離心機及rpm單位與g(RCF)單位的換算介紹

2024年1月4日發(作者：雞蛋浮起來的實驗)

關于離心機及rpm單位與g(RCF)單位的換算

離心就是利用離心機轉子高速旋轉產生的強大的離心力，加快液體中顆粒的沉降速度，把樣品中不同沉降系數和浮力密度的物質分離開。所以需要利用離心機產生強大的離心力，才能迫使這些微粒克服擴散產生沉降運動。

當含有細小顆粒的懸浮液靜置不動時，由于重力場的作用使得懸浮的顆粒逐漸下沉。粒子越重，下沉越快，反之密度比液體小的粒子就會上浮。微粒在重力場下移動的速度與微粒的大小、形態和密度有關，并且又與重力場的強度及液體的粘度有關。象紅血球大小的顆粒，直徑為數微米，就可以在通常重力作用下觀察到它們的沉降過程。

此外，物質在介質中沉降時還伴隨有擴散現象。擴散是無條件的絕對的。擴散與物質的質量成反比，顆粒越小擴散越嚴重。而沉降是相對的，有條件的，要受到外力才能運動。沉降與物體重量成正比，顆粒越大沉降越快。對小于幾微米的微粒如病毒或蛋白質等，它們在溶液中成膠體或半膠體狀態，僅僅利用重力是不可能觀察到沉降過程的。因為顆粒越小沉降越慢，而擴散現象則越嚴重。所以需要利用離心機產生強大的離心力，才能迫使這些微粒克服擴散產生沉降運動。

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 — 粒子旋轉的加速度， m — 沉降粒子的有效質量，ω—粒子旋轉的角速度， r—粒子的旋轉半徑( cm )。

通常離心力常用地球引力的倍數來表示，因而稱為相對離心力 “ RCF ”。或者用數字乘“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，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 = 1.1∴19×10－5×(rpm)2 r

( rpm — revolutions per minute每分鐘轉數，r/min )

由上式可見，只要給出旋轉半徑r，則RCF和rpm之間可以相互換算。但是由于轉頭的形狀及結構的差異，使每臺離心機的離心管，從管口至管底的各點與旋轉軸之間的距離是不一樣的，所以在計算是規定旋轉半徑均用平均半徑“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“×g”代替每分鐘轉數“rpm”，因為它可以真實地反映顆粒在離心管內不同位置的離心力及其動態變化。科技文獻中離心力的數據通常是指其平均值（RCFa v），即離心管中點的離心力。

離心機可分為工業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，主要用于研究純的生物大分子和顆粒的理化性質，依據待測物質在離心場中的行為（用離心機中的光學系統連續監測），能推斷物質的純度、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，轉子有角式和外擺式，其轉速不能嚴格控制，通常不帶冷凍系統，于室溫下操作，用于收集易沉降的大顆粒物質，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動，電機的碳刷易磨損，轉速是用電壓調壓器調節，起動電流大，速度升降不均勻，一般轉頭是置于一個硬質鋼軸上，因此精確地平衡離心管及內容物就極為重要，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，轉頭配有各種角式轉頭、蕩平式轉頭、區帶轉頭、垂直轉頭和大容量連續流動式轉頭、一般都有制冷系統，以消除高速旋轉轉頭與空氣之間摩擦而產生的熱量，離心室的溫度可以調節和維持在0～40℃，轉速、溫度和時間都可以嚴格準確地控制，并有指針或數字顯示，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：轉速可達50000～80000 rpm，相對離心力最大可達510000×g，最著名的生產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，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、蛋白質和多糖等。