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浅谈离心机

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2109
离心机的工作原理是:在超强的离心力作用下,使旋转中的样品逐渐偏离旋转中心,从而达到沉降分离的效果。虽然离心机的原理很简单,但是其适用于大量不同的工业应用和研究实验,离心相关的技术文献非常之多。

实验室常规离心机


台式离心机/贝克曼库尔特Allegra X-5


高速离心机/赛默飞世尔科技Sorvall LYNX


细胞培养离心机套装/海蒂诗

值得注意的是,离心的分离效率与旋转半径成正比,而与转速(指每秒或每分钟的旋转速度,通常用每分钟旋转周数rpm表示)的平方成正比。

因此,在转速固定不变的情况下,半径为12英寸的离心机的效率是半径为6英寸的2倍。而在半径相同的情况下,转速为1,000rpm时的离心效率是500rpm时的4倍。

离心机一般按尺寸、速度和应用来分类。相同大小的离心机还可以进一步按转头容量、离心管尺寸和样品数量等细分。离心速度(或相对离心力)是指施加到样品上的离心力,其大小选择与所需分离样品的性质有关。最高端的超速离心机可以分离各种分子、细胞组分,甚至同位素。随着转速的提高,一些平时难以区分的样品也可以得到更精细的分离。

按转速来给离心机分类是最常见的分类方式,尽管按相对离心力(RCF,单位g)来分类更准确。莱伯特国际(康宁生命科学公司子公司,位于新泽西州爱迪生镇)的产品经理Peter Will称,转速(RPM)是客户最经常询问的参数,“但是相对离心力实际上才是更为关键的数字”。

一个应用所需的转速快慢并不代表其是否“先进”。科研工作者通常使用相对较低的离心力(约300xg)来分离比较敏感的干细胞,而同时用高达1,000,000xg的离心力来分离DNA、RNA、病毒颗粒和蛋白质。

市场上有各种各样的转头类型可供实验室选择,两种最常见的类型是定角转头和甩平式水平转头。定角转头中的样品管以一定的角度固定在转头内,离心过程中样品会沿着离心管的侧壁逐渐沉淀到底部。

在甩平转头中,当离心达到一定速度时,样品管会从一个垂直状态摆动到与地面或工作台水平的位置,沉淀将平整地聚集在离心管的底部。

这两种类型的离心转头均可使用多种样品容器,包括微量管(1-2毫升),锥底管(50-500毫升)等,还包括用于分离血液、血浆等工业流程的更大型的容器,甚至还包括微孔板。美国安捷伦公司(位于加利福尼亚州圣克拉拉市)的微孔板离心机可以跟微孔板抓手及其他模块组合,实现各种复杂实验流程的自动化操作。

供应商们一直致力于研发有针对性设计的离心机来满足各种各样的离心实验和不同容器的适配需要。因此,各种容量和型号的离心机层出不穷。赛默飞世尔科技公司(位于马萨诸塞州沃尔瑟姆市)的全球商务总监Hugh Tansey说:“市场上针对不同应用的离心机选择范围十分广泛”。

保养与维护

很多人都听说过一些重大的离心机事故,严重的会使离心机自身和周围设备彻底报废。很不幸这些故事都是真实的,所以新型的离心机设计会通过自动转头识别和动态惯量检查来显著减少这些潜在的安全风险。一旦发现样品有不平衡现象,离心机会立即自动停机。Peter Will说道:“一台好的离心机可以迅速检测出样品的不平衡情况,迅速停机,并同时发出声音或者图像警报。”


离心机和血糖仪用的清洁用纸/ HYPE-WIPE®和MINI HYPE-WIPE®

与这些灾难性事故相比,更为普遍的是各种离心机运行错误或者故障,这些直接导致了机器无法使用,或者更糟糕的——样本损失。Tansey说道:“实验人员需要经过漫长的处理流程才使样本进行到离心收集的步骤,他们绝不希望这些样品被锁在离心机中,导致损坏或者丢失。”

转头的加速和减速速度需要在更长的样品平衡时间和更快的运行速度之间进行平衡。转头减速过快可能会扰乱样品的沉淀,而减速过慢则会明显延长运行时间。“比较理想的状态是快速启动配上软制动,”Will说,“高品质的离心机可以通过电子技术和程序控制实现这样的功能,允许用户自由设定加速度和减速度,这已逐渐成为离心机行业的标准配置。”

还有一点值得一提,离心机应当在安全性上保护操作人员免受有害物质侵害,这包括有毒化学物质、致病菌和病毒等。Will说:“如果用户需要处理这类样品,应当选择使用带有气密性盖子的转头和机型。”

清洁

离心机一般相对不容易被污染。但是各厂家仍然会建议进行定期的常规清洁,他们一般会推荐自己的清洁剂和专业清洁产品。

贝克曼库尔特生命科学公司(位于美国印第安纳州印第安纳波利斯市)的营销经理Randall Lockner建议说,至少每运行几次就要擦拭一次离心机的“机箱”(腔体)。这不仅可以保持洁净的外观,还可以防止更严重的腐蚀或者交叉污染。“检查所有盖子和转头密封圈是否磨损、开裂或有杂质堆积,这应该成为仪器日常维护流程的一部分。”

许多生命科学研究流程仍然使用放射性物质

如果用户没有按照不同同位素的性质正确地检查或清洗离心机主机和转头,那么离心机可能会变得相当“热”。此外,还可能出现严重的交叉污染,从而影响到后续的同位素成像、放射性扫描或者液闪计数的结果。按照操作规范,每次使用同位素后,用户应当分别使用沾有可溶解吸收无机和有机材料的棉签进行擦拭,然后计数检测。实验室应采取适当措施防止高浓度的同位素泄漏和处理具有潜在危险的棉签,以保护操作人员。

转头是日常维护中最重要的部分

艾本德公司(位于纽约州哈帕市)的产品经理Matt Lieber说:“生命科学研究经常使用盐缓冲液,在样品取出后,这些缓冲液仍然会以气溶胶或其他形式残留在转头中。”与传统金属转头相比,电镀铝合金转头和碳纤维转头受盐离子侵蚀的程度相对较少,但是仍然需要定期的清洗。Lieber建议使用吸水纸巾沾取非离子型清洁剂或70%乙醇溶液进行擦拭。

用户应定期检查甩平式水平转头转轴的润滑情况,并定期涂抹硅润滑脂。润滑不当一般不会直接引起灾难性的事故,但是可能会影响到甩平的速度和倾斜角度,譬如会影响到多相分离实验的结果(如酚氯仿抽提)。

终端用户维护

无论转头是由哪种材质构成,都需要进行磨损检查,各种磨损有可能会使转头性能下降,甚至成为潜在的安全隐患。检查内容应当包括各种磨损、划伤、擦伤,或化学品接触腐蚀等。
定期维护检查项目应当包括所有转头的检测,以确保它们处于可运行状态。贝克曼库尔特的维护保养工程师会在执行这些检查后填写一份关于转头状态的“报告卡”。实验室管理人员应密切关注转头的使用状态,在转头使用年限即将到期前为最终的更换做好准备和预算。

海蒂诗仪器公司(马萨诸塞州贝弗利市)的东北美地区区域经理Jeff Antonucci建议说:“延长离心机使用寿命最简单的方法就是保持润滑。此外,用户应当定期检查外壳的气密性,因为密封环的任何撕裂或破损都可能引发一系列的问题。特别是冷冻型离心机,气密性的受损有可能导致腔体内产生冷凝水和结冰。”


离心管/ ExtraGene

Antonucci还建议用户“去听和感受”离心机,“如果您发现任何不寻常的震动、摇晃、啸叫,或任何其他不对劲的情况,应当立即关闭离心机并进行检查。如果您无法找出原因,请致电制造商。”

离心过程中可能会使用到各种有害物质,如有毒化学品、生物危险品和放射性同位素等。无论如何小心操作,泄漏、污染和交叉污染的事件仍时有发生。供应商们建议用户首选无腐蚀性的清洗方式和产品。切记,能够有效消除致病病毒的清洁产品未必能够消除放射性污染。

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