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 小貝講堂之離心常用術語 – 離心力和相對離心力

在生命科學研究中，離心是一種必不可少的技術手段，更是實驗室中最常見的實驗項目。但是你真的了解這門技術嗎？你是否知道離心的原理，了解如何選擇合適的轉頭、離心管和離心方法呢？小貝離心課堂重新開課，帶你玩轉離心機，快來加入我們吧！

離心原理

學習一門技術勢必要先從了解其原理開始。我們可以通過簡單的實驗來理解離心的基本原理。

首先我們來觀察在重力作用下顆粒的沉降：抓一把沙子和泥土的混合物放到裝有水的容器里搖勻，然后把容器置于桌上，觀察到在地球引力作用下大量的顆粒立即沉淀到容器的底部。一段時間后，又看到容器中的混合物分成數層，每層都由大小相同的顆粒組成，顆粒在容器的分布從上到下逐漸增大。不過，仍然會有一些細小的顆粒在水中緩慢的向容器底部移動，由于移動得非常緩慢，我們不一定能觀察到這些顆粒的運動。另外還有一些顆粒則漂浮在水面上。

通過實驗中觀察到的結果，我們可以得出大顆粒比小顆粒更快地沉降到底部，而更小的顆粒則沉降得更慢。不過，一些密度比較重的小顆粒反而比密度比較輕的大顆粒沉降得更快。我們還可以看到有些小顆粒在水中是不沉降的，漂浮在水面。

圖1 重力作用下混合顆粒的沉降：顆粒沉降的速度依賴于顆粒的大小，大顆粒則先沉降到底部，而小顆粒則停留在容器的上部

以上即是離心的主要原理，液體中的顆粒在重力的作用下以一定的速率向下移動，顆粒移動的速率往往與顆粒的大小與密度相關，這樣就出現了顆粒的沉降運動。當然前提是顆粒的密度必須大于液體的密度。

總結來說，離心技術是利用離心機旋轉運動產生離心力，將具有沉降系數差別的樣品進行分離、分析、濃縮和提純的一種技術。

離心常用術語

離心力和相對離心力

盡管有些生物顆粒可以在重力場（1×g）作用下實現分離，如人血細胞，將處理過的血細胞置于桌上1-2 小時，由于不同細胞的大小不一樣，白細胞和紅細胞能自動分層。但若需分離更小的生物顆粒，遠大于重力的力則是必須的，這可以通過沿軸旋轉裝有懸浮顆粒的離心管來實現。顆粒在放射狀的離心力下從軸心向外運動，使離心管旋轉的機器就是離心機，而裝載了離心管并帶動離心管沿軸旋轉的即是轉頭。不管是細胞還是生物大分子受到離心力都可以用以下公式計算：

   (1)

F離心力– 顆粒受到的離心力
m – 顆粒的質量
ω – 角速度
r – 旋轉軸到顆粒的距離

但是通常情況下，旋轉的轉頭受到的放射狀的力都是由相對離心力（RCF：Relative centrifugation force）來衡量的。而所謂的相對離心力即是離心力與重力之比，用以下公式
表示：

       (2)

RCF – 相對離心力；
F離心力– 顆粒受到的離心力；
F重力– 顆粒受到的重力；
m – 顆粒的質量；
ω – 角速度；
g –重力加速度；
r – 旋轉軸到顆粒的距離。
ω 是轉頭的角速度，指轉頭每秒鐘轉過的弧度數，其值就是: 

    (3)

RPM (Revolution per minute) – 轉頭每分鐘轉過的轉數

結合公式（2）和公式（3）可得到同一轉頭的轉速與相對離心力之間的關系：

   (4)

r – 旋轉軸到顆粒的距離（單位：毫米mm）

由上可以看出轉頭的相對離心力與轉頭的轉速的平方成正比，而且與轉頭的半徑成正比。對于同一轉頭而言，由于半徑不變，增加轉速也就相當于提高了相對離心力。

為便于進行轉速和相對離心力之間的換算，Dole 和Cotzias 利用RCF 的計算公式，制作了轉速“rpm”、相對離心力“RCF”和旋轉半徑“r”三者關系的列線圖，圖式法比公式計算法方便，且一目了然。換算時，先在r 標尺上取已知的半徑和在rpm 標尺上取已知的離心機轉數，然后將這兩點間劃一條直線，與圖中RCF 標尺上的交叉點即為相應的相對離心力數值。

上圖轉速與半徑相對應的離心力列線圖，左列為半徑標尺，右列為轉速標尺，連接半徑與轉速的直線與中間RCF 表尺的交匯點，就可得到相對離心力。注意，若已知的轉數值處于rpm 標尺的右邊，則應讀取RCF 標尺右邊的數值，轉數值處于rpm 標尺左邊，則應讀取RCF 標尺左邊的數值。

在重力場的沉降中，重力場通常被看作恒定值，而離心管中的離心力場卻不是一個恒定值。由于轉頭的形狀及設計，離心管中從管頂至管底各點到旋轉中心的距離是不同的，為了計算相對離心力的數值可用平均相對離心力來表示，即同一離心轉頭部和底部所受離心力的平均值。科技文獻中離心力的數據通常是指其平均值（RCFav），即離心管中點的離心力。

而各廠家在標注離心機和轉頭等的最大相對離心力（RCF）時，一般用最高轉速下、最大半徑處（Rmax）的相對離心力。請注意區分這個參數與平均離心力（RCFav）的差異。

離心機常有多種不同形狀的轉頭，其各自所反映的離心力場的大小和離心沉降距離也不一樣，在實際工作中應根據分離要求正確選擇使用。下一期小貝講堂將具體介紹沉降系數，精彩不斷，敬請關注！

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