离心机 - 离心机的工作原理

离心机是一种利用离心力对混合物进行分离的装置，其核心原理基于离心力场作用。以下是其工作原理的详细说明：

 1. 基本原理：离心力模拟重力

    离心力是物体在旋转时受到的向外的惯性力，其大小与旋转半径、角速度平方成正比。离心机通过高速旋转产生远大于重力的离心力（可达重力的数千至百万倍），从而加速混合物中不同密度或粒径组分的分离。

    公式：

    F=m⋅ ω²
⋅r
    其中 $F$ 为离心力，$m$ 为颗粒质量，$\omega$ 为角速度，$r$ 为旋转半径。

 2. 分离过程

    1. 样品装载：  

       将待分离的混合物（如细胞悬液、血液、蛋白质溶液等）置于离心管中，对称放入转子的样品槽内，确保转子平衡。

    2. 高速旋转：  

       转子在电机驱动下高速旋转，产生强大的离心力场。混合物中的颗粒（细胞、蛋白质、沉淀物等）在离心力作用下沿径向向外运动。

    3. 沉降分离：  

       密度差异分离：密度较大的颗粒沉降更快，逐步沉积到离心管底部；密度较小的组分留在上层。例如，血液离心后分为血浆（上清液）和血细胞（沉淀）。

       粒径差异分离：在差速离心中，通过调整转速和时间，可逐步分离不同大小的颗粒（如细胞器分级分离）。

    4. 分离结束：  

       停机后，混合物分层明显，可通过倾倒、移液等方式收集目标组分。

3. 关键参数

    转速（RPM）：每分钟转数，影响离心力大小。

    相对离心力（RCF）：以重力加速度（g）为单位，更能准确反映分离效果。计算公式：  

    RCF = 1.118 × 10^-5 .r.  (RPM)² 。

    时间：根据样品性质调整离心时间。

    温度：某些样品需控温（如冷冻离心机）防止变性。

4. 离心机类型与应用

    低速离心机（< 10,000 RPM）：用于细胞、大颗粒沉淀。

    高速离心机（10,000–30,000 RPM）：用于微生物细胞、细胞器。

    超速离心机（> 30,000 RPM）：用于蛋白质、核酸、病毒等亚细胞组分分离。

    制备型与分析型：前者用于分离纯化样品，后者可测量颗粒物理性质（如沉降系数）。

5. 应用领域

    生物学/医学：分离血液成分、提取DNA/RNA、纯化病毒。

    化学/工业：分离胶体、废水处理、铀浓缩（气体离心机）。

    日常生活：洗衣机脱水、乳制品脱脂、蜂蜜分离等。

6. 注意事项

    平衡装载：样品需对称放置，防止转子失衡损坏设备。

    选择适配转子与离心管：不同转子有最大转速限制。

    生物安全：若分离病原体，需使用密封离心管并在安全柜中操作。

简单比喻

    就像用绳子旋转一个装有沙石的水桶，沙子（重颗粒）会紧贴桶底，而水（轻组分）留在内侧。离心机通过更快速、可控的旋转，实现对微小颗粒的高效分离。

离心机技术的核心是利用离心力放大沉降效应，从而快速分离传统重力无法处理的微小或密度接近的组分。