為了建立實(shí)驗(yàn)室離心機(jī)規(guī)范操作與維護(hù)的技術(shù)保障體系，探索正確選擇各類離心技術(shù)與離心轉(zhuǎn)頭及附件的相互關(guān)系；分析了ＲCF、ＲPM、S值、K-值等常用離心參數(shù)的運(yùn)用條件與計(jì)算方法，功能配置評(píng)估離心轉(zhuǎn)頭、適配器與離心容器的合理性，根據(jù)離心容器材質(zhì)的理化耐受性合理選用和進(jìn)行預(yù)處理，制定基于風(fēng)險(xiǎn)控制的操作、監(jiān)測(cè)、維護(hù)、保養(yǎng)、生物安全等技術(shù)保障路徑。堅(jiān)持從實(shí)驗(yàn)應(yīng)用到工程維護(hù)的全技術(shù)流程管理，實(shí)行離心機(jī)使用維護(hù)的全技術(shù)路徑規(guī)范管理，有效保障了實(shí)驗(yàn)室離心機(jī)的正常使用。

0引言

離心是利用離心機(jī)驅(qū)動(dòng)離心轉(zhuǎn)頭及離心容器做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力以及被離心樣本物質(zhì)的沉降系數(shù)、或浮力密度的差別，完成分離、濃縮、提取制備，分析測(cè)定生物分子分子量及純度的一項(xiàng)常規(guī)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，其應(yīng)用覆蓋生命科學(xué)、材料學(xué)等相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)［1-3］。因此，為有效發(fā)揮離心機(jī)在科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究與科技創(chuàng)新中的作用，需要研究離心力與離心樣品間的相互作用關(guān)系，規(guī)范操作和維護(hù)技術(shù)路徑。

1離心技術(shù)的選擇與應(yīng)用

綜合有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道［4-6］，根據(jù)離心機(jī)相對(duì)離心力（ＲelativeCentrifugalForce，ＲCF）上限及其主要應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)室常用離心機(jī)大致可分為4類，見表1。

（1）離心速度。在離心驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)下轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)的速度，單位為r/min。

（2）相對(duì)離心力。物體以一定的角速度做圓周運(yùn)動(dòng)就產(chǎn)生離心力F=ω2r，但離心力要克服與其相垂直的地球重力以及樣品粒子的摩擦力、浮力影響（后兩者可忽略不計(jì)），故以ＲCF表示，ＲCF=ω2r/980，等于在離心場(chǎng)中作用于樣本粒子上的離心力相當(dāng)于地球重力的倍數(shù)，單位是重力加速度g，ＲCF=1000g則是重力加速度的1000倍。ＲCF的大小與離心速度及在離心容器中粒子距心軸的路徑（實(shí)際離心半徑）有關(guān)，即ＲCF=1．12r（n/1000）2，故有最大、平均和最?。褻F之分。樣品粒子能否得到有效分離主要取決于ＲCF，文獻(xiàn)中常給出最大或平均ＲCF為離心條件。轉(zhuǎn)頭額定轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的ＲCF可以通過離心半徑—ＲCF-ＲPM曲線換算，但精確ＲCF值還是建議查找生產(chǎn)廠轉(zhuǎn)頭參數(shù)表。

（3）沉降系數(shù)S。是樣本粒子重要的物理化學(xué)參數(shù)［7］，以Svedbergs值（S值=10－13s）表示對(duì)應(yīng)離心力樣品粒子的沉降速率，不同S值樣品粒子所需離心時(shí)間（沉降至容器底部）的表達(dá)式為t=1/Sω2·ln（rmax/rmin）。常見分離生物樣本的S值及參考離心條見表2

（4）K因數(shù)值。反映離心轉(zhuǎn)頭的效率，與其大小、材質(zhì)和速度有關(guān)。利用K值可估算出某S值樣本粒子的沉降時(shí)間：t=K/S；K值越小，轉(zhuǎn)頭離心效率越高，粒子沉降所需時(shí)間短［8］。

1．2離心技術(shù)

根據(jù)離心力與被離心物質(zhì)間的相互作用方式，可分為差速離心與密度梯度離心。

1．2．1差速離心

差速離心利用離心樣本組分中不同沉降系數(shù)粒子的沉降速度差別（如各細(xì)胞組分），經(jīng)一定速度、一定離心力及一定時(shí)間離心，先后沉降而得到分離。在此過程中樣本往往被分離為沉淀物和上清液兩部分。前提是待分離的兩種或幾種粒子的S值的差值足夠大（至少差10倍以上）才能得到較好的分離，如果兩種或幾種粒子的S值相差很小，則難得到好的分離。關(guān)鍵要精準(zhǔn)控制好分步離心的時(shí)間和速度，時(shí)間過長(zhǎng)或轉(zhuǎn)速過高會(huì)使不該沉降的顆粒也沉降下來，影響分離純化效果［9］。

1．2．2密度梯度離心

密度梯度離心是樣本在有密度梯度的惰性介質(zhì)液中進(jìn)行離心沉降或沉降平衡，即在一定離心力作用下把粒子分配到梯度液中相應(yīng)的位置上，形成不同區(qū)帶而得到分離［10］。密度梯度離心又可分為：

（1）密度梯度沉降離心或稱差速區(qū)帶離心。用于分離粒子大小、形狀各異（存在一定的S值差）而密度相近的樣本。梯度液密度＜樣本組分密度，先將樣本液加在梯度液液面上，在離心力作用下粒子各自以一定的速度沉降逐漸分離在離心容器中依沉降系數(shù)大小形成由下至上的區(qū)帶。操作要領(lǐng)是需精確設(shè)定離心時(shí)間（各樣本區(qū)帶間拉開到最大距離后即停機(jī)），降速不能過快。

（2）等密度離心。待分離樣本粒子在密度梯度液密度范圍內(nèi)，離心前加樣其中呈均勻分布，在離心力的作用下，依不同粒子的浮力密度差，或向下沉降、或向上浮起，最終沿梯度移動(dòng)到與它們恰好相等的密度梯度位置上（即等密度點(diǎn)）形成區(qū)帶。離心效果取決于粒子的浮力密度差，差值越大分離效果越好，與粒子的大小、形狀無關(guān)，但后兩者涉及到平衡的速度、時(shí)間及區(qū)帶的寬度。離心時(shí)間一般要長(zhǎng)于差速區(qū)帶離心。

1．3離心轉(zhuǎn)頭的選擇

實(shí)驗(yàn)室離心機(jī)通常配置是固定角和水平轉(zhuǎn)頭，個(gè)

別生產(chǎn)廠還可提供鼓式轉(zhuǎn)頭、細(xì)胞離心涂片裝置等；高速及以上離心機(jī)可配置垂直、近垂直、區(qū)帶轉(zhuǎn)頭等。

選擇轉(zhuǎn)頭主要依據(jù)實(shí)驗(yàn)室的功能定位及其對(duì)離心技術(shù)的需求［11-12］，3種主要離心技術(shù)轉(zhuǎn)頭選擇見表3。1．3．1離心條件的轉(zhuǎn)換計(jì)算當(dāng)離心技術(shù)確定之后，完成某種樣品的有效離心分離，常關(guān)注的離心參數(shù)是S值、ＲCF、離心時(shí)間。多數(shù)情況下，這些參數(shù)主要從文獻(xiàn)中獲得。存在的問題是，文獻(xiàn)上給出的離心條件往往與所在實(shí)驗(yàn)室可利用離心機(jī)的性能有一定差異，如何將文獻(xiàn)離心條件轉(zhuǎn)化在本實(shí)驗(yàn)室離心機(jī)上使用，常用計(jì)算方法如下。

在給出T1和ＲCF1的情況下，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有離心轉(zhuǎn)頭ＲCF2轉(zhuǎn)換所需T2:T2=T1×ＲCF1/ＲCF2;

在給出T1和K1的情況下，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有離心轉(zhuǎn)頭K2轉(zhuǎn)換所需T2:T2=T1×K1/K2。獲得精準(zhǔn)計(jì)算，一定要建檔管理離心機(jī)使用說明書、使用記錄等技術(shù)資料［13］，隨時(shí)可調(diào)用參考。另轉(zhuǎn)換范圍控制在20%為宜，不能偏離過大，因?yàn)闆]有足夠的離心力即便是延長(zhǎng)離心時(shí)間也無意義。

1．3．2離心容器的選擇

除要考慮離心容器的式樣、容量外，常被忽略的是容器的物理及化學(xué)耐受性，材質(zhì)不同的塑料離心管物理和化學(xué)耐受性各異，常發(fā)生由于錯(cuò)選材質(zhì)而導(dǎo)致容器溶裂、破損，有機(jī)溶劑濺出腐蝕儀器事件。常用離心容器材質(zhì)為多聚物(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)，其理化耐受性見表4。

1．4主要操作注意事項(xiàng)

離心機(jī)的應(yīng)用存在著一定的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)把風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理念貫穿與離心過程、規(guī)范操作。

（1）必要的檢查與測(cè)試。檢查離心容器與離心轉(zhuǎn)頭孔位或套筒適配性，在高速離心時(shí)，必保證離心容器與離心轉(zhuǎn)頭孔位適形，特別是在使用錐形底管的情況下，避免在強(qiáng)離心力作用下管底堆陷。

檢查離心轉(zhuǎn)頭（特別是高速以上轉(zhuǎn)頭）的外觀有否劃痕或裂紋，根據(jù)情況決定是否停用或減速使用（至少減速額定轉(zhuǎn)數(shù)的10%）。

定期核查對(duì)超速離心機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其轉(zhuǎn)頭的累計(jì)使用時(shí)間，一旦超過生產(chǎn)廠給定的保證期要做出減速評(píng)估［14］。超速離心機(jī)的使用者要經(jīng)過培訓(xùn)［15］、考核取得資質(zhì)后方可上崗操作，更好安排專門人員負(fù)責(zé)。

檢查真空泵的油水平和實(shí)際真空度；如真空路徑裝有HEPA濾器，要復(fù)核其使用時(shí)間。

檢查離心艙內(nèi)及轉(zhuǎn)頭或離心容器適配器件內(nèi)有否離心容器碎片、殘留水等異物，并清除之；復(fù)核轉(zhuǎn)頭和水平轉(zhuǎn)頭的離心（吊）桶是否安放到位。

檢查離心容器有否變形、裂紋、損傷或老化現(xiàn)象，擦干離心容器外壁上的水跡。

檢查離心容器加樣量，一般原則是無蓋容器不要裝得過滿，以免離心甩出；而在高速或超速離心時(shí)使用帶有密封器件或壓封蓋的容器時(shí)，則常要求裝滿以避免在離心力作用下造成變形陷裂。可參考生產(chǎn)廠提供的轉(zhuǎn)頭及容器手冊(cè)，會(huì)標(biāo)明不同形狀、材質(zhì)離心容器在不同轉(zhuǎn)速時(shí)額定加樣量。

（2）離心配平。離心配平是指離心轉(zhuǎn)頭及吊桶的管位幾何學(xué)對(duì)稱重量平衡，乃至轉(zhuǎn)頭整體平衡，保證轉(zhuǎn)頭負(fù)載分布均勻；不要采取容量配平（特別是在高速以上離心），因?yàn)殡x心容器、加樣器等會(huì)存在偏差。

檢查離心轉(zhuǎn)頭及離心吊桶管位內(nèi)有否殘留有容器碎片或液體（制冷離心后，放置一定時(shí)間也可能出冷凝水），要排除這些潛在的不平衡因素。

檢查水平頭安裝的吊桶自重是否對(duì)應(yīng)配平，生產(chǎn)廠會(huì)在吊桶上標(biāo)記重量；當(dāng)裝載不同容量樣本一起離心時(shí)，盡量避免使用兩對(duì)自重差別較大的管架。

近代離心機(jī)多裝有失平衡保護(hù)功能，要嚴(yán)格控制偏差在額定重量以內(nèi)；但良好選擇是堅(jiān)持在天平上精密完成一對(duì)一配平操作，避免離心驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)常在不平衡調(diào)整狀態(tài)運(yùn)行。在吊桶或管架中放置多管離心時(shí)，建議要連同吊桶或管架一起完成配平。

（3）預(yù)冷。預(yù)冷系指離心轉(zhuǎn)頭及其裝載附件和離心艙的預(yù)冷。更好將轉(zhuǎn)頭先放在冰箱或冷室，進(jìn)而保證轉(zhuǎn)頭整體預(yù)冷。離心艙和小體積轉(zhuǎn)頭的預(yù)冷，可以在離心前，設(shè)置欲控制溫度在1000～2000r/min運(yùn)轉(zhuǎn)10～20min（視室溫），或使用離心機(jī)預(yù)冷程序。對(duì)大體積轉(zhuǎn)頭，建議事先放置在冷室或冰箱內(nèi)預(yù)冷。

（4）其他。啟動(dòng)離心機(jī)后不能隨即離開實(shí)驗(yàn)室，要監(jiān)測(cè)運(yùn)行到設(shè)定轉(zhuǎn)速且平穩(wěn)、無任何異常聲響后方可。但使用高速、超速離心機(jī)時(shí)，建議要在位密切監(jiān)測(cè)儀器運(yùn)行狀況。

如開啟離心艙蓋后轉(zhuǎn)頭還在余轉(zhuǎn)，禁忌用手制停。

對(duì)疑有生物污染的樣品，應(yīng)在生物安全柜中上樣，離心后也要在生物安全柜中靜置待氣溶膠下落后方可打開轉(zhuǎn)頭密封蓋取樣，BSL3級(jí)及以上實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的離心操作應(yīng)參照有關(guān)生物安全操作指南［16］。