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賽默飛高速冷凍離心機(jī) Legend Micro 17R離心原理

詳情

質(zhì)保3年只換不修，廠家長(zhǎng)沙實(shí)了個(gè)驗(yàn)儀器制造有限公司

一、前言

離心技術(shù)是現(xiàn)代生物化學(xué)、細(xì)胞學(xué)、分子生物學(xué)及醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)中最常用的物理分離方法之一。
賽默飛高速冷凍離心機(jī) Legend Micro 17R 作為一款高精度臺(tái)式離心設(shè)備，利用高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強(qiáng)大離心力，將樣品中不同密度、不同粒徑的顆粒分離出來(lái)。
其獨(dú)特之處在于：高速、高效、控溫精準(zhǔn)，并能保持樣品在低溫環(huán)境下穩(wěn)定不變性。

理解 Legend Micro 17R 的離心原理，有助于操作者正確設(shè)定參數(shù)、提高分離效率、延長(zhǎng)儀器壽命，并確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。

二、離心基本原理

1. 向心力與離心力

當(dāng)物體繞固定軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，受到兩個(gè)相反方向的力作用：

向心力（Fc）：指向旋轉(zhuǎn)中心，使物體保持圓周運(yùn)動(dòng)。
離心力（F）：相對(duì)于旋轉(zhuǎn)參考系表現(xiàn)為指向外的慣性力，數(shù)值等于向心力。

離心力的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

F = m × ω2 × r

其中：

m 為顆粒質(zhì)量（kg）；
ω 為角速度（rad/s）；
r 為顆粒距旋轉(zhuǎn)中心的半徑（m）。

當(dāng)離心機(jī)以高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，不同密度和質(zhì)量的顆粒受到不同大小的離心力，從而沿半徑方向發(fā)生分離。

2. 相對(duì)離心力（RCF）

為了統(tǒng)一表示不同設(shè)備下的離心效果，引入了相對(duì)離心力（Relative Centrifugal Force, RCF）概念：

RCF = 1.118 × 10?? × r × (RPM)2

其中：

r：轉(zhuǎn)子半徑（cm）
RPM：每分鐘轉(zhuǎn)速

RCF 越大，顆粒沉降越快。
Legend Micro 17R 最大轉(zhuǎn)速可達(dá) 17,000 rpm，對(duì)應(yīng)最大 RCF 約 25,000 × g，可實(shí)現(xiàn)細(xì)胞器、核酸、蛋白復(fù)合物等微粒級(jí)分離。

三、離心分離的物理過(guò)程

離心分離本質(zhì)上是顆粒在流體中受力運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。
顆粒在離心場(chǎng)中受到三種主要作用力：

離心力 F? = m ω2 r
?推動(dòng)顆粒向外沉降；
浮力 F? = V ρ? ω2 r
?流體對(duì)顆粒產(chǎn)生的反向作用，取決于溶液密度 ρ?；
阻力 F? = 6 π η r? v
?顆粒在流體中移動(dòng)時(shí)受到的黏滯阻力，取決于流體黏度 η、顆粒半徑 r? 及速度 v。

顆粒達(dá)到平衡速度時(shí)，三種力相互平衡：

m ω2 r – V ρ? ω2 r – 6 π η r? v = 0

此時(shí)沉降速度 v 即為穩(wěn)定速度。由此可見(jiàn)，顆粒沉降速度取決于顆粒尺寸、密度差、液體黏度與離心力強(qiáng)度。

四、離心分離的類(lèi)型

1. 差速離心（Differential Centrifugation）

最基礎(chǔ)的離心方式，通過(guò)逐級(jí)提高轉(zhuǎn)速和時(shí)間，使樣品中顆粒按大小和密度依次沉降。
常用于分離：

細(xì)胞核（低速 1,000 × g）；
線粒體（中速 10,000 × g）；
核糖體、病毒顆粒（高速 20,000 × g 以上）。

Legend Micro 17R 可在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多級(jí)速度調(diào)控，適合差速分離實(shí)驗(yàn)。

2. 等密度梯度離心（Density Gradient Centrifugation）

在離心管中建立密度梯度介質(zhì)（如蔗糖、CsCl），顆粒在離心力作用下移動(dòng)到與自身密度相等的位置。
用于分離：

DNA 亞型；
蛋白質(zhì)復(fù)合物；
亞細(xì)胞組分。

3. 區(qū)帶離心（Zonal Centrifugation）

樣品加載于梯度上層，離心后不同顆粒按沉降速率形成清晰區(qū)帶，不發(fā)生再混合。
適合分析性分離，常用于樣品純度檢測(cè)。

五、Legend Micro 17R 的離心系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

1. 高速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

設(shè)備采用無(wú)刷感應(yīng)電機(jī)（Brushless Induction Motor），特點(diǎn)如下：

啟動(dòng)平穩(wěn)、噪音低；
無(wú)碳刷磨損，免維護(hù)；
電機(jī)響應(yīng)快，轉(zhuǎn)速控制精度高（誤差 ≤ ±10 rpm）。

內(nèi)置閉環(huán)速度反饋控制系統(tǒng)，通過(guò)光電傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)速并自動(dòng)調(diào)整電流，實(shí)現(xiàn)恒速運(yùn)行。

2. 轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)原理

Legend Micro 17R 配備固定角轉(zhuǎn)子（Fixed-Angle Rotor），角度 25°–45°。
在離心過(guò)程中，顆粒沿管壁下滑至底部。
角度設(shè)計(jì)保證沉淀層緊密、沉降路徑短，分離效率高。

轉(zhuǎn)子材料為高強(qiáng)度陽(yáng)極氧化鋁合金，兼顧輕量與強(qiáng)度，可承受高離心應(yīng)力。

3. 制冷與溫控系統(tǒng)

高速旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，溫度升高將影響生物樣品穩(wěn)定性。
Legend Micro 17R 采用無(wú)氟壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)，配合溫度傳感器與PID 反饋控制，實(shí)現(xiàn) ?9 ℃ 至 +40 ℃ 范圍內(nèi)的恒溫控制。
低溫環(huán)境下，樣品分離更加穩(wěn)定，避免酶活性喪失或蛋白降解。

六、樣品沉降與分離機(jī)理

1. 沉降速度公式

顆粒在離心場(chǎng)中達(dá)到穩(wěn)定后，其沉降速度 v 可表示為：

v = (2 r?2 (ρ? – ρ?) ω2 r) / (9 η)

式中：

ρ?：顆粒密度；
ρ?：溶液密度；
η：溶液黏度。

由此可見(jiàn)，沉降速度與顆粒半徑平方成正比，與介質(zhì)黏度成反比。
因此，較大顆?；蚋呙芏阮w粒會(huì)更快沉降。

2. 沉降路徑與離心時(shí)間

固定角轉(zhuǎn)子中，顆粒沿斜面滑向底部，路徑短、沉降快。
離心時(shí)間 t 與沉降路徑 l 和速度 v 關(guān)系為：

t = l / v

通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)速和時(shí)間，可控制顆粒是否完全沉降或保持懸浮。

3. 溫度對(duì)沉降的影響

溫度升高會(huì)降低溶液黏度，使沉降速度加快，但可能損害生物樣品活性。
Legend Micro 17R 的控溫系統(tǒng)通過(guò)快速制冷與恒溫調(diào)節(jié)，確保溫度波動(dòng)不超過(guò) ±1 ℃，在保持分離效率的同時(shí)保護(hù)樣品穩(wěn)定性。

七、離心平衡與安全原理

高速離心設(shè)備中，平衡原理直接關(guān)系到機(jī)械安全。

對(duì)稱(chēng)性平衡：轉(zhuǎn)子上各管孔需相對(duì)對(duì)稱(chēng)、質(zhì)量相等，防止偏心振動(dòng)。
動(dòng)態(tài)平衡檢測(cè)：Legend Micro 17R 內(nèi)置振動(dòng)傳感器，檢測(cè)轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)的偏移量。
?一旦偏差超過(guò)允許范圍，系統(tǒng)立即停機(jī)，防止電機(jī)損壞。
蓋鎖保護(hù)機(jī)制：電控蓋鎖系統(tǒng)在運(yùn)行期間自動(dòng)鎖緊，防止腔蓋飛開(kāi)。

這些安全設(shè)計(jì)確保在 17,000 rpm 高速狀態(tài)下設(shè)備依然平穩(wěn)運(yùn)行。

八、離心力的梯度與分層原理

在離心管中，液體不同位置離心力并不相等。距離轉(zhuǎn)軸越遠(yuǎn)，離心力越大。
這種離心力梯度形成不同的密度層：

重組分迅速沉降到底部；
輕組分停留在上層；
中間形成過(guò)渡區(qū)。

樣品分層的清晰程度取決于：

轉(zhuǎn)速與時(shí)間；
樣品密度差；
轉(zhuǎn)子角度；
溫度與溶液黏度。

Legend Micro 17R 通過(guò)高精度速度控制，使分層界面銳利、沉淀緊密。

九、離心效率與影響因素

1. 影響離心效果的主要因素

因素	影響說(shuō)明	控制方式
轉(zhuǎn)速	決定離心力大小	根據(jù)樣品類(lèi)型選擇合適 RCF
離心時(shí)間	影響沉降完全程度	過(guò)短分離不完全，過(guò)長(zhǎng)樣品過(guò)壓
溫度	影響?zhàn)ざ扰c樣品穩(wěn)定性	控溫在 4 ℃ 左右
樣品密度	決定沉降速率	使用密度梯度介質(zhì)調(diào)整
轉(zhuǎn)子角度	決定沉降路徑	固定角轉(zhuǎn)子適合高速沉降

2. 優(yōu)化策略

預(yù)冷轉(zhuǎn)子，降低熱量干擾；
嚴(yán)格平衡樣品，減少能量損失；
根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)選擇最優(yōu) RCF 與時(shí)間組合。

十、Legend Micro 17R 在不同實(shí)驗(yàn)中的原理應(yīng)用

1. 細(xì)胞組分分離

通過(guò)分級(jí)轉(zhuǎn)速離心實(shí)現(xiàn)細(xì)胞核、線粒體、微粒體的順序沉降。
原理依據(jù)顆粒密度和大小差異，低速去除大顆粒，高速獲得微粒組分。

2. 核酸提取

利用高速離心使DNA或RNA與雜質(zhì)分層，清洗后沉淀。
離心力確保核酸聚集并貼附于管底。

3. 蛋白純化

蛋白沉淀依賴(lài)于離心加速度與緩沖體系密度。
適當(dāng)控制溫度與轉(zhuǎn)速，可保持蛋白活性。

4. 微生物收集

在 8,000 – 12,000 rpm 條件下，細(xì)胞迅速聚集成緊密沉淀，便于后續(xù)裂解與提取。

十一、動(dòng)力學(xué)模型與分離效率分析

1. 沉降系數(shù) (s-value)

描述顆粒沉降能力的參數(shù)：

s = v / (ω2 r)

單位為 Svedberg（S，1 S = 10?13 s）。
顆粒越大或密度越高，沉降系數(shù)越大。

2. 分離界面的形成

在梯度離心中，不同 s 值的顆粒在梯度介質(zhì)中停留于各自平衡位置，形成穩(wěn)定界面。
Legend Micro 17R 通過(guò)恒速控制，使界面清晰分布。

3. 時(shí)間優(yōu)化

離心時(shí)間與沉降距離呈線性關(guān)系：

t = (ln r? – ln r?) / (s ω2)

合理設(shè)置時(shí)間可防止顆粒沉降過(guò)頭或重新懸浮。

十二、溫控離心的物理原理

高速旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生摩擦熱，使腔體溫度升高。
溫度升高會(huì)導(dǎo)致：

樣品黏度下降、離心速率變化；
生物分子失活。

Legend Micro 17R 采用以下溫控原理：

壓縮機(jī)制冷 —— 吸收腔體熱量；
熱傳導(dǎo)平衡 —— 金屬腔體快速散熱；
反饋調(diào)節(jié) —— 溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，PID 算法自動(dòng)控制。

通過(guò)此系統(tǒng)，設(shè)備能在高速運(yùn)行中保持低溫恒穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)冷凍離心的“動(dòng)態(tài)平衡控制”。

十三、離心機(jī)運(yùn)行的力學(xué)安全基礎(chǔ)

1. 轉(zhuǎn)子應(yīng)力分析

轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，承受徑向拉應(yīng)力與切向應(yīng)力。
其安全設(shè)計(jì)依據(jù)公式：

σ = ρ ω2 (r?2 – r?2) / 2

為防止材料疲勞，轉(zhuǎn)子最大應(yīng)力不得超過(guò)材料屈服極限的 70%。
Legend Micro 17R 的鋁合金轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)陽(yáng)極氧化與動(dòng)平衡測(cè)試，確保長(zhǎng)期高速使用的結(jié)構(gòu)安全。