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浅谈离心机

栏目:生命科学 发布日期:2014年4月21日

离心机的工作原理是:在超强的离心力作用下,使旋转中的样品逐渐偏离旋转中心,从而达到沉降分离的效果。虽然离心机的原理很简单,但是其适用于大量不同的工业应用和研究实验,离心相关的技术文献非常之多。
      作者:Angelo DePalma,博士| 2014年3月12日



实验室常规离心机
      台式离心机/贝克曼库尔特Allegra X-5/www.beckmancoulter.com

      高速离心机/赛默飞世尔科技Sorvall LYNX/www.thermoscientific.com

      细胞培养离心机套装/海蒂诗/www.hettweb.com

      值得注意的是,离心的分离效率与旋转半径成正比,而与转速(指每秒或每分钟的旋转速度,通常用每分钟旋转周数rpm表示)的平方成正比。

      因此,在转速固定不变的情况下,半径为12英寸的离心机的效率是半径为6英寸的2倍。而在半径相同的情况下,转速为1,000rpm时的离心效率是500rpm时 的4倍。

      离心机一般按尺寸、速度和应用来分类。相同大小的离心机还可以进一步按转头容量、离心管尺寸和样品数量等细分。离心速度(或相对离心力)是指施加到样品上的离心力,其大小选择与所需分离样品的性质有关。最高端的超速离心机可以分离各种分子、细胞组分,甚至同位素。随着转速的提高,一些平时难以区分的样品也可以得到更精细的分离。

      按转速来给离心机分类是最常见的分类方式,尽管按相对离心力(RCF,单位g)来分类更准确。莱伯特国际(康宁生命科学公司子公司,位于新泽西州爱迪生镇)的产品经理Peter Will称,转速(RPM)是客户最经常询问的参数, “但是相对离心力实际上才是更为关键的数字”。

      一个应用所需的转速快慢并不代表其是否“先进”。科研工作者通常使用相对较低的离心力(约300xg)来分离比较敏感的干细胞,而同时用高达1,000,000xg的离心力来分离DNA、RNA、病毒颗粒和蛋白质。

      市场上有各种各样的转头类型可供实验室选择,两种最常见的类型是定角转头和甩平式水平转头。定角转头中的样品管以一定的角度固定在转头内,离心过程中样品会沿着离心管的侧壁逐渐沉淀到底部。

      在甩平转头中,当离心达到一定速度时,样品管会从一个垂直状态摆动到与地面或工作台水平的位置,沉淀将平整地聚集在离心管的底部。

      这两种类型的离心转头均可使用多种样品容器,包括微量管(1-2毫升),锥底管(50-500毫升)等,还包括用于分离血液、血浆等工业流程的更大型的容器,甚至还包括微孔板。美国安捷伦公司(位于加利福尼亚州圣克拉拉市)的微孔板离心机可以跟微孔板抓手及其他模块组合,实现各种复杂实验流程的自动化操作。

      供应商们一直致力于研发有针对性设计的离心机来满足各种各样的离心实验和不同容器的适配需要。因此,各种容量和型号的离心机层出不穷。赛默飞世尔科技公司(位于马萨诸塞州沃尔瑟姆市)的全球商务总监Hugh Tansey说:“市场上针对不同应用的离心机选择范围十分广泛”。

保养与维护

      很多人都听说过一些重大的离心机事故,严重的会使离心机自身和周围设备彻底报废。很不幸这些故事都是真实的,所以新型的离心机设计会通过自动转头识别和动态惯量检查来显著减少这些潜在的安全风险。一旦发现样品有不平衡现象,离心机会立即自动停机。Peter Will说道:“一台好的离心机可以迅速检测出样品的不平衡情况,迅速停机,并同时发出声音或者图像警报。”

离心机和血糖仪用的清洁用纸/ HYPE-WIPE®和MINI HYPE-WIPE®/www.currtechinc.com

      与这些灾难性事故相比,更为普遍的是各种离心机运行错误或者故障,这些直接导致了机器无法使用,或者更糟糕的——样本损失。Tansey说道:“实验人员需要经过漫长的处理流程才使样本进行到离心收集的步骤,他们绝不希望这些样品被锁在离心机中,导致损坏或者丢失。”

      转头的加速和减速速度需要在更长的样品平衡时间和更快的运行速度之间进行平衡。转头减速过快可能会扰乱样品的沉淀,而减速过慢则会明显延长运行时间。“比较理想的状态是快速启动配上软制动,”Will说,“高品质的离心机可以通过电子技术和程序控制实现这样的功能,允许用户自由设定加速度和减速度,这已逐渐成为离心机行业的标准配置。”

      还有一点值得一提,离心机应当在安全性上保护操作人员免受有害物质侵害,这包括有毒化学物质、致病菌和病毒等。Will说:“如果用户需要处理这类样品,应当选择使用带有气密性盖子的转头和机型。”

清洁
      离心机一般相对不容易被污染。但是各厂家仍然会建议进行定期的常规清洁,他们一般会推荐自己的清洁剂和专业清洁产品。

      贝克曼库尔特生命科学公司(位于美国印第安纳州印第安纳波利斯市)的营销经理Randall Lockner建议说,至少每运行几次就要擦拭一次离心机的“机箱”(腔体)。这不仅可以保持洁净的外观,还可以防止更严重的腐蚀或者交叉污染。“检查所有盖子和转头密封圈是否磨损、开裂或有杂质堆积,这应该成为仪器日常维护流程的一部分。”

许多生命科学研究流程仍然使用放射性物质
      如果用户没有按照不同同位素的性质正确地检查或清洗离心机主机和转头,那么离心机可能会变得相当“热”。此外,还可能出现严重的交叉污染,从而影响到后续的同位素成像、放射性扫描或者液闪计数的结果。按照操作规范,每次使用同位素后,用户应当分别使用沾有可溶解吸收无机和有机材料的棉签进行擦拭,然后计数检测。实验室应采取适当措施防止高浓度的同位素泄漏和处理具有潜在危险的棉签,以保护操作人员。

转头是日常维护中最重要的部分
      艾本德公司(位于纽约州哈帕市)的产品经理Matt Lieber说:“生命科学研究经常使用盐缓冲液,在样品取出后,这些缓冲液仍然会以气溶胶或其他形式残留在转头中。”与传统金属转头相比,电镀铝合金转头和碳纤维转头受盐离子侵蚀的程度相对较少,但是仍然需要定期的清洗。Lieber建议使用吸水纸巾沾取非离子型清洁剂或70%乙醇溶液进行擦拭。

      用户应定期检查甩平式水平转头转轴的润滑情况,并定期涂抹硅润滑脂。润滑不当一般不会直接引起灾难性的事故,但是可能会影响到甩平的速度和倾斜角度,譬如会影响到多相分离实验的结果(如酚氯仿抽提)。

终端用户维护
      无论转头是由哪种材质构成,都需要进行磨损检查,各种磨损有可能会使转头性能下降,甚至成为潜在的安全隐患。检查内容应当包括各种磨损、划伤、擦伤,或化学品接触腐蚀等。

      定期维护检查项目应当包括所有转头的检测,以确保它们处于可运行状态。贝克曼库尔特的维护保养工程师会在执行这些检查后填写一份关于转头状态的“报告卡”。实验室管理人员应密切关注转头的使用状态,在转头使用年限即将到期前为最终的更换做好准备和预算。

      离心管/ ExtraGene/www.extragene-web.com

      海蒂诗仪器公司(马萨诸塞州贝弗利市)的东北美地区区域经理Jeff Antonucci建议说:“延长离心机使用寿命最简单的方法就是保持润滑。此外,用户应当定期检查外壳的气密性,因为密封环的任何撕裂或破损都可能引发一系列的问题。特别是冷冻型离心机,气密性的受损有可能导致腔体内产生冷凝水和结冰。”

      Antonucci还建议用户“去听和感受”离心机,“如果您发现任何不寻常的震动、摇晃、啸叫,或任何其他不对劲的情况,应当立即关闭离心机并进行检查。如果您无法找出原因,请致电制造商。”

      离心过程中可能会使用到各种有害物质,如有毒化学品、生物危险品和放射性同位素等。无论如何小心操作,泄漏、污染和交叉污染的事件仍时有发生。供应商们建议用户首选无腐蚀性的清洗方式和产品。切记,能够有效消除致病病毒的清洁产品未必能够消除放射性污染。

售后服务
      尽管厂家已尽力使现在的离心机远离灾难性事故的黑暗历史,但用户必须明白,各种不规范操作或者维护不当仍然会导致各种不良后果或者样品损失。 “所有使用离心机的实验室应当确保仪器由专业培训的售后工程师进行定期检测,每年至少一次。”Randall Lockner建议说,“或者至少需要签订售后服务协议。离心机是一个重要的基础仪器,如果它停机了,你的实验室也就无法继续运转了。”

      所有的售后服务协议都应当包括不同级别的由经过培训的技术人员进行的预防性维护措施。贝克曼库尔特提供不同等级的售后服务协议包,可以额外覆盖机器硬件的维修或更换。如果没有售后服务协议,则会增加维修的成本,尤其是零部件费用,同时差旅费和劳务费也都额外需要计算。


离心机转头/ FA-45-6-30 & A-2-DWP-AT Eppendorf/www.eppendorfna.com

      售后工程师,无论是来自供应商的雇员,第三方售后服务机构,还是独立个人,都是非例行性离心机保养和维护的首选。顶级供应商会在购买时安排专业技术人员,确保仪器的安装和水平平衡调节正确,并对需要的用户进行培训。Lockner指出:“工程师会检查电源和通风条件是否合适,并确保用户掌握样本平衡、转头更换和其他操作的相关知识。”

购买决策——考虑因素
      离心分离是一项成熟的技术,但由于其在大多数实验室中的基础性作用,管理者进行采购时需慎重考虑。赛默飞世尔的Hugh Tansey说:“客户都希望找到一台高质量、品牌知名度好的离心机”。用户普遍希望更快取得结果,所以转速和转头容量都应被优先考虑。

      在选择离心机的类型和型号时,应当考虑其使用范围,Randall Lockner如是说。“您要分离纳米材料吗?您基本上用于样品沉淀吗?用于细胞培养或细胞分离吗?还要考虑的是,在分离样品过程中需要加入什么物质,哪部分需要保留,哪部分可以丢弃。”

      就这些考虑因素与供应商沟通交流是非常有意义的,因为不同型号的离心机在功能上经常有重叠。“这对新用户或者第一次购买者来说是非常有难度的,”Lockner说,“这取决于供应商能否针对客户的需求解释清除这些机型的区别。对于许多实验室来说,一台通用型台式离心机以及合适的配件组合就可以完成大部分常见的实验流程。”

      供应商会通过增加产品的灵活性,达到一机多用的效果。据Tansey介绍,与其购买多台专用离心机或通用型落地离心机,不如购买一台操作简易、功能强大、体积更小的台式离心机。这些离心机具有直观的动态显示屏,以及电动的自动盖子锁定功能。Tansey还说道:“我们的产品历经多次更新换代,现在呈现的是面向未来的台式离心机,提供了更好的安全性、转头选择和易用性。”

      如果实验室需要离心的样品多达3L、4L或者更大体积,又或者每次需要离心更多样品数量,则需要选择落地式离心机。台式和落地式离心机都可以进行纳米颗粒和细胞组分的沉淀分离,主要区别是样品通量和容积。事实上,许多实验室都同时配有这两种离心机。Lockner说:“但是,实验室场地紧张,这会对选购仪器的数量和尺寸提出限制。”

      管理人员在选购离心机时不应忽略其对实验室环境的影响。大型离心机占地多,噪音大。许多单位已经开始将离心机集中放置在与实验人员日常工作区域有一定距离(甚至是数层楼)间隔的中心平台。幸运的是,现在的离心机软件可以提供具有可追溯性和安全性设置的多用户环境。现在,一些厂家还允许用户使用移动应用程序远程监控离心机的运行状态,例如可以知道程序运行是否已经结束,或者前一个使用者有没有因为没有准备好等原因放弃使用机器。

      许多实验室仍然使用容量、性能和操作友好性都不如新式离心机的旧款型号。Tansey说,他们往往把重点放在现有的应用上,而没有考虑到项目和工作流程的改善。新机型会引入新的转头或适配器,可以为实验室提供更好的灵活性和性能。Tansey建议道:“不要过于沉浸在自认为经典的离心机型号中。”

      购买时还要注意耗材的选择。Lieber说:“有些客户从来没有关注过他们使用的离心管材”。虽然大多数微型离心转头和适配器可以兼容大部分的管材,但是冷冻管和HPLC管则需要特殊的适配器。“大型转头的离心管选择需要更加小心,因为大体积离心管的规格型号非常之多”。

      Lieber还建议客户慎重考虑机器的噪音、体积和外形等因素。如果客户的“办公室”面积狭小,或者离心机就放在附近,那么就可能要忍受离心机频繁工作时带来的噪音困扰。“你必须清楚离心机准备放在哪里,是否有合适的工作台或者地面摆放。”

离心管和转头
      莱伯特公司的Peter Will会首先询问客户如下几个问题来锁定客户的需求:他们需要使用多大的离心管?需要定角转头还是水平转头?每次运行需要几支离心管?是否需要制冷?以及最后一个问题,他们的实验需要多大的相对离心力或者转速?

      离心管/Tube®5.0 mL/艾本德/www.eppendorfna.com

      Will说:“每次运行几支离心管这一点至关重要,并且我认为这是我们的一项竞争优势。”通常来说,转头大小相同时,可使用的离心管越多越好,特别是在一些大型的高通量实验室。同样的,转速相同时,大容量的转头中可以使用小容量的离心管,但是小容量转头的使用就受限制了。

      Will和本文采访的其他专家一样,认为能够轻松取出转头是离心机的关键性能。如果需要超过30秒钟的更换时间,购买时则需谨慎。取出困难或更换时间过长通常意味着人体工学设计不合理或者结构材料过重,这样有时候会导致操作失误。很多《实验室管理者》的读者都熟悉的一些仪器(如HPLC,MS)虽然操作复杂,但是他们的控制面板非常直观易用,这一点也同样适用于离心机。比如莱伯特和赫姆勒品牌的仪器都配有简单的控制面板,实验人员在使用不同机器前无需交叉培训。

      “购买者不应该只局限于目前的工艺流程,”Will建议道,“他们应该选择更加灵活的机型,能够兼顾当前和未来的潜在应用方向。”离心机的灵活性涉及机器转速,以及各种转头适配大容量或者特殊离心管、甚至微孔板的能力等方面。

      购买者还应该考虑机器的易用性。Tansey说:“客户不希望考虑太多因素,他们只是希望离心机运行正常,特别是人员流动性高的和多用户共用的实验室。”

      过去,对许多实验室工作人员来说,更换转头,特别是大型转头,简直就是一项挑战,特别是落地式离心机中的大型金属转头。Tansey说:“以前,这需要借用特殊工具,而且还是个力气活。”操作员更换转头时操作失误还是造成设备损坏的重要原因,特别是未经培训的操作员。

      带螺旋盖的黑色离心管/Asynt/www.asynt.com

      顶级供应商通过减轻转头重量和简化转头拆装操作来解决令人头疼的转头更换问题。因此,新购买大型离心机时可以考虑碳纤维转头,它比同等的金属转头轻60%。多种容易腐蚀金属的化学物质都无法损害碳纤维转头,因此碳纤维转头的使用寿命可以更长。赛默飞世尔公司的自动锁定系统允许通过按钮式操作更换转头,无需使用工具。

      另外还值得考虑的是生物安全盖,特别是对吊桶式水平转头,它可以保护用户不会接触到离心样品产生的气溶胶。生物安全性已成为离心分离生物危害性细胞和微生物的专有名词,但实际上生物安全盖还能为实验室使用挥发性有害物质时提供保护。

      跟转头更换一样,生物安全盖的安装也需要一定的技巧和特别的细心。据赛默飞世尔公司称,该公司的ClickSeal技术可以使安全盖的拆装变得更加容易。

转载:
http://www.labmanager.com/insights/2014/03/insights-on-centrifuges

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关于贝克曼库尔特生命科学事业部

贝克曼库尔特生命科学事业部一直致力于改善全世界人类的健康。处于全球领先地位的贝克曼库尔特公司,为广大科研、商业实验室的生命科学研究工作者们提供先进的仪器系统、试剂和世界级的技术服务与支持,不断促进生物学科研的新技术发展。作为离心机和流式细胞仪的行业领导者,贝克曼库尔特公司长期以来一直是毛细管电泳、颗粒表征和实验室自动化的创新者,其产品主要用于最前沿的重要研究领域,包括基因组学、蛋白质组学等。欲了解更多信息,敬请访问贝克曼库尔特全球网站www.BeckmanCoulter.com和中文官方网站www.beckmancoulter.com.cn