离心机的类型、组成、原理和应用

引言

“离心”是一种利用高速旋转产生的离心力来分离混合物的技术。在离心过程中，颗粒会根据其大小、形状、密度，以及所处介质的黏度等特性被有效分开。

离心机是一种实验室常用设备，主要用于基于密度差异来分离液体、气体或液态混合物中的组分。

最早的离心机构想，来自英国军事工程师本杰明·罗宾斯（Benjamin Robins）。他设计了一种类似旋转臂的装置，用来测量物体在空气中的阻力。

后来，普朗特兄弟（Prandtl brothers）在此基础上改进，制造出首台实用型离心机——用于将牛奶中的奶油分离出来。

其核心原理：通过高速旋转装有样品的容器，离心力会将较重的成分“甩”到容器外侧，从而实现分离。

如今，离心机不仅广泛应用于科研和医学领域，也悄然融入日常生活。无论是细胞、亚细胞器、病毒，还是蛋白质和核酸，都可以借助离心技术进行高效纯化。

离心机的工作原理

离心机基于沉降原理，但不同于自然重力沉降，它通过人为制造强大的离心力场，加速悬浮在液体中的颗粒分离过程。样品通常被装入试管或离心瓶中，置于离心机转子内高速旋转。

在普通重力下，大于5微米的颗粒可通过简单过滤去除；而小于5微米的微粒会因布朗运动而难以沉降。

这时，离心力就派上用场了，它能有效克服布朗运动的干扰，让这些微小颗粒也能被精准分离。

离心机的组成部分

一台离心机由多个核心部件协同工作，确保高效、安全地完成分离任务。

常见组件如下：

• 电机（Motor）

离心机的“心脏”，提供强大动力驱动高速旋转。

• 转子组件（Rotor Assembly）

由驱动轴和转子组成。驱动轴支撑转子，而转子直接连接电机，用于装载含样品的离心管。它将电能转化为机械能。

值得注意的是：即使两个转子转速相同（RPM），若半径不同，产生的离心加速度也不同。因此，科学界普遍采用相对离心力（RCF，单位 ×g）作为标准参数，而非单纯看转速。

转子主要有三种类型：

a) 固定角转子（Fixed-Angle Rotor）

离心管以14°–40°倾角固定。颗粒沿径向短距离移动，在管壁斜面沉降，最终聚集在管底与侧壁交界处形成“沉淀团”（pellet）。

✅ 适用于差速离心（Differential Centrifugation）。

b) 水平转子 / 吊篮转子（Swinging Bucket Rotor）

启动后，吊篮随离心力自动摆至水平位置，颗粒需移动更长路径，便于上清液与沉淀的分离。

✅ 常用于密度梯度离心（Density Gradient Centrifugation）。

c) 垂直转子（Vertical Rotor）

离心管垂直放置（平行于电机轴），颗粒移动距离最短、分离最快。适用于等密度离心和密度梯度分离，但不适合制备沉淀——因为离心力会将沉淀铺满整个管外壁，难以收集。

• 容器（Containers）

包括离心管、采血管、比色皿、血袋等，用于装载样品，并随转子同步旋转。

• 控制面板（Control Panel）

可设定温度、转速（RPM 或 RCF）等关键参数。

• 安全锁扣（Latch）与盖子（Lid）

运行时若发生试管破裂等意外，锁扣能确保盖子紧闭；只有盖子完全关闭并锁定，离心机才会启动——这是重要的安全设计！

图1、固定角转子 vs. 水平转子中的沉降过程（来源：tec2med）

离心技术的两大类型

离心技术主要分为两类：制备型离心 和 分析型离心。

• 制备型离心（Preparative Centrifugation）

目标是分离和纯化生物样本，如细胞、组织、细胞器、膜囊泡等。

• 分析型离心（Analytical Centrifugation）

用于表征已纯化的生物分子，例如测定分子量、纯度、构象变化、沉降速度及溶液黏度等。

制备型离心的两种主要方法

1. 差速离心（Differential Centrifugation）

根据颗粒的大小、形状和密度差异进行分离。较重、较大的颗粒沉降更快。

通过逐步提高离心力，可依次获得不同沉降速率的组分（如先沉淀细胞核，再沉淀线粒体等）。

图2、差速离心流程（来源：Merck KGaA）

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

依据颗粒的浮力密度或沉降速率分离。样品置于预先制备的密度梯度介质顶部，常见介质包括：

• CsCl：用于DNA条带分离、质粒纯化、核蛋白与病毒分离

• NaBr / NaI：脂蛋白分级

• Percoll、Ficoll、Metrizamide、葡聚糖：完整细胞分离

• 蔗糖溶液：分离DNase、RNase、蛋白酶等

密度梯度离心又细分为两种：

• 速率区带离心（Rate-Zonal Centrifugation）

样品以薄层加在梯度顶部。颗粒因质量与大小不同，在离心力下以不同速度迁移，形成按尺寸分层的“区带”。大而重的颗粒跑在前面，小颗粒滞后。

图3、速率区带离心原理（来源：Merck KGaA）

• 等密度离心（Isopycnic Centrifugation）

也称“平衡离心”或“浮力离心”。颗粒在梯度中迁移，直到其密度等于周围介质密度，此时达到平衡位置并停止移动。

⚠️ 要求梯度介质的最大密度高于所有待分离颗粒的密度。

图4、等密度离心过程（来源：Merck KGaA）

离心机的常见类型

1. 台式离心机（Benchtop / Tabletop Centrifuge）

体积小巧，适合空间有限的小型实验室。

广泛用于科研与临床检测，通常配有带锁盖子和可放置试管的转子架。

2. 气体离心机（Gas Centrifuge）

用于根据分子质量或同位素差异分离气体。

典型应用：铀-235 与 铀-238 的分离——核燃料提纯的关键步骤。

3. 血细胞比容离心机（Haematocrit Centrifuge）

转速：7,000–15,000 rpm。

主要用于测定血液中红细胞所占体积百分比（即血细胞比容），也可用于制备新生儿血浆，供胆红素浓度的光度分析。

4. 微量离心机（Microcentrifuge）

超紧凑设计，占用实验台面极少空间。

适配小容量离心管（≤2.0 mL），常用于分子生物学实验：

✅ 沉淀核酸与蛋白质

✅ 微量水相样品过滤

5. 冷冻离心机（Refrigerated Centrifuge）

可在高速运转时维持恒温（通常 -20°C 至 -40°C）。

适用于对温度敏感的样本，如：

• DNA / RNA 提取

• PCR 产物纯化

• 抗体分离

也常用于快速沉降酵母细胞、叶绿体等生物颗粒。

6. 高速离心机（High-Speed Centrifuge）

转速范围：15,000–30,000 rpm。

配备温控与调速系统，适合精细分离脆弱的生物大分子。

支持三种转子：固定角型、水平吊篮型、垂直型。

7. 低速离心机（Low-Speed Centrifuge）

常规实验室常用，最高转速约 4,000–5,000 rpm。

通常在室温下运行，少有温控功能。

多搭配固定角或水平转子，用于日常颗粒分离。

8. 连续流离心机（Continuous Flow Centrifuge）

可不间断处理大量样品，无需反复装卸。

大幅提升效率，特别适合工业级或高通量场景。

9. 超速离心机（Ultracentrifuge）

尖端设备，转速高达 60,000–150,000 rpm！

能分离普通离心机无法处理的微小分子（如病毒、核糖体、脂蛋白等）。

体积较大，可批量运行或连续进样。

🔬 超速离心机的两种类型：

• 制备型超速离心机：用于分离和收集目标颗粒（离心后分析样本）。

• 分析型超速离心机：内置光学/传感系统，实时监测分子沉降过程，用于测定沉降系数、分子量、构象变化等。

图5、常见离心机类型对比（来源：Figure: Types of Centrifuges）

离心机标准操作流程

• 检查设备：确保离心机完好、无阻碍、运行正常。

• 选用合适离心管：无裂纹、无瑕疵，破损管立即丢弃。

• 正确加样：切勿过满或过少！

• 严格配平：

• 必须用天平称重配对（不能只看体积！）

• 不同样品或浓度差异大时尤其要注意。

• 拧紧管盖，并确保外壁干燥清洁。

• 对称放入转子，关闭并锁紧盖子。

• 设定转速与时间。

• 运行中勿离开！留意是否有异常震动或噪音。

• 一旦发现异常，立即停机——常见原因是配平失误。

• 若问题持续，停止使用并报修。

• 离心结束后，务必等转子完全停止再开盖！

• 严禁强行制动或提前开盖，以免机械损坏或人身伤害。

• 静置10分钟后再开盖，让气溶胶沉降，降低生物污染风险。

• 小心取出样品。

离心技术的应用场景

🔬 科研与医疗

• 测定血细胞沉降率

• 分离细胞器、病毒、蛋白质、核酸

• 药物研发与生物制品生产

🥛 食品工业

• 牛奶脱脂（“搅乳”工艺）

• 沙拉脱水（你家的甩菜篮就是微型离心机！）

💧 环保与能源

• 污水处理：分离污泥与清水

• 石油开采：去除原油中的固体杂质

✈️ 航空航天

• 大型离心机模拟高重力环境，训练飞行员与宇航员

⚛️ 核工业

• 同位素分离（如铀浓缩），用于核能或国防项目

🧂 日常生活小妙用

• 分离水中粉笔灰

• 快速甩干湿菜叶

离心机的优势

• 封闭式运行：外观整洁，减少污染风险

• 启停迅速：开机即用，关机即停

• 易于自动化：支持连续运行，适合高通量场景

• 性价比高：单位处理能力的初始投入较低

• 参数灵活调节：转速、时间、温度等可快速调整

• 性能卓越、适应性强：适用于多种样本与实验需求

• 操作简单、安装便捷：上手快，维护门槛低（基础型号）

离心机的局限性

• 难以分离极轻颗粒：质量接近零的微粒几乎无法沉降

• 维护复杂且昂贵：作为精密电气设备，一旦故障需专业人员维修

• 能耗较高：高速旋转 + 温控系统 = 电力消耗大

• 噪音与振动问题：高转速必然带来噪音和震动，可能影响实验室环境，甚至限制在安静区域（如医院病房旁）使用

• 依赖备用设备：主设备故障时，常需备用机顶上，增加成本

• 大量使用聚合物材料：部分离心管/配件为塑料制品，可能带来环保或兼容性考量

安全使用须知

• 放置平稳：确保离心机置于坚固、水平的工作台面。

• 运行时盖紧盖子：转子转动期间，严禁打开！

• 异常立即断电：若出现剧烈晃动或异响，马上拔掉电源。

• 确认耗材匹配：使用前检查离心管是否适用于当前程序与转速。

• 务必使用配套成组的离心管（材质、规格一致）。

• 对称装载，精准配平：

• 用天平称重配对，而非仅凭体积判断！

• 相邻或对位的样品必须质量相等，确保转子平衡。

💡 小贴士：不平衡是离心机损坏和事故的最常见原因！

离心机设备

1. Medline Scientific 实验室离心机 MC-20000

• 自动显示 RCF 值（相对离心力）

• 配备微处理器控制、无刷电机、宽屏数字屏（实时显示转速/时间/温度）

• 内置多重安全保护：电子门锁、不平衡报警、超速/超温自动停机

2. Andreas HETTICH 分析型离心机 ZENTRIMIX 380 R

• 双功能设计，兼顾离心与混匀

• 适用于：

• 无菌环境下制备纳米颗粒

• 混合高密度或难溶物质

• 噪音极低，优于普通实验室振荡器

3. Eppendorf 微量离心机 5425 / 5425 R

• 升级冷却系统，即使全速运转也能稳定维持 4°C

• 支持 18 个离心柱 + 1.5/2.0 mL 管同时离心

• 最大离心力达 18,565 × g（Kit 转子 F-45-18-11-Kit）

4. CRYSTE PURISPIN 6 实验室离心机

• 耐用性强｜操作简便｜运行安静｜体积紧凑

5. Lepu Medical 血站专用离心机 NJ-12

• 最高转速：3000 rpm

• 高速下仍保持高精度

• 低噪音 + 全程自动化监控，专为血液处理优化

图6、各型号离心机外观示例

总结

从一滴血液到病毒颗粒，从牛奶脱脂到核燃料提纯，离心技术早已超越实验室的边界，成为连接基础科学与现实世界的强大桥梁。它既是一项百年历史的经典分离手段，也在不断进化中融入智能控制、低温精准与高通量自动化等现代科技。理解离心机的原理、正确选择转子类型、严格遵守操作规范，不仅能提升实验效率，更是保障科研安全的关键。未来，随着生物制药、精准医疗和纳米技术的飞速发展，这台“旋转的引擎”仍将继续在微观世界中，为我们揭开更多生命的秘密。

参考文献

https://microbenotes.com/centrifuge-principle-parts-types-uses-examples/

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— 武汉市灰藻生物科技有限公司团队敬上

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更新日期：2025-11-27

编制人：小灰

审稿人：小藻