蛋白质组学/蛋白质分离 - 离心/离心机工作原理

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离心机的力量

向心力

一个离心机通过绕中心轴旋转混合物（离心力）来工作。当样品旋转时，物体的惯性倾向于沿直线运动。然而，由于它被限制在离心机内，物体的运动路径必须弯曲成圆形。离心机的机身，或离心机内容器的机身，提供了一种将物体推向圆形运动路径中心的向心力。这种向内力被称为向心力，其大小和方向恰好是使物体绕离心机旋转轴以圆形路径运动所需的力。

离心力

当物体以恒定角速度绕圆周运动时，物体由于惯性而试图沿直线运动所产生的向外力的强度取决于角速度和旋转半径。此力用 F 表示，角速度用弧度表示并用 w 表示，旋转半径 r 用厘米表示。

      $F=mw^{2}r$

通常，在离心过程中应用于粒子悬浮液的力的值是相对的，也就是说，它与地球重力作用于相同粒子的力进行比较。这被称为相对离心力 (RCF)。是伽利略·伽利雷 (1564-1642) 首次系统地、科学地研究了重力作为一种自然现象。重力加速度常数通常用符号“g”表示，为简单起见，取值为 9.80 米/秒秒。基于此度量，相对离心力表示为

   $RCF=mw^{2}r/9.80$         (RFC = F centrifugation / F gravity)

表示离心机工作速度的常用方法是“每分钟转速”或 rpm。上面的公式可以转换，以便这种关系用这种方式表示。如果用厘米表示半径，则 RCF 的公式为

     $RCF=11.17r(RPM/1000)^{2}$

如果用英寸表示半径，则 RCF 的公式为

     $RCF=28.38r(RPM/1000)^{2}$

离心机旋转产生的离心力在试管底部（远离中心轴）更大，在试管顶部（靠近中心轴）更小。这种差异几乎是两倍。因为密度更大的物体质量更大，这会导致它们的向心力更大 (F=ma)，总体结果是它们沉降在圆形路径的外部附近。这将密度更大的物体放在经过离心机的试管底部。密度较小的物体保持靠近路径中心，或经过离心机的试管顶部。

离心力对分子的作用

当样品在离心机中旋转时，每个样品中的粒子都受到离心力。然而，这种力与粒子的质量成正比。为了表示应用于特定分子的离心力，其分子量 (M) 用于该公式中

      Centrifugal force =  $Mw^{2}r$

因为重量考虑了重力的作用，所以在离心力公式中使用分子量消除了对重力力的除法，如上所示。该公式显示了离心机内的粒子是如何根据其分子量分离的。此外，粒子的尺寸和形状也会影响其在离心产生的梯度中的迁移。例如，质粒 DNA 在梯度中比染色体 DNA 行进得更远。这是浮力和摩擦力的反作用力抵消离心力的结果。

浮力和摩擦力

虽然离心力作用于使粒子远离旋转轴，但粒子也受到其他力的作用，包括浮力和摩擦力。

浮力是指分子在溶剂中的相互作用。它计算为离心力乘以分子所取代的溶剂体积 (V，即“偏摩尔体积”) 和溶剂本身的密度 (rho – r)。综合起来，给出以下公式

   Buoyant force = Mω²rVρ

当粒子穿过溶剂时，也会产生摩擦力。分子的尺寸和形状决定了这种力的测量值。这些因素影响沉降速率，沉降速率表示为旋转轴随时间的变化 (dr/dt)。这种力与浮力相结合，以抵消离心力。

 Frictional force = f(v) = f(dr/dt)

这些力共同作用的最终结果是，粒子将在溶剂中移动，远离旋转轴，直到离心力等于浮力和摩擦力。利用上面的公式，可以从粒子的分子量计算出沉降系数 (s)。

 Sedimentation Coefficient (s) = M(1-Vr)D/RT
 (R is equal to the gas constant 
  T is equal to absolute temperature)

分子的沉降系数描述了该分子在离心过程中，在具有水粘度和密度的梯度中沉降的位置，以秒为单位进行测量。对于生物分子，这些值介于 1 到 500 × $10^{-13}$ 秒之间。为了避免使用 $10^{-13}$ ，这个数值被描述为一个斯维德伯格单位 (S)，以纪念特奥多尔·斯维德伯格；因此，12 × $10^{-13}$ 被表示为 12S。

科里奥利力

除了离心力，悬浮在旋转转子中的颗粒（以及悬浮液本身）也会受到科里奥利力的作用。科里奥利力是由液体和悬浮颗粒的惯性引起的，它是一个很小的力，方向与旋转轴垂直，且顺时针方向。这种力会使粒子逆时针偏转（反之亦然）。在几乎所有实验条件下，科里奥利力都远小于向心力；然而，当转子速度改变时（例如在加速和减速期间），其影响会放大。虽然离心力会使粒子加速远离旋转轴，但粒子也会受到其他力的影响，包括摩擦力、浮力以及重力。

离心机 - 机器

离心机的基本设计包含一个转子，它将样本固定在一起，由电机驱动围绕固定轴旋转（在现代离心机中）。更先进的离心机可能还具有润滑和冷却系统。除此之外，一些离心机能够在转子周围创造真空环境。

转子

最流行和使用最广泛的离心机转子是摆动桶式转子和固定角转子。另外两种类型的转子是垂直转子和区域转子。

固定角（或角头）转子的设计通常比摆动桶式转子更简单。在这种类型的转子中，离心管相对于水平面保持特定的恒定角度，也就是说，管子不会在垂直和水平位置之间重新定位。这种类型的转子非常适合简单的沉淀离心，但在速率区带沉降和等密度沉降方面，其成功率有限且可变。

摆动桶式转子能够在离心机内枢转。随着速度增加，转子垂直于旋转轴的角度也会增加，将其定位为水平配置。相反，随着离心机减速，转子返回到垂直位置。当桶摆动出来时，路径长度会增加，从而允许更好地分离单个颗粒，尤其是在密度梯度离心过程中。这种类型的转子在用于沉淀时效率低下。然而，它非常适合用于速率区带沉降和等密度沉降。

大多数摆动桶式转子都是可互换的，因此可以使用不同尺寸的试管。此外，有些转子能够在单个臂上容纳多个试管。

垂直转子将样本固定在离心机内的垂直位置。这种类型的转子不适合沉淀离心，但它在用于速率区带沉降时效果很好，在用于等密度沉降时效果极佳。

离心管

根据样本/转子尺寸和离心速度，可以使用不同类型的离心管。正确选择离心管有助于确保不会发生泄漏，不会损失任何样本，样本的化学性质和管子的性质不会冲突，并且可以轻松回收样本。

转子与管材

早期的转子，如斯维德伯格转子，是用钢制成，偶尔也用黄铜制成。这些材料的高密度以及由此产生的高转子重量会给离心机驱动器带来很大的负载，并显著限制了运行速度。现在，大多数商业转子都是用铝或钛制成的，或者部分用铝或钛制成。

润滑和冷却系统

离心机运行的高速会产生大量的摩擦力。随着摩擦力的产生，热量也会随之产生。为了防止离心机和/或离心机内的样本受到损坏，许多现在的离心机都有润滑和冷却系统来对抗摩擦力和它产生的热量。

当在传统离心机中沉降颗粒的均匀悬浮液时，会发生对流。术语“对流”是指离心管内溶质和/或溶剂的整体运动。不希望的对流可能是由离心机不同部位的温度变化引起的。通过控制温度，润滑和冷却系统有助于防止这种情况发生。

超速离心机与超速离心机

有两种基本类型的制备型离心机：超速离心机和超速离心机或超速离心机。

超速离心机通常在高达约 20,000 rpm 的速度下运行。这些离心机通常不需要抽真空转子室，并通过皮带或齿轮直接驱动转子。下面的图片是 Sorvall RC-5B 冷藏超速离心机。

File:Superspeed centrifuge.JPG

超速离心机可以在更高的速度下运行（高达 65,000 或 75,000 rpm）。由于这些高速，转子室必须抽真空以减少摩擦并允许精确控制转子温度。在大多数超速离心机中，转子由电机和一组齿轮驱动，或者由油或空气涡轮系统驱动。下面的图片是 Beckman Coulter optima LE-80K 超速离心机。

下一节：密度梯度离心

参考文献

"离心基础" 科勒帕默技术库（经赛默飞世尔科技授权发布）。
Bloomfield, L. A. "如何运作：解释日常生活中的物理学" 维吉尼亚大学。
Buckley, Nancy. "第五讲：离心" 加利福尼亚州立理工大学生物科学系。
"离心机是如何工作的？" 物理论坛。