离心操作基本知识
—从原理到安全操作
前言概述
/ CONTENTS
在现代实验室中，离心机是分离物质不可或缺的工具。通过利用颗粒大小、密度以及介质黏度等差异，离心机能有效地将悬浮在液体中的颗粒分离出来。本文将深入探讨离心机的工作原理，特别是相对离心力（RCF）与转速（RPM）之间的关系，并介绍如何正确选择和使用不同类型的转子及离心管耗材。此外，我们还将分享确保离心过程安全的重要步骤，包括正确的配平方法以及常见问题的排查技巧。掌握这些知识，不仅能够提高实验效率，还能保障实验人员的安全。
基础知识
01
离心机分离原则
离心机根据颗粒的大小和密度、介质的黏度和转子转速来分离悬浮在液体中的颗粒。它通常用于实验室从原始提取物中分离生物成分。
在溶液中，重力（相对离心力RCF）会使密度比溶剂高的粒子下沉，而密度比溶剂小的粒子浮到上方。离心利用密度上的微小差异来分离溶液中的颗粒。当离心机转子围绕中心轴旋转时就会产生离心力，使颗粒远离旋转轴。当离心力超过液体的浮力和颗粒产生的摩擦力，颗粒就会沉淀。
02
相对离心力（RCF）
了解了离心的原理，接下来介绍一下离心力。
相对离心力（Relative Centrifugal Force，RCF），也称为重力（g-force），用于量化离心样品所受到的重力。这个力是由转子的旋转产生，而转子的旋转又把这个力向外施加在离心管上。RCF不仅考虑了旋转速度（Revolutions Per Minute，RPM），也考虑了旋转中心的距离（转子半径r）。RCF是首选的度量方法，因为即使您使用不同转子尺寸的离心机，它也会保持不变。
由公式可知，RCF与转子转速（RPM）的平方和转子半径（r）成正比。RCF是离心过程中的一个关键参数，因为它决定了施加在样品颗粒上的重力，影响了它们在离心过程中的分离。当使用不同转子半径的离心机时，设置相同的RCF的数值，其离心强度不会改变。
03
相对离心力（RCF）
VS 转速（RMP）
在进行离心操作时，通常会遇到两种不同的单位：相对离心力（RCF）和每分钟转数（RPM），这两种单位是不同的概念，在使用时必须注意。两者之间的关联，通过RCF计算公式可以体现。
相对离心力（RCF）是度量离心样品所受到的重力。每分钟转数（RPM）是度量离心机转子旋转1圈的速度，仅表示转子旋转的快慢。RPM数值在实验中有一定的帮助，但不能度量样品受到重力的大小。
例如，将离心机的转速设置为5000 RPM，无论使用的是哪种类型的离心机或转子，它都以5000 RPM的速度离心，不同离心机或转子施加的重力将有所不同。RCF将转子尺寸纳入其测量中，因此可以确定所施加的重力。因此，在记录实验过程时，应当记录RCF而不是RPM。
有时，离心机面板上只能设置RPM数值，此时可以使用上述RCF计算公式将RPM转换为RCF。使用此公式前必须确定转子半径，一般来说，转子厂家会提供转子半径。目前，大多数离心机可以同时设置RPM和RCF。
以上，了解RCF和RPM之间的区别。实验过程中使用和记录RCF数值，这样就不会因为使用不同的离心机而导致结果不同。
离心转子
转子类型
有两种常见的转子设计：固定角度转子（也称为角转子）和摆斗式转子（也称为卧式转子或者水平转子）。
固定角度转子（Fixed Angle Rotor）会让离心管与转轴之间的角度固定，角度范围一般最大可达45°。离心时颗粒沿着管道的侧面和底部沉淀。固定角转子没有像摆斗式转子那样可移动的零件，转子承受的金属压力较小，因此，固定角转子可以实现更高的相对离心力以及离心时间。
摆斗式转子（Swing Bucket Rotor）会让离心管受离心力而由垂直位置摆动到水平位置。离心时颗粒沿着管道的底部沉淀。一套完整的水平转子包括水平转子体、挂架、适配器。它的优势在于，能够实现大容量和高灵活性。
图 固定角度转子和摆斗式转子离心时颗粒沉淀的区别
图 固定角度转子和摆斗式转子（图片来源：奥豪斯）
图 固定角度转子和摆斗式转子（图片来源：奥豪斯）
图 固定角度转子和摆斗式转子（图片来源：奥豪斯）
转子底部类型
有两种常见的转子底部设计：圆底和锥形底（也称为尖底）。转子底部的形状在使用时常常被忽略。圆底转子适用于圆底离心管的离心，锥形底转子适用于锥形底离心管的离心。
将锥底离心管放于圆底转子中离心时，会降低离心管可耐受的离心力，严重时将导致离心管开裂。将圆底离心管放于锥底转子中离心也是同样的情况。
要解决转子底部类型与离心管不适配的情况，一般来说有以下几种方式：1）变动转子，选择底部适配的转子；2）转子中放置适配器，适配器可外部贴合转子，内部可贴合离心管；3）变动离心管，选择底部适配的离心管。
图 转子设配器（图片来源：奥豪斯）
图 转子设配器（图片来源：Eppendorf）
确保离心的安全
1.离心机在坚固、平整的表面
操作前要确保离心机在合适的表面上。
2.离心机配平（或平衡）
运行未配平的离心机可能会造成重大损坏，并伤害到实验室人员。每个离心管的总质量应该尽可能接近，这点在高离心力下非常重要。需要注意的是通过质量而不是体积来配平离心管。例如，不要用相同体积的溶液来平衡，因为样品液体的密度可能不相同。
3.转子旋转时不要打开离心机盖子
许多离心机都有“安全关闭”的功能，这种功能是切断转子的动力，但转子由于惯性仍然会旋转一段时间，直到它被摩擦减慢到停止。
4.如果离心机摇晃，应停止使用
离心机轻微的震动是正常的，但过大的震动可能较为危险。首先，确认离心管是否正确配平。如果还是不能正常，需要厂家对离心机进行维修，在此之前不要使用离心机。
转子配平
在离心操作之前，必须正确放置离心管使之重量平衡。配平转子可以防止对仪器的潜在损坏，对安全操作至关重要。离心机转子配平的根本原理是对称原则，使得转子的重心在转轴上。以下是4种常用配平方法：
当样品数量为偶数2n（n为正整数）时，按照中心对称原则：两两对称摆放。
图 中心对称原则举例
当样品数量为3n（n为正整数）时，例如，样品数为3、6、9、……、3n等，按照三角对称原则摆放。
图 三角对称原则举例
当样品数量为奇数3+2n（n为正整数）时，例如，样品数为5、7、11、……、3+2n等，按照三角对称原则+中心对称原则摆放。
图 三角对称原则+中心对称原则举例
当样品数量为1或者N-1（N为角转子孔数），此时只能准备1根空白管，按照中心对称原则摆放。例如，使用24孔角转子，当样品数量为1或者23时，只能准备1根空白管去配平。
离心管使用问题排查
01
塑料离心管离心之后底部变形
此类情况的发生主要是由于离心转子的形状与离心管底部不适配。可以通过更换合适转子或者在转子中放置适配器来避免。
图 尖底离心管在离心之后底部变形严重
02
当使用离心管离心样品或储存样品时漏液
此类情况发生可能有几种原因：
1）离心管管身与盖子不适配，一般合格离心管不会有该问题；
2）温度过冷过热：过冷条件下可以选用冻存管，过热条件可以选用玻璃管；
3）溶剂影响，如，氯仿、二氯甲烷、正己烷、乙酸乙酯、甲醇等，挥发性越强的溶液越容易出现漏液现象。可以选择玻璃瓶进行长期存放。
03
离心之后，离心管开裂
此类情况的发生可能是以下情况：
1）转子是否适配；
2）离心力（RCF）是否超过离心管的极限；
3）是否重复使用离心管。
确认原因之后，做相应的措施，以避免后续对实验的影响。
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