhuǎn)中心，從而達(dá)到沉降分離的效果。雖然離心機的原理很簡單，但是其適用于大量不同的工業(yè)應(yīng)用和研究實驗，離心相關(guān)的技術(shù)文獻(xiàn)非常之多。
作者：Angelo DePalma，博士| 2014年3月12日


實驗室常規(guī)離心機

臺式離心機/貝克曼庫爾特Allegra X-5/www.beckmancoulter.com

高速離心機/賽默飛世爾科技Sorvall LYNX/www.thermoscientific.com

細(xì)胞培養(yǎng)離心機套裝/海蒂詩/www.hettweb.com

      值得注意的是，離心的分離效率與旋轉(zhuǎn)半徑成正比，而與轉(zhuǎn)速（指每秒或每分鐘的旋轉(zhuǎn)速度，通常用每分鐘旋轉(zhuǎn)周數(shù)rpm表示）的平方成正比。

      因此，在轉(zhuǎn)速固定不變的情況下，半徑為12英寸的離心機的效率是半徑為6英寸的2倍。而在半徑相同的情況下，轉(zhuǎn)速為1,000rpm時的離心效率是500rpm時 的4倍。

      離心機一般按尺寸、速度和應(yīng)用來分類。相同大小的離心機還可以進(jìn)一步按轉(zhuǎn)頭容量、離心管尺寸和樣品數(shù)量等細(xì)分。離心速度（或相對離心力）是指施加到樣品上的離心力，其大小選擇與所需分離樣品的性質(zhì)有關(guān)。最高端的超速離心機可以分離各種分子、細(xì)胞組分，甚至同位素。隨著轉(zhuǎn)速的提高，一些平時難以區(qū)分的樣品也可以得到更精細(xì)的分離。

      按轉(zhuǎn)速來給離心機分類是最常見的分類方式，盡管按相對離心力（RCF，單位g）來分類更準(zhǔn)確。萊伯特國際（康寧生命科學(xué)公司子公司，位于新澤西州愛迪生鎮(zhèn)）的產(chǎn)品經(jīng)理Peter Will稱，轉(zhuǎn)速（RPM）是客戶最經(jīng)常詢問的參數(shù)， “但是相對離心力實際上才是更為關(guān)鍵的數(shù)字”。

      一個應(yīng)用所需的轉(zhuǎn)速快慢并不代表其是否“先進(jìn)”�？蒲泄ぷ髡咄ǔＪ褂孟鄬�較低的離心力（約300xg）來分離比較敏感的干細(xì)胞，而同時用高達(dá)1,000,000xg的離心力來分離DNA、RNA、病毒顆粒和蛋白質(zhì)。

      市場上有各種各樣的轉(zhuǎn)頭類型可供實驗室選擇，兩種最常見的類型是定角轉(zhuǎn)頭和甩平式水平轉(zhuǎn)頭。定角轉(zhuǎn)頭中的樣品管以一定的角度固定在轉(zhuǎn)頭內(nèi)，離心過程中樣品會沿著離心管的側(cè)壁逐漸沉淀到底部。

      在甩平轉(zhuǎn)頭中，當(dāng)離心達(dá)到一定速度時，樣品管會從一個垂直狀態(tài)擺動到與地面或工作臺水平的位置，沉淀將平整地聚集在離心管的底部。

      這兩種類型的離心轉(zhuǎn)頭均可使用多種樣品容器，包括微量管（1-2毫升），錐底管（50-500毫升）等，還包括用于分離血液、血漿等工業(yè)流程的更大型的容器，甚至還包括微孔板。美國安捷倫公司（位于加利福尼亞州圣克拉拉市）的微孔板離心機可以跟微孔板抓手及其他模塊組合，實現(xiàn)各種復(fù)雜實驗流程的自動化操作。

      供應(yīng)商們一直致力于研發(fā)有針對性設(shè)計的離心機來滿足各種各樣的離心實驗和不同容器的適配需要。因此，各種容量和型號的離心機層出不窮。賽默飛世爾科技公司（位于馬薩諸塞州沃爾瑟姆市）的全球商務(wù)總監(jiān)Hugh Tansey說：“市場上針對不同應(yīng)用的離心機選擇范圍十分廣泛”。

保養(yǎng)與維護(hù)

      很多人都聽說過一些重大的離心機事故，嚴(yán)重的會使離心機自身和周圍設(shè)備徹底報廢。很不幸這些故事都是真實的，所以新型的離心機設(shè)計會通過自動轉(zhuǎn)頭識別和動態(tài)慣量檢查來顯著減少這些潛在的安全風(fēng)險。一旦發(fā)現(xiàn)樣品有不平衡現(xiàn)象，離心機會立即自動停機。Peter Will說道：“一臺好的離心機可以迅速檢測出樣品的不平衡情況，迅速停機，并同時發(fā)出聲音或者圖像警報�！�

離心機和血糖儀用的清潔用紙/ HYPE-WIPE?和MINI HYPE-WIPE?/www.currtechinc.com

      與這些災(zāi)難性事故相比，更為普遍的是各種離心機運行錯誤或者故障，這些直接導(dǎo)致了機器無法使用，或者更糟糕的——樣本損失。Tansey說道：“實驗人員需要經(jīng)過漫長的處理流程才使樣本進(jìn)行到離心收集的步驟，他們絕不希望這些樣品被鎖在離心機中，導(dǎo)致?lián)p壞或者丟失�！�

      轉(zhuǎn)頭的加速和減速速度需要在更長的樣品平衡時間和更快的運行速度之間進(jìn)行平衡。轉(zhuǎn)頭減速過快可能會擾亂樣品的沉淀，而減速過慢則會明顯延長運行時間。“比較理想的狀態(tài)是快速啟動配上軟制動，”Will說，“高品質(zhì)的離心機可以通過電子技術(shù)和程序控制實現(xiàn)這樣的功能，允許用戶自由設(shè)定加速度和減速度，這已逐漸成為離心機行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)配置�！�

      還有一點值得一提，離心機應(yīng)當(dāng)在安全性上保護(hù)操作人員免受有害物質(zhì)侵害，這包括有毒化學(xué)物質(zhì)、致病菌和病毒等。Will說：“如果用戶需要處理這類樣品，應(yīng)當(dāng)選擇使用帶有氣密性蓋子的轉(zhuǎn)頭和機型。”

清潔

      離心機一般相對不容易被污染。但是各廠家仍然會建議進(jìn)行定期的常規(guī)清潔，他們一般會推薦自己的清潔劑和專業(yè)清潔產(chǎn)品。

      貝克曼庫爾特生命科學(xué)公司（位于美國印第安納州印第安納波利斯市）的營銷經(jīng)理Randall Lockner建議說，至少每運行幾次就要擦拭一次離心機的“機箱”（腔體）。這不僅可以保持潔凈的外觀，還可以防止更嚴(yán)重的腐蝕或者交叉污染。“檢查所有蓋子和轉(zhuǎn)頭密封圈是否磨損、開裂或有雜質(zhì)堆積，這應(yīng)該成為儀器日常維護(hù)流程的一部分�！�

許多生命科學(xué)研究流程仍然使用放射性物質(zhì)

      如果用戶沒有按照不同同位素的性質(zhì)正確地檢查或清洗離心機主機和轉(zhuǎn)頭，那么離心機可能會變得相當(dāng)“熱”。此外，還可能出現(xiàn)嚴(yán)重的交叉污染，從而影響到后續(xù)的同位素成像、放射性掃描或者液閃計數(shù)的結(jié)果。按照操作規(guī)范，每次使用同位素后，用戶應(yīng)當(dāng)分別使用沾有可溶解吸收無機和有機材料的棉簽進(jìn)行擦拭，然后計數(shù)檢測。實驗室應(yīng)采取適當(dāng)措施防止高濃度的同位素泄漏和處理具有潛在危險的棉簽，以保護(hù)操作人員。

轉(zhuǎn)頭是日常維護(hù)中最重要的部分

      艾本德公司（位于紐約州哈帕市）的產(chǎn)品經(jīng)理Matt Lieber說：“生命科學(xué)研究經(jīng)常使用鹽緩沖液，在樣品取出后，這些緩沖液仍然會以氣溶膠或其他形式殘留在轉(zhuǎn)頭中。”與傳統(tǒng)金屬轉(zhuǎn)頭相比，電鍍鋁合金轉(zhuǎn)頭和碳纖維轉(zhuǎn)頭受鹽離子侵蝕的程度相對較少，但是仍然需要定期的清洗。Lieber建議使用吸水紙巾沾取非離子型清潔劑或70%乙醇溶液進(jìn)行擦拭。

      用戶應(yīng)定期檢查甩平式水平轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)軸的潤滑情況，并定期涂抹硅潤滑脂。潤滑不當(dāng)一般不會直接引起災(zāi)難性的事故，但是可能會影響到甩平的速度和傾斜角度，譬如會影響到多相分離實驗的結(jié)果（如酚氯仿抽提）。

終端用戶維護(hù)

      無論轉(zhuǎn)頭是由哪種材質(zhì)構(gòu)成，都需要進(jìn)行磨損檢查，各種磨損有可能會使轉(zhuǎn)頭性能下降，甚至成為潛在的安全隱患。檢查內(nèi)容應(yīng)當(dāng)包括各種磨損、劃傷、擦傷，或化學(xué)品接觸腐蝕等。

      定期維護(hù)檢查項目應(yīng)當(dāng)包括所有轉(zhuǎn)頭的檢測，以確保它們處于可運行狀態(tài)。貝克曼庫爾特的維護(hù)保養(yǎng)工程師會在執(zhí)行這些檢查后填寫一份關(guān)于轉(zhuǎn)頭狀態(tài)的“報告卡”。實驗室管理人員應(yīng)密切關(guān)注轉(zhuǎn)頭的使用狀態(tài)，在轉(zhuǎn)頭使用年限即將到期前為最終的更換做好準(zhǔn)備和預(yù)算。
      

離心管/ ExtraGene/www.extragene-web.com

      海蒂詩儀器公司（馬薩諸塞州貝弗利市）的東北美地區(qū)區(qū)域經(jīng)理Jeff Antonucci建議說：“延長離心機使用壽命最簡單的方法就是保持潤滑。此外，用戶應(yīng)當(dāng)定期檢查外殼的氣密性，因為密封環(huán)的任何撕裂或破損都可能引發(fā)一系列的問題。特別是冷凍型離心機，氣密性的受損有可能導(dǎo)致腔體內(nèi)產(chǎn)生冷凝水和結(jié)冰。”

      Antonucci還建議用戶“去聽和感受”離心機，“如果您發(fā)現(xiàn)任何不尋常的震動、搖晃、嘯叫，或任何其他不對勁的情況，應(yīng)當(dāng)立即關(guān)閉離心機并進(jìn)行檢查。如果您無法找出原因，請致電制造商。”

      離心過程中可能會使用到各種有害物質(zhì)，如有毒化學(xué)品、生物危險品和放射性同位素等。無論如何小心操作，泄漏、污染和交叉污染的事件仍時有發(fā)生。供應(yīng)商們建議用戶首選無腐蝕性的清洗方式和產(chǎn)品。切記，能夠有效消除致病病毒的清潔產(chǎn)品未必能夠消除放射性污染。

售后服務(wù)

      盡管廠家已盡力使現(xiàn)在的離心機遠(yuǎn)離災(zāi)難性事故的黑暗歷史，但用戶必須明白，各種不規(guī)范操作或者維護(hù)不當(dāng)仍然會導(dǎo)致各種不良后果或者樣品損失。 “所有使用離心機的實驗室應(yīng)當(dāng)確保儀器由專業(yè)培訓(xùn)的售后工程師進(jìn)行定期檢測，每年至少一次。”Randall Lockner建議說，“或者至少需要簽訂售后服務(wù)協(xié)議。離心機是一個重要的基礎(chǔ)儀器，如果它停機了，你的實驗室也就無法繼續(xù)運轉(zhuǎn)了�！�

      所有的售后服務(wù)協(xié)議都應(yīng)當(dāng)包括不同級別的由經(jīng)過培訓(xùn)的技術(shù)人員進(jìn)行的預(yù)防性維護(hù)措施。貝克曼庫爾特提供不同等級的售后服務(wù)協(xié)議包，可以額外覆蓋機器硬件的維修或更換。如果沒有售后服務(wù)協(xié)議，則會增加維修的成本，尤其是零部件費用，同時差旅費和勞務(wù)費也都額外需要計算。

離心機轉(zhuǎn)頭/ FA-45-6-30 & A-2-DWP-AT Eppendorf/www.eppendorfna.com

      售后工程師，無論是來自供應(yīng)商的雇員，第三方售后服務(wù)機構(gòu)，還是獨立個人，都是非例行性離心機保養(yǎng)和維護(hù)的首選。頂級供應(yīng)商會在購買時安排專業(yè)技術(shù)人員，確保儀器的安裝和水平平衡調(diào)節(jié)正確，并對需要的用戶進(jìn)行培訓(xùn)。Lockner指出：“工程師會檢查電源和通風(fēng)條件是否合適，并確保用戶掌握樣本平衡、轉(zhuǎn)頭更換和其他操作的相關(guān)知識�！�

購買決策——考慮因素

      離心分離是一項成熟的技術(shù)，但由于其在大多數(shù)實驗室中的基礎(chǔ)性作用，管理者進(jìn)行采購時需慎重考慮。賽默飛世爾的Hugh Tansey說：“客戶都希望找到一臺高質(zhì)量、品牌知名度好的離心機”。用戶普遍希望更快取得結(jié)果，所以轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)頭容量都應(yīng)被優(yōu)先考慮。

      在選擇離心機的類型和型號時，應(yīng)當(dāng)考慮其使用范圍，Randall Lockner如是說�！澳�要分離納米材料嗎？您基本上用于樣品沉淀嗎？用于細(xì)胞培養(yǎng)或細(xì)胞分離嗎？還要考慮的是，在分離樣品過程中需要加入什么物質(zhì)，哪部分需要保留，哪部分可以丟棄�！�

      就這些考慮因素與供應(yīng)商溝通交流是非常有意義的，因為不同型號的離心機在功能上經(jīng)常有重疊。“這對新用戶或者第一次購買者來說是非常有難度的，”Lockner說，“這取決于供應(yīng)商能否針對客戶的需求解釋清除這些機型的區(qū)別。對于許多實驗室來說，一臺通用型臺式離心機以及合適的配件組合就可以完成大部分常見的實驗流程。”

      供應(yīng)商會通過增加產(chǎn)品的靈活性，達(dá)到一機多用的效果。據(jù)Tansey介紹，與其購買多臺專用離心機或通用型落地離心機，不如購買一臺操作簡易、功能強大、體積更小的臺式離心機。這些離心機具有直觀的動態(tài)顯示屏，以及電動的自動蓋子鎖定功能。Tansey還說道：“我們的產(chǎn)品歷經(jīng)多次更新?lián)Q代，現(xiàn)在呈現(xiàn)的是面向未來的臺式離心機，提供了更好的安全性、轉(zhuǎn)頭選擇和易用性�！�

      如果實驗室需要離心的樣品多達(dá)3L、4L或者更大體積，又或者每次需要離心更多樣品數(shù)量，則需要選擇落地式離心機。臺式和落地式離心機都可以進(jìn)行納米顆粒和細(xì)胞組分的沉淀分離，主要區(qū)別是樣品通量和容積。事實上，許多實驗室都同時配有這兩種離心機。Lockner說：“但是，實驗室場地緊張，這會對選購儀器的數(shù)量和尺寸提出限制�！�

      管理人員在選購離心機時不應(yīng)忽略其對實驗室環(huán)境的影響。大型離心機占地多，噪音大。許多單位已經(jīng)開始將離心機集中放置在與實驗人員日常工作區(qū)域有一定距離（甚至是數(shù)層樓）間隔的中心平臺。幸運的是，現(xiàn)在的離心機軟件可以提供具有可追溯性和安全性設(shè)置的多用戶環(huán)境�，F(xiàn)在，一些廠家還允許用戶使用移動應(yīng)用程序遠(yuǎn)程監(jiān)控離心機的運行狀態(tài)，例如可以知道程序運行是否已經(jīng)結(jié)束，或者前一個使用者有沒有因為沒有準(zhǔn)備好等原因放棄使用機器。

      許多實驗室仍然使用容量、性能和操作友好性都不如新式離心機的舊款型號。Tansey說，他們往往把重點放在現(xiàn)有的應(yīng)用上，而沒有考慮到項目和工作流程的改善。新機型會引入新的轉(zhuǎn)頭或適配器，可以為實驗室提供更好的靈活性和性能。Tansey建議道：“不要過于沉浸在自認(rèn)為經(jīng)典的離心機型號中�！�

      購買時還要注意耗材的選擇。Lieber說：“有些客戶從來沒有關(guān)注過他們使用的離心管材”。雖然大多數(shù)微型離心轉(zhuǎn)頭和適配器可以兼容大部分的管材，但是冷凍管和HPLC管則需要特殊的適配器�！按笮娃D(zhuǎn)頭的離心管選擇需要更加小心，因為大體積離心管的規(guī)格型號非常之多”。

      Lieber還建議客戶慎重考慮機器的噪音、體積和外形等因素。如果客戶的“辦公室”面積狹小，或者離心機就放在附近，那么就可能要忍受離心機頻繁工作時帶來的噪音困擾�！澳惚仨毲宄�離心機準(zhǔn)備放在哪里，是否有合適的工作臺或者地面擺放。”

離心管和轉(zhuǎn)頭

      萊伯特公司的Peter Will會首先詢問客戶如下幾個問題來鎖定客戶的需求：他們需要使用多大的離心管？需要定角轉(zhuǎn)頭還是水平轉(zhuǎn)頭？每次運行需要幾支離心管？是否需要制冷？以及最后一個問題，他們的實驗需要多大的相對離心力或者轉(zhuǎn)速？

      

離心管/Tube?5.0 mL/艾本德/www.eppendorfna.com

      Will說：“每次運行幾支離心管這一點至關(guān)重要，并且我認(rèn)為這是我們的一項競爭優(yōu)勢�！蓖ǔ�來說，轉(zhuǎn)頭大小相同時，可使用的離心管越多越好，特別是在一些大型的高通量實驗室。同樣的，轉(zhuǎn)速相同時，大容量的轉(zhuǎn)頭中可以使用小容量的離心管，但是小容量轉(zhuǎn)頭的使用就受限制了。

      Will和本文采訪的其他專家一樣，認(rèn)為能夠輕松取出轉(zhuǎn)頭是離心機的關(guān)鍵性能。如果需要超過30秒鐘的更換時間，購買時則需謹(jǐn)慎。取出困難或更換時間過長通常意味著人體工學(xué)設(shè)計不合理或者結(jié)構(gòu)材料過重，這樣有時候會導(dǎo)致操作失誤。很多《實驗室管理者》的讀者都熟悉的一些儀器（如HPLC，MS）雖然操作復(fù)雜，但是他們的控制面板非常直觀易用，這一點也同樣適用于離心機。比如萊伯特和赫姆勒品牌的儀器都配有簡單的控制面板，實驗人員在使用不同機器前無需交叉培訓(xùn)。

      “購買者不應(yīng)該只局限于目前的工藝流程，”Will建議道，“他們應(yīng)該選擇更加靈活的機型，能夠兼顧當(dāng)前和未來的潛在應(yīng)用方向�！彪x心機的靈活性涉及機器轉(zhuǎn)速，以及各種轉(zhuǎn)頭適配大容量或者特殊離心管、甚至微孔板的能力等方面。

      購買者還應(yīng)該考慮機器的易用性。Tansey說：“客戶不希望考慮太多因素，他們只是希望離心機運行正常，特別是人員流動性高的和多用戶共用的實驗室�！�

      過去，對許多實驗室工作人員來說，更換轉(zhuǎn)頭，特別是大型轉(zhuǎn)頭，簡直就是一項挑戰(zhàn)，特別是落地式離心機中的大型金屬轉(zhuǎn)頭。Tansey說：“以前，這需要借用特殊工具，而且還是個力氣活。”操作員更換轉(zhuǎn)頭時操作失誤還是造成設(shè)備損壞的重要原因，特別是未經(jīng)培訓(xùn)的操作員。

帶螺旋蓋的黑色離心管/Asynt/www.asynt.com

      頂級供應(yīng)商通過減輕轉(zhuǎn)頭重量和簡化轉(zhuǎn)頭拆裝操作來解決令人頭疼的轉(zhuǎn)頭更換問題。因此，新購買大型離心機時可以考慮碳纖維轉(zhuǎn)頭，它比同等的金屬轉(zhuǎn)頭輕60%。多種容易腐蝕金屬的化學(xué)物質(zhì)都無法損害碳纖維轉(zhuǎn)頭，因此碳纖維轉(zhuǎn)頭的使用壽命可以更長。賽默飛世爾公司的自動鎖定系統(tǒng)允許通過按鈕式操作更換轉(zhuǎn)頭，無需使用工具。

      另外還值得考慮的是生物安全蓋，特別是對吊桶式水平轉(zhuǎn)頭，它可以保護(hù)用戶不會接觸到離心樣品產(chǎn)生的氣溶膠。生物安全性已成為離心分離生物危害性細(xì)胞和微生物的專有名詞，但實際上生物安全蓋還能為實驗室使用揮發(fā)性有害物質(zhì)時提供保護(hù)。

      跟轉(zhuǎn)頭更換一樣，生物安全蓋的安裝也需要一定的技巧和特別的細(xì)心。據(jù)賽默飛世爾公司稱，該公司的ClickSeal技術(shù)可以使安全蓋的拆裝變得更加容易。

轉(zhuǎn)載：
http://www.labmanager.com/insights/2014/03/insights-on-centrifuges

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貝克曼庫爾特生命科學(xué)事業(yè)部一直致力于改善全世界人類的健康。處于全球領(lǐng)先地位的貝克曼庫爾特公司，為廣大科研、商業(yè)實驗室的生命科學(xué)研究工作者們提供先進(jìn)的儀器系統(tǒng)、試劑和世界級的技術(shù)服務(wù)與支持，不斷促進(jìn)生物學(xué)科研的新技術(shù)發(fā)展。作為離心機和流式細(xì)胞儀的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，貝克曼庫爾特公司長期以來一直是毛細(xì)管電泳、顆粒表征和實驗室自動化的創(chuàng)新者，其產(chǎn)品主要用于最前沿的重要研究領(lǐng)域，包括基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等。欲了解更多信息，敬請訪問貝克曼庫爾特全球網(wǎng)站www.BeckmanCoulter.com和中文官方網(wǎng)站。