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離心機可分為工業(yè)用離心機和實(shí)驗用離心機。實(shí)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(xué)系統,主要用于研究純的生物大分子和顆粒的理化性質(zhì),依據待測物質(zhì)在離心場(chǎng)中的行為(用離心機中的光學(xué)系統連續監測),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(lèi):
⑴ 普通離心機:zui大轉速6000rpm左右,zui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,轉子有角式和外擺式,其轉速不能?chē)栏窨刂?,通常不帶冷凍系統,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(dòng)機驅動(dòng),電機的碳刷易磨損,轉速是用電壓調壓器調節,起動(dòng)電流大,速度升降不均勻,一般轉頭是置于一個(gè)硬質(zhì)鋼軸上,因此地平衡離心管及內容物就極為重要,否則會(huì )損壞離心機。
⑵高速冷凍離心機:zui大轉速為20000~25000rpm(r/min),zui大相對離心力為89000×g,zui大容量可達3升,分離形式也是固液沉降分離,轉頭配有各種角式轉頭、蕩平式轉頭、區帶轉頭、垂直轉頭和大容量連續流動(dòng)式轉頭、一般都有制冷系統,以消除高速旋轉轉頭與空氣之間摩擦而產(chǎn)生的熱量,離心室的溫度可以調節和維持在0~40C,轉速、溫度和時(shí)間都可以嚴格準確地控制,并有指針或數字顯示,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(gè)分子。
⑶ 超速離心機:轉速可達50000~80000rpm,相對離心力zui大可達510000×g,zui的生產(chǎn)廠(chǎng)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,使生物科學(xué)的研究領(lǐng)域有了新的擴展,它能使過(guò)去僅僅在電子顯微鏡觀(guān)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動(dòng)和速度控制、溫度控制、真空系統和轉頭四部分組成。超速離心機的驅動(dòng)裝置是由水冷或風(fēng)冷電動(dòng)機通過(guò)精密齒輪箱或皮帶變速,或直接用變頻感應電機驅動(dòng),并由微機進(jìn)行控制,由于驅動(dòng)軸的直徑較細,因而在旋轉時(shí)此細軸可有一定的彈性彎曲,以適應轉頭輕度的不平衡,而不致于引起震動(dòng)或轉軸損傷,除速度控制系統外,還有一個(gè)過(guò)速保護系統,以防止轉速超過(guò)轉頭zui大規定轉速而引起轉頭的撕裂或爆炸,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頭下面的紅外線(xiàn)射量感受器直接并連續監測離心腔的溫度,以保證更準確更靈敏的溫度調控,這種紅外線(xiàn)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,這是它與高速離心機的主要區別。離心機的速度在2000rpm以下時(shí),空氣與旋轉轉頭之間的磨擦只產(chǎn)生少量的熱,速度超過(guò)20000 rpm時(shí),由磨擦產(chǎn)生的熱量顯著(zhù)增大,當速度在40000rpm以上時(shí),由磨擦產(chǎn)生的熱量就成為嚴重問(wèn)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速。
2. 轉頭:
⑴角式轉頭:角式轉頭是指離心管腔與轉軸成一定傾角的轉頭。它是由一塊完整的金屬制成的,其上有4~12個(gè)裝離心管用的機制孔穴,即離心管腔,孔穴的中心軸與旋轉軸之間的角度在20~40度之間,角度越大沉降越結實(shí),分離效果越好。這種轉頭的優(yōu)點(diǎn)是具有較大的容量,且重心低,運轉平衡,壽命較長(cháng),顆粒在沉降時(shí)先沿離心力方向撞向離心管,然后再沿管壁滑向管底,因此管的一側就會(huì )出現顆粒沉積,此現象稱(chēng)為“壁效應”,壁效應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水平式轉頭:這種轉頭是由吊著(zhù)的4或6個(gè)自由活動(dòng)的吊桶(離心套管)構成。當轉頭靜止時(shí),吊桶垂直懸掛,當轉頭轉速達到每分鐘200到800轉時(shí),吊桶蕩至水平位置,這種轉頭做密度梯度區帶離心,其優(yōu)點(diǎn)是梯度物質(zhì)可放在保持垂直的離心管中,離心時(shí)被分離的樣品帶垂直于離心管縱軸,而不像角式轉頭中樣品沉淀物的界面與離心管成一定角度,因而有利于離心結束后由管內分層取出已分離的各樣品帶。其缺點(diǎn)是顆粒沉降距離長(cháng),離心所需時(shí)間也長(cháng)。
⑶區帶轉頭:區帶轉頭無(wú)離心管,主要由一個(gè)轉子桶和可旋開(kāi)的頂蓋組成,轉子桶中裝有十字型隔板裝置,把桶內分隔成四個(gè)或多個(gè)扇形小室,隔板內有導管,梯度液或樣品液從轉頭中央的進(jìn)液管泵入,通過(guò)這些導管分布到轉子四周,轉頭內的隔板可保持樣品帶和梯度介質(zhì)的穩定。沉降的樣品顆粒在區帶轉頭中的沉降情況不同于角式和外擺式轉頭,在徑向的散射離心力作用下,顆粒的沉降距離不變,因此區帶轉頭的“壁效應”極小,可以避免區帶和沉降顆粒的紊亂,分離效果好,而且還有轉速高,容量大,回收梯度容易和不影響分辨率的優(yōu)點(diǎn),使超離心用于制備和工業(yè)生產(chǎn)成為可能。區帶轉頭的缺點(diǎn)是樣品和介質(zhì)直接接觸轉頭,耐腐蝕要求高,操作復雜。
⑷垂直轉頭:其離心管是垂直放置,樣品顆粒的沉降距離zui短,離心所需時(shí)間也短,適合用于密度梯度區帶離心,離心結束后液面和樣品區帶要作九十度轉向,因而降速要慢。
⑸連續流動(dòng)轉頭:可用于大量培養液或提取液的濃縮與分離,轉頭與區帶轉頭類(lèi)似,由轉子桶和有入口和出口的轉頭蓋及附屬裝置組成,離心時(shí)樣品液由入口連續流入轉頭,在離心力作用下,懸浮顆粒沉降于轉子桶壁,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(diǎn)是透明(或半透明),硬度小,可用穿刺法取出梯度。缺點(diǎn)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(xué)腐蝕。但用時(shí)也應避免接觸強腐蝕性的化學(xué)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(shí),這點(diǎn)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計的轉頭和光學(xué)檢測系統,以便連續地監視物質(zhì)在一個(gè)離心場(chǎng)中的沉降過(guò)程。從而確定其物理性質(zhì)。
分析性超速離心機的轉頭是橢圓形的,以避免應力集中于孔處。此轉頭通過(guò)一個(gè)有柔性的軸聯(lián)接到一個(gè)高速的驅動(dòng)裝置上,轉頭在一個(gè)冷凍的和真空的腔中旋轉,轉頭上有2~6個(gè)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(gè)光學(xué)系統,在整個(gè)離心期間都能通過(guò)紫外吸收或折射率的變化監測離心杯中沉降著(zhù)的物質(zhì),在預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(shí),在重顆粒和輕顆粒之間形成的界面就像一個(gè)折射的透鏡,結果在檢測系統的照像底板上產(chǎn)生了一個(gè)“峰”,由于沉降不斷進(jìn)行,界面向前推進(jìn),因此峰也移動(dòng),從峰移動(dòng)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(diǎn)就是能在短時(shí)間內,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,結合界面擴散,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象變化等
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