實(shí)驗(yàn)室*的離心機(jī)了解一下!
作為制藥工業(yè)中重要設(shè)備之一,離心機(jī)在本次疫情中,更是*,被應(yīng)用于血液分離、病毒研究、DNA研究、藥品提純等場(chǎng)合。
離心機(jī)這么“全能”,到底是為什么呢?
本期我們和大家分享幾乎所有研究實(shí)驗(yàn)室都在使用的儀器——離心機(jī)。
1什么是離心機(jī)?
離心機(jī)是利用離心力,分離液體與固體顆?;蛞后w與液體的混合物中各組分的機(jī)械。離心機(jī)主要用于將懸浮液中的固體顆粒與液體分開(kāi),或?qū)⑷闈嵋褐袃煞N密度不同,又互不相溶的液體分開(kāi)(例如從牛奶中分離出奶油);它也可用于排除濕固體中的液體,例如用洗衣機(jī)甩干濕衣服;特殊的超速管式分離機(jī)還可分離不同密度的氣體混合物;利用不同密度或粒度的固體顆粒在液體中沉降速度不同的特點(diǎn),有的沉降離心機(jī)還可對(duì)固體顆粒按密度或粒度進(jìn)行分級(jí)。
2離心機(jī)的簡(jiǎn)史
離心機(jī)的發(fā)展表現(xiàn)在構(gòu)造上的不斷改進(jìn)和離心方法的創(chuàng)新。
工業(yè)離心機(jī)誕生于歐洲,19世紀(jì)中葉,先后出現(xiàn)紡織品脫水用的三足式離心機(jī),和制糖廠分離結(jié)晶砂糖用的上懸式離心機(jī)。
十九世紀(jì)末到二十世紀(jì)初,只能生產(chǎn)低速離心機(jī),二十世紀(jì)20年代開(kāi)始生產(chǎn)高速離心機(jī)。
二十世紀(jì)70年代研發(fā)了高速變頻離心機(jī),80年代將變頻電機(jī)和微型計(jì)算機(jī)相結(jié)合,使離心機(jī)技術(shù)更加成熟和完善,基本滿足各行業(yè)的研究和醫(yī)學(xué)上的使用。
在近四十多年的發(fā)展中,離心機(jī)結(jié)構(gòu)、性能、種類(lèi)變化很大,分離質(zhì)量、生產(chǎn)能力不斷提高,應(yīng)用范圍更加廣泛。
3離心機(jī)的原理
離心是利用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的離心力以及物質(zhì)的沉降系數(shù)或懸浮密度的差異進(jìn)行分離、濃縮和提純生物樣品的一種方法。懸浮液在高速旋轉(zhuǎn)下,由于巨大的離心作用,使懸浮的微小顆粒以一定的速度沉降,從而使溶液得以分離,顆粒的沉降速度取決于離心機(jī)的轉(zhuǎn)速、顆粒的質(zhì)量、大小和密度。
離心機(jī)是利用離心機(jī)的轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力,迫使液體中微粒克服擴(kuò)散加快沉降速度,把樣品中具有不同沉降系數(shù)和浮力密度的物質(zhì)分離開(kāi)。
離心力
離心力(centrifugalforce,F(xiàn)c)當(dāng)物體所受外力小于運(yùn)動(dòng)所需要的向心力時(shí),物體將向遠(yuǎn)離圓心的方向運(yùn)動(dòng)。物體遠(yuǎn)離圓心運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象稱(chēng)為離心現(xiàn)象,也叫離心運(yùn)動(dòng)。
離心運(yùn)動(dòng)是由于向心力消失或不足而造成的。
離心作用是根據(jù)在一定角速度下作圓周運(yùn)動(dòng)的任何物體都受到一個(gè)向外的離心力進(jìn)行的。離心力(Fc)的大小等于離心加速度ω2r與顆粒質(zhì)量m的乘積,即:
ω是旋轉(zhuǎn)角速度,N是每分鐘轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)次數(shù),r為離心半徑,m是質(zhì)量。
液體中的微粒在重力場(chǎng)中的分離
重力沉降:把生物樣品中的微粒從液體中分離出來(lái),直接的方法是將液體靜置一段時(shí)間,液體中的微粒受重力的作用,較重的微粒下沉與液體分開(kāi),這個(gè)現(xiàn)象稱(chēng)為重力沉降。
微粒在液體介質(zhì)中的沉降將受到介質(zhì)的浮力、介質(zhì)阻力及擴(kuò)散現(xiàn)象的影響。
沉降速度(sedimentationvelocity)指在強(qiáng)大離心力作用下,單位時(shí)間內(nèi)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的距離。即:
式中,為ρo介質(zhì)的密度,ρ為微粒的密度,g為重力加速度,f為阻力系數(shù)。
沉降時(shí)間:在實(shí)際工作中,常常遇到要求在已有的離心機(jī)上把某一種溶質(zhì)從溶液中全部沉降分離出來(lái)需用多大轉(zhuǎn)速與多長(zhǎng)時(shí)間可達(dá)到目的的問(wèn)題。如果轉(zhuǎn)速已知,則需確定分離某粒子所需的時(shí)間即沉降時(shí)間。
K系數(shù):是用來(lái)描述在一個(gè)轉(zhuǎn)子中,將粒子沉降下來(lái)的效率。K系數(shù)與離心轉(zhuǎn)速及粒子沉降的路徑有關(guān),所以K系數(shù)是一個(gè)變數(shù)。
沉降系數(shù):顆粒在單位離心力場(chǎng)作用下的沉降速度,其單位為秒。各種生物樣品的沉降系數(shù)差別很大,利用它們沉降系數(shù)的差別就可以應(yīng)用離心技術(shù)來(lái)進(jìn)行定性和定量的分析及分離制備。
液體中的微粒在離心力場(chǎng)中的沉降
在離心機(jī)中,離心管(centrifugetube)放于離心轉(zhuǎn)頭里,當(dāng)離心機(jī)開(kāi)動(dòng)時(shí),離心管繞離心轉(zhuǎn)頭的軸旋轉(zhuǎn),作圓周運(yùn)動(dòng),在離心管內(nèi)的樣品顆粒將同樣運(yùn)動(dòng)。
假如顆粒處于真空中,顆粒會(huì)沿切線方向飛去,也就是當(dāng)離心管由圖中的0位轉(zhuǎn)到1位時(shí),顆粒到達(dá)離心管底部A位。對(duì)于離心管而言,樣品顆粒由頂位移到了A位,也就是由離心管頂部移到了底部,這與重力場(chǎng)中的由高處落到低處相似。這種顆粒在圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的切線運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為離心沉降。
實(shí)際上顆粒是在介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的,顆粒作切線運(yùn)動(dòng)時(shí)將由于介質(zhì)的摩擦阻力,使其在離心管中依圖中虛線所示的曲線運(yùn)動(dòng),當(dāng)離心管由0位轉(zhuǎn)到2位時(shí),顆粒由頂位移到B位。介質(zhì)的阻力越大,顆粒的沉降速度越小、沉降的距離也越短。旋轉(zhuǎn)速度越大,顆粒在離心管中沉降越快。
4離心機(jī)的構(gòu)成
普通離心機(jī)由電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)盤(pán)、調(diào)速器。套管、底座等組成,其中電動(dòng)機(jī)是輕載時(shí)轉(zhuǎn)速高,但隨著負(fù)載的增加轉(zhuǎn)速則會(huì)急劇下降。
1.轉(zhuǎn)速:
離心機(jī)根據(jù)大轉(zhuǎn)速的不同區(qū)分。
2.容量:
每次需要離心多少個(gè)樣品管,每個(gè)樣品管需要多少容量,這些因素決定一個(gè)離心機(jī)的總?cè)萘?,?jiǎn)單的來(lái)說(shuō)離心機(jī)的總?cè)萘?每個(gè)離心管的容量×離心機(jī)管個(gè)數(shù),總?cè)萘亢凸ぷ髁康拇笮∈窍嗥ヅ涞摹?/p>
3.轉(zhuǎn)子:
離心機(jī)的轉(zhuǎn)子主要分為兩種:
水平轉(zhuǎn)子:運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)吊籃處于水平狀態(tài),與轉(zhuǎn)軸成直角,樣品將沉淀集中于離心管的底部。
角轉(zhuǎn)子:離心容器與轉(zhuǎn)軸成一固定角度,樣品將沉淀集中于離心管底部及靠近底部的側(cè)壁。
如果希望分離的樣品集中于離心管的底部就選擇水平轉(zhuǎn)子,如果希望樣品集中于離心管的底部和靠近底部的側(cè)壁上就選擇角轉(zhuǎn)子。還有一些特殊實(shí)驗(yàn)或特殊樣本需要特殊的轉(zhuǎn)子如:大容量吊籃(多應(yīng)用于血站),酶標(biāo)板轉(zhuǎn)子,載玻片轉(zhuǎn)子,PCR轉(zhuǎn)子,試管架轉(zhuǎn)子和毛細(xì)管轉(zhuǎn)子等。
轉(zhuǎn)子都有固定的規(guī)格,它是和離心機(jī)的容量結(jié)合起來(lái)的,如12*5ml的角轉(zhuǎn)子,既決定了轉(zhuǎn)子的類(lèi)型也決定了離心機(jī)的容量,所以轉(zhuǎn)子的選擇非常重要。
離心機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
4.控制系統(tǒng):
高檔的離心機(jī)都采用了微電腦控制系統(tǒng),這些控制系統(tǒng)不但能確保離心機(jī)安全的運(yùn)行還能自動(dòng)完成工作任務(wù)。
現(xiàn)在很多離心機(jī)都有較好的人性化的控制系統(tǒng),比如:轉(zhuǎn)子識(shí)別功能,安全鎖功能,故障提示功能,加速和減速曲線等。離心機(jī)的主要部件是電機(jī),目前,市場(chǎng)上主要是無(wú)碳刷電機(jī)。
5離心機(jī)的分類(lèi)
按分離因素Fr值分
分離因素Fr是指物料在離心力場(chǎng)中所受的離心力,與物料在重力場(chǎng)中所受到的重力之比值。
可將離心機(jī)分為以下幾種型式:
1、常速離心機(jī)(Fr≤3500(一般為600~1200),這種離心機(jī)的轉(zhuǎn)速較低,直徑較大。)
2、高速離心機(jī)(Fr=3500~50000,這種離心機(jī)的轉(zhuǎn)速較高,一般轉(zhuǎn)鼓直徑較小,而長(zhǎng)度較長(zhǎng)。)
3、超高速離心機(jī)(Fr>50000,由于轉(zhuǎn)速很高(50000r/min以上),所以轉(zhuǎn)鼓做成細(xì)長(zhǎng)管式。)
高速離心機(jī)
按操作方式分
可將離心機(jī)分為以下型式:
1、間隙式離心機(jī):其加料、分離、洗滌和卸渣等過(guò)程都是間隙操作,并采用人工、重力或機(jī)械方法卸渣,如三足式和上懸式離心機(jī)。
2、連續(xù)式離心機(jī):其進(jìn)料、分離、洗滌和卸渣等過(guò)程,有間隙自動(dòng)進(jìn)行和連續(xù)自動(dòng)進(jìn)行兩種。
按卸渣方式分
可將離心機(jī)分為以下型式:
刮刀卸料離心機(jī)、活塞推料離心機(jī)
螺旋卸料離心機(jī)、離心力卸料離心機(jī)
振動(dòng)卸料離心機(jī)、顛動(dòng)卸料離心機(jī)
按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與市場(chǎng)使用份額分為以下四種
三足式離心機(jī)、螺旋離心機(jī)
碟片式分離機(jī)、管式分離機(jī)
按分離方式分
沉降式離心機(jī)、過(guò)濾式離心機(jī)
隨著石油、化工、紡織、醫(yī)藥等領(lǐng)域繼續(xù)不斷的發(fā)展速度,離心機(jī)市場(chǎng)規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。未來(lái),隨著實(shí)驗(yàn)室科研要求的不斷提升,離心機(jī)或?qū)⒊咚?、更精密、更智能的方向發(fā)展。
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