离心机的工作原理、离心力的换算以及离心转子的选择

一、离心机的工作原理

离心机样本进行沉降分离的物理学基础是通过离心力对样本的作用。当将装有样本的离心管放入离心机中，离心机开始工作，样本做匀速圆周运动，于是产生一个向外的离心力。旋转的半径越大，旋转的速度越快，离心力越大，颗粒沉降越快。由于不同颗粒的质量、密度、大小、形状各不相同，在同一固定的离心场中沉降速度不同。

二、离心力和相对离心力

1.离心力

F=mw²r（其中F为离心力强度，m为沉降颗粒的有效质量，W为离心转子转动的角速度，单位为rad/s，r为离心半径cm，即离心机轴中央到水平离心机试管底部的距离，或者垂直式离心机试管口中央的距离）

2.相对离心力RCF（Relative Centrifugal Force）

离心力通常用相对离心力RCF表示，即离心力F的大小相对应地球引力的多少倍，单位为g。RCF是一个只与离心机相关的参数，与样本无直接的关系。

相对离心力（RCF）是衡量离心效果的真正标准，因为它直接反映了样品所承受的离心力大小，从而决定了颗粒分离的效率和速度。无论离心机的转子大小、型号如何，只要RCF值相同，样品所受到的离心力就是相同的。这使得不同实验室、不同型号离心机之间的实验条件具有可比性。

三、转速RPM

RPM，全称Revolutions Per Minute，意为“每分钟转数”。它是一个描述离心机转子纯粹旋转速度的单位，表示转子在单位时间内（一分钟）旋转了多少圈。例如，当一台离心机显示其转速为10,000 RPM时，意味着其转子每分钟旋转一万圈。

它仅描述机器转子转动的快慢。该参数仅反映转子的转动频率。

四、RPM与RCF换算

RCF和RPM之间的转换公式如下：

RCF = 1.118 × 10^(-5) × r × (RPM)^2

或：

g = (RPM / 1000)^2 × r × 11.18

公式中各项的含义与单位：

RCF (g)：相对离心力，单位为“g”（地球重力加速度的倍数）。

r：离心半径，单位为“厘米（cm）”。这是指从转子轴心到离心管底部（或样品中心）的有效旋转半径。

RPM：每分钟转数，单位为“转/分钟”。

1.118 × 10^(-5)：这是一个常数，用于平衡单位并使结果以“g”表示。

五、离心转子的选择

转子是离心机的有机组成部分，可分为水平转子、角转子，每个转子各有应用范围。

1.水平转子

水平转子的吊篮可以90°的角度水平摆出，让样品沉淀直接位于管底部的中间。这些转子的优势在于，可提供不同的适配器选择，能够实现大容量和高灵活性。

样品分离效果：

样品沉淀位于管底中部，而不是像固定角转一样将样品沉淀于管壁侧面，好处就是：当待分离样品的浓度较低时，只要让样品尽可能密集沉淀于管底，然后使用小体积的缓冲液来重悬沉淀，就能让样品浓度尽可能高。另外，梯度离心也需要使用水平转子，这样才能形成多个水平梯度层，同时保证在离心结束也能保持各个水平梯度的位置。

需要使用水平转子的场景：

① 样品通量较高；

② 需进行梯度离心；

③ 需要把样品离心至管底中间；

2.角转子

（1）固定角转子

固定角转就是样品管在固定的角度下完成离心，样品通常沉淀在管壁。固定角转没有像水平转子那样可移动的部件，转子承受的金属压力较小，因此，固定角转可以实现更高的相对离心力和由此而缩短的离心时间（Eppendorf 5430 R 相对离心力最高可达30,000 x g）。缺点是离心通量有限（Eppendorf台式离心机最大离心通量6x250 mL, 落地高速离心机最大离心通量 6 x 1L）。

样品分离效果

大多数固定角度的转子孔在45°角度时可以形成最紧密的样品沉淀。小于45°的固定角度转子则可导致样品沉淀区域更分散，在转移上清时可能产生沉淀的再次重悬，影响分离效果。

需要使用固定角转子的场景：

① 需要更大的相对离心力才能彻底分离；

② 需要更紧凑的颗粒；

③ 样品体积较少；

（2）垂直角转子

离心管垂直放置，离心力方向与管轴平行，样品沿离心管长度方向快速沉降，沉降路径为三类转子中最短。优点：分离速度最快，且能减少样品扩散，显著提升分离精细度，适配严苛的超速离心实验需求。

需要使用垂直角转的场景：

主要用于超速离心机，可实现亚细胞组分（如线粒体、叶绿体）分离、密度梯度离心的快速制备等精细实验，是科研领域精准分离的关键部件。

关于转子选择总结：

六、不同转子的FCF值（g值）、rpm值、r值的关系

可以从以下2个图中读出：

高速转子的相对离心力列线图

要确定某一列上的未知值时，用尺子排列其他两列的已知值，所需落在尺子与第三列的交切处。如：转子速度80000rpm，旋转半径20mm时，相对离心力FCF值约为150000g。

低速转子的相对离心力列线图

要确定某一列上的未知值时，用尺子排列其他两列的已知值，所需落在尺子与第三列的交切处。如：转子速度5000rpm，旋转半径40mm时，相对离心力FCF值约为1100g。

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