關于離心機及rpm單位與g(RCF)單位的換算

2024年1月4日發(fā)(作者：樊增祥)

關于離心機及rpm單位與g(RCF)單位的換算

離心技術在生物科學，特別是在生物化學和分子生物學研究領域，已得到十分廣泛的應用，每個生物化學和分子生物學實驗室都要裝備多種型式的離心機。離心技術主要用于各種生物樣品的分離和制備，生物樣品懸浮液在高速旋轉(zhuǎn)下，由于巨大的離心力作用，使懸浮的微小顆粒（細胞器、生物大分子的沉淀等）以一定的速度沉降，從而與溶液得以分離，而沉降速度取決于顆粒的質(zhì)量、大小和密度。

基本原理:

當一個粒子（生物大分子或細胞器）在高速旋轉(zhuǎn)下受到離心力作用時，此離心力“F”由下式定義，即：

F = m&S226;a = m&S226;ω2 r

a — 粒子旋轉(zhuǎn)的加速度， m — 沉降粒子的有效質(zhì)量，ω—粒子旋轉(zhuǎn)的角速度， r—粒子的旋轉(zhuǎn)半徑( cm )。

通常離心力常用地球引力的倍數(shù)來表示，因而稱為相對離心力 “ RCF ”。或者用數(shù)字乘“g”來表示，例如25000×g，則表示相對離心力為25000。相對離心力是指在離心場中，作用于顆粒的離心力相當于地球重力的倍數(shù)，單位是重力加速度“g”

（980cm/c2），此時“RCF”相對離心力可用下式計算：

∴ RCF = 1.119×10－5×(rpm)2 r

( rpm — revolutions per minute每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，r/min )

由上式可見，只要給出旋轉(zhuǎn)半徑r，則RCF和rpm之間可以相互換算。但是由于轉(zhuǎn)頭的形狀及結(jié)構的差異，使每臺離心機的離心管，從管口至管底的各點與旋轉(zhuǎn)軸之間的距離是不一樣的，所以在計算是規(guī)定旋轉(zhuǎn)半徑均用平均半徑“ra v”代替：

ra v=( r min＋rmax) / 2

一般情況下，低速離心時常以轉(zhuǎn)速“rpm”來表示，高速離心時則以“g” 表示。計算顆粒的相對離心力時，應注意離心管與旋轉(zhuǎn)軸中心的距離“r”不同，即沉降顆粒在離心管中所處位置不同，則所受離心力也不同。因此在報告超離心條件時，通常總是用地心引力的倍數(shù)“×g”代替每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)“rpm”，因為它可以真實地反映顆粒在離心管內(nèi)不同位置的離心力及其動態(tài)變化。科技文獻中離心力的數(shù)據(jù)通常是指其平均值（RCFa v），即離心管中點的離心力。

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單位rpm與g的換算：

離心機可分為工業(yè)用離心機和實驗用離心機。實驗用離心機又分為制備性離心機和分析性離心機，制備性離心機主要用于分離各種生物材料，每次分離的樣品容量比較大，分析性離心機一般都帶有光學系統(tǒng)，主要用于研究純的生物大分子和顆粒的理化性質(zhì)，依據(jù)待測物質(zhì)在離心場中的行為（用離心機中的光學系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測），能推斷物質(zhì)的純度、形狀和分子量等。分析性離心機都是超速離心機。

制備性離心機可分為三類：

⑴ 普通離心機：最大轉(zhuǎn)速6000 rpm左右，最大相對離心力近6000×g，容量為幾十毫升至幾升，分離形式是固液沉降分離，轉(zhuǎn)子有角式和外擺式，其轉(zhuǎn)速不能嚴格控制，通常不帶冷凍系統(tǒng)，于室溫下操作，用于收集易沉降的大顆粒物質(zhì)，如紅血球、酵母細胞等。這種離心機多用交流整流子電動機驅(qū)動，電機的碳刷易磨損，轉(zhuǎn)速是用電壓調(diào)壓器調(diào)節(jié)，起動電流大，速度升降不均勻，一般轉(zhuǎn)頭是置于一個硬質(zhì)鋼軸上，因此精確地平衡離心管及內(nèi)容物就極為重要，否則會損壞離心機。

⑵ 高速冷凍離心機：最大轉(zhuǎn)速為20000～25000rpm（r/min），最大相對離心力為89000×g，最大容量可達3升，分離形式也是固液沉降分離，轉(zhuǎn)頭配有各種角式轉(zhuǎn)頭、蕩平式轉(zhuǎn)頭、區(qū)帶轉(zhuǎn)頭、垂直轉(zhuǎn)頭和大容量連續(xù)流動式轉(zhuǎn)頭、一般都有制冷系統(tǒng)，以消除高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)頭與空氣之間摩擦而產(chǎn)生的熱量，離心室的溫度可以調(diào)節(jié)和維持在0～40℃，轉(zhuǎn)速、溫度和時間都可以嚴格準確地控制，并有指針或數(shù)字顯示，通常用于微生物菌體、細胞碎片、大細胞器、硫銨沉淀和免疫沉淀物等的分離純化工作，但不能有效地沉降病毒、小細胞器(如核蛋白體)或單個分子。

⑶ 超速離心機：轉(zhuǎn)速可達50000～80000 rpm，相對離心力最大可達510000×g，最著名的生產(chǎn)廠商有美國的貝克曼公司和日本的日立公司等，離心容量由幾十毫升至2升，分離的形式是差速沉降分離和密度梯度區(qū)帶分離，離心管平衡允許的誤差要小于0.1克。超速離心機的出現(xiàn)，使生物科學的研究領域有了新的擴展，它能使過去僅僅在電子顯微鏡觀察到的亞細胞器得到分級分離，還可以分離病毒、核酸、蛋白質(zhì)和多糖等。

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