離心機的主要構造和類型

實驗用離心機分為制備性離心機和分析性離心機，制備性離心機主要用于分離各種生物材料，每次分離的樣品容量比較大，分析性離心機一般都帶有光學系統，主要用于研究純的生物大分子和顆粒的理化性質，依據待測物質在離心場中的行為（用離心機中的光學系統連續監測），能推斷物質的純度、形狀和分子量等。分析性離心機都是超速離心機。
    1.制備性離心機可分為三類：
    ⑴普通離心機：大轉速6000rpm左右，大相對離心力近6000×g，容量為幾十毫升至幾升，分離形式是固液沉降分離，轉子有角式和外擺式，其轉速不能嚴格控制，通常不帶冷凍系統，于室溫下操作，用于收集易沉降的大顆粒物質，如紅血球、酵母細胞等。這種離心機多用交流整流子電動機驅動，電機的碳刷易磨損，轉速是用電壓調壓器調節，起動電流大，速度升降不均勻，一般轉頭是置于一個硬質鋼軸上，因此地平衡離心管及內容物就極為重要，否則會損壞離心機。
    ⑵高速冷凍離心機：大轉速為20000～25000rpm（r/min），大相對離心力為89000×g，大容量可達3升，分離形式也是固液沉降分離，轉頭配有各種角式轉頭、蕩平式轉頭、區帶轉頭、垂直轉頭和大容量連續流動式轉頭、一般都有制冷系統，以消除高速旋轉轉頭與空氣之間摩擦而產生的熱量，離心室的溫度可以調節和維持在0～40C，轉速、溫度和時間都可以嚴格準確地控制，并有指針或數字顯示，通常用于微生物菌體、細胞碎片、大細胞器、硫銨沉淀和免疫沉淀物等的分離純化工作，但不能有效地沉降病毒、小細胞器(如核蛋白體)或單個分子。
    ⑶超速離心機：轉速可達50000～80000rpm，相對離心力大可達510000×g，的生產廠商有美國的貝克曼公司和日本的日立公司等，離心容量由幾十毫升至2升，分離的形式是差速沉降分離和密度梯度區帶分離，離心管平衡允許的誤差要小于0.1克。超速離心機的出現，使生物科學的研究領域有了新的擴展，它能使過去僅僅在電子顯微鏡觀察到的亞細胞器得到分級分離，還可以分離病毒、核酸、蛋白質和多糖等。
    超速離心機主要由驅動和速度控制、溫度控制、真空系統和轉頭四部分組成。超速離心機的驅動裝置是由水冷或風冷電動機通過精密齒輪箱或皮帶變速，或直接用變頻感應電機驅動，并由微機進行控制，由于驅動軸的直徑較細，因而在旋轉時此細軸可有的彈性彎曲，以適應轉頭輕度的不平衡，而不致于引起震動或轉軸損傷，除速度控制系統外，還有一個過速保護系統，以防止轉速超過轉頭大規定轉速而引起轉頭的撕裂或，為此，離心腔用能承受此種的裝甲鋼板密閉。
    溫度控制是由安裝在轉頭下面的紅外線射量感受器直接并連續監測離心腔的溫度，以保證更準確更靈敏的溫度調控，這種紅外線溫控比高速離心機的熱電偶控制裝置更敏感，更準確。
    超速離心機裝有真空系統，這是它與高速離心機的主要區別。離心機的速度在2000rpm以下時，空氣與旋轉轉頭之間的磨擦只產生少量的熱，速度超過20000rpm時，由磨擦產生的熱量顯著增大，當速度在40000rpm以上時，由磨擦產生的熱量就成為嚴重問題，為此，將離心腔密封，并由機械泵和擴散泵串聯工作的真空泵系統抽成真空，溫度的變化容易控制，磨擦力很小，這樣才能達到所需的超高轉速。
    2.轉頭：
    ⑴角式轉頭：角式轉頭是指離心管腔與轉軸成傾角的轉頭。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。
    ⑵水平式轉頭：這種轉頭是由吊著的4或6個自由活動的吊桶（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。
    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。
    3.離心管：
    離心管主要用塑料和不銹鋼制成，塑料離心管常用材料有聚乙烯（PE），聚碳酸酯（PC），聚丙烯（PP）等，其中PP管性能較好。塑料離心管的優點是透明（或半透明），硬度小，可用穿刺法取出梯度。缺點是易變形，抗有機溶劑腐蝕性差，使用壽命短。
    不銹鋼管強度大，不變形，能抗熱，抗凍，抗化學腐蝕。但用時也應避免接觸強腐蝕性的化學藥品，如強酸、強堿等。
    塑料離心管都有管蓋，離心前管蓋蓋嚴，倒置不漏液。管蓋有三種作用：
    ①防止樣品外泄。用于有放射性或強腐蝕性的樣品時，這點尤其重要。②防止樣
    品揮發。③支持離心管，防止離心管變形。
    4.分析性離心機：
    分析性離心機使用了特殊設計的轉頭和光學檢測系統，以便連續地監視物質在一個離心場中的沉降過程。從而確定其物理性質。
    分析性超速離心機的轉頭是橢圓形的，以避免應力集中于孔處。此轉頭通過一個有柔性的軸聯接到一個高速的驅動裝置上，轉頭在一個冷凍的和真空的腔中旋轉，轉頭上有2～6個裝離心杯的小室，離心杯是扇形石英的，可以上下透光，離心機中裝有一個光學系統，在整個離心期間都能通過紫外吸收或折射率的變化監測離心杯中沉降著的物質，在預定的期間可以拍攝沉降物質的照片，在分析離心杯中物質沉降情況時，在重顆粒和輕顆粒之間形成的界面就像一個折射的透鏡，結果在檢測系統的照像底板上產生了一個“峰"，由于沉降不斷進行，界面向前推進，因此峰也移動，從峰移動的速度可以計算出樣品顆粒的沉降速度。
    分析性超速離心機和主要特點就是能在短時間內，用少量樣品就可以得到一些重要信息，能夠確定生物大分子是否存在，其大致的含量，計算生物大分子的沉降系數，結合界面擴散，估計分子的大小，檢測分子的不均一性及混合物中各組份的比例，測定生物大分子的分子量，還可以檢測生物大分子的構象變化等。