低速离心机：实验室与工业生产中的无名英雄
在生命科学、临床医学、生物制药以及食品工业等众多领域中，有一类设备默默地承担着样品分离、浓缩与纯化的重要任务，它就是——低速离心机。尽管其名称朴实，操作相对简单，但其在日常科研与生产中的作用却不可或缺。本文将围绕低速离心机的各个方面，为您提供一份详尽的指南，帮助您更深入地了解、选择并高效利用这一核心设备。
1. 何为低速离心机？其核心工作原理与构成
1.1 低速离心机的定义与基本原理
低速离心机是一种利用离心力原理对混合物进行固液或液液分离的实验室常用设备。它通过高速旋转的转子产生强大的离心力，使得悬浮液或乳浊液中的不同组分（因其密度、大小、形状等差异）以不同的速度沉降，从而达到分离的目的。
其基本原理可以概括为：在离心场中，具有不同质量的颗粒在离心力作用下，会以不同的速度向转子外侧移动。密度较大、颗粒较大的物质沉降速度快，最终聚集在离心管底部形成沉淀；而密度较小、颗粒较小的物质则停留在上清液中，或沉降速度极慢。通过倾倒或吸取上清液，即可实现组分的分离。
1.2 低速离心机与高速、超速离心机的区别
区分离心机类型的主要依据是其最大转速（RPM）和最大相对离心力（RCF）。
- 低速离心机：通常指最大转速在1000 RPM至6000 RPM之间，RCF一般在100 xg至6000-8000 xg范围内的离心机。它主要用于分离较大颗粒、细胞、血细胞、沉淀物等。
- 高速离心机：最大转速可达15000 RPM至30000 RPM，RCF可达几万 xg甚至十几万 xg。主要用于分离细菌、亚细胞器、病毒等较小颗粒，通常需要制冷功能。
- 超速离心机：最大转速可达60000 RPM以上，RCF高达几十万 xg。主要用于分离病毒、蛋白质、核酸等生物大分子，通常具有高真空和精密控温功能。
低速离心机以其温和的分离条件、更高的样品处理量和较低的运行成本，在许多基础分离任务中表现出独特的优势。
1.3 低速离心机的主要构成部件
一台典型的低速离心机主要由以下几部分构成：
- 驱动系统：包括电机（如无刷直流电机或有刷电机）和传动轴，负责提供旋转动力。
- 转子：是离心机的核心工作部件，直接承载离心管。常见的低速离心机转子有：
- 水平转子（摆动转子）：离心时离心管会从垂直位置摆动到水平位置，沉淀物呈松散的平底状，便于上清液的移除。
- 角转子（固定角度转子）：离心管以固定角度放置，离心时保持不变。沉淀物通常呈倾斜状，适用于需要快速沉降的分离。
- 桶式转子：通常用于分离血液、尿液等样品，可容纳多根标准离心管。
- 离心腔体：容纳转子的密闭空间，有些型号带有制冷功能。
- 控制系统：包括微处理器、显示屏（LCD或LED）、按键，用于设置和显示转速（或RCF）、时间、温度（如果带制冷功能）、加速/减速曲线等参数。
- 安全保护装置：如门锁互锁（在转子停止前无法打开盖子）、不平衡检测、超速保护、超温保护等，确保操作安全。
- 机身外壳：提供支撑和保护。
2. 为何选择低速离心机？核心优势与解决的问题
2.1 为什么要使用低速离心机？其主要作用或优势
低速离心机之所以在实验室中如此普及，主要得益于其以下优势：
- 成本效益高：相较于高速和超速离心机，低速离心机的购置成本和维护成本通常较低。
- 操作简便：大多数低速离心机界面直观，操作流程相对简单，易于上手。
- 样品处理量大：许多低速离心机可以同时处理大量样品，适用于大规模筛选或日常批量处理任务。
- 温和分离：较低的转速意味着产生的剪切力较小，对细胞或其他生物材料的损伤程度更低，有利于保持样品的活性和完整性。
- 适用范围广：可用于分离较大颗粒，满足多数基础分离需求。
- 占地空间小：大部分低速离心机为台式设计，节省实验室宝贵的空间。
2.2 低速离心机能够解决什么问题？
低速离心机在实验和生产中主要解决以下几类问题：
- 细胞与细胞核的分离：从组织匀浆中分离完整的细胞或细胞核，是细胞生物学研究的基础步骤。
- 血液成分分离：将全血分离为血浆、红细胞、白细胞和血小板，广泛应用于临床检验和血液制品制备。
- 蛋白质沉淀与浓缩：通过加入沉淀剂（如硫酸铵），利用低速离心收集沉淀的蛋白质。
- DNA/RNA粗提：在某些提取方案中，低速离心用于分离细胞碎片或去除较大的杂质。
- 酵母、细菌等微生物的收集：从培养液中收集微生物细胞进行后续实验。
- 一般化学沉淀物的分离：在化学分析中，用于收集通过化学反应形成的沉淀物。
- 澄清液体：去除液体中悬浮的颗粒，使液体变得澄清。
3. 低速离心机主要应用于哪些领域或实验室？
低速离心机的应用领域非常广泛，几乎涵盖所有需要基础分离的实验室和生产环节：
- 临床检验科：用于分离血清、血浆、尿沉渣等，进行各种生化、免疫、血液学检测。
- 生物医学研究实验室：进行细胞培养、细胞收集、DNA/RNA粗提、蛋白质沉淀等。
- 制药企业：药物研发过程中的样品前处理、中间产物或终产品的分离。
- 食品与饮料行业：乳品、果汁、葡萄酒等生产过程中的澄清、沉淀物去除、细菌计数前的样品处理。
- 农业与环境科学：土壤、水样分析中的颗粒物分离，植物组织提取等。
- 教育教学实验室：作为基础实验设备，供学生学习离心分离技术。
- 工业质量控制（QC）：产品生产过程中样品的分离检测。
4. 运行参数、样品容量与购置成本考量
4.1 低速离心机的最大转速和相对离心力（RCF）范围
低速离心机通常最大转速在4000 RPM至6000 RPM，对应的RCF范围大致在2000 xg至8000 xg。需要注意的是，RCF是比RPM更准确的衡量离心分离效果的指标，因为它考虑了转子的半径。不同转子的RCF值在相同RPM下可能不同，因此在设置参数时，应优先参考RCF。
4.2 常见的样品处理量（容量）
低速离心机的容量多种多样，从微型到大容量均有覆盖：
- 微量低速离心机：通常用于处理0.2mL、0.5mL、1.5mL、2.0mL的EP管，样品量小，适合PCR管、微量离心管等。
- 台式低速离心机：是最常见的类型，可容纳从15mL、50mL锥底离心管到100mL、250mL、500mL甚至1L的样品瓶，常用转子容量如4x100mL、6x50mL、12x15mL等。
- 落地式大容量低速离心机：主要用于工业或大规模生产，可处理更大的样品量，如多达4-6个1L样品瓶，或大量血袋。
选择合适的容量取决于实验或生产的需求，以及单个样品所需的体积。
4.3 低速离心机的购置成本与影响因素
低速离心机的价格区间较大，从几千元到数万元人民币不等，主要受以下因素影响：
- 品牌：国内外知名品牌的设备通常价格更高，但质量和售后服务更有保障。
- 容量与转速：容量越大、最大转速越高（尤其带有制冷功能），价格越高。
- 制冷功能：带制冷的低速离心机（如低温离心机）比非制冷型价格更高，因为它包含了复杂的制冷系统。
- 转子类型与数量：不同类型的转子（水平、角转子）价格不同，购买多个兼容转子会增加成本。
- 控制系统与功能：具有高级编程功能（多段离心、加速/减速曲线选择）、LCD触摸屏、数据存储等功能的设备价格会更高。
- 安全特性：更完善的安全保护措施（如更高级的不平衡检测系统、自动诊断功能）也会增加成本。
4.4 运行过程中需要注意的参数设置
正确设置参数是确保离心效果和设备安全的关键：
- 转速（RPM）或相对离心力（RCF）：根据实验方案或样品特性选择。通常，生物样品更倾向于RCF作为标准。
- 离心时间：根据样品沉降速度和所需分离效果设定，时间过短可能分离不彻底，过长则可能导致沉淀物压实难以重悬。
- 温度（如果带制冷功能）：对于热敏性样品（如蛋白质、细胞），需要设置适当的温度来保持其活性。
- 加速/减速曲线：许多现代离心机允许用户选择不同的加速和减速速度。
- 快速加速/减速：适用于对剪切力不敏感的样品，可节省时间。
- 慢速加速/减速：对于易破碎的细胞或易重悬的沉淀物，选择较慢的曲线可保护样品，防止沉淀物再次混合。
5. 如何正确操作、选择与维护低速离心机
5.1 如何正确操作低速离心机？
规范操作是确保实验成功和人身安全的前提：
- 放置与连接：确保离心机放置在平稳、坚固的工作台上，远离热源和振动源。接通电源，确保电压符合设备要求。
- 检查转子：检查转子是否清洁无损，确保正确安装在驱动轴上。
- 样品准备与配平：
- 将待分离的样品装入合适的离心管中，液面不宜过高，一般不超过管容积的3/4。
- 至关重要的一步是配平：所有离心管（包括样品管和配平管）的总重量必须相等。对于对称放置的转子，每对相对位置的离心管重量误差应控制在厂家规定的范围内（通常为0.1g-1g）。若样品量不足，需用等体积的蒸馏水或缓冲液填充至配平管中。
- 配平不当会导致离心机剧烈震动，轻则影响分离效果，重则损坏设备甚至发生危险。
- 装载离心管：将配平好的离心管对称地放入转子的卡槽中。对于水平转子，离心管放入离心桶后再将离心桶对称地挂入转子。
- 关闭机盖：确保离心机盖完全关闭并锁定（会听到“咔嗒”声或指示灯亮起）。
- 设置参数：根据实验要求设置转速（RPM或RCF）、时间、温度、加速/减速曲线等。
- 启动离心：按下“开始”或“运行”按钮。在离心机开始加速时，密切观察是否有异常震动或噪音，如有应立即停止。
- 停止与卸载：等待离心机完全停止，门锁指示灯熄灭后，方可打开机盖，取出离心管。切勿在转子未完全停止时强行打开机盖。
安全警示：
离心过程中严禁打开离心机盖。一旦发现异常震动、异响或焦糊味，应立即按下“停止”或“急停”按钮，并切断电源。
使用前务必检查离心管是否有裂纹或破损，避免因离心管破裂造成样品泄漏和转子损坏。
始终佩戴合适的个人防护装备（如实验服、手套、护目镜）。
5.2 如何选择合适的低速离心机型号？
在选择低速离心机时，需要综合考虑以下因素：
- 应用需求：明确分离的样品类型、所需达到的分离效果（RCF）、是否需要维持低温环境。
- 样品通量与容量：根据日常处理的样品量和单个样品体积，选择合适的容量和转子配置。
- 转子类型：根据沉淀物形态要求（松散或紧密）、样品管类型（标准管、血袋等）选择水平转子或角转子。考虑是否需要可互换的转子以满足不同实验需求。
- 制冷功能：对于热敏感样品，选择带制冷功能的低温离心机至关重要。
- 控制与编程：是否需要精确的速度/时间控制、多段离心、加速/减速曲线选择、数据记录等高级功能。
- 安全特性：不平衡检测、门锁互锁、超速/超温保护等安全功能越完善越好。
- 预算：在满足需求的前提下，选择性价比最高的产品。
- 品牌与服务：选择有良好口碑的品牌，确保产品质量、售后服务和备件供应。
5.3 如何进行日常维护和保养，以延长设备寿命？
良好的维护保养能显著延长离心机的使用寿命并确保其性能：
- 日常清洁：每次使用后，用湿布（可沾少量中性清洁剂）擦拭离心腔体、转子和机身外表面。避免使用腐蚀性清洁剂。
- 转子保养：定期检查转子是否有划痕、腐蚀或变形。对于可拆卸转子，清洁其安装孔和螺纹，并在螺纹处涂抹少量专用润滑脂。
- 清除积水：对于带有制冷功能的离心机，应定期检查并清除冷凝水。
- 电源检查：定期检查电源线和插头是否有损坏。
- 通风散热：确保离心机周围有足够的空间用于散热，避免堵塞散热孔。
- 定期校准：建议每年进行一次速度和温度（如果适用）的校准，确保读数准确。
- 更换易损件：根据使用频率和制造商建议，定期检查并更换碳刷（如果是非无刷电机）、橡胶密封圈等易损件。
5.4 如何处理常见的故障？
虽然现代离心机设计精良，但偶尔也可能出现一些小故障。以下是一些常见问题及其初步排除方法：
- 无法启动：检查电源插头是否插紧，保险丝是否熔断，机盖是否完全关闭并锁定。
- 异常震动或噪音：最常见的原因是样品未配平。立即停止机器，检查并重新配平所有离心管。也可能是转子安装不当或转子损坏。
- 制冷效果不佳：检查设置温度是否正确，冷凝器是否积灰，通风口是否堵塞。
- 转子无法取出：检查转子螺母是否完全拧松，或者是否有异物卡住。
- 错误代码显示：记录错误代码，查阅用户手册或联系售后服务进行处理。
对于复杂故障，应及时联系专业维修人员，切勿自行拆卸维修，以免造成更大的损坏或安全隐患。
6. 低速离心机的工作流程与样品变化
6.1 低速离心机的工作流程
一台低速离心机的工作流程可以概括为以下几个阶段：
- 准备阶段：样品装载、配平，转子安装，机盖关闭。
- 参数设置阶段：用户通过控制面板设定转速、时间、温度等参数。
- 加速阶段：电机启动，转子从静止状态逐渐加速到设定转速。在这个阶段，离心力开始作用于样品。
- 恒速离心阶段：转子以设定转速匀速运行。离心力持续作用，样品中的颗粒持续沉降，分离效果最佳。
- 减速阶段：达到设定时间后，电机停止供电或反向制动，转子速度逐渐降低直至完全停止。
- 取样阶段：门锁解锁，打开机盖，取出分离后的样品。
6.2 样品在离心过程中会发生什么变化？
在离心过程中，样品内部主要发生以下变化：
- 颗粒沉降：由于离心力的作用，密度大于液体介质的颗粒会向离心管外壁和底部移动，形成沉淀。颗粒越大、密度越大，沉降速度越快。
- 液体澄清：随着颗粒的沉降，上层液体中的悬浮物逐渐减少，液体变得澄清。
- 组分分层：对于多组分混合物，会形成清晰的层次。例如，血液分离后可看到红细胞层、白细胞-血小板层（白膜层）和血浆层。
- 热量产生：电机运行和转子与空气摩擦会产生热量。对于非制冷离心机，这可能导致样品温度升高。对于制冷离心机，则会通过制冷系统维持设定温度。
- 剪切力：转子高速旋转时产生的剪切力可能会对生物大分子或细胞造成一定损伤，但低速离心机产生的剪切力相对较小，对细胞的损伤程度较低。
6.3 如何配平样品？不配平会有什么后果？
如何配平：
- 原则：确保转子中所有离心管及其内容物的总重量相等，并对称分布。
- 方法：
- 将待处理的样品管放入电子天平称重。
- 准备一个空的离心管（或另一个样品管），通过加入相同液体（如水、缓冲液或另一个样品）来调整其重量，使其与样品管重量一致。
- 将这些重量相同的管子对称地放入转子中。例如，如果使用6孔转子，将样品和配平管成对放置在相对的孔位（如1和4，2和5，3和6）。如果只有一根样品管，则必须使用一根配平管。如果是多根样品管但不满转子，则需确保每对相对的孔位重量相同，且转子整体保持平衡。
- 对于离心桶，需确保桶内离心管的重量与相对位置桶内离心管的重量相同。
- 精确度：一般要求误差在0.1g至1g以内，具体以厂家说明书为准。
不配平的后果：
- 设备损坏：转子不平衡会导致离心机轴承、电机和驱动系统承受不均匀的巨大应力，加速部件磨损，甚至可能导致轴断裂或转子飞出。
- 安全隐患：剧烈的震动可能使离心机在工作台上移动，甚至跌落，造成人身伤害和设备损毁。
- 分离效果差：不平衡的震动会影响样品在离心场中的稳定沉降，导致分离不彻底，沉淀物重悬或分层模糊。
- 噪音增大：离心机运行过程中产生异常大的噪音。
低速离心机是实验室中不可或缺的工具。深入了解其原理、应用、操作和维护，不仅能提高实验效率，更能确保设备的安全运行和延长其使用寿命。希望这份详尽的指南能帮助您更好地掌握和利用这一重要的实验室设备。