编辑 | 澹泊研究僧
来源 | NIRO（ID：NIRO-keyanmiao）
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离心机在实验室中具有不可缺少的属性。也面临了许多问题，很多朋友对
“配平”
和
“rpm或g的单位换算”
不熟悉，时常会闹出一些乌龙。因此，想根据这两个关键词，对离心机进行一个系统性的整理。
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离心机的原理
主要利用离心沉降原理，通过旋转产生的离心力，将溶液中不同密度的物质在离心力的作用下实现分离、浓缩和提纯等。
悬浮液在高速旋转下，由于巨大的离心力作用，使悬浮的微小颗粒(细胞器、生物大分子的沉淀等)以一定的速度沉降，从而使溶液得以分离、浓缩和提纯，颗粒的沉降速度取决于离心机的转速颗粒的质量、大小和密度。
当悬浮液(微小的固体颗粒悬浮在液体中形成的混合物)静置不动时，
由于重力场的作用可使得其中悬浮的颗粒逐渐下沉，下沉的速度与微粒的大小、形态、密度、重力场的强度及液体的黏度有关
。如红细胞颗粒，直径为数微米可以在通常重力作用下观察到它们的沉降过程。此外，物质在介质中沉降时还伴随有扩散现象。
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扩散
是由于微粒的热运动而产生的质量迁移现象，主要是由于密度差引起的。对小于几微米的微粒如病毒或蛋白质等，它们在溶液中成胶体或半胶体状态，仅仅利用重力是不可能观察到沉降过程的。
因为颗粒越小沉降越慢，而扩散现象则越严重。扩散现象是不利于样品分离的，如果加大重力，就可能克服扩散现象的不利影响，实现生物大分子的分离。
离心机就是利用离心机转子高速旋转产生的强大的离心力，迫使液体中微粒克服扩散加快沉降速度，把样品中具有不同沉降系数和浮力密度的物质分离开。
那什么是离心力呢？
在相对论中，离心力是指一个质点在曲线运动中体验到的力，使其朝向运动轨迹的中心点。当物体所受外力小于运动所需要的向心力时，物体将向远离圆心的方向运动。物体远离圆心运动的现象称为离心现象。也叫
离心运动
。离心运动是由于向心力消失或不足而造成的。
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离心作用
是根据在一定角速度下作圆周运动的任何物体都受到一个向外的离心力进行的。离心力(F
e
)的大小等于离心加速度
ω
2
r与颗粒质量m的乘积:
相对离心力(RelativeCentrifugal Force, RCF)
是指在离心力场中，作用于颗粒的离心力相当于地球重力的倍数，单位是重力加速度“g”由于各种离心机转子的半径或离心管至旋转轴中心的距离不同，离心力也不同。
因此在文献中常用“相对离心力”或“数字 xg”表示离心力，例如25000 xg，表示相对离心力为25000。只要RCF 值不变，一个样品可以在不同的离心机上获得相同的结果。
相对离心力即是离心力与重力之比:
一般情况下，低速离心时相对离心力常以转速“rpm”来表示，高速离心时则以“数字 xg”表示。
在这里按速度分类为3种，
低速离心机、高速离心机以及超高速离心机
；
低速离心机
转速通常在10000rpm以下，适用于细胞、微生物等生物样品的分离；
高速离心机
转速在10000rpm至30000rpm之间，常用于大分子物质如蛋白质、核酸等的分离；
超高速离心机
转速超过30000rpm，可用于病毒、亚细胞器等微小颗粒的分离。
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离心机的结构是比较简单的，
主要由电动机、离心转盘、调速器、定时器、离心套管以及底座等主要部件构成
。下面主要介绍3种类型的离心机:
1. 低速离心机
其结构较为简单，由电动机、离心转盘、调速器、定时器、离心套管以及底座等主要部件构成。
(1) 电动机:
离心机的主件，多为串激式。它包括定子和转子两部分。
(2) 离心转盘(及转头):
离心转盘常用铸铝制成，是平顶锥形，中间有一圆孔，套在电动机上端电动机的转轴上，然后用螺帽旋紧固定，转盘上有6-12个对称的45°角的斜孔，以放试管。
(3) 调速装置:
调速装置(用于电动机)即在电源与电动机之间串联一只多抽头扼流圈或资盘可变电阻器。
(4) 离心套管:
离心套管主要用塑料和不锈钢制成塑料离心管都有管盖，离心前管盖必须盖严不锈钢离心管强度大，不变形，能抗热、抗冻、抗化学腐蚀。
2. 高速(冷冻)离心机
其包括转动装置、速度控制系统、温度控制系统、真空系统、离心室、离心转头及安全保护装置等。
由于转速高，带有低温控制装置，离心室的温度可以调节和维持在 0℃~40℃
。
转速、温度和时间也都可以严格准确控制，并有指针或数字显示。
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(1) 转动装置:
电动机、转头轴(及其连接部分)；
(2) 速度控制系统:
标准电压、速度调节器、电流调节器、功率放大器、电动机、速度传感器等；
(3) 真空系统:
以克服空气的摩擦阻力(产热)，保证离心机达到正常所需要的转速；
(4) 温度控制装置:
压缩机、冷凝器、毛细管和蒸发器四个部分组成;
(5) 安全保护装置:
主电源过电流保护装置、驱动回路超速保护、冷冻机超
负荷保护和操作安全保护。
3. 超速(冷冻)离心机:
由驱动装置和速度控制装置、温度控制装置、真空系统、转头。
离心机每分钟旋转数千次，这意味着转子周围最轻微的重量不平衡都会被放大，并可能导致仪器开始摇晃或震动。这会影响其性能和可靠性，缩短其使用寿命，在最坏的情况下，会导致离心机爆炸，从而伤害实验人员。所以，了解离心机如何配平是非常有必要的。
1. 固定角转子配平
对于固定角转子的配平，通常只需牢记「中心对称法」即可。以下图12孔固定角转子配平为例，可遵循这一原则放置样品。
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2. 水平转子配平
在实际应用中，最让人头疼的，是给水平转子配平。因为不单要考虑单个吊篮内的离心管是否对称，又要兼顾对面吊篮内的离心管是否平衡。这种情况，配平时要切记两个原则:
(1) 放置单个吊篮内的离心管，应保证吊篮的重心在吊篮的中心点上；
(2) 放置对面吊篮内的离心管，应以第一个吊篮放置位置为基准，严格遵循转子中心点对称原则，再放置合适的位置。
3. 奇数管的配平
此外，还经常会遇到奇数管配平的情况，多数同学遇到奇数管配平时，通常会放置一个空白配平管(装上水)，这样简单易行，但对于多频次离心、样品质量和体积往往不同的实验时，这种方法就会显得比较麻烦。那遇到这种情况，到底要怎么配平呢?我们以24孔角转子为例，可以分三种情况去操作:
只有1只管或有23只管时，只能准备一管水去配平;
(1) 3倍配平法:
当有3、6、9、15、21等3的倍数的奇数离心管时，可以参照下图顺时针放置;
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(2) 2倍配平加3倍配平法:
当有5、7、11、13、17、19只管，可遵循中心对称原则，让3只管先保持平衡，再让另外2只管保持平衡，这样最终加起来仍然是平衡的。
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说到底，离心机转子配平讲究的是
对称原则
，在一个力矩臂上的两个离心管杯的相对质量要保持一致。在实际操作中，只要2+2+2...+3的顺序逐渐放入转子孔，保证每一组都是平衡的，就能确保可万无一失。下面这个直观图更加清晰明了的表现了这一原理:
离心机表示转速的单位一般为每分钟转速rpm和离心力g。其中，
g有时也会用RCF(相对离心力)来表示。这两个单位经过计算得到的关系(r为半径)为:
我们
举个例子
可知:
当转速为3000rpm，有效离心半径为10cm(参数离心机说明书中有)。将其带入公式可得: RCF=g=11.18*10
-6
*10*(3000)
2
=1006.2(g)。由此可知，离心力和转速的差异主要是离心半径决定的。
现实中没人会用这个公式去精确计算，且绝大多数离心机都能同时提供转速和离心力两种调节方式。
要说最准确的表达方式，还应该是用离心力(xg)，因为只要是离心力一样，不同的离心机理论上离心效果是基本一致的。而转速可不是，相同的转速，不同的转盘半径也会显著影响离心力。
由公式也可以看出，
离心力和转速之间并不是呈直线相关的
。一般在转速较低的情况下，数值上
转速>离心力
；当转速提高以后，两者数值上的差异
逐渐缩小→持平→反向
差异变化，最后变成数值上
转速。
为了方便小伙伴更好的深入理解，展示某台低温离心机实际参数增加印象(不同离心机相关数值不同，但规律一致)看上图。
