离心技术

离心技术(centrifugation)是利用物体高速旋转时产生强大的离心力，使置于旋转体中的悬浮颗粒发生沉降或漂浮，从而使某些颗粒达到浓缩或与其他颗粒分离之目的。这里的悬浮颗粒往往是指制成悬浮状态的细胞、细胞器、病毒和生物大分子等。

当分离悬浊液中的可溶部分和不溶性颗粒时，可使用离心机对样品进行简单、快速的离心分离，以代替耗时的过滤操作，此方法即为沉淀离心法。

1、沉淀离心法原理

沉淀离心通常使用固定的转速(即离心力)，离心一定时间以达到分离的目的。沉淀离心中离心机转速、转子半径及离心时间是决定分离效果的主要因素。离心沉淀样品所需时间取决于样品的沉降系数(s值)，沉降系数s的物理学意义是单位离心力作用下样品的沉降速度。

故沉降系数s越大，颗粒沉降越快，所需时间越短，反之亦然。沉淀离心法是从悬浊液或乳浊液中分离样品最常用的一种方法，主要用于去除溶液中悬浮的杂质，或通过离心沉淀收集悬浮于溶液中的颗粒物质。

2、沉淀离心法应用实例

利用沉淀离心法收集培养基中的大肠杆菌。用含有相应抗生素的LB培养基振荡培养大肠杆菌过夜，将培养物转移至1.5mL离心管内。用台式固定角转子离心机12000rpm离心1min，将上清液倒出，并用移液器吸取残余培养基。剩下的沉淀即为大肠杆菌，可用于小提质粒、超声破碎法粗提蛋白等实验操作。

差速离心是根据颗粒大小和密度不同造成沉降速度(即沉降系数)的差异，通过分级提高离心转速或高速与低速离心交替进行，使具有不同质量的颗粒样品(或大分子)从混合液中分批沉降至管底，从而实现分离目的。

该方法适用于混合样品中各沉降系数差别较大的组分之间的分离，更准确地说是沉降系数差别在1至几个数量级的混合样品的分离，差别越大，分离效果越好。

1、差速离心法原理

差速离心法一般采用固定角转子，通过较低速度的离心沉淀，最重的颗粒将全部沉到管底。继续将上清液以更高的转速沉淀，即可得到次重的颗粒样品。

逐步增加离心转速，即可分别得到不同重量的样品颗粒，以达到分离的目的。但以上只是理想状态，通常每步得到的沉淀并不均一，通常会混有较轻的颗粒。这是因为在离心前各种重量的颗粒均匀分布在溶液中，当开始离心后，所有颗粒都依照自身的沉降速度向管底移动，所以距离管底较近的轻颗粒也会沉到管底而混合到重颗粒之中。

通常为了得到较纯的颗粒样品，还需要将沉淀重悬，用相同的转速再次沉淀。重复几次之后即可得到大小基本均一的颗粒。但是一般在实际使用中，差速离心通常不用于精细分离。仅用于s值相差1个数量级及以上的2种颗粒的分离。且沉淀不能实现完全回收。

2、差速离心法应用

差速离心技术的应用十分普遍，尤其是针对有生物活性的物质，如动植物病毒、各种亚细胞组分(细胞核、叶绿体、线粒体等)，以及核酸和蛋白质等生物大分子的分离、粗提和浓缩。

应用实例：马铃薯线粒体的制备。取马铃薯块茎200g，加入2.5倍体积的匀浆缓冲液，匀浆后用4层纱布过滤。滤液经4000rpm离心10min，收集上清液。上清液13800g(相对离心力RCF，即重力加速度g的倍数)离心15min收集沉淀，用缓冲液重悬并加入终浓度为15mmol/L的MgCl2。经DNase Ⅰ处理后，加入2倍体积的缓冲液，13800g离心15min收集沉淀，即为线粒体。

密度梯度离心法是使待分离样品在密度梯度介质中进行离心沉降或沉降平衡，最终分配到梯度中某些特定位置上，形成不同区带的分离方法，又称区带离心。

密度梯度离心不仅可依据样品颗粒的重量及沉降系数进行分离，还可根据样品颗粒的密度、形状等特征进行分离。密度梯度离心在整个离心过程中只使用一种转速，中途无需变更实验参数，而差速离心则需要进行调整转速、重悬反复离心等操作。

密度梯度离心适宜分离密度有一定差异的样品，而差速离心则适用于分离混合样品中各沉降系数差别较大的组分。

密度梯度离心的优缺点：

密度梯度离心的优点是：分离效果好，可一次性获得较纯的样品颗粒;适应范围广，既可像差速离心法一样分离具有沉降系数差异的颗粒，又能分离有一定浮力密度差的颗粒;颗粒会悬浮在相应的位置上形成区带，而不会形成沉淀被挤压变形，故能最大限度保持样品的生物活性;样品处理量大，且可同时处理多个样品;对温度变化及加减速引起的扰动不敏感。密

度梯度离心法的缺点是：离心时间长、需制备密度梯度介质溶液、对操作者的技能要求较高。密度梯度离心法通常采用吊桶式的水平转子、区带转子及近垂直转子。

根据梯度介质的浓度及颗粒在其中沉降的行为，密度梯度离心又分为速度区带离心和等密度梯度离心。

速度区带离心：

速度区带离心所采用的密度梯度为预先制备好的、密度变化较为平缓的介质，且该介质的最大密度低于混合样品颗粒的最小颗粒密度。待分离样品添加在梯度介质的液面上，当样品中不同颗粒间存在沉降速度差时(不需要像差速沉降离心法所要求大的沉降系数差)。

在一定的离心力作用下，大小、重量不同的颗粒将各自以一定的速度沉降，离心一段时问之后(通常不超过4h)，不同沉降系数的样品颗粒逐渐分开，最后在密度梯度介质中形成一系列分界清晰的不连续区带。

沉降系数越大的样品颗粒，沉降速度越快，所呈现的区带也越低，故整个离心过程必须在沉降系数最大的颗粒到达管底前结束。离心时间和离心速度的控制是速度区带离心法成功与否的关键。

速度区带离心法在分离密度相差不大、重量和大小区别较大的样品(如核糖体等)时非常有效。但对于大小相近而密度不同的颗粒(如线粒体、溶酶体等)则不能用此法分离。此法梯度介质常用蔗糖、甘油及Ficoll(聚蔗糖)等，其中蔗糖最大浓度可达60%，密度可达1.28g/cm3，能够满足绝大部分生物样品的分离需求。

等密度梯度离心：

等密度梯度离心通常采用密度梯度较陡的介质，且该梯度最大密度大于样品混合颗粒中的最大密度，而最小密度低于样品的最小密度，即样品的密度范围不能超过介质的浓度梯度范围。

等密度梯度离心是根据样品颗粒浮力密度的差异而加以分离的，密度差越大，分离效果越好，而分离效果与颗粒大小和形状无关，但大小和形状决定达到平衡的速度、时间和区带宽度。加样方式分为2种：①类似于速度区带离心，即离心管中预先放置梯度介质，样品直接加在梯度液面上;②样品预先与梯度介质溶液混合后装入离心管，通过离心介质自发形成密度梯度。

在离心过程中，样品颗粒同时受到离心力场与浮力的共同作用而发生位移，最终二者达到平衡，即颗粒所在位置的介质密度等于其自身的浮力密度，故不同密度的颗粒会在离心管中富集成不连续的区带。当体系到达平衡状态后，样品区带的形状和位置均不再受离心时间和转速的影响。提高转速可以缩短达到平衡的时间，离心所需时间以最小颗粒到达等密度点(即平衡点)的时间为基准，通常需十几个小时，有时甚至长达数日。

等密度梯度离心法根据不同样品的需求，梯度介质可选用碱金属盐类(如CsCl)、蔗糖、甘油及Percoll(胶体硅)等。其中CsCl最大密度可达1.7g/cm3，但由于具有较高的渗透压，通常用于核酸等大分子的纯化。然而，Percoll具有渗透压低、粘度小、密度高等特点，适合分离活细胞。等密度离心通常用于分离纯化核酸、病毒、蛋白复合体、亚细胞器等，并能从组织、血液及其他体液标本中分离纯化出不同类型的细胞。

根据离心机相对离心力(RCF)上限及其主要应用，实验室常用离心机大致可分为4类，见下表。

1、离心速度

在离心驱动系统带动下转头旋转的速度，单位为r/min。

2、相对离心力

物体以一定的角速度做圆周运动就产生离心力F=ω2r，但离心力要克服与其相垂直的地球重力以及样品粒子的摩擦力、浮力影响(后两者可忽略不计)，故以RCF表示，RCF=ω2r/980，等于在离心场中作用于样本粒子上的离心力相当于地球重力的倍数，单位是重力加速度g，RCF=1 000g则是重力加速度的1000倍。

RCF的大小与离心速度及在离心容器中粒子距心轴的路径(实际离心半径)有关，即RCF=1.12r(n/1 000)2，故有最大、平均和最小RCF之分。样品粒子能否得到有效分离主要取决于RCF，文献中常给出最大或平均RCF为离心条件。

转头额定转速所对应的RCF可以通过离心半径RCF-RPM曲线换算，但精确RCF值还是建议查找生产厂转头参数表。

3、沉降系数S

是样本粒子重要的物理化学参数，以Svedbergs值(S值=10-13 s)表示对应离心力样品粒子的沉降速率，不同S值样品粒子所需离心时间(完全沉降至容器底部)的表达式为t=1/Sω2·ln (rmax/rmin)。常见分离生物样本的S值及参考离心条件，见下表。

4、K因数值

反映离心转头的效率，与其大小、材质和速度有关。利用K值可估算出某S值样本粒子的沉降时间：t=K/S;K值越小，转头离心效率越高，粒子沉降所需时间短。

离心技术是一项重要的纯化技术，广泛应用于生物学、医药、化学等领域。针对不同的样品，选择适当的离心纯化方法，如沉淀离心法、差速离心法、密度梯度离心法、分析超速离心及离心淘洗等。有时需要联合使用不同的方法。以达到进一步分析的目的，例如，可以通过差速离心进行初步纯化，随后使用密度梯度离心对样品进行进一步的纯化和浓缩，得到的高纯度样品可满足大部分仪器检测的需求。

离心现象指的是在做圆周运动的物体，当所受向心力突然消失或者是提供不了支撑物体继续做圆周运动的向心力时产生的逐渐远离圆心的移动。离心现象 做匀速圆周运动的物...[查看全部]

离心力是惯性力的一种，由于一切物质都具有“惯性”特性。杂技中的“火流星”，也是利用离心力使火流星旋转而不会掉下来，人造地球卫星也是利用它绕地球旋转产生的离心力与地球对它的吸引力相平衡而不停地绕地运行，既不会掉回地面，也不会离开地球飞向宇宙空间。

离心力不是力，是离心加速度的外在表象，也是引起离心现象的原因。在物理学中，并没有离心力的存在。离心力不是真正意义上的力。

力需要施力物体。真正意义上的力是不能脱离施力物体而存在的。而离心力恰巧就没有施力物体。所以它并不是真正意义上的力。

力可以使物体具有加速度。反过来也一样，加速度也可以等效为力。力总是与加速度相伴出现。力是引起运动状态改变的原因，运动状态改变就必然会有加速度。所以当一个物体具有加速度时和一个物体受力时，从效果上来讲是没有区别的。但是加速度真的可以脱离力而存在吗?

确实，绝大多数情况，加速度是由力引发的。力与加速度可以说是因果关系，力为因，加速度是果。整个宇宙里没有力而存在加速度的例子可以说是极少。离心加速度可以说是目前发现的唯一的特例。引发离心加速度的原因不是力，而是物体的惯性。

离心加速度存在于曲线运动中。为了使问题简化，我们就通过对曲线运动的特例匀圆运动的讨论来解释。在匀圆运动中，物体围绕着固定的圆心以恒定的速率做圆运动。物体在向心力的作用下其运动方向在不断的改变。

然而物体有惯性，会努力维持自己原先的运动状态。很显然，惯性作用与向心力的作用是整相反的。向心力不断的改变着物体的运动状态，惯性也就不断地进行阻碍。前面提到，有改变运动状态的力，就必然有相应的加速度。匀圆运动中的向心加速度虽然方向在不断的改变，但始终指向圆心，试图将物体拉向圆心。

然而在匀圆运动中，众所周知，物体始终与圆心保持相同的距离，也就是半径不变。显然，向心加速度并没有得逞。那么就必然会有一个与向心加速度时刻方向相

离心铸造是将熔融金属浇入高速旋转的金属铸型内，在离心铸造机的作用下，铸型高速旋转，在其离心力的驱使下，冷却结晶的一种铸造成型方法。

铸造是一种液态金属成型的方法。铸造的方法有很多种，最广泛的应用是砂型铸造，随着现代工业技术水平的不断发展及人类社会对其应用的需要，对铸造技术提出了一系列新的，更高的要求，归纳起来，主要有以下三方面：

1、不仅要求铸件的生产批量增大，而且更加追求其质量的提高，如提高铸件的表面光滑成度，及尽量减少各种类型的铸造缺陷;

2、尽量简化其工艺步骤，提高其生产效率，提高其自动化在造型中所占的比例，降低工人劳动强度;

3、把金属材料的消耗降到最低，降低生产成本。

为了实现上述目地，近些年来，人们将传统铸造工艺与现代科学技术成果相结合的基础上，又发明了多种铸造方法，为了和传统的砂型铸造方法作以区分，除了传统砂型方法外，都称之为特种铸造方法。常见的铸造方法介绍：

①失腊铸造;②金属型铸造;③低压铸造;④离心铸造;⑤陶瓷型铸造;⑥压力铸造;⑦消失熔铸造;⑧磁型铸造等。

特种铸造在其造型所使用的材料，方法以及模具上都和传统的砂型铸造有着很大的不同。

离心铸造从发明到现在以有七八十年的历史了，直到上世纪初才逐步推广于工业生产。直到40年代初期我国才开始运用离心铸造方法来生产铸铁管。

而在现代，离心铸造已经是一种应用广泛的铸造方法，尤其对生产盘环类及管套类铸件生产得心应手。

离心铸造还可用于诸如生产叶轮等异型铸件、造纸、无缝管坯、双金属铸件(如钢套镶铜轴承)、干燥滚筒等。离心铸造机如今已实现了高度自动化、机械化，一些机械化离心铸管厂已实现了十几万吨的年产量。

为使铸型旋转，离心铸造就要在离心铸造机上进行。根据铸型旋转空间位置的不同，离心铸造机可分为立式与卧式两大种类。

在立式离心铸造机上，铸型是绕垂直

离心现象指的是在做圆周运动的物体，当所受向心力突然消失或者是提供不了支撑物体继续做圆周运动的向心力时产生的逐渐远离圆心的移动。

做匀速圆周运动的物体，由于时刻受到向心力的作用，速度的方向不断发生变化，从而维持物体沿圆周运动，此时物体所需的向心力应该满足关系式F=mω2R或F=mv2/R。

如果物体的角速度(或线速度)增大，或者物体受到的向心力变小，即F mω2R或F mv2/R。那么，物体将不能在原来的圆周上运动，要逐渐远离圆心而去：如果物体所需的向心力突然消失，即F=0，那么由于惯性，物体将沿切线方向飞出去，如下图所示。

做匀速圆周运动的物体，在所受合力突然消失或者不足以提供圆周运动所需的向心力的情况下，就做逐渐远离圆心的运动，这种运动叫做离心运动。

从字面上看，“离心”即远离圆心，这是很笼统含混的，剖析开来应包括以下几点：

1、发生离心现象的物体原来一定是向心的，即做圆周运动，否则谈不到离心与否的问题。

2、离心状况包括两种：①沿更大的圆周轨道半径运动，如汽车在光滑的路面上行驶，转弯时打滑外行;②不再做圆周运动，沿切向直线飞出，如转动湿漉漉雨伞时雨滴飞出的运动，以及工厂里转动的砂轮与刀具磨出的砂粒的运动，等等。

1、向心力消失

向心力是可以改变物体的运动方向，若向心力突然消失，于是物体的运动方向不再被改变，由于物体的惯性，物体就会沿着切线方向飞出去。

2、向心力太小

向心力太小就不能让物体保持做圆周运动的速度，速度方向受向心力而变化，但变化是较慢的，这时物体就会逐渐远离圆心而做离心运动。

合力F不足以提供物体做圆周运动的向心力，包括两种情况：原来物体做圆周运动，满足关系式F=Fn=mv2/R。

当Fn不变、F减小时.F Fn mv2/R，原来的圆周运动被破坏，为了维持新的情况下的圆周运动，需减小