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一、前言

在离心实验中，“样品平衡”是保证设备安全、结果准确和转子寿命的关键环节之一。
对于赛默飞高速冷冻离心机 Legend Micro 17R，由于其转速最高可达 17,000 rpm，任何微小的不平衡都可能放大为巨大的离心力，导致设备震动、噪音增加、甚至机械损坏。
样品平衡不仅关乎操作安全，还直接影响样品分离效果和温度控制精度。

本章节将从平衡原理、分类方法、操作步骤、注意事项、常见错误及故障防范等方面，系统讲解 Legend Micro 17R 的样品平衡操作要求和科学方法，帮助实验人员建立标准化的实验习惯。

二、样品平衡的物理原理

离心过程中，样品管随转子高速旋转产生离心力。当所有孔位质量相等且对称时，离心力在中心轴处相互抵消，系统保持平衡。若某个孔位的质量稍有差异，就会产生偏心力，使转子旋转不均，引发震动。

这种偏心振动不仅影响离心效率，还会对以下部分造成损害：

1. 转子与轴承：产生异常磨损，缩短使用寿命。

2. 电机系统：负载不均导致电流波动和电机过热。

3. 腔体结构：长期振动可能导致金属疲劳。

4. 样品安全：高速振动易使离心管破裂或泄漏。

因此，在高速离心设备如 Legend Micro 17R 中，样品平衡精度要求极高。

三、样品平衡的分类

根据实验目的与样品类型，平衡可分为以下几类：

1. 质量平衡（Weight Balance）

最基本的平衡形式。
所有离心管及其中的液体必须重量相同，误差不得超过 0.01 g。

2. 对称平衡（Positional Balance）

样品管必须在转子孔内对称放置。
若使用两个孔位，必须相对放置；若使用四个孔位，则需呈十字分布。

3. 容积平衡（Volume Balance）

液体体积相等时才能保证质量平衡。密度不同的溶液需以重量校准而非体积。

4. 动态平衡（Dynamic Balance）

在设备运行状态下的整体平衡。
Legend Micro 17R 内置不平衡检测系统，会实时监测离心时的振动幅度，一旦超限立即停机。

四、样品平衡的操作步骤

1. 准备阶段

1. 检查所有离心管是否相同型号、相同容量。

2. 确认管盖完整、无裂纹。

3. 若管体质量存在差异，优先配对重量接近的管具。

2. 样品称量

1. 使用分析天平（精度 0.001 g）测量每支离心管总质量。

2. 以最重的一支为基准，通过加入缓冲液、蒸馏水或稀释液调整其他样品。

3. 每次添加液体后重新称量，直至平衡误差小于 0.01 g。

3. 对称放置

1. 将平衡好的离心管插入转子孔内，位置严格对称。

2. 若使用奇数管数，可添加“平衡管”填补空位。

3. 平衡管应使用与样品相同类型、相同体积的溶液，以保证密度一致。

4. 最终确认

• 用手轻轻旋转转子一圈，感受是否运转顺滑。

• 若出现晃动或卡顿，应重新调整样品位置。

• 合上腔盖前，再次确认所有孔位已填充或对称。

五、样品平衡的实例说明

1. 两管离心

当只离心两支管时，应将其放置在转子的相对孔位。

2. 四管离心

样品应分布于转子四个等角位置（每隔 90°）。

3. 多孔离心（如 24 孔转子）

若离心 6 管，可将其按六角星形对称分布。
若离心 3 管，则在相对三角分布点上插入三支样品，确保质心对称。

4. 非均匀样品

若样品密度差异较大（如含细胞沉淀与上清液），应在分装前充分混匀后称量。

六、平衡误差与运行影响

在高速离心机中，即使微小的质量差异也会放大成巨大的离心不平衡力。
假设转子半径为 7 cm，转速 15,000 rpm，若样品质量差 0.1 g，则偏心力计算如下：

F = m × ω² × r
ω = 2π × (rpm / 60)
当 rpm = 15,000 时，ω ≈ 1570 rad/s
F ≈ 0.0001 × (1570)² × 0.07 ≈ 172 N

即相当于 17 公斤的瞬时拉力作用于轴承。由此可见平衡的重要性。

七、平衡不良的常见表现与后果

1. 设备震动：明显的噪音或机身抖动。

2. 自动停机报警：系统检测到不平衡后触发安全停机。

3. 样品破裂或泄漏：离心管受到偏向冲击力。

4. 转轴磨损：长期轻微不平衡导致轴承偏磨。

5. 温度波动：制冷系统受振动干扰，温度控制精度下降。

6. 实验误差：沉淀不完全、分层不均匀，影响实验重复性。

八、不同类型样品的平衡技巧

1. 水相样品

直接使用蒸馏水作为平衡液，方便安全。

2. 有机溶剂样品

应用相同溶剂或密度相近液体进行平衡。禁止用水替代乙醇、氯仿等溶液。

3. 含悬浮颗粒样品

离心前充分混匀，避免沉淀导致质量变化。

4. 温度敏感样品

在预冷后平衡称量，因为温度变化可能导致密度不同步。

九、平衡辅助工具

1. 平衡支架

用于提前在实验台上确认样品位置的对称分布。

2. 微量天平

测量微量管重量的必备仪器，精度越高，平衡越精确。

3. 平衡管

专门用于填充空位的匹配离心管，可重复使用，内部装液体与样品管一致。

4. 平衡记录表

实验室应建立平衡登记制度，记录样品编号、质量、操作人。

十、自动平衡功能与系统原理

Legend Micro 17R 配备自动不平衡检测装置：

• 传感器结构：安装在转轴底部的振动传感器。

• 工作原理：当振动幅度超过设定阈值时，系统会发出警报并自动停机。

• 保护机制：防止电机过载与转轴损坏。

尽管系统具有自动保护功能，但它仅用于应急，而非替代人工平衡。
在高速离心前，仍需手动精确校正样品重量。

十一、平衡操作的特殊情况

1. 样品数量为奇数

• 增加一支平衡管填补空位。

• 若孔数为 24 个，样品为 5 个，则应在对角线孔位补齐平衡管。

2. 样品泄漏

运行中若发现腔体内液体溢出，说明样品密封或平衡错误。立即停机清理，重新称量。

3. 低速与高速转换

低速离心时可容忍轻微误差；高速运行（>10,000 rpm）则必须精准平衡。

4. 多层样品

对于存在两层或多层液体的样品（如血液分层），称量前应轻轻摇匀。

十二、常见错误及纠正

十三、样品平衡的维护与检查

1. 每次离心前：
    执行样品称量与对称检查。

2. 每周：
    检查转子孔内是否有磨损或液体残留。

3. 每月：
    用标准砝码测试称量误差，校正天平精度。

4. 每半年：
    检测离心机不平衡传感器灵敏度，确保报警系统有效。

十四、安全提示

• 离心前禁止使用不同批次、不同材料的离心管混用。

• 样品未平衡时，绝对不得尝试低速“试运行”来补偿。

• 若设备连续报警两次，应全面复查样品装载与转子固定情况。

• 对含危险物质的样品，应使用密封转子并双层防护。

十五、标准化操作流程（SOP 摘要）

1. 检查转子及腔体。

2. 准备并称量样品管。

3. 对称放置样品和平衡管。

4. 手动轻转转子确认无偏心。

5. 启动前检查盖锁与报警系统。

6. 运行过程中监控振动和声音。

7. 完成后记录样品平衡数据。

十六、实验误差与平衡关系分析

实验结果的重复性在很大程度上取决于离心平衡质量。
当转子微振动时，会导致离心力分布不均，使沉淀颗粒沿不同方向集中，造成层界模糊。尤其在核酸提取、蛋白沉淀等高精度实验中，不平衡可能直接影响产物纯度。

此外，不平衡还会造成热量积聚，影响制冷系统的温控响应，从而导致不同批次实验间的温度偏差。

十七、实验室管理与培训要求

• 每位实验人员必须掌握平衡操作流程并通过考核。

• 管理人员需定期检查实验记录表，确认操作合规。

• 对新入职人员，应进行样品平衡专项培训。

• 发生不平衡停机事故后，应立即填写设备异常报告并复盘原因。