离心机的工作原理和案例

　　离心是利用旋转运动的离心力以及物质的沉降系数或悬浮密度的差异进行分离、浓缩和提纯生物样品的一种方法。悬浮液在高速旋转下，由于巨大的离心作用，使悬浮的微小颗粒以的速度沉降，从而使溶液得以分离，颗粒的沉降速度取决于离心机的转速、颗粒的质量、大小和密度。
 

　　离心机是利用离心机的转子高速旋转产生强大的离心力，迫使液体中微粒克服扩散加快沉降速度，把样品中具有不同沉降系数和浮力密度的物质分离开。
 

　　离心力：
 

　　当物体所受外力小于运动所需要的向心力时，物体将向远离圆心的方向运动。物体远离圆心运动的现象称为离心现象，也叫离心运动，离心运动是由于向心力消失或不足而造成的。
 

　　离心作用是根据在角速度下作圆周运动的任何物体都受到一个向外的离心力进行的。离心力(Fc)的大小等于离心加速度ω2 r与颗粒质量m的乘积，即：
 

　　式中ω是旋转角速度，N是每分钟转头旋转次数，r 为离心半径，m是质量。
 

　　相对离心力(relative centrifugal force，RCF)
 

　　相对离心力是指在离心力场中，作用于颗粒的离心力相当于地球重力的倍数，单位是 “g”。
 

　　由于各种离心机转子的半径或离心管至旋转轴中心的距离不同，离心力也不同,因此在文献中常用“相对离心力”或“数字×g”表示离心力,例如25000×g,表示相对离心力为25000。只要RCF值不变，一个样品可以在不同的离心机上获得相同的结果。一般情况下,低速离心时相对离心力常以转速“rpm”来表示，高速离心时则以“g”表示。
 

　　液体中的微粒在重力场中的分离：
 

　　若想把生物样品中的微粒从液体中分离出来，简单的方法是将液体静置一段时间，液体中的微粒受重力的作用，较重的微粒下沉与液体分开，这个现象称为重力沉降。微粒在液体介质中的沉降将受到介质的浮力、介质阻力及扩散现象的影响。
 

　　沉降速度(sedimentation velocity)  指在强大离心力作用下，单位时间内物质运动的距离。即：
 

　　式中，为介质的密度，ρ为微粒的密度，g为重力加速度，f 为阻力系数。由上式可知，微粒的沉降速度与成正比，与阻力系数 f 成反比。
 

　　沉降时间：在实际工作中，常常遇到要求在已有的离心机上把某一种溶质从溶液中全部沉降分离出来需用多大转速与多长时间可达到目的的问题。如果转速已知，则需确定分离某粒子所需的时间即沉降时间。
 

　　K系数：是用来描述在一个转子中，将粒子沉降下来的效率。K系数与离心转速及粒子沉降的路径有关，所以K系数是一个变数。
 

　　沉降系数：颗粒在单位离心力场作用下的沉降速度，其单位为秒。各种生物样品的沉降系数差别很大，利用它们沉降系数的差别就可以应用离心技术来进行定性和定量的分析及分离制备。
 

　　液体中的微粒在离心力场中的沉降：
 

　　在离心机中，离心管(centrifuge tube)放于离心转头里，当离心机开动时，离心管绕离心转头的轴旋转，作圆周运动，在离心管内的样品颗粒将同样运动。
 

　　假如颗粒处于真空中，颗粒会沿切线方向飞去,也就是当离心管由图中的0位转到1位时，颗粒到达离心管底部A位。对于离心管而言，样品颗粒由顶位移到了A位，也就是由离心管顶部移到了底部，这与重力场中的由高处落到低处相似。这种颗粒在圆周运动时的切线运动称为离心沉降。
 

　　实际上颗粒是在介质中运动的，颗粒作切线运动时将由于介质的摩擦阻力，使其在离心管中依图中虚线所示的曲线运动，当离心管由0位转到2位时，颗粒由顶位移到B位。介质的阻力越大，颗粒的沉降速度越小、沉降的距离也越短。旋转速度越大，颗粒在离心管中沉降越快。