生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)常用技術(shù):離心技術(shù)
離心技術(shù)在 生物 科學(xué)，特別是在 生物 化學(xué)和分子生物學(xué)研究領(lǐng)域，己得到十分廣泛的應(yīng)用，每個(gè)生物化學(xué)和分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室都要配置各種型式的離心機(jī)。離心技術(shù)主要用于各種生物樣品的分離和制備，生物樣品懸浮液在高速旋轉(zhuǎn)下，由于巨大的離心力作用，使懸浮的微小顆粒(細(xì)胞器、生物大分子的沉淀等)以一定的速度沉降，從而與溶液得以分離，而沉降速度取決于的質(zhì)量、大小和密度。
基本原理
當(dāng)一個(gè)粒子(生物大分子或細(xì)胞器)在高速旋轉(zhuǎn)下受到離心力作用時(shí)，此離心力"Fc”由下式定義，即：
Fc = mω 2 r
m — 沉降粒子的有效質(zhì)量，ω — 粒子旋轉(zhuǎn)的角速度，r —粒子的旋轉(zhuǎn)半徑(cm)
通常離心力常用地球引力的倍數(shù)來表示，因而稱為相對(duì)離心力（RCF）。或者用數(shù)字“g”來表示，例如25000Xg，則表示相對(duì)離心力為25000。相對(duì)離心力是指在離心場(chǎng)中，作用于顆粒的離心力相當(dāng)于地球重力的倍數(shù)，單位是重力加速度g (980cm/sec 2 )， 此時(shí)RCF可用下式計(jì)算：
RCF = 1.118×10 -5 ×(rpm) 2 r
(rpm-revolutions per minute為每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，r/min)
由上式可見， 只要給出旋轉(zhuǎn)半徑r， 則RCF和rpm之間可以相互換算。但是由于轉(zhuǎn)頭的形狀及結(jié)構(gòu)的差異， 使每臺(tái)離心機(jī)的 離心管 ， 從管口至管底的各點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)軸之間的距離是不一樣的， 所以在計(jì)算時(shí)規(guī)定旋轉(zhuǎn)半徑均用平均半徑"rav"代替：
rav =(r min +r max )/2
一般情況下，低速離心時(shí)常以轉(zhuǎn)速"rpm"來表示，高速離心時(shí)則以"g"表示。計(jì)算顆粒的相對(duì)離心力時(shí)，應(yīng)注意 離心管 與旋轉(zhuǎn)軸中心的距離"r"不同，即沉降顆粒在離心管中所處位置不同，則所受離心力也不同。因此在報(bào)告超離心條件時(shí)，通常總是用地心引力的倍數(shù)"X g"代替每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)"rpm"，因?yàn)樗梢哉鎸?shí)地反映顆粒在離心管內(nèi)不同位置的離心力及其動(dòng)態(tài)變化。科技文獻(xiàn)中離心力的數(shù)據(jù)通常是指其平均值(RCFav)，即離心管中點(diǎn)的離心力。
離心機(jī) 的主要構(gòu)造和類型
離心機(jī) 可分為工業(yè)用離心機(jī)和實(shí)驗(yàn)用離心機(jī)。實(shí)驗(yàn)用離心機(jī)又分為制備性離心機(jī)和分析性離心機(jī)，制備性離心機(jī)主要用于離各種生物材料，每次分離的樣品容量比較大；分析性離心機(jī)一般都帶有光學(xué)系統(tǒng)，主要用于研究純的生物大分子和顆粒的理化性質(zhì)，依據(jù)待側(cè)物質(zhì)在離心場(chǎng)中的行為用離心機(jī)中的光學(xué)系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測(cè)），能推斷物質(zhì)的純度、形狀和分子量等，分析用離心機(jī)都是超速離心機(jī)。
一．制備性離心機(jī)可分為三類
1． 普通離心機(jī) 最大轉(zhuǎn)速6000rpm左右，最大相對(duì)離心力近6000xg，容量為幾十毫升至幾升，分離形式是固液沉降分離，轉(zhuǎn)子有角式和外擺式，其轉(zhuǎn)速不能嚴(yán)格控制，通常不帶冷凍系統(tǒng)，于室溫下操作，用于收集易沉降的大顆粒物質(zhì)，如紅血球、酵母細(xì)胞等。這種離心機(jī)多用交流整流子電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)的碳刷易磨損，轉(zhuǎn)速是用電壓調(diào)壓器調(diào)節(jié)，起動(dòng)電流大，速度升降不均勻，一般轉(zhuǎn)頭是置于一個(gè)硬質(zhì)鋼軸上，因此精確地平衡離心管及內(nèi)容物就極為重要，否則會(huì)損壞離心機(jī)。
2． 高速冷凍離心機(jī) 最大轉(zhuǎn)速為2000～25000rpm（r/min），最大相對(duì)離心力為89000g，最大容量可達(dá)3升，分離形式也是固液沉降分離，轉(zhuǎn)頭配有各種角式轉(zhuǎn)頭、蕩平式轉(zhuǎn)頭、區(qū)帶轉(zhuǎn)頭、垂直轉(zhuǎn)頭和大容量連續(xù)流動(dòng)式轉(zhuǎn)頭、一般都有制冷系統(tǒng)，以消除高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)頭與空氣之間摩擦而產(chǎn)生的熱量，離心室的溫度可以調(diào)節(jié)和維持在0～40℃，轉(zhuǎn)速、溫度和時(shí)間都可以嚴(yán)格準(zhǔn)確地控制，并有指針或數(shù)字顯示，通常用于微生物菌體、細(xì)胞碎片、大細(xì)胞器、硫酸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(xì)胞器(如核蛋白體)或單個(gè)分子。
3．超速離心機(jī) 轉(zhuǎn)速可達(dá)50000～80000rpm，相對(duì)離心力最大可達(dá)510000 g，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(qū)帶分離，離心管平衡允許的誤差要小于0.1克。超速離心機(jī)的出現(xiàn)，使生物科學(xué)的研究領(lǐng)域有了新的擴(kuò)展，它能使過去僅僅在電子顯微鏡下觀察到的亞細(xì)胞器得到分級(jí)分離，還可以分離病毒、核酸、蛋白質(zhì)和多糖等。
超速離心機(jī)主要由精密齒輪箱或皮帶變速，或直接用變頻感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并由微機(jī)進(jìn)行控制，由于驅(qū)動(dòng)軸的直徑較細(xì)，因而在旋轉(zhuǎn)時(shí)此細(xì)軸可有一定的彈性彎曲，以適應(yīng)轉(zhuǎn)頭輕度的不平衡，而不致于引起震動(dòng)或轉(zhuǎn)軸損傷，除速度控制系統(tǒng)外，還有一個(gè)過速保護(hù)系統(tǒng)，以防止轉(zhuǎn)速超過轉(zhuǎn)頭最大規(guī)定轉(zhuǎn)速而引起轉(zhuǎn)頭的撕裂或爆炸，為此，離心腔用能承受此種爆炸的裝甲鋼板密閉。
溫度控制是由安裝在轉(zhuǎn)頭下面的紅外線射量感受器直接并連續(xù)監(jiān)測(cè)離心腔的溫度，以保證更準(zhǔn)確更靈敏的溫度調(diào)控，這種紅外線溫控比高速離心機(jī)的熱電偶控制裝置更敏感，更準(zhǔn)確。
超速離心機(jī)裝有真空系統(tǒng)，這是它與高速離心機(jī)的主要區(qū)別。離心機(jī)的速度在2000rpm以下時(shí)，空氣與旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)頭之間的磨擦只產(chǎn)生少量的熱，速度超過20000rpm時(shí)，由磨擦產(chǎn)生的熱量顯著增大，當(dāng)速度在40000rpm以上時(shí)，由磨擦產(chǎn)生的熱量就成為嚴(yán)重問題，為此，將離心腔密封，并由機(jī)械泵和擴(kuò)散泵串聯(lián)工作的 真空泵 系統(tǒng)抽成真空，溫度的變化容易控制，磨擦力很小，這樣才能達(dá)到所需的超高轉(zhuǎn)速。
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