实验室离心机的应用需求与功能配置评估的探讨

 离心机是广泛应用于医学实验室，完成样品分离、分析技术的仪器。由于各实验室的技术定位不同或实验目的不同对离心机的技术功能配置需求也存在较大差异，实践中不乏功能配置配置不合理、不适宜酿成资源浪费的事例。因此，探讨其应用需求和功能配置间的关系在装备配置管理上有着重要意义。

１离心技术及通用实验室离心机

离心是在离心力的作用下，利用被离心样品物质的沉降系数、浮力、密度差别进行分离、浓缩、提取制备以及分析测定生物大分子分子量和纯度。

１．１离心技术

离心机的设计原理是利用驱动转头旋转时所产生的离心场力加快样品粒子的沉降速度，把样品中不同沉降系数或浮力密度差的物质分离开。决定离心力大小的因素除转速（Ｒｅｖｏｌｖｅｄｐｅｒｍｉｎｕｔｅ，ｒ／ｍｉｎ或ｒｐｍ）和离心（转头）半径外，还与粒子在旋转运动中所受到的力（重力、浮力、摩擦力）之作用影响有关，如图ｌ所示。离心力方向与重力呈垂直，故常用相对离心力（Ｒｅｌａｔｉｖｅｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｆｏｒｃｅ，ｒｃｆ）表示，即相对于重力作用在旋转粒子上的离心力，用重力加速度ｇ（９８０ｃｍ／ｓ２）作为量值，也称为“ｇ－Ｆｏｒｃｅ”，表达式为：ＲＣＦ＝ω２ｒ／９８０。运用离心技术的关键是如何根据样品粒子和介质的性质以及转子的技术参数来确定离心力、转速和离心时间设置。粒子（细胞、细胞器及大分子的统称）的沉降或分离速率取决于离心力、粒子的大小、形状和密度以及沉降介质的密度和粘度。按离心机的工作方式可将其所实现的技术分为离心过滤、离心沉降（或澄清）及离心分离［１］。

图 1 离心力的产生

 

１．２通用实验室离心机

近年来，一类称之为通用实验室离心机（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌｌａｂｏｒａｔｏｒｙｃｅｎｔｒｉｆｕｇｅ）的机型进入医学实验室。所谓“通用”是其兼顾了低速机和高速机、微量和较大容量的性能，且体积小、重量轻、耗电低、操作简便；常见机型最高转速≥１５０００ｒ／ｍｉｎ，最大ｒｃｆ一般可达２００００×ｇ以上，个别机型达到≥６００００×ｇ，最大离心容量≥３０００ｍｌ，性能上顺应了分子生物学、细胞生物学等相关领域常规分离制备技术的需要。

通用实验室离心机在结构上与高速机基本相同，但为实现其通用性能可谓浓缩了近代离心机制造方面的高新技术：⑴驱动系统采用无碳刷变频电机取代了直流串激电机，在不同转速都能输出最大扭矩，为开发一机多功能型的通用离心机提供了重要前提；低噪声，免除了碳刷摩擦产生的高频噪声，不需要安装在专门房间；且因无碳粉污染，还可在特定样品分离要求的无菌、无尘实验室内使用；起动速度快；整机体积、重量和功耗减小，故大多制作成台式机型。⑵离心转头，不同技术性能的转头代表着离心功能，通用离心机所配置的转头充分体现了当代离心技术的特征；主要可概括为采取计算机三维计算优化设计，具有体轻、转速高等优点；碳纤维制造高速转头，容量大、重量轻、耐腐蚀性能强；开发出大离心力转头，缩短了某些难以分离生物样品的分离时间，减少了浓度扩散作用，提高了分离纯度和分辨率；角转头采取小倾角设计，兼有垂直转头沉降距离小、纵剖面面积大、分离时间短的优点，尤其适于质粒ＤＮＡ、ＲＮＡ分离；多样式，每管位容量覆盖０．２￣７５０ｍｌ，除角转头外，还有水平（含微量高速水平转头）、鼓式、区带、微板、涂片等转头。⑶控制和显示，采用微处理机控制，自动转头识别；可设置ｒｐｍ和ｒｃｆ，并实时显示实际值，减少了计算麻烦；多档设置的升速／降速控制；瞬时离心控制；自检和故障提示。⑷安全性，如电子盖锁、超温、过速、失平衡保护等，一旦发生误操作或故障将发出提示声音报警。⑸控温系统，低温控制机型多为一级压缩机无氟制冷，控温范围一般在﹣９℃（或﹣２０℃）～＋４０℃，精度≤１℃；具有预冷程序、待机状态可恒冷维持功能，以适应实验室机动性、连续性工作需要。

２装备应考虑的主要问题及功能配置

通用实验室离心机可能会深入到每一个技术相关实验室，是一个潜在发展的市场，应当引起装备管理方面的高度重视。在明确实验室的技术定位、主次技术需求及相应离心方法的前提下，转头形式、最大ｒｃｆ、ｒｐｍ、样品量等是选择离心技术的基本参数，要在此基础上考虑离心机的选型、主要功能及兼顾功能的配置。

２．１医学实验室常规离心技术功能需求

２．１．１ＲＮＡ离心制备

培养细胞经低速离心（水平转头，３００×ｇ）完成细胞分离、裂解后，加ＲＮＡ沉淀提取液，于４℃，１００００～１２０００×ｇ（角转头，微量１．５／２．０ｍｌＥｐｐｅｎｄｏｒｆ管，或≥１５ｍｌ、５０ｍｌ管）分步提取；组织样本需先施匀浆预处理［２］。

２．１．２ＤＮＡ离心制备

水平转头，２０００×ｇ左右（１．５／２．０ｍｌＥｐｐｅｎｄｏｒｆ管，１５ｍｌ、５０ｍｌ锥底管或更大体积）；再经１２０００～２７０００×ｇ。制备质粒ＤＮＡ：角转头，２５０ｍｌ或５００ｍ１／瓶，５０００～６０００×ｇ；１５～５０ｒｎｌ／管，１２０００～２７０００×ｇ；４℃或特定温度。

２．１．３载体表达蛋白分离

角转头，２５０～５００ｍｌ／瓶，４０００×ｇ；１５～５０ｍｌ锥底管，３０００×ｇ；角转头，５０ｍｌ管／瓶，２７０００×ｇ；４℃。

２．１．４细胞纯化和亚细胞器分离

用差速离心法分离细胞器和大小差别悬殊的细胞［３］。由低速分步到高速离心，细胞器的沉降顺序是细胞核、线粒体、溶酶体、过氧化酶体、内质网、高尔基体、核蛋白体，所有过程控温４℃。收集细胞：水平转头，８５０～１８５０×ｇ，优选锥形底管；分离细胞核和细胞质，３３００×ｇ；核提取，２５０００×ｇ。进一步纯化分离将联用超速离心。密度梯度速率沉降法分离密度相近而大小不等的细胞或细胞器。采用合适的密度梯度介质，水平转头１００～９００×ｇ。等密度梯度法分离细胞器，１００００～３００００×ｇ。

２．１．５细胞学涂片离心

除专用细胞涂片离心机外，在个别实验室离心机上可配置细胞学涂片离心转头，实现一次≥４片离心。据细胞学特性，ｒｃｆ控制在５０～１０００×ｇ。选购时，需注意离心容器的样品处理量是否满足实验目的。

２．１．６离心超滤、浓缩、抽提

配合市售离心过滤浓缩管（１．５～８０ｍｌ，Ｃｏｍｉｎｇ，Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ，Ｓｐｅｃｔｒｕｍ等）或样品抽提容器使用，采用角转头或水平转头，角转头可使超滤膜与离心力不成直角而避免浓度极化；１０００～ｌ２０００×ｇ不等，可参考所购容器的使用说明。

２．１．７微孔板离心

酶标板、ＴＣ板、ＰＣＲ板以及样品抽提纯化板的离心。在通用离心机可通过在大容量水平转头上配置微孔板吊架（ｒｃｆ一般将低于转头的额定值）或选用微板专用离心转头实现，１０００×ｇ左右。每个吊架可放１～４块标准９６孔板或更多，也有可兼做载玻片的离心适配器

２．２选型与功能配置评估

通用实验室离心机在性能、价格上仍存有较大差别。为节省资源，建议在装备实践中力求功能配置与应用需求功能做到相关适宜。

２．２．１功能配置与实际需求的双向功能分解评估

实验室离心制备小样本ＲＮＡ常用的功能参数是：容量１．５／２．０ｍ１／管，最大ｒｃｆ≥１００００×ｇ。表１列出４种可供选择的通用离心机功能配置方案（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ），投入成本依次递增有较大差别，配置功能与需求功能达到适时一致，将是资源配置的很好的结果。如果装备对象仅以小样本制备为主选择方案Ａ即可满足，兼顾细胞学工作还可选择Ｂ，当然如２项技术的使用率均较高也可采用分别单一功能配置。

２．２．２注意各实验室间的资源共享

方案Ｃ或Ｄ的选择，需要对实验室的性质以及对各项扩展功能的权重做出进一步的评估。另外，一个卫生单位内如有多个实验室不同程度地涉及到某（些）种功能，但利用率均不高，要注意资源共享，研究功能配置的数量、搭配及管理等问题。对特殊离心功能配置如大容量离心转头、鼓式转头等，可考虑装备在能公共利用的地点专管共用或实行借用。

表１医学实验室样品制备离心机的选择及功能配置

２．３其它配置评估因素

在完成功能需求配置评估的基础上，还要根据实验需求及实验室的具体情况在器材的选择上考虑以下因素：

２．３．１转速与离心力

要对离心机的综合性能做出全面评估，在进行产品比较时不能单纯评估转速，还要注意相应的最大ｒｃｆ值。

２．３．２生物安全

离心机是可引发气溶胶污染的器材之一［４］，如在ＢＳＬ２级别以上实验室使用应注意：（１）离心室的密封性能；（２）选择带密封盖、可进行１２１℃高温灭菌的生物安全密封式转头．配套的离心管ｆ瓶）也应具备密封措施；（３）如果要将离心机放人生物安全柜或超净工作台中使用，要充分考虑离心机的体积、重量、稳定性以及安全柜的承受能力等指标。

２．３．３温度控制

高速离心特别是大容量高速离心转头的温度控制，要注意在最大转速时可控制的温度值是否满足实验要求。

２．３．４最小起动转速／降速和调速增量

对此参数要求严格的离心实验，要注意选型。