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實驗室離心機的主要構(gòu)造和類型

時間:2015年12月22日 信息來源:湘智離心機 字體: 打印此頁

 離心機可分為工業(yè)用離心機和實驗用離心機。實驗用離心機又分為制備性離心機和分析性離心機,制備性離心機主要用于分離各種生物材料,每次分離的樣品容量比較大,分析性離心機一般都帶有光學系統(tǒng),主要用于研究純的生物大分子和顆粒的理化性質(zhì),依據(jù)待測物質(zhì)在離心場中的行為(用離心機中的光學系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測),能推斷物質(zhì)的純度、形狀和分子量等。分析性離心機都是超速離心機。
    1.制備性離心機可分為三類:
    ⑴普通離心機:最大轉(zhuǎn)速6000rpm左右,最大相對離心力近6000×g,容量為幾十毫升至幾升,分離形式是固液沉降分離,轉(zhuǎn)子有角式和外擺式,其轉(zhuǎn)速不能嚴格控制,通常不帶冷凍系統(tǒng),于室溫下操作,用于收集易沉降的大顆粒物質(zhì),如紅血球、酵母細胞等。這種離心機多用交流整流子電動機驅(qū)動,電機的碳刷易磨損,轉(zhuǎn)速是用電壓調(diào)壓器調(diào)節(jié),起動電流大,速度升降不均勻,一般轉(zhuǎn)頭是置于一個硬質(zhì)鋼軸上,因此精確地平衡離心管及內(nèi)容物就極為重要,否則會損壞離心機。
    ⑵高速冷凍離心機:最大轉(zhuǎn)速為20000~25000rpm(r/min),最大相對離心力為89000×g,最大容量可達3升,分離形式也是固液沉降分離,轉(zhuǎn)頭配有各種角式轉(zhuǎn)頭、蕩平式轉(zhuǎn)頭、區(qū)帶轉(zhuǎn)頭、垂直轉(zhuǎn)頭和大容量連續(xù)流動式轉(zhuǎn)頭、一般都有制冷系統(tǒng),以消除高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)頭與空氣之間摩擦而產(chǎn)生的熱量,離心室的溫度可以調(diào)節(jié)和維持在0~40C,轉(zhuǎn)速、溫度和時間都可以嚴格準確地控制,并有指針或數(shù)字顯示,通常用于微生物菌體、細胞碎片、大細胞器、硫銨沉淀和免疫沉淀物等的分離純化工作,但不能有效地沉降病毒、小細胞器(如核蛋白體)或單個分子。
    ⑶超速離心機:轉(zhuǎn)速可達50000~80000rpm,相對離心力最大可達510000×g,最著名的生產(chǎn)廠商有美國的貝克曼公司和日本的日立公司等,離心容量由幾十毫升至2升,分離的形式是差速沉降分離和密度梯度區(qū)帶分離,離心管平衡允許的誤差要小于0.1克。超速離心機的出現(xiàn),使生物科學的研究領(lǐng)域有了新的擴展,它能使過去僅僅在電子顯微鏡觀察到的亞細胞器得到分級分離,還可以分離病毒、核酸、蛋白質(zhì)和多糖等。
       超速離心機主要由驅(qū)動和速度控制、溫度控制、真空系統(tǒng)和轉(zhuǎn)頭四部分組成。超速離心機的驅(qū)動裝置是由水冷或風冷電動機通過精密齒輪箱或皮帶變速,或直接用變頻感應(yīng)電機驅(qū)動,并由微機進行控制,由于驅(qū)動軸的直徑較細,因而在旋轉(zhuǎn)時此細軸可有一定的彈性彎曲,以適應(yīng)轉(zhuǎn)頭輕度的不平衡,而不致于引起震動或轉(zhuǎn)軸損傷,除速度控制系統(tǒng)外,還有一個過速保護系統(tǒng),以防止轉(zhuǎn)速超過轉(zhuǎn)頭最大規(guī)定轉(zhuǎn)速而引起轉(zhuǎn)頭的撕裂或爆炸,為此,離心腔用能承受此種爆炸的裝甲鋼板密閉。
       溫度控制是由安裝在轉(zhuǎn)頭下面的紅外線射量感受器直接并連續(xù)監(jiān)測離心腔的溫度,以保證更準確更靈敏的溫度調(diào)控,這種紅外線溫控比高速離心機的熱電偶控制裝置更敏感,更準確。
        超速離心機裝有真空系統(tǒng),這是它與高速離心機的主要區(qū)別。離心機的速度在2000rpm以下時,空氣與旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)頭之間的磨擦只產(chǎn)生少量的熱,速度超過20000rpm時,由磨擦產(chǎn)生的熱量顯著增大,當速度在40000rpm以上時,由磨擦產(chǎn)生的熱量就成為嚴重問題,為此,將離心腔密封,并由機械泵和擴散泵串聯(lián)工作的真空泵系統(tǒng)抽成真空,溫度的變化容易控制,磨擦力很小,這樣才能達到所需的超高轉(zhuǎn)速。
    2.轉(zhuǎn)頭:
    ⑴角式轉(zhuǎn)頭:角式轉(zhuǎn)頭是指離心管腔與轉(zhuǎn)軸成一定傾角的轉(zhuǎn)頭。它是由一塊完整的金屬制成的,其上有4~12個裝離心管用的機制孔穴,即離心管腔,孔穴的中心軸與旋轉(zhuǎn)軸之間的角度在20~40度之間,角度越大沉降越結(jié)實,分離效果越好。這種轉(zhuǎn)頭的優(yōu)點是具有較大的容量,且重心低,運轉(zhuǎn)平衡,壽命較長,顆粒在沉降時先沿離心力方向撞向離心管,然后再沿管壁滑向管底,因此管的一側(cè)就會出現(xiàn)顆粒沉積,此現(xiàn)象稱為“壁效應(yīng)”,壁效應(yīng)容易使沉降顆粒受突然變速所產(chǎn)生的對流擾亂,影響分離效果。
    ⑵水平式轉(zhuǎn)頭:這種轉(zhuǎn)頭是由吊著的4或6個自由活動的吊桶(離心套管)構(gòu)成。當轉(zhuǎn)頭靜止時,吊桶垂直懸掛,當轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)速達到每分鐘200到800轉(zhuǎn)時,吊桶蕩至水平位置,這種轉(zhuǎn)頭最適合做密度梯度區(qū)帶離心,其優(yōu)點是梯度物質(zhì)可放在保持垂直的離心管中,離心時被分離的樣品帶垂直于離心管縱軸,而不像角式轉(zhuǎn)頭中樣品沉淀物的界面與離心管成一定角度,因而有利于離心結(jié)束后由管內(nèi)分層取出已分離的各樣品帶。其缺點是顆粒沉降距離長,離心所需時間也長。
    ⑶區(qū)帶轉(zhuǎn)頭:區(qū)帶轉(zhuǎn)頭無離心管,主要由一個轉(zhuǎn)子桶和可旋開的頂蓋組成,轉(zhuǎn)子桶中裝有十字型隔板裝置,把桶內(nèi)分隔成四個或多個扇形小室,隔板內(nèi)有導(dǎo)管,梯度液或樣品液從轉(zhuǎn)頭中央的進液管泵入,通過這些導(dǎo)管分布到轉(zhuǎn)子四周,轉(zhuǎn)頭內(nèi)的隔板可保持樣品帶和梯度介質(zhì)的穩(wěn)定。沉降的樣品顆粒在區(qū)帶轉(zhuǎn)頭中的沉降情況不同于角式和外擺式轉(zhuǎn)頭,在徑向的散射離心力作用下,顆粒的沉降距離不變,因此區(qū)帶轉(zhuǎn)頭的“壁效應(yīng)”極小,可以避免區(qū)帶和沉降顆粒的紊亂,分離效果好,而且還有轉(zhuǎn)速高,容量大,回收梯度容易和不影響分辨率的優(yōu)點,使超離心用于制備和工業(yè)生產(chǎn)成為可能。區(qū)帶轉(zhuǎn)頭的缺點是樣品和介質(zhì)直接接觸轉(zhuǎn)頭,耐腐蝕要求高,操作復(fù)雜。
    ⑷垂直轉(zhuǎn)頭:其離心管是垂直放置,樣品顆粒的沉降距離最短,離心所需時間也短,適合用于密度梯度區(qū)帶離心,離心結(jié)束后液面和樣品區(qū)帶要作九十度轉(zhuǎn)向,因而降速要慢。
    ⑸連續(xù)流動轉(zhuǎn)頭:可用于大量培養(yǎng)液或提取液的濃縮與分離,轉(zhuǎn)頭與區(qū)帶轉(zhuǎn)頭類似,由轉(zhuǎn)子桶和有入口和出口的轉(zhuǎn)頭蓋及附屬裝置組成,離心時樣品液由入口連續(xù)流入轉(zhuǎn)頭,在離心力作用下,懸浮顆粒沉降于轉(zhuǎn)子桶壁,上清液由出口流出。
    3.離心管:
       離心管主要用塑料和不銹鋼制成,塑料離心管常用材料有聚乙烯(PE),聚碳酸酯(pc),聚丙烯(PP)等,其中PP管性能較好。塑料離心管的優(yōu)點是透明(或半透明),硬度小,可用穿刺法取出梯度。缺點是易變形,抗有機溶劑腐蝕性差,使用壽命短。
    不銹鋼管強度大,不變形,能抗熱,抗凍,抗化學腐蝕。但用時也應(yīng)避免接觸強腐蝕性的化學藥品,如強酸、強堿等。
    塑料離心管都有管蓋,離心前管蓋必須蓋嚴,倒置不漏液。管蓋有三種作用:
    ①防止樣品外泄。用于有放射性或強腐蝕性的樣品時,這點尤其重要。②防止樣
    品揮發(fā)。③支持離心管,防止離心管變形。
    4.分析性離心機:
    分析性離心機使用了特殊設(shè)計的轉(zhuǎn)頭和光學檢測系統(tǒng),以便連續(xù)地監(jiān)視物質(zhì)在一個離心場中的沉降過程。從而確定其物理性質(zhì)。
    分析性超速離心機的轉(zhuǎn)頭是橢圓形的,以避免應(yīng)力集中于孔處。此轉(zhuǎn)頭通過一個有柔性的軸聯(lián)接到一個高速的驅(qū)動裝置上,轉(zhuǎn)頭在一個冷凍的和真空的腔中旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)頭上有2~6個裝離心杯的小室,離心杯是扇形石英的,可以上下透光,離心機中裝有一個光學系統(tǒng),在整個離心期間都能通過紫外吸收或折射率的變化監(jiān)測離心杯中沉降著的物質(zhì),在預(yù)定的期間可以拍攝沉降物質(zhì)的照片,在分析離心杯中物質(zhì)沉降情況時,在重顆粒和輕顆粒之間形成的界面就像一個折射的透鏡,結(jié)果在檢測系統(tǒng)的照像底板上產(chǎn)生了一個“峰”,由于沉降不斷進行,界面向前推進,因此峰也移動,從峰移動的速度可以計算出樣品顆粒的沉降速度。
       分析性超速離心機和主要特點就是能在短時間內(nèi),用少量樣品就可以得到一些重要信息,能夠確定生物大分子是否存在,其大致的含量,計算生物大分子的沉降系數(shù),結(jié)合界面擴散,估計分子的大小,檢測分子的不均一性及混合物中各組份的比例,測定生物大分子的分子量,還可以檢測生物大分子的構(gòu)象變化等。



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