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    离心机的简介
    点击次数:765 发布时间:2017-11-22

    离心机是利用离心力,分离液体与固体颗粒或液体与液体的混合物中各组分的机械。离心机主要用于将悬浮液中的固体颗粒与液体分开,或将乳浊液中两种密度不同,又互不相溶的液体分开(例如从牛奶中分离出奶油);它也可用于排除湿固体中的液体,例如用洗衣机甩干湿衣服;特殊的超速管式分离机还可分离不同密度的气体混合物;利用不同密度或粒度的固体颗粒在液体中沉降速度不同的特点,有的沉降离心机还可对固体颗粒按密度或粒度进行分级。

    结构主要由电机驱动系统、制冷系统、机械系统、转头和系统控制等几部分组成。

    二、离心机的分类

     

    离心机的式样和型号很多,有国产的和进口的,按用途可分为分析式离心机和制备式离心机;

    按转速可划分为:

    普通离心机(低速):<8000r/min;

    高速离心机:8000 ~30000r/rain;

    超速离心机:30000 ~80000r/min;

    超高速离心机:>80000r/min;

    按结构分类:

    一般高速和低速离心机根据结构和功能进行分类,品种繁多,各厂家命名也无统一标准。可分为台式离心机、多管微量台式离心机、细胞涂片离心机、血液洗涤台式离心机、高速冷冻离心机、大容量低速冷冻离心机、低速冷冻离心机、台式高速冷冻离心机、台式低速自动平衡离心机等。另外国外还有三联式(五联式)高速冷冻离心机,专作连续离心用。

    按体积和容量一般可分为:落地式离心机,台式离心机和迷你(掌上)离心机。落地式的处理容量大体积大,迷你离心机处理容量小体积小。

    可以根据实验目的和实验需要,选择不同容量、不同转速、不同温度控制的离心机。

     

    三、转头

    转子是离心机的主要配件。简单的说,可以将离心机分为主机和可拆卸的转子(转头)两部分,一个多功能主机通常可以配多个转子,靠不同型号的转子来满足不同的需要来实现其“多功能”的,这样可以有效的降低采购成本,但是选购的时候需要注意选择转子拆装方便的离心机,一般的离心机转子与主轴直接配合,厂家为了降低噪音往往把主机和转子的配合度做得相当高,但这样大的弊端就是转子容易与主轴咬死造成拆卸不方便,另外,这种转子与电机的配合方式还存在很强的方向性,当转子方向与电机主轴配合发生偏移时会造成较大的噪音影响整机的使用寿命,严重的话将会造成主轴断裂,转子爆炸。常用的转子包括固定角转子和水平转子。转子越齐当然功能越全,所以选择转子通常根据常用样品的容量及离心的条件选择,通常水平转头和角转头各一个,大容量(相对较低速)的转子和小容量高转速的转子各一个,再根据工作中的不同需要选择其他转子。

    ⑴ 角式转头:角式转头是指离心管腔与转轴成一定倾角的转头。它是由一块完整的金属制成的,其上有4~12个装离心管用的机制孔穴,即离心管腔,孔穴的中心轴与旋转轴之间的角度在20~40度之间,角度越大沉降越结实,分离效果越好。这种转头的优点是具有较大的容量,且重心低,运转平衡,寿命较长,颗粒在沉降时先沿离心力方向撞向离心管,然后再沿管壁滑向管底,因此管的一侧就会出现颗粒沉积,此现象称为“壁效应”,壁效应容易使沉降颗粒受突然变速所产生的对流扰乱,影响分离效果。

    角转子中的离心管能够保持固定的角度离心,可以使用较高的转速,离心后沉淀位于管底的斜面。较大容量的转子通常可以配不同的“适配器”来“固定”小容量的样品管,例如6 x 85ml的转子每孔可以放置85ml的离心管,也可以放50ml或者15—20ml的离心管,实现一物多用;但是由于重量的负担,大容量转子的高转速相对小的要低一些,因而还要考虑高离心力是否能满足实验要求。高转速的转头通常是适配2ml离心管的转子,有时一个转子的价格就几乎可以买多一个小离心机,可以另外购置小型台式高速离心机,这样还可以减少昂贵设备的损耗。有的小型台式的高速离心机也提供大小不同的固定角转子(分别配合0.5ml和2ml/1.5ml离心指管,其实,除非是经常固定使用0.5ml离心管且每次离心的样品量比较大,一般选择一个2ml/1.5ml转子,配合适配器(有适合0.2ml、0.4ml、0.5ml管的适配器)就可以满足需要。如果常用PCR条管的还要考虑配一个8联管的转子比较方便。

    角转子配的盖子有助于减少摩擦、降低噪音和防止意外,使用角转子一定要盖盖,如未盖离心腔内会产生很大的涡流阻力和摩擦升温,这等于给离心机的电机和制冷机增加了额外负担,影响离心机的使用寿命。另外有一种气密性转子可以进行气密性离心,防止意外泄漏,对于改善实验环境很重要。

    ⑵ 水平式转头:这种转头是由吊着的4或6个自由活动的吊篮(离心套管)构成。当转头静止时,吊桶垂直悬挂,当转头转速达到每分钟200到800转时,吊桶荡至水平位置,这种转头适合做密度梯度区带离心,其优点是梯度物质可放在保持垂直的离心管中,离心时被分离的样品带垂直于离心管纵轴,而不像角式转头中样品沉淀物的界面与离心管成一定角度,因而有利于离心结束后由管内分层取出已分离的各样品带。其缺点是颗粒沉降距离长,离心所需时间也长。

    水平转子配有4或6个吊篮,静止时垂直挂在转子上,吊篮有不同的适配器以满足不同容量的离心管的需要。当转子转速超过600rpm后离心管达到水平位置,样品沉降方向是沿离心管轴向移动,后沉降在管底,便于收集。因为不如固定角转子稳固,水平吊篮高转速相比固定角转子要低很多,限于低速离心的范围。吊篮有不同的适配器,可以放置各种类型的离心管,甚至满足平板离心的需要——例如一些品牌的大容量离心机可配多用途适配器,使得多个微孔板或者培养板、深孔板、PCR板、玻片盒、大规模核酸纯化试剂盒的纯化板、甚至细胞培养瓶的离心可以和大容量的离心瓶公用同一个水平转子,有助于节约经费同时满足多样化的需求。所以说选择适配范围越宽的转子越好。

    水平转子可以使离心沉淀在管底而非管壁的斜面上,但是水平转子的转速往往较同型号的固定转子慢很多——有时无法满足高速离心的需要,对于要求高速但是又要求沉淀在管底的微量样品就可以选择鼓型转子,离心指管水平固定在这种外型不甚美观的“圆饼干盒子”里面的支架上,可以以相对较高的速度离心(14000rmp)又保证沉淀聚集在管底。

    ⑶ 区带转头:区带转头无离心管,主要由一个转子桶和可旋开的顶盖组成,转子桶中装有十字型隔板装置,把桶内分隔成四个或多个扇形小室,隔板内有导管,梯度液或样品液从转头中央的进液管泵入,通过这些导管分布到转子四周,转头内的隔板可保持样品带和梯度介质的稳定。沉降的样品颗粒在区带转头中的沉降情况不同于角式和外摆式转头,在径向的散射离心力作用下,颗粒的沉降距离不变,因此区带转头的“壁效应”极小,可以避免区带和沉降颗粒的紊乱,分离效果好,而且还有转速高,容量大,回收梯度容易和不影响分辨率的优点,使超离心用于制备和工业生产成为可能。区带转头的缺点是样品和介质直接接触转头,耐腐蚀要求高,操作复杂。

    ⑷ 垂直转头:其离心管是垂直放置,样品颗粒的沉降距离短,离心所需时间也短,适合用于密度梯度区带离心,离心结束后液面和样品区带要作九十度转向,因而降速要慢。

    ⑸ 连续流动转头:可用于大量培养液或提取液的浓缩与分离,转头与区带转头类似,由转子桶和有入口和出口的转头盖及附属装置组成,离心时样品液由入口连续流入转头,在离心力作用下,悬浮颗粒沉降于转子桶壁,上清液由出口流出。

    越来越多新型转子应新的需要而诞生。转子的材质也从重量轻、强度高、造价低的铝合金不断创新,出现了碳纤维转子、塑料转子等等超轻转子,还有采用铝合金模具压成空心角转从而有效减轻重量,从而减轻电机的负荷及增加样品的容量。现在的转子和适配器、盖子多数都可以直接高温消毒,抗腐耐温性也大大提高,可以满足特殊的需要。不过转子在高速运转时,内部会产生离心应力,因而都有一定的使用极限,需要参照说明书正确保管和使用。当离心应力超过一定的限度后,将引起转头过早损坏,甚至发生意外,应严格遵循厂家的说明。

    四、离心管和离心瓶的选择

    离心管主要用玻璃、塑料和不锈钢制成,塑料离心管常用材料有聚乙烯(PE),聚碳酸酯(PC),聚丙烯(PP)等,其中PP管性能较好。塑料离心管的优点是透明(或半透明),硬度小,可用穿刺法取出梯度。缺点是易变形,抗有机溶剂腐蚀性差,使用寿命短。

    不锈钢管强度大,不变形,能抗热,抗冻,抗化学腐蚀。但用时也应避免接触强腐蚀性的化学药品,如强酸、强碱等。

    塑料离心管都有管盖,离心前管盖必须盖严,倒置不漏液。管盖有三种作用:①防止样品外泄。用于有放射性或强腐蚀性的样品时,这点尤其重要。②防止样品挥发。③支持离心管,防止离心管变形。使用玻璃管时离心力不宜过大,需要垫橡胶垫,防止管子破碎,高速离心机一般不选用玻璃管.

    离心管(瓶)的材料、物理特性和化学稳定性见下表:

    离心管材料

    PP(聚丙烯Polypropylene):半透明,化学及温度稳定性较好,但是在低温下会变脆,所以在离心时不要在4℃以下。

    PC (聚碳酸酯Polycarbonate):透明度较好,硬度大,可以高温消毒,但不耐强酸强碱以及一些有机溶剂如酒精之类。主要用于5万转以上的超高速离心。

    PE(聚乙烯Polyethylene):不透明。和丙酮、醋酸、盐酸等不反应,较为稳定,高温下容易变软。

    PA(聚酰胺Polyallomer):这种材质是PP和PE材质的聚合物,半透明,化学性质非常稳定,但不耐高温。

    PS(聚苯乙烯):透明,硬度大,对大多数的水溶液稳定,但是会被多种有机物腐蚀,多用于低速离心,而且一般是一次性使用。

    PF(聚氟):半透明,可以低温使用,如果是-100℃~-140℃下的实验环境,就可以用这种材质的离心管。

    CAB(醋酸丁酯纤维素Cellulose):透明,可用于较稀的酸、碱、盐,以及酒精、蔗糖的梯度测定。

     

    五、控制系统

    离心机都采用了微电脑控制系统,这些控制系统不但能确保离心机安全的运行还能自动完成工作任务。现在很多离心机都有较好的人性化的控制系统.比如:转子识别功能,安全锁功能,故障提示功能,加速和减速曲线等等。

    除以上几点之外还要注意一些细节和必要的配件。离心机的主要部件是电机,电机分为带碳刷电机和无碳刷电机,前者已经淘汰,现在的离心机都是无碳刷电机,有的电机还带有刹车功能。冷冻离心机在制冷方面也有区别,现在环保的技术当然是无氟制冷。除此之外还要考虑噪音问题,尽量选择噪音较小的离心机,这样能保持舒适的实验环境。在配件方面也要谨慎,有些实验要用特殊的离心机,冷冻离心机都有额定的温度范围。离心机在高速运转的时候所产生热量和离心机的制冷系统平衡在一定温度(一般冷冻离心的样品需要保持在3℃一8℃),具体能达到多少也和转子有关,如一个离心机的额定温度范围为-10℃~60℃,装上水平转子在旋转的时候可以达到3"C左右,如果是角转子可能只到7℃左右.这一点也要详细咨询产品销售人员和生产厂的有关技术人员。

    六.离心机使用的不锈钢

    304(0Cr18Ni9Ti)是一种通用性的不锈钢,它广泛地用于制作要求良好综合性能(耐腐蚀和成型性)的设备和机件。

    301(1Cr17Ni7)不锈钢在形变时呈现出明显的加工硬化现象,被用于要求较高强度的各种场合。

    302不锈钢实质上就是含碳量更高的304不锈钢的变种,通过冷轧可使其获得较高的强度。

    302B是一种含硅量较高的不锈钢,它具有较高的抗高温氧化性能。

    303和303Se是分别含有硫和硒的易切削不锈钢,用于主要要求易切削和表而光浩度高的场合。303Se不锈钢也用于制作需要热镦的机件,因为在这类条件下,这种不锈钢具有良好的可热加工性。

    304L(0Cr19Ni10)是碳含量较低的304不锈钢的变种,用于需要焊接的场合。较低的碳含量使得在*近焊缝的热影响区中所析出的碳化物减至少,而碳化物的析出可能导致不锈钢在某些环境中产生晶间腐蚀(焊接侵蚀)。

    304N是一种含氮的不锈钢,加氮是为了提高钢的强度。

    305和384不锈钢含有较高的镍,其加工硬化率低,适用于对冷成型性要求高的各种场合。

    308不锈钢用于制作焊条。

    309、310、314及330不锈钢的镍、铬含量都比较高,为的是提高钢在高温下的抗氧化性能和蠕变强度。而30S5和310S乃是309和310不锈钢的变种,所不同者只是碳含量较低,为的是使焊缝附近所析出的碳化物减至少。330不锈钢有着特别高的抗渗碳能力和抗热震性.

    316(0Cr17Ni12Mo2)和317型不锈钢含有铝,因而在海洋和化学工业环境中的抗点腐蚀能力大大地优于304不锈钢。其中,316型不锈钢由变种包括低碳不锈钢316L(0Cr17Ni14Mo2)、含氮的高强度不锈钢316N以及合硫量较高的易切削不锈钢316F。

    321(0Cr18Ni11Ti)、347(0Cr18Ni11Nb)及348是分别以钛,铌加钽、铌稳定化的不锈钢,适宜作高温下使用的焊接构件。348是一种适用于核动力工业的不锈钢,对钽和钻的合量有着一定的限制。

    不同元素对钢材性能的影响

    (1)碳;含碳量越高,刚的硬度就越高,但是它的可塑性和韧性就越差.

    (2)硫;是钢中的有害杂物,含硫较高的钢在高温进行压力加工时,容易脆裂,通常叫作热脆性.

    (3)磷;能使钢的可塑性及韧性明显下降,特别的在低温下更为严重,这种现象叫作冷脆性.在优质钢中,硫和磷要严格控制.但从另方面看,在低碳钢中含有较高的硫和磷,能使其切削易断,对改善钢的可切削性是有利的.

    (4)锰;能提高钢的强度,能消弱和消除硫的不良影响,并能提高钢的淬透性,含锰量很高的高合金钢(高锰钢)具有良好的耐磨性和其它的物理性能.

    (5)硅;它可以提高钢的硬度,但是可塑性和韧性下降,电工用的钢中含有一定量的硅,能改善软磁性能

    (6)钨;能提高钢的红硬性和热强性,并能提高钢的耐磨性.

    (7)铬;能提高钢的淬透性和耐磨性,能改善钢的抗腐蚀能力和抗氧化作用.

    (8)钒;能细化钢的晶粒组织,提高钢的强度,韧性和耐磨性.当它在高温熔入奥氏体时,可增加钢的淬透性;反之,当它在碳化物形态存在时,就会降低它的淬透性.

    (9)钼;可明显的提高钢的淬透性和热强性,防止回火脆性,提高剩磁和娇顽力.

    (10)钛;能细化钢的晶粒组织,从而提高钢的强度和韧性.在不锈钢中,钛能消除或减轻钢的晶间腐蚀现象.

    (11)镍;能提高钢的强度和韧性,提高淬透性.含量高时,可显著改变钢和合金的一些物理性能,提高钢的抗腐蚀能力.

    (12)硼;当钢中含有微量的(0.001-0.005%)硼时,钢的淬透性可以成倍的提高.

    (13)铝;能细化钢的晶粒组织,阻抑低碳钢的时效.提高钢在低温下的韧性,还能提高钢的抗氧化性,提高钢的耐磨性和疲劳强度等.

    (14)铜;它的突出作用是改善普通低合金钢的抗大气腐蚀性能,特别是和磷配合使用时更为明显.

    北京科誉兴业科技发展有限公司(www.bntkq.tw)主营Micro17R/21R离心机,Eppendorf5424R离心机,Bio-Rad伯乐C1000,T100PCR仪,Leica DMi1倒置显微镜
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