離心機技術原理和轉子介紹

一、離心機原理和功能簡介

離心機是一種高速旋轉機械，它是利用離心力，不同物質在離心場中沉淀速度的差異，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。對混合溶液進行快速分離的專門設備，是一種將裝有樣品溶液的離心管、瓶或袋韻轉頭置于離心軸上，利用轉頭繞軸高速旋轉所產生的強大離心力，使樣品中不同性質顆粒相互分離的特殊裝置，可以實現樣品的分析、分離。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。

以下是離心機的技術、分類和原理性能綜述。

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）；結構主要由電機驅動系統、制冷系統、機械系統、轉頭和系統控制等幾部分組成。

二、離心機的分類

離心機的式樣和型號很多，有國產的和進口的，按用途可分為分析式離心機和制備式離心機；

按轉速可劃分為：

低速離心機：<10000r／min；

高速離心機：10000 ～30000r／min；

超速離心機：30000 ～80000r／min；

超高速離心機：>80000r／min；

離心機按結構分類：

一般高速和低速離心機根據結構和功能進行分類，品種繁多，各廠家命名也無統一標準。可分為臺式離心機、多管微量臺式離心機、細胞涂片離心機、臺式血液洗滌離心機、高速冷凍離心機、大容量低速冷凍離心機、低速冷凍離心機、落地式高速冷凍離心機、臺式低速自動平衡離心機等。另外國外還有三聯式（五聯式）高速冷凍離心機，專作連續離心用。

按體積一般可分為：落地式離心機(也叫立式離心機)，臺式離心機(也叫桌面式離心機)和迷你（掌上）離心機。

按容量有分為：大容量離心機、超大容量離心機、小容量離心機、微量離心機。落地式的處理容量大體積大，迷你離心機處理容量小體積小。

可以根據實驗目的和實驗需要，選擇不同容量、不同轉速、不同溫度控制的離心機。

三、離心機轉頭

轉子是離心機的主要配件。簡單的說，可以將離心機分為主機和可拆卸的轉子（轉頭）兩部分，一個多功能主機通常可以配多個轉子，靠不同型號的轉子來滿足不同的需要來實現其“多功能”的,這樣可以有效的降低采購成本，但是選購的時候需要注意選擇轉子拆裝方便的離心機，一般的離心機轉子與主軸直接配合，廠家為了降低噪音往往把主機和轉子的配合度做得相當高，但這樣最大的弊端就是轉子容易與主軸咬死造成拆卸不方便，另外，這種轉子與電機的配合方式還存在很強的方向性，當轉子方向與電機主軸配合發生偏移時會造成較大的噪音影響整機的使用壽命，嚴重的話將會造成主軸斷裂，轉子爆炸。最常用的轉子包括固定角轉子和水平轉子。轉子選配越齊當然功能越全，所以選擇轉子通常根據常用樣品的容量及離心的條件選擇，通常水平轉頭和角轉頭各一個，大容量(相對較低速)的轉子和小容量高轉速的轉子各一個，再根據工作中的不同需要選擇其他轉子。

⑴ 角式轉頭：角式轉頭是指離心管腔與轉軸成一定傾角的轉頭。它是由一塊完整的金屬制成的，其上有4～12個裝離心管用的機制孔穴，即離心管腔，孔穴的中心軸與旋轉軸之間的角度在20～40度之間，角度越大沉降越結實，分離效果越好。這種轉頭的優點是具有較大的容量，且重心低，運轉平衡，壽命較長，顆粒在沉降時先沿離心力方向撞向離心管，然后再沿管壁滑向管底，因此管的一側就會出現顆粒沉積，此現象稱為“壁效應”，壁效應容易使沉降顆粒受突然變速所產生的對流擾亂，影響分離效果。

角轉子中的離心管能夠保持固定的角度離心，可以使用較高的轉速，離心后沉淀位于管底的斜面。較大容量的轉子通常可以配不同的“適配器”來“固定”小容量的樣品管，例如6 x 85ml的轉子每孔可以放置85ml的離心管，也可以放50ml或者15—20ml的離心管，實現一物多用；但是由于重量的負擔，大容量轉子的最高轉速相對小的要低一些，因而還要考慮最高離心力是否能滿足實驗要求。最高轉速的轉頭通常是適配2ml離心管的轉子，有時一個轉子的價格就幾乎可以買多一個小離心機，可以另外購置小型臺式高速離心機，這樣還可以減少昂貴設備的損耗。有的小型臺式的高速離心機也提供大小不同的固定角轉子（分別配合0.5ml和2ml/1.5ml離心指管，其實，除非是經常固定使用0.5ml離心管且每次離心的樣品量比較大，一般選擇一個2ml/1.5ml轉子，配合適配器（有適合0.2ml、0.4ml、0.5ml管的適配器）就可以滿足需要。

角轉子配的蓋子有助于減少摩擦、降低噪音和防止意外，使用角轉子一定要蓋蓋，如未蓋離心腔內會產生很大的渦流阻力和摩擦升溫，這等于給離心機的電機和制冷機增加了額外負擔，影響離心機的使用壽命。另外有一種氣密性轉子可以進行氣密性離心，防止意外泄漏，對于改善實驗環境很重要。

⑵ 水平式轉頭：這種轉頭是由吊著的4或6個自由活動的吊籃（離心套管）構成。當轉頭靜止時，吊桶垂直懸掛，當轉頭轉速達到每分鐘200到800轉時，吊桶蕩至水平位置，這種轉頭最適合做密度梯度區帶離心，其優點是梯度物質可放在保持垂直的離心管中，離心時被分離的樣品帶垂直于離心管縱軸，而不像角式轉頭中樣品沉淀物的界面與離心管成一定角度，因而有利于離心結束后由管內分層取出已分離的各樣品帶。其缺點是顆粒沉降距離長，離心所需時間也長。

水平轉子配有4或6個吊籃，靜止時垂直掛在轉子上，吊籃有不同的適配器以滿足不同容量的離心管的需要。當轉子轉速超過600rpm后離心管達到水平位置，樣品沉降方向是沿離心管軸向移動，最后沉降在管底，便于收集。因為不如固定角轉子穩固，水平吊籃最高轉速相比固定角轉子要低很多，限于低速離心的范圍。吊籃有不同的適配器，可以放置各種類型的離心管，甚至滿足平板離心的需要——例如一些品牌的大容量離心機可配多用途適配器，使得多個微孔板或者培養板、深孔板、PCR板、玻片盒、大規模核酸純化試劑盒的純化板、甚至細胞培養瓶的離心可以和大容量的離心瓶公用同一個水平轉子，有助于節約經費同時滿足多樣化的需求。所以說選擇適配范圍越寬的轉子越好。

水平轉子可以使離心沉淀在管底而非管壁的斜面上，但是水平轉子的轉速往往較同型號的固定轉子慢很多。

⑶ 區帶轉頭：區帶轉頭無離心管，主要由一個轉子桶和可旋開的頂蓋組成，轉子桶中裝有十字型隔板裝置，把桶內分隔成四個或多個扇形小室，隔板內有導管，梯度液或樣品液從轉頭中央的進液管泵入，通過這些導管分布到轉子四周，轉頭內的隔板可保持樣品帶和梯度介質的穩定。沉降的樣品顆粒在區帶轉頭中的沉降情況不同于角式和外擺式轉頭，在徑向的散射離心力作用下，顆粒的沉降距離不變，因此區帶轉頭的“壁效應”極小，可以避免區帶和沉降顆粒的紊亂，分離效果好，而且還有轉速高，容量大，回收梯度容易和不影響分辨率的優點，使超離心用于制備和工業生產成為可能。區帶轉頭的缺點是樣品和介質直接接觸轉頭，耐腐蝕要求高，操作復雜。

⑷ 垂直轉頭：其離心管是垂直放置，樣品顆粒的沉降距離最短，離心所需時間也短，適合用于密度梯度區帶離心，離心結束后液面和樣品區帶要作九十度轉向，因而降速要慢。

⑸ 連續流動轉頭：可用于大量培養液或提取液的濃縮與分離，轉頭與區帶轉頭類似，由轉子桶和有入口和出口的轉頭蓋及附屬裝置組成，離心時樣品液由入口連續流入轉頭，在離心力作用下，懸浮顆粒沉降于轉子桶壁，上清液由出口流出。

越來越多新型轉子應新的需要而誕生。轉子的材質也從重量輕、強度高、造價低的鋁合金不斷創新，出現了碳纖維轉子、塑料轉子等等超輕轉子，還有采用鋁合金模具壓成空心角轉從而有效減輕重量，從而減輕電機的負荷及增加樣品的容量。現在的轉子和適配器、蓋子多數都可以直接高溫消毒，抗腐耐溫性也大大提高，可以滿足特殊的需要。不過轉子在高速運轉時，內部會產生離心應力，因而都有一定的使用極限，需要參照說明書正確保管和使用。當離心應力超過一定的限度后，將引起轉頭過早損壞，甚至發生意外，應嚴格遵循廠家的說明。