離心機的工作原理和案例

　　離心是利用旋轉(zhuǎn)運動的離心力以及物質(zhì)的沉降系數(shù)或懸浮密度的差異進(jìn)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(zhuǎn)下，由于巨大的離心作用，使懸浮的微小顆粒以的速度沉降，從而使溶液得以分離，顆粒的沉降速度取決于離心機的轉(zhuǎn)速、顆粒的質(zhì)量、大小和密度。
 

　　離心機是利用離心機的轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生強大的離心力，迫使液體中微?？朔U散加快沉降速度，把樣品中具有不同沉降系數(shù)和浮力密度的物質(zhì)分離開。
 

　　離心力：
 

　　當(dāng)物體所受外力小于運動所需要的向心力時，物體將向遠(yuǎn)離圓心的方向運動。物體遠(yuǎn)離圓心運動的現(xiàn)象稱為離心現(xiàn)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(jù)在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(jìn)行的。離心力(Fc)的大小等于離心加速度ω2 r與顆粒質(zhì)量m的乘積，即：
 

　　式中ω是旋轉(zhuǎn)角速度，N是每分鐘轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)次數(shù)，r 為離心半徑，m是質(zhì)量。
 

　　相對離心力(relative centrifugal force，RCF)
 

　　相對離心力是指在離心力場中，作用于顆粒的離心力相當(dāng)于地球重力的倍數(shù)，單位是 “g”。
 

　　由于各種離心機轉(zhuǎn)子的半徑或離心管至旋轉(zhuǎn)軸中心的距離不同，離心力也不同,因此在文獻(xiàn)中常用“相對離心力”或“數(shù)字×g”表示離心力,例如25000×g,表示相對離心力為25000。只要RCF值不變，一個樣品可以在不同的離心機上獲得相同的結(jié)果。一般情況下,低速離心時相對離心力常以轉(zhuǎn)速“rpm”來表示，高速離心時則以“g”表示。
 

　　液體中的微粒在重力場中的分離：
 

　　若想把生物樣品中的微粒從液體中分離出來，簡單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(xiàn)象稱為重力沉降。微粒在液體介質(zhì)中的沉降將受到介質(zhì)的浮力、介質(zhì)阻力及擴散現(xiàn)象的影響。
 

　　沉降速度(sedimentation velocity)  指在強大離心力作用下，單位時間內(nèi)物質(zhì)運動的距離。即：
 

　　式中，為介質(zhì)的密度，ρ為微粒的密度，g為重力加速度，f 為阻力系數(shù)。由上式可知，微粒的沉降速度與成正比，與阻力系數(shù) f 成反比。
 

　　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(zhì)從溶液中全部沉降分離出來需用多大轉(zhuǎn)速與多長時間可達(dá)到目的的問題。如果轉(zhuǎn)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(shù)：是用來描述在一個轉(zhuǎn)子中，將粒子沉降下來的效率。K系數(shù)與離心轉(zhuǎn)速及粒子沉降的路徑有關(guān)，所以K系數(shù)是一個變數(shù)。
 

　　沉降系數(shù)：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(shù)差別很大，利用它們沉降系數(shù)的差別就可以應(yīng)用離心技術(shù)來進(jìn)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(centrifuge tube)放于離心轉(zhuǎn)頭里，當(dāng)離心機開動時，離心管繞離心轉(zhuǎn)頭的軸旋轉(zhuǎn)，作圓周運動，在離心管內(nèi)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(dāng)離心管由圖中的0位轉(zhuǎn)到1位時，顆粒到達(dá)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(zhì)中運動的，顆粒作切線運動時將由于介質(zhì)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(dāng)離心管由0位轉(zhuǎn)到2位時，顆粒由頂位移到B位。介質(zhì)的阻力越大，顆粒的沉降速度越小、沉降的距離也越短。旋轉(zhuǎn)速度越大，顆粒在離心管中沉降越快。