離心機(jī)的工作原理

 離心機(jī)的工作原理

離心機(jī)的工作原理：

離心是利用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的離心力以及物質(zhì)的沉降系數(shù)或懸浮密度的差異進(jìn)行分離、濃縮和提純生物樣品的一種方法。懸浮液在高速旋轉(zhuǎn)下，由于巨大的離心作用，使懸浮的微小顆粒以的速度沉降，從而使溶液得以分離，顆粒的沉降速度取決于離心機(jī)的轉(zhuǎn)速、顆粒的質(zhì)量、大小和密度。

離心機(jī)是利用離心機(jī)的轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力，迫使液體中微粒克服擴(kuò)散加快沉降速度，把樣品中具有不同沉降系數(shù)和浮力密度的物質(zhì)分離開(kāi)。

離心力：

     當(dāng)物體所受外力小于運(yùn)動(dòng)所需要的向心力時(shí)，物體將向遠(yuǎn)離圓心的方向運(yùn)動(dòng)。物體遠(yuǎn)離圓心運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象稱(chēng)為離心現(xiàn)象，也叫離心運(yùn)動(dòng)，離心運(yùn)動(dòng)是由于向心力消失或不足而造成的。

離心作用是根據(jù)在角速度下作圓周運(yùn)動(dòng)的任何物體都受到一個(gè)向外的離心力進(jìn)行的。離心力（Fc）的大小等于離心加速度ω2 r與顆粒質(zhì)量m的乘積，即：

式中ω是旋轉(zhuǎn)角速度，N是每分鐘轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)次數(shù)，r 為離心半徑，m是質(zhì)量。

 相對(duì)離心力（relative centrifugal force，RCF）

     相對(duì)離心力是指在離心力場(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 “g"。

由于各種離心機(jī)轉(zhuǎn)子的半徑或離心管至旋轉(zhuǎn)軸中心的距離不同，離心力也不同,因此在文獻(xiàn)中常用“相對(duì)離心力"或“數(shù)字×g"表示離心力,例如25000×g,表示相對(duì)離心力為25000。只要RCF值不變，一個(gè)樣品可以在不同的離心機(jī)上獲得相同的結(jié)果。一般情況下,低速離心時(shí)相對(duì)離心力常以轉(zhuǎn)速“rpm"來(lái)表示，高速離心時(shí)則以“g"表示。

液體中的微粒在重力場(chǎng)中的分離：

若想把生物樣品中的微粒從液體中分離出來(lái)，簡(jiǎn)單的方法是將液體靜置一段時(shí)間，液體中的微粒受重力的作用，較重的微粒下沉與液體分開(kāi)，這個(gè)現(xiàn)象稱(chēng)為重力沉降。微粒在液體介質(zhì)中的沉降將受到介質(zhì)的浮力、介質(zhì)阻力及擴(kuò)散現(xiàn)象的影響。

沉降速度(sedimentation velocity)  指在強(qiáng)大離心力作用下，單位時(shí)間內(nèi)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的距離。即：

式中，為介質(zhì)的密度，ρ為微粒的密度，g為重力加速度，f 為阻力系數(shù)。由上式可知，微粒的沉降速度與成正比，與阻力系數(shù) f 成反比。

沉降時(shí)間：在實(shí)際工作中，常常遇到要求在已有的離心機(jī)上把某一種溶質(zhì)從溶液中全部沉降分離出來(lái)需用多大轉(zhuǎn)速與多長(zhǎng)時(shí)間可達(dá)到目的的問(wèn)題。如果轉(zhuǎn)速已知，則需確定分離某粒子所需的時(shí)間即沉降時(shí)間。

K系數(shù)：是用來(lái)描述在一個(gè)轉(zhuǎn)子中，將粒子沉降下來(lái)的效率。K系數(shù)與離心轉(zhuǎn)速及粒子沉降的路徑有關(guān)，所以K系數(shù)是一個(gè)變數(shù)。

沉降系數(shù)：顆粒在單位離心力場(chǎng)作用下的沉降速度，其單位為秒。各種生物樣品的沉降系數(shù)差別很大，利用它們沉降系數(shù)的差別就可以應(yīng)用離心技術(shù)來(lái)進(jìn)行定性和定量的分析及分離制備。

液體中的微粒在離心力場(chǎng)中的沉降：

  在離心機(jī)中，離心管（centrifuge tube）放于離心轉(zhuǎn)頭里，當(dāng)離心機(jī)開(kāi)動(dòng)時(shí)，離心管繞離心轉(zhuǎn)頭的軸旋轉(zhuǎn)，作圓周運(yùn)動(dòng)，在離心管內(nèi)的樣品顆粒將同樣運(yùn)動(dòng)。

假如顆粒處于真空中，顆粒會(huì)沿切線方向飛去,也就是當(dāng)離心管由圖中的0位轉(zhuǎn)到1位時(shí)，顆粒到達(dá)離心管底部A位。對(duì)于離心管而言，樣品顆粒由頂位移到了A位，也就是由離心管頂部移到了底部，這與重力場(chǎng)中的由高處落到低處相似。這種顆粒在圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的切線運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為離心沉降。

實(shí)際上顆粒是在介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的，顆粒作切線運(yùn)動(dòng)時(shí)將由于介質(zhì)的摩擦阻力，使其在離心管中依圖中虛線所示的曲線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)離心管由0位轉(zhuǎn)到2位時(shí)，顆粒由頂位移到B位。介質(zhì)的阻力越大，顆粒的沉降速度越小、沉降的距離也越短。旋轉(zhuǎn)速度越大，顆粒在離心管中沉降越快。