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小貝講堂之離心常用術(shù)語 – 離心力和相對離心力

貝克曼庫爾特生命科學 2024-05-08 | 閱讀：1814

在生命科學研究中，離心是一種必不可少的技術(shù)手段，更是實驗室中最常見的實驗項目,。但是你真的了解這門技術(shù)嗎,？你是否知道離心的原理,，了解如何選擇合適的轉(zhuǎn)頭,、離心管和離心方法呢？小貝離心課堂重新開課,，帶你玩轉(zhuǎn)離心機,，快來加入我們吧！

離心原理

學習一門技術(shù)勢必要先從了解其原理開始,。我們可以通過簡單的實驗來理解離心的基本原理,。

首先我們來觀察在重力作用下顆粒的沉降：抓一把沙子和泥土的混合物放到裝有水的容器里搖勻，然后把容器置于桌上,，觀察到在地球引力作用下大量的顆粒立即沉淀到容器的底部,。一段時間后，又看到容器中的混合物分成數(shù)層,，每層都由大小相同的顆粒組成,，顆粒在容器的分布從上到下逐漸增大。不過,，仍然會有一些細小的顆粒在水中緩慢的向容器底部移動,，由于移動得非常緩慢，我們不一定能觀察到這些顆粒的運動,。另外還有一些顆粒則漂浮在水面上,。

通過實驗中觀察到的結(jié)果，我們可以得出大顆粒比小顆粒更快地沉降到底部,，而更小的顆粒則沉降得更慢,。不過，一些密度比較重的小顆粒反而比密度比較輕的大顆粒沉降得更快,。我們還可以看到有些小顆粒在水中是不沉降的,，漂浮在水面。

圖1 重力作用下混合顆粒的沉降：顆粒沉降的速度依賴于顆粒的大小,，大顆粒則先沉降到底部,，而小顆粒則停留在容器的上部,。

以上即是離心的主要原理,，液體中的顆粒在重力的作用下以一定的速率向下移動,，顆粒移動的速率往往與顆粒的大小與密度相關(guān)，這樣就出現(xiàn)了顆粒的沉降運動,。當然前提是顆粒的密度必須大于液體的密度,。

總結(jié)來說，離心技術(shù)是利用離心機旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生離心力,，將具有沉降系數(shù)差別的樣品進行分離,、分析、濃縮和提純的一種技術(shù),。

離心常用術(shù)語

離心力和相對離心力

盡管有些生物顆?？梢栽谥亓觯?×g）作用下實現(xiàn)分離，如人血細胞,，將處理過的血細胞置于桌上1-2 小時,，由于不同細胞的大小不一樣，白細胞和紅細胞能自動分層,。但若需分離更小的生物顆粒,，遠大于重力的力則是必須的，這可以通過沿軸旋轉(zhuǎn)裝有懸浮顆粒的離心管來實現(xiàn),。顆粒在放射狀的離心力下從軸心向外運動,，使離心管旋轉(zhuǎn)的機器就是離心機，而裝載了離心管并帶動離心管沿軸旋轉(zhuǎn)的即是轉(zhuǎn)頭,。不管是細胞還是生物大分子受到離心力都可以用以下公式計算：

F離心力– 顆粒受到的離心力

m – 顆粒的質(zhì)量

ω – 角速度

r – 旋轉(zhuǎn)軸到顆粒的距離

但是通常情況下,，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)頭受到的放射狀的力都是由相對離心力（RCF：Relative centrifugation force）來衡量的。而所謂的相對離心力即是離心力與重力之比,，用以下公式表示：

RCF – 相對離心力,；

F離心力– 顆粒受到的離心力；

F重力– 顆粒受到的重力,；

m – 顆粒的質(zhì)量,；

ω – 角速度；

g –重力加速度,；

r – 旋轉(zhuǎn)軸到顆粒的距離,。

ω 是轉(zhuǎn)頭的角速度，指轉(zhuǎn)頭每秒鐘轉(zhuǎn)過的弧度數(shù),，其值就是:

RPM (Revolution per minute) – 轉(zhuǎn)頭每分鐘轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)數(shù)

結(jié)合公式（2）和公式（3）可得到同一轉(zhuǎn)頭的轉(zhuǎn)速與相對離心力之間的關(guān)系：

r – 旋轉(zhuǎn)軸到顆粒的距離（單位：毫米mm）

由上可以看出轉(zhuǎn)頭的相對離心力與轉(zhuǎn)頭的轉(zhuǎn)速的平方成正比,，而且與轉(zhuǎn)頭的半徑成正比。對于同一轉(zhuǎn)頭而言,，由于半徑不變,，增加轉(zhuǎn)速也就相當于提高了相對離心力。

為便于進行轉(zhuǎn)速和相對離心力之間的換算,，Dole 和Cotzias 利用RCF 的計算公式,，制作了轉(zhuǎn)速“rpm”,、相對離心力“RCF”和旋轉(zhuǎn)半徑“r”三者關(guān)系的列線圖，圖式法比公式計算法方便,，且一目了然,。換算時，先在r 標尺上取已知的半徑和在rpm 標尺上取已知的離心機轉(zhuǎn)數(shù),，然后將這兩點間劃一條直線,，與圖中RCF 標尺上的交叉點即為相應的相對離心力數(shù)值。

上圖轉(zhuǎn)速與半徑相對應的離心力列線圖,，左列為半徑標尺,，右列為轉(zhuǎn)速標尺，連接半徑與轉(zhuǎn)速的直線與中間RCF 表尺的交匯點,，就可得到相對離心力,。注意，若已知的轉(zhuǎn)數(shù)值處于rpm 標尺的右邊,，則應讀取RCF 標尺右邊的數(shù)值,，轉(zhuǎn)數(shù)值處于rpm 標尺左邊，則應讀取RCF 標尺左邊的數(shù)值,。

在重力場的沉降中,，重力場通常被看作恒定值，而離心管中的離心力場卻不是一個恒定值,。由于轉(zhuǎn)頭的形狀及設(shè)計,，離心管中從管頂至管底各點到旋轉(zhuǎn)中心的距離是不同的，為了計算相對離心力的數(shù)值可用平均相對離心力來表示,，即同一離心轉(zhuǎn)頭部和底部所受離心力的平均值,。科技文獻中離心力的數(shù)據(jù)通常是指其平均值（RCFav）,，即離心管中點的離心力,。

而各廠家在標注離心機和轉(zhuǎn)頭等的最大相對離心力（RCF）時，一般用最高轉(zhuǎn)速下,、最大半徑處（Rmax）的相對離心力,。請注意區(qū)分這個參數(shù)與平均離心力（RCFav）的差異。

離心機常有多種不同形狀的轉(zhuǎn)頭,，其各自所反映的離心力場的大小和離心沉降距離也不一樣,，在實際工作中應根據(jù)分離要求正確選擇使用。下一期小貝講堂將具體介紹沉降系數(shù),，精彩不斷,，敬請關(guān)注！

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