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实验室不可或缺的离心机了解一下!

作者:卡卡  来源:www.cyprussunpower.com  更新时间:2020-03-08 16:26:41  点击次数:

  实验室不可或缺的离心机了解一下!

  作为制药工业中重要设备之一,离心机在本次疫情中,更是不可或缺,被应用于血液分离、病毒研究、DNA研究、药品提纯等场合。

  离心机这么“全能”,到底是为什么呢?

  本期我们和大家分享全球几乎所有研究实验室都在使用的仪器——离心机。

  1什么是离心机?

  离心机是利用离心力,分离液体与固体颗粒或液体与液体的混合物中各组分的机械。离心机主要用于将悬浮液中的固体颗粒与液体分开,或将乳浊液中两种密度不同,又互不相溶的液体分开(例如从牛奶中分离出奶油);它也可用于排除湿固体中的液体,例如用洗衣机甩干湿衣服;特殊的超速管式分离机还可分离不同密度的气体混合物;利用不同密度或粒度的固体颗粒在液体中沉降速度不同的特点,有的沉降离心机还可对固体颗粒按密度或粒度进行分级。

  2离心机的简史

  离心机的发展表现在构造上的不断改进和离心方法的创新。

  工业离心机诞生于欧洲,19世纪中叶,先后出现纺织品脱水用的三足式离心机,和制糖厂分离结晶砂糖用的上悬式离心机。

  十九世纪末到二十世纪初,只能生产低速离心机,二十世纪20年代开始生产高速离心机。

  二十世纪70年代研发了高速变频离心机,80年代将变频电机和微型计算机相结合,使离心机技术更加成熟和完善,基本满足各行业的研究和医学上的使用。

  在近四十多年的发展中,离心机结构、性能、种类变化很大,分离质量、生产能力不断提高,应用范围更加广泛。

  3离心机的原理

  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一定的速度沉降,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

  离心力(centrifugalforce,Fc)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。

  离心作用是根据在一定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ω2r与颗粒质量m的乘积,即:

  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。

  液体中的微粒在重力场中的分离

  重力沉降:把生物样品中的微粒从液体中分离出来,最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(sedimentationvelocity)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ρo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。

  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(centrifugetube)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。

  4离心机的构成

  普通离心机由电动机、转盘、调速器。套管、底座等组成,其中电动机是轻载时转速高,但随着负载的增加转速则会急剧下降。

  1.转速:

  离心机根据最大转速的不同区分。

  2.容量:

  每次需要离心多少个样品管,每个样品管需要多少容量,这些因素决定一个离心机的总容量,简单的来说离心机的总容量=每个离心管的容量×离心机管个数,总容量和工作量的大小是相匹配的。

  3.转子:

  离心机的转子主要分为两种:

  水平转子:运转时吊篮处于水平状态,与转轴成直角,样品将沉淀集中于离心管的底部。

  角转子:离心容器与转轴成一固定角度,样品将沉淀集中于离心管底部及靠近底部的侧壁。

  如果希望分离的样品集中于离心管的底部就选择水平转子,如果希望样品集中于离心管的底部和靠近底部的侧壁上就选择角转子。还有一些特殊实验或特殊样本需要特殊的转子如:大容量吊篮(多应用于血站),酶标板转子,载玻片转子,PCR转子,试管架转子和毛细管转子等。

  转子都有固定的规格,它是和离心机的容量结合起来的,如12*5ml的角转子,既决定了转子的类型也决定了离心机的容量,所以转子的选择非常重要。

  离心机驱动系统结构

  4.控制系统:

  高档的离心机都采用了微电脑控制系统,这些控制系统不但能确保离心机安全的运行还能自动完成工作任务。

  现在很多离心机都有较好的人性化的控制系统,比如:转子识别功能,安全锁功能,故障提示功能,加速和减速曲线等。离心机的主要部件是电机,目前,市场上主要是无碳刷电机。

  5离心机的分类

  按分离因素Fr值分

  分离因素Fr是指物料在离心力场中所受的离心力,与物料在重力场中所受到的重力之比值。

  可将离心机分为以下几种型式:

  1、常速离心机(Fr≤3500(一般为600~1200),这种离心机的转速较低,直径较大。)

  2、高速离心机(Fr=3500~50000,这种离心机的转速较高,一般转鼓直径较小,而长度较长。)

  3、超高速离心机(Fr>50000,由于转速很高(50000r/min以上),所以转鼓做成细长管式。)

  高速离心机

  按操作方式分

  可将离心机分为以下型式:

  1、间隙式离心机:其加料、分离、洗涤和卸渣等过程都是间隙操作,并采用人工、重力或机械方法卸渣,如三足式和上悬式离心机。

  2、连续式离心机:其进料、分离、洗涤和卸渣等过程,有间隙自动进行和连续自动进行两种。

  按卸渣方式分

  可将离心机分为以下型式:

  刮刀卸料离心机、活塞推料离心机

  螺旋卸料离心机、离心力卸料离心机

  振动卸料离心机、颠动卸料离心机

  按国家标准与市场使用份额分为以下四种

  三足式离心机、螺旋离心机

  碟片式分离机、管式分离机

  按分离方式分

  沉降式离心机、过滤式离心机

  随着石油、化工、纺织、医药等领域继续不断的发展速度,离心机市场规模也在不断扩大。未来,随着实验室科研要求的不断提升,离心机或将朝着更高速、更精密、更智能的方向发展。

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