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一、前言

离心技术是现代生物化学、细胞学、分子生物学及医学检验中最常用的物理分离方法之一。
赛默飞高速冷冻离心机 Legend Micro 17R 作为一款高精度台式离心设备，利用高速旋转产生的强大离心力，将样品中不同密度、不同粒径的颗粒分离出来。
其独特之处在于：高速、高效、控温精准，并能保持样品在低温环境下稳定不变性。

理解 Legend Micro 17R 的离心原理，有助于操作者正确设定参数、提高分离效率、延长仪器寿命，并确保实验数据的准确性和可重复性。

二、离心基本原理

1. 向心力与离心力

当物体绕固定轴旋转时，受到两个相反方向的力作用：

• 向心力（Fc）：指向旋转中心，使物体保持圆周运动。

• 离心力（F）：相对于旋转参考系表现为指向外的惯性力，数值等于向心力。

离心力的数学表达式为：

F = m × ω² × r

其中：

• m 为颗粒质量（kg）；

• ω 为角速度（rad/s）；

• r 为颗粒距旋转中心的半径（m）。

当离心机以高速运转时，不同密度和质量的颗粒受到不同大小的离心力，从而沿半径方向发生分离。

2. 相对离心力（RCF）

为了统一表示不同设备下的离心效果，引入了相对离心力（Relative Centrifugal Force, RCF）概念：

RCF = 1.118 × 10⁻⁵ × r × (RPM)²

其中：

• r：转子半径（cm）

• RPM：每分钟转速

RCF 越大，颗粒沉降越快。
Legend Micro 17R 最大转速可达 17,000 rpm，对应最大 RCF 约 25,000 × g，可实现细胞器、核酸、蛋白复合物等微粒级分离。

三、离心分离的物理过程

离心分离本质上是颗粒在流体中受力运动的过程。
颗粒在离心场中受到三种主要作用力：

1. 离心力 F₁ = m ω² r
    推动颗粒向外沉降；

2. 浮力 F₂ = V ρₗ ω² r
    流体对颗粒产生的反向作用，取决于溶液密度 ρₗ；

3. 阻力 F₃ = 6 π η rₚ v
    颗粒在流体中移动时受到的黏滞阻力，取决于流体黏度 η、颗粒半径 rₚ 及速度 v。

颗粒达到平衡速度时，三种力相互平衡：

m ω² r – V ρₗ ω² r – 6 π η rₚ v = 0

此时沉降速度 v 即为稳定速度。由此可见，颗粒沉降速度取决于颗粒尺寸、密度差、液体黏度与离心力强度。

四、离心分离的类型

1. 差速离心（Differential Centrifugation）

最基础的离心方式，通过逐级提高转速和时间，使样品中颗粒按大小和密度依次沉降。
常用于分离：

• 细胞核（低速 1,000 × g）；

• 线粒体（中速 10,000 × g）；

• 核糖体、病毒颗粒（高速 20,000 × g 以上）。

Legend Micro 17R 可在短时间内实现多级速度调控，适合差速分离实验。

2. 等密度梯度离心（Density Gradient Centrifugation）

在离心管中建立密度梯度介质（如蔗糖、CsCl），颗粒在离心力作用下移动到与自身密度相等的位置。
用于分离：

• DNA 亚型；

• 蛋白质复合物；

• 亚细胞组分。

3. 区带离心（Zonal Centrifugation）

样品加载于梯度上层，离心后不同颗粒按沉降速率形成清晰区带，不发生再混合。
适合分析性分离，常用于样品纯度检测。

五、Legend Micro 17R 的离心系统设计原理

1. 高速驱动系统

设备采用无刷感应电机（Brushless Induction Motor），特点如下：

• 启动平稳、噪音低；

• 无碳刷磨损，免维护；

• 电机响应快，转速控制精度高（误差 ≤ ±10 rpm）。

内置闭环速度反馈控制系统，通过光电传感器实时监测转速并自动调整电流，实现恒速运行。

2. 转子设计原理

Legend Micro 17R 配备固定角转子（Fixed-Angle Rotor），角度 25°–45°。
在离心过程中，颗粒沿管壁下滑至底部。
角度设计保证沉淀层紧密、沉降路径短，分离效率高。

转子材料为高强度阳极氧化铝合金，兼顾轻量与强度，可承受高离心应力。

3. 制冷与温控系统

高速旋转会产生大量热量，温度升高将影响生物样品稳定性。
Legend Micro 17R 采用无氟压缩机制冷系统，配合温度传感器与PID 反馈控制，实现 −9 ℃ 至 +40 ℃ 范围内的恒温控制。
低温环境下，样品分离更加稳定，避免酶活性丧失或蛋白降解。

六、样品沉降与分离机理

1. 沉降速度公式

颗粒在离心场中达到稳定后，其沉降速度 v 可表示为：

v = (2 rₚ² (ρₚ – ρₗ) ω² r) / (9 η)

式中：

• ρₚ：颗粒密度；

• ρₗ：溶液密度；

• η：溶液黏度。

由此可见，沉降速度与颗粒半径平方成正比，与介质黏度成反比。
因此，较大颗粒或高密度颗粒会更快沉降。

2. 沉降路径与离心时间

固定角转子中，颗粒沿斜面滑向底部，路径短、沉降快。
离心时间 t 与沉降路径 l 和速度 v 关系为：

t = l / v

通过调整转速和时间，可控制颗粒是否完全沉降或保持悬浮。

3. 温度对沉降的影响

温度升高会降低溶液黏度，使沉降速度加快，但可能损害生物样品活性。
Legend Micro 17R 的控温系统通过快速制冷与恒温调节，确保温度波动不超过 ±1 ℃，在保持分离效率的同时保护样品稳定性。

七、离心平衡与安全原理

高速离心设备中，平衡原理直接关系到机械安全。

• 对称性平衡：转子上各管孔需相对对称、质量相等，防止偏心振动。

• 动态平衡检测：Legend Micro 17R 内置振动传感器，检测转子运行时的偏移量。
   一旦偏差超过允许范围，系统立即停机，防止电机损坏。

• 盖锁保护机制：电控盖锁系统在运行期间自动锁紧，防止腔盖飞开。

这些安全设计确保在 17,000 rpm 高速状态下设备依然平稳运行。

八、离心力的梯度与分层原理

在离心管中，液体不同位置离心力并不相等。距离转轴越远，离心力越大。
这种离心力梯度形成不同的密度层：

• 重组分迅速沉降到底部；

• 轻组分停留在上层；

• 中间形成过渡区。

样品分层的清晰程度取决于：

1. 转速与时间；

2. 样品密度差；

3. 转子角度；

4. 温度与溶液黏度。

Legend Micro 17R 通过高精度速度控制，使分层界面锐利、沉淀紧密。

九、离心效率与影响因素

1. 影响离心效果的主要因素

2. 优化策略

• 预冷转子，降低热量干扰；

• 严格平衡样品，减少能量损失；

• 根据实验目标选择最优 RCF 与时间组合。

十、Legend Micro 17R 在不同实验中的原理应用

1. 细胞组分分离

通过分级转速离心实现细胞核、线粒体、微粒体的顺序沉降。
原理依据颗粒密度和大小差异，低速去除大颗粒，高速获得微粒组分。

2. 核酸提取

利用高速离心使DNA或RNA与杂质分层，清洗后沉淀。
离心力确保核酸聚集并贴附于管底。

3. 蛋白纯化

蛋白沉淀依赖于离心加速度与缓冲体系密度。
适当控制温度与转速，可保持蛋白活性。

4. 微生物收集

在 8,000 – 12,000 rpm 条件下，细胞迅速聚集成紧密沉淀，便于后续裂解与提取。

十一、动力学模型与分离效率分析

1. 沉降系数 (s-value)

描述颗粒沉降能力的参数：

s = v / (ω² r)

单位为 Svedberg（S，1 S = 10⁻¹³ s）。
颗粒越大或密度越高，沉降系数越大。

2. 分离界面的形成

在梯度离心中，不同 s 值的颗粒在梯度介质中停留于各自平衡位置，形成稳定界面。
Legend Micro 17R 通过恒速控制，使界面清晰分布。

3. 时间优化

离心时间与沉降距离呈线性关系：

t = (ln r₂ – ln r₁) / (s ω²)

合理设置时间可防止颗粒沉降过头或重新悬浮。

十二、温控离心的物理原理

高速旋转会产生摩擦热，使腔体温度升高。
温度升高会导致：

• 样品黏度下降、离心速率变化；

• 生物分子失活。

Legend Micro 17R 采用以下温控原理：

1. 压缩机制冷 —— 吸收腔体热量；

2. 热传导平衡 —— 金属腔体快速散热；

3. 反馈调节 —— 温度传感器实时监测，PID 算法自动控制。

通过此系统，设备能在高速运行中保持低温恒稳，实现冷冻离心的“动态平衡控制”。

十三、离心机运行的力学安全基础

1. 转子应力分析

转子在高速旋转时，承受径向拉应力与切向应力。
其安全设计依据公式：

σ = ρ ω² (r₂² – r₁²) / 2

为防止材料疲劳，转子最大应力不得超过材料屈服极限的 70%。
Legend Micro 17R 的铝合金转子经过阳极氧化与动平衡测试，确保长期高速使用的结构安全。

2. 动平衡校正

制造过程中通过精密动平衡仪校准转子质量分布，使振动幅度控制在 0.2 mm 以内，确保高速运转稳定。

十四、影响分离准确性的细节因素

1. 样品密度差不足：需引入梯度介质增强分离。

2. 液体过多或过少：样品体积影响离心路径与阻力。

3. 转子选择不当：角度越小，沉降越集中；角度越大，分层更明显。

4. 样品装载不平衡：会引起振动、离心力偏移。

5. 温度变化剧烈：改变介质黏度，影响分层清晰度。

十五、科学离心原理的延伸

离心不仅限于生物样品分离，其原理广泛用于：

• 纳米颗粒纯化；

• 医用血浆制备；

• 药物载体分级；

• 工业废水中固液分离。

无论应用领域如何变化，其核心仍是“密度差驱动的加速沉降”，而 Legend Micro 17R 通过精密的控制系统将这一原理发挥到极致。