实验室离心技术与仪器维护

为了建立实验室离心机规范操作与维护的技术保障体系，探索正确选择各类离心技术与离心转头及附件的相互关系；分析了ＲCF、ＲPM、S值、K-值等常用离心参数的运用条件与计算方法，功能配置评估离心转头、适配器与离心容器的合理性，根据离心容器材质的理化耐受性合理选用和进行预处理，制定基于风险控制的操作、监测、维护、保养、生物安全等技术保障路径。坚持从实验应用到工程维护的全技术流程管理，实行离心机使用维护的全技术路径规范管理，有效保障了实验室离心机的正常使用。

0引言

离心是利用离心机驱动离心转头及离心容器做旋转运动产生的离心力以及被离心样本物质的沉降系数、或浮力密度的差别，完成分离、浓缩、提取制备，分析测定生物分子分子量及纯度的一项常规实验技术，其应用覆盖生命科学、材料学等相关专业实验［1-3］。因此，为有效发挥离心机在科学实验研究与科技创新中的作用，需要研究离心力与离心样品间的相互作用关系，规范操作和维护技术路径。

1离心技术的选择与应用

综合有关文献报道［4-6］，根据离心机相对离心力（ＲelativeCentrifugalForce，ＲCF）上限及其主要应用，实验室常用离心机大致可分为4类，见表1。

（1）离心速度。在离心驱动系统带动下转头旋转的速度，单位为r/min。

（2）相对离心力。物体以一定的角速度做圆周运动就产生离心力F=ω2r，但离心力要克服与其相垂直的地球重力以及样品粒子的摩擦力、浮力影响（后两者可忽略不计），故以ＲCF表示，ＲCF=ω2r/980，等于在离心场中作用于样本粒子上的离心力相当于地球重力的倍数，单位是重力加速度g，ＲCF=1000g则是重力加速度的1000倍。ＲCF的大小与离心速度及在离心容器中粒子距心轴的路径（实际离心半径）有关，即ＲCF=1．12r（n/1000）2，故有最大、平均和最小ＲCF之分。样品粒子能否得到有效分离主要取决于ＲCF，文献中常给出最大或平均ＲCF为离心条件。转头额定转速所对应的ＲCF可以通过离心半径—ＲCF-ＲPM曲线换算，但精确ＲCF值还是建议查找生产厂转头参数表。

（3）沉降系数S。是样本粒子重要的物理化学参数［7］，以Svedbergs值（S值=10－13s）表示对应离心力样品粒子的沉降速率，不同S值样品粒子所需离心时间（沉降至容器底部）的表达式为t=1/Sω2·ln（rmax/rmin）。常见分离生物样本的S值及参考离心条见表2

（4）K因数值。反映离心转头的效率，与其大小、材质和速度有关。利用K值可估算出某S值样本粒子的沉降时间：t=K/S；K值越小，转头离心效率越高，粒子沉降所需时间短［8］。

1．2离心技术

根据离心力与被离心物质间的相互作用方式，可分为差速离心与密度梯度离心。

1．2．1差速离心

差速离心利用离心样本组分中不同沉降系数粒子的沉降速度差别（如各细胞组分），经一定速度、一定离心力及一定时间离心，先后沉降而得到分离。在此过程中样本往往被分离为沉淀物和上清液两部分。前提是待分离的两种或几种粒子的S值的差值足够大（至少差10倍以上）才能得到较好的分离，如果两种或几种粒子的S值相差很小，则难得到好的分离。关键要精准控制好分步离心的时间和速度，时间过长或转速过高会使不该沉降的颗粒也沉降下来，影响分离纯化效果［9］。

1．2．2密度梯度离心

密度梯度离心是样本在有密度梯度的惰性介质液中进行离心沉降或沉降平衡，即在一定离心力作用下把粒子分配到梯度液中相应的位置上，形成不同区带而得到分离［10］。密度梯度离心又可分为：

（1）密度梯度沉降离心或称差速区带离心。用于分离粒子大小、形状各异（存在一定的S值差）而密度相近的样本。梯度液密度＜样本组分密度，先将样本液加在梯度液液面上，在离心力作用下粒子各自以一定的速度沉降逐渐分离在离心容器中依沉降系数大小形成由下至上的区带。操作要领是需精确设定离心时间（各样本区带间拉开到最大距离后即停机），降速不能过快。

（2）等密度离心。待分离样本粒子在密度梯度液密度范围内，离心前加样其中呈均匀分布，在离心力的作用下，依不同粒子的浮力密度差，或向下沉降、或向上浮起，最终沿梯度移动到与它们恰好相等的密度梯度位置上（即等密度点）形成区带。离心效果取决于粒子的浮力密度差，差值越大分离效果越好，与粒子的大小、形状无关，但后两者涉及到平衡的速度、时间及区带的宽度。离心时间一般要长于差速区带离心。

1．3离心转头的选择

实验室离心机通常配置是固定角和水平转头，个

别生产厂还可提供鼓式转头、细胞离心涂片装置等；高速及以上离心机可配置垂直、近垂直、区带转头等。

选择转头主要依据实验室的功能定位及其对离心技术的需求［11-12］，3种主要离心技术转头选择见表3。1．3．1离心条件的转换计算当离心技术确定之后，完成某种样品的有效离心分离，常关注的离心参数是S值、ＲCF、离心时间。多数情况下，这些参数主要从文献中获得。存在的问题是，文献上给出的离心条件往往与所在实验室可利用离心机的性能有一定差异，如何将文献离心条件转化在本实验室离心机上使用，常用计算方法如下。

在给出T1和ＲCF1的情况下，根据实验室现有离心转头ＲCF2转换所需T2:T2=T1×ＲCF1/ＲCF2;

在给出T1和K1的情况下，根据实验室现有离心转头K2转换所需T2:T2=T1×K1/K2。获得精准计算，一定要建档管理离心机使用说明书、使用记录等技术资料［13］，随时可调用参考。另转换范围控制在20%为宜，不能偏离过大，因为没有足够的离心力即便是延长离心时间也无意义。

1．3．2离心容器的选择

除要考虑离心容器的式样、容量外，常被忽略的是容器的物理及化学耐受性，材质不同的塑料离心管物理和化学耐受性各异，常发生由于错选材质而导致容器溶裂、破损，有机溶剂溅出腐蚀仪器事件。常用离心容器材质为多聚物(Polyallomer，PA)、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、聚丙烯(Polypropylene，PP)、聚砜(Polysulfone，PSF)、聚乙烯(Polyethylene，PE)和聚苯乙烯-Polystyrene(PS)，其理化耐受性见表4。

1．4主要操作注意事项

离心机的应用存在着一定的风险，应把风险评估理念贯穿与离心过程、规范操作。

（1）必要的检查与测试。检查离心容器与离心转头孔位或套筒适配性，在高速离心时，必保证离心容器与离心转头孔位适形，特别是在使用锥形底管的情况下，避免在强离心力作用下管底堆陷。

检查离心转头（特别是高速以上转头）的外观有否划痕或裂纹，根据情况决定是否停用或减速使用（至少减速额定转数的10%）。

定期核查对超速离心机驱动系统及其转头的累计使用时间，一旦超过生产厂给定的保证期要做出减速评估［14］。超速离心机的使用者要经过培训［15］、考核取得资质后方可上岗操作，更好安排专门人员负责。

检查真空泵的油水平和实际真空度；如真空路径装有HEPA滤器，要复核其使用时间。

检查离心舱内及转头或离心容器适配器件内有否离心容器碎片、残留水等异物，并清除之；复核转头和水平转头的离心（吊）桶是否安放到位。

检查离心容器有否变形、裂纹、损伤或老化现象，擦干离心容器外壁上的水迹。

检查离心容器加样量，一般原则是无盖容器不要装得过满，以免离心甩出；而在高速或超速离心时使用带有密封器件或压封盖的容器时，则常要求装满以避免在离心力作用下造成变形陷裂。可参考生产厂提供的转头及容器手册，会标明不同形状、材质离心容器在不同转速时额定加样量。

（2）离心配平。离心配平是指离心转头及吊桶的管位几何学对称重量平衡，乃至转头整体平衡，保证转头负载分布均匀；不要采取容量配平（特别是在高速以上离心），因为离心容器、加样器等会存在偏差。

检查离心转头及离心吊桶管位内有否残留有容器碎片或液体（制冷离心后，放置一定时间也可能出冷凝水），要排除这些潜在的不平衡因素。

检查水平头安装的吊桶自重是否对应配平，生产厂会在吊桶上标记重量；当装载不同容量样本一起离心时，尽量避免使用两对自重差别较大的管架。

近代离心机多装有失平衡保护功能，要严格控制偏差在额定重量以内；但良好选择是坚持在天平上精密完成一对一配平操作，避免离心驱动系统常在不平衡调整状态运行。在吊桶或管架中放置多管离心时，建议要连同吊桶或管架一起完成配平。

（3）预冷。预冷系指离心转头及其装载附件和离心舱的预冷。更好将转头先放在冰箱或冷室，进而保证转头整体预冷。离心舱和小体积转头的预冷，可以在离心前，设置欲控制温度在1000～2000r/min运转10～20min（视室温），或使用离心机预冷程序。对大体积转头，建议事先放置在冷室或冰箱内预冷。

（4）其他。启动离心机后不能随即离开实验室，要监测运行到设定转速且平稳、无任何异常声响后方可。但使用高速、超速离心机时，建议要在位密切监测仪器运行状况。

如开启离心舱盖后转头还在余转，禁忌用手制停。

对疑有生物污染的样品，应在生物安全柜中上样，离心后也要在生物安全柜中静置待气溶胶下落后方可打开转头密封盖取样，BSL3级及以上实验室内的离心操作应参照有关生物安全操作指南［16］。