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一、前言

在離心實驗中，“樣品平衡”是保證設備安全、結果準確和轉子壽命的關鍵環(huán)節(jié)之一。
對于賽默飛高速冷凍離心機 Legend Micro 17R，由于其轉速最高可達 17,000 rpm，任何微小的不平衡都可能放大為巨大的離心力，導致設備震動、噪音增加、甚至機械損壞。
樣品平衡不僅關乎操作安全，還直接影響樣品分離效果和溫度控制精度。

本章節(jié)將從平衡原理、分類方法、操作步驟、注意事項、常見錯誤及故障防范等方面，系統(tǒng)講解 Legend Micro 17R 的樣品平衡操作要求和科學方法，幫助實驗人員建立標準化的實驗習慣。

二、樣品平衡的物理原理

離心過程中，樣品管隨轉子高速旋轉產生離心力。當所有孔位質量相等且對稱時，離心力在中心軸處相互抵消，系統(tǒng)保持平衡。若某個孔位的質量稍有差異，就會產生偏心力，使轉子旋轉不均，引發(fā)震動。

這種偏心振動不僅影響離心效率，還會對以下部分造成損害：

1. 轉子與軸承：產生異常磨損，縮短使用壽命。

2. 電機系統(tǒng)：負載不均導致電流波動和電機過熱。

3. 腔體結構：長期振動可能導致金屬疲勞。

4. 樣品安全：高速振動易使離心管破裂或泄漏。

因此，在高速離心設備如 Legend Micro 17R 中，樣品平衡精度要求極高。

三、樣品平衡的分類

根據實驗目的與樣品類型，平衡可分為以下幾類：

1. 質量平衡（Weight Balance）

最基本的平衡形式。
所有離心管及其中的液體必須重量相同，誤差不得超過 0.01 g。

2. 對稱平衡（Positional Balance）

樣品管必須在轉子孔內對稱放置。
若使用兩個孔位，必須相對放置；若使用四個孔位，則需呈十字分布。

3. 容積平衡（Volume Balance）

液體體積相等時才能保證質量平衡。密度不同的溶液需以重量校準而非體積。

4. 動態(tài)平衡（Dynamic Balance）

在設備運行狀態(tài)下的整體平衡。
Legend Micro 17R 內置不平衡檢測系統(tǒng)，會實時監(jiān)測離心時的振動幅度，一旦超限立即停機。

四、樣品平衡的操作步驟

1. 準備階段

1. 檢查所有離心管是否相同型號、相同容量。

2. 確認管蓋完整、無裂紋。

3. 若管體質量存在差異，優(yōu)先配對重量接近的管具。

2. 樣品稱量

1. 使用分析天平（精度 0.001 g）測量每支離心管總質量。

2. 以最重的一支為基準，通過加入緩沖液、蒸餾水或稀釋液調整其他樣品。

3. 每次添加液體后重新稱量，直至平衡誤差小于 0.01 g。

3. 對稱放置

1. 將平衡好的離心管插入轉子孔內，位置嚴格對稱。

2. 若使用奇數管數，可添加“平衡管”填補空位。

3. 平衡管應使用與樣品相同類型、相同體積的溶液，以保證密度一致。

4. 最終確認

• 用手輕輕旋轉轉子一圈，感受是否運轉順滑。

• 若出現(xiàn)晃動或卡頓，應重新調整樣品位置。

• 合上腔蓋前，再次確認所有孔位已填充或對稱。

五、樣品平衡的實例說明

1. 兩管離心

當只離心兩支管時，應將其放置在轉子的相對孔位。

2. 四管離心

樣品應分布于轉子四個等角位置（每隔 90°）。

3. 多孔離心（如 24 孔轉子）

若離心 6 管，可將其按六角星形對稱分布。
若離心 3 管，則在相對三角分布點上插入三支樣品，確保質心對稱。

4. 非均勻樣品

若樣品密度差異較大（如含細胞沉淀與上清液），應在分裝前充分混勻后稱量。

六、平衡誤差與運行影響

在高速離心機中，即使微小的質量差異也會放大成巨大的離心不平衡力。
假設轉子半徑為 7 cm，轉速 15,000 rpm，若樣品質量差 0.1 g，則偏心力計算如下：

F = m × ω2 × r
ω = 2π × (rpm / 60)
當 rpm = 15,000 時，ω ≈ 1570 rad/s
F ≈ 0.0001 × (1570)2 × 0.07 ≈ 172 N

即相當于 17 公斤的瞬時拉力作用于軸承。由此可見平衡的重要性。

七、平衡不良的常見表現(xiàn)與后果

1. 設備震動：明顯的噪音或機身抖動。

2. 自動停機報警：系統(tǒng)檢測到不平衡后觸發(fā)安全停機。

3. 樣品破裂或泄漏：離心管受到偏向沖擊力。

4. 轉軸磨損：長期輕微不平衡導致軸承偏磨。

5. 溫度波動：制冷系統(tǒng)受振動干擾，溫度控制精度下降。

6. 實驗誤差：沉淀不完全、分層不均勻，影響實驗重復性。

八、不同類型樣品的平衡技巧

1. 水相樣品

直接使用蒸餾水作為平衡液，方便安全。

2. 有機溶劑樣品

應用相同溶劑或密度相近液體進行平衡。禁止用水替代乙醇、氯仿等溶液。

3. 含懸浮顆粒樣品

離心前充分混勻，避免沉淀導致質量變化。

4. 溫度敏感樣品

在預冷后平衡稱量，因為溫度變化可能導致密度不同步。

九、平衡輔助工具

1. 平衡支架

用于提前在實驗臺上確認樣品位置的對稱分布。

2. 微量天平

測量微量管重量的必備儀器，精度越高，平衡越精確。

3. 平衡管

專門用于填充空位的匹配離心管，可重復使用，內部裝液體與樣品管一致。

4. 平衡記錄表

實驗室應建立平衡登記制度，記錄樣品編號、質量、操作人。

十、自動平衡功能與系統(tǒng)原理

Legend Micro 17R 配備自動不平衡檢測裝置：

• 傳感器結構：安裝在轉軸底部的振動傳感器。

• 工作原理：當振動幅度超過設定閾值時，系統(tǒng)會發(fā)出警報并自動停機。

• 保護機制：防止電機過載與轉軸損壞。

盡管系統(tǒng)具有自動保護功能，但它僅用于應急，而非替代人工平衡。
在高速離心前，仍需手動精確校正樣品重量。

十一、平衡操作的特殊情況

1. 樣品數量為奇數

• 增加一支平衡管填補空位。

• 若孔數為 24 個，樣品為 5 個，則應在對角線孔位補齊平衡管。

2. 樣品泄漏

運行中若發(fā)現(xiàn)腔體內液體溢出，說明樣品密封或平衡錯誤。立即停機清理，重新稱量。

3. 低速與高速轉換

低速離心時可容忍輕微誤差；高速運行（>10,000 rpm）則必須精準平衡。

4. 多層樣品

對于存在兩層或多層液體的樣品（如血液分層），稱量前應輕輕搖勻。

十二、常見錯誤及糾正

十三、樣品平衡的維護與檢查

1. 每次離心前：
   ?執(zhí)行樣品稱量與對稱檢查。

2. 每周：
   ?檢查轉子孔內是否有磨損或液體殘留。

3. 每月：
   ?用標準砝碼測試稱量誤差，校正天平精度。

4. 每半年：
   ?檢測離心機不平衡傳感器靈敏度，確保報警系統(tǒng)有效。

十四、安全提示

• 離心前禁止使用不同批次、不同材料的離心管混用。

• 樣品未平衡時，絕對不得嘗試低速“試運行”來補償。

• 若設備連續(xù)報警兩次，應全面復查樣品裝載與轉子固定情況。

• 對含危險物質的樣品，應使用密封轉子并雙層防護。

十五、標準化操作流程（SOP 摘要）

1. 檢查轉子及腔體。

2. 準備并稱量樣品管。

3. 對稱放置樣品和平衡管。

4. 手動輕轉轉子確認無偏心。

5. 啟動前檢查蓋鎖與報警系統(tǒng)。

6. 運行過程中監(jiān)控振動和聲音。

7. 完成后記錄樣品平衡數據。

十六、實驗誤差與平衡關系分析

實驗結果的重復性在很大程度上取決于離心平衡質量。
當轉子微振動時，會導致離心力分布不均，使沉淀顆粒沿不同方向集中，造成層界模糊。尤其在核酸提取、蛋白沉淀等高精度實驗中，不平衡可能直接影響產物純度。

此外，不平衡還會造成熱量積聚，影響制冷系統(tǒng)的溫控響應，從而導致不同批次實驗間的溫度偏差。

十七、實驗室管理與培訓要求

• 每位實驗人員必須掌握平衡操作流程并通過考核。

• 管理人員需定期檢查實驗記錄表，確認操作合規(guī)。

• 對新入職人員，應進行樣品平衡專項培訓。

• 發(fā)生不平衡停機事故后，應立即填寫設備異常報告并復盤原因。