离心分离是一种利用离心力实现混合物各组分分离的工艺。离心机通过高速旋转产生离心力,依据样品中颗粒或分子的密度差异完成分离;分离过程中,密度较大的组分沉降至底部,密度较小的组分则留存于上层。
实验室离心机的工作原理
离心力的基本概念
离心力是实验室离心机内样品随设备旋转产生的表观力,与样品质量、设备旋转速度相关,其大小远大于重力(倍重力,g-force),能快速实现样品中不同密度组分的分离。离心过程中,离心力会根据颗粒密度差异,将样品中的颗粒推至离心管的不同区域。离心力的计算公式为:
式中:Fc为离心力,m为颗粒质量,r为颗粒到旋转轴的径向距离,ω为角速度。
转子与固定轴的作用
实验室离心机的核心部件为转子和固定轴,二者协同实现离心力的稳定产生与设备的平稳运行。
转子
转子是承载样品的旋转部件,样品置于离心管或样品杯后放入转子,转子由电机驱动,绕固定轴高速旋转,负责带动样品加速、产生离心力。转子的设计与类型(如角转子、水平转子)会直接影响离心分离的效率与效果;转子上设有多个样品槽,可同时放置多支离心管,实现多样品同步处理。
固定轴
固定轴是转子的旋转中心轴,能保证转子沿稳定、固定的轨迹旋转;同时可吸收离心机运行过程中产生的机械应力,维持转子的动平衡状态。
离心分离的主要类型
等密度离心法
等密度离心法是利用平衡密度梯度实现样品分离的技术。该方法会在离心管内形成自生成的密度梯度,样品各组分将根据自身相对密度,在密度梯度的不同位置实现分层。此方法适用于分离密度相近但结构或功能不同的分子,例如生物研究中不同类型的细胞、病毒。
密度梯度离心法
密度梯度离心法需在离心管内铺设具有梯度密度的介质(如蔗糖溶液、氯化铯溶液),离心过程中,样品各组分将沉降至与自身密度相匹配的梯度位置。该技术对分离密度范围较广的组分尤为有效,如细胞器、核酸等。
相分离法
相分离法是利用离心力实现样品中不同相分离的技术。分离过程中,样品中的化学物质会从基质相或水相转移至分层的有机溶剂相或其他相,该方法广泛应用于分析化学和生物实验,为后续的分子分析或处理提供前处理支持。
离心沉集法
离心沉集法是离心分离的常用应用形式,用于从液体中分离并浓缩颗粒或沉淀物。离心力会使颗粒沉降至离心管底部,液体(上清液)则留存于上层。该方法常用来分离细胞沉渣、蛋白质复合物等固体颗粒,在生物制药、实验室研究领域应用广泛。
离心操作流程与核心参数
相对离心力(RCF)
相对离心力(RCF)是衡量离心过程中样品所受离心力大小的指标,与样品在离心机中受到的实际加速度相关,通常以重力的倍数(倍重力,g-force)表示。相对离心力是计算离心力的核心参数,决定着不同组分的分离效率,其计算公式为:

式中:rpm为离心机转速(转 / 分钟),r为旋转轴到样品的径向距离,g为重力加速度。
离心加速度(倍重力,g-force)
离心加速度(倍重力,g-force)表示样品在离心过程中受到的加速度,以地球表面重力加速度为参照标准。该参数决定了样品中各组分的沉降速率,进而影响分离效率;离心加速度越大,离心力越强,分离速度也越快。为保证样品有效分离,离心操作流程中通常会明确规定所需的离心加速度值。
转速(rpm)
转速(转 / 分钟,rpm)指离心机转子的旋转速度,直接影响离心力的大小,是调节离心力的重要参数,离心操作流程中会对其作出明确规定。转速越高,产生的离心力越大,但对转子和离心机的高速耐受能力要求也更高。尽管转速与离心力相关,但在计算样品所受实际离心力时,使用相对离心力(RCF)表述会更精准。
由相对离心力推导转速(rpm)的计算公式为:

工业离心机
工业离心机专为大规模分离与物料处理设计,在化工、食品生产、制药、环境工程等行业中发挥核心作用。此类设备可处理大体积物料,兼顾分离效率与设备耐用性,配备大规格转子和大功率驱动系统,能承受高负荷、长时间连续运行。
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