一、引言

在生物学、化学和材料科学等领域，台式离心机是常用的分离和纯化工具。离心结束后，上清液与沉淀（固相颗粒）的高效分离，直接影响后续实验的准确性和产率。如何在离心后最大限度地回收沉淀并保留干净的上清，是实验室操作中的关键环节。本文将从离心参数优化、离心管与转子选择、操作流程设计、上清取样技术、自动化与半自动化设备应用以及质量控制六个方面，系统阐述优化策略。

二、离心参数优化

1. 相对离心力（RCF）与时间配比

• 粒径与比重决定最佳RCF：大颗粒沉降速度快，可采用中低速（2 000–5 000 ×g）；微米级或纳米级颗粒需高RCF（10 000 ×g以上）。

• 时间控制要保证沉淀完全形成又避免过度压实，一般初步试验时可做RCF梯度（5 000／8 000／12 000 ×g）和时间梯度（5／10／20 min）交叉实验，筛选最佳组合。

2. 加速与减速曲线

• **缓启动（Soft Start）**可减少流体紊动，避免固相悬浮；

• **缓停止（Soft Stop）**能保持沉淀界面平整，减少重新悬浮。对于对界面敏感的粒子（如胶束、细胞碎片），宜将加减速时间各设置为1–2 min。

3. 温度控制

• 温度对溶液粘度与粒子凝聚性有显著影响。多数情况推荐4 ℃离心，以降低酶活性、防止蛋白降解；也有时宜室温操作以保证溶剂粘度适中，加快沉降速度。

三、离心管与转子选择

1. 离心管材质与形状

• 锥形底管（Conical tubes）：底部尖锥设计，沉淀集中、易于回收；

• V型底管：沉淀稍“平”，适合分层较为宽松的颗粒体系；

• 平底管：适合微孔板应用，但不适合常规沉降操作。

2. 管壁处理与低附着涂层

• 对易粘附小分子或蛋白颗粒，选用带疏水或低结合涂层（例如聚四氟乙烯涂层）的离心管，以提高回收率。

3. 转子类型

• 固定角转子：沉降路径短，颗粒沉入管壁侧面，沉积面积小；下清时更容易取上清，但沉淀压实较紧；

• 摆动转子：沉降面水平，形成整齐薄饼，适合分层回收；但对管壁摩擦力要求更高。

四、操作流程设计

1. 预平衡与预冷

• 离心前务必对称配对样品管，重量差≤0.01 g；

• 将样品管与转子、离心机腔体预先置于离心温度（或冰浴）中5–10 min，降低温度梯度引起的流体对流。

2. 缓冲液与溶剂选择

• 配制含表面活性剂（如0.01–0.05% Tween-20）或低浓度盐（如50 mM NaCl）的缓冲液，可降低颗粒聚集与管壁粘附；

• 对油水混合体系，可先加少量共溶剂（如少许乙醇）助分散，再离心提高分离纯度。

3. 分阶段离心

• 初级离心：中速短时（3 000 ×g×5 min）去除大颗粒或杂质；

• 二级离心：高速长时（10 000 ×g×15–20 min）精细沉降目标颗粒。分阶段有助于获得更干净的上清。

4. 离心完成后的静置

• 离心结束后静置1–2 min，让轻微紊动消失，沉淀进一步稳定，界面更分明。

五、上清取样技巧

1. 倾斜管壁法

• 将离心管轻轻倾斜至10–15°，使上清液聚集于管侧，然后用移液枪从上方缓慢吸取，减少扰动。

2. 微量移液器尖头

• 选用细长尖头移液器（Tip）或低泡移液管道，可深入接近沉淀上方，精准吸取上层残余少量上清。

3. 真空抽吸法

• 将离心管底部放置于支架上，使用带微孔滤头的真空抽吸装置，设置低压（如–50 kPa），缓慢从上方抽取，上清留存少量防止触及沉淀。

4. 分层吹气法

• 对于难沉降的高粘度体系，可在管颈部轻吹氮气或氩气，帮助上清沿管壁流出，再用移液器辅助，需防止气流过大引起重新悬浮。

六、自动化与半自动化解决方案

1. 自动化移液工作站

• 结合离心机与自动化移液机器人，可在离心结束后自动接管样品管，并在预设高度与速度下完成上清回收，保证高度一致性与重复性。

2. 结合微孔板离心与移液模块

• 针对高通量筛选，可使用板式离心机配合板式移液器，通过控制吸头深度和吹气力，实现平板上清与沉淀分离。

3. 视频监控与光学传感

• 在离心管上安装透明视窗与摄像头，结合图像识别算法识别沉淀边界，自动判断最佳取液位置并指导机器人移液。

七、质量控制与数据记录

1. 回收率评估

• 取上清前后用UV/Vis、荧光、质谱或重量法测定颗粒或溶质浓度，计算回收率与纯度，作为方法优化反馈。

2. 重复性实验

• 同一参数设置下至少进行三次重复，统计上清残留颗粒数量与沉淀质量，评估方法稳定性。

3. 操作日志与SOP

• 制定标准操作规程（SOP），详细记录离心参数、管材、缓冲液组成、取样方法和回收率数据；并对每次实验填写日志，便于后续追溯与优化。

八、案例示范

• 核酸提取中的颗粒去除：在血液样本DNA提取前，使用2 000 ×g×5 min预离心去除血细胞碎片，随后10 000 ×g×10 min获取超净上清。结合倾斜管壁法取清，实现DNA提取药剂用量减少20%，纯度提升15%。

• 纳米颗粒纯化：采用分级离心（初级8 000 ×g×10 min、二级15 000 ×g×20 min），并在每级离心后加入0.01% Triton X-100轻度重悬，最终得到粒径分布单峰、聚集度<5%（DLS测定）的纳米颗粒。

九、注意事项与常见问题

1. 平衡误差导致沉淀散逸：务必严格对称配对样品管，并定期校准天平。

2. 过度吸液触碰沉淀：操作人员需练习稳定移液速度，或使用自动化装置减少人为误差。

3. 样品粘附管壁：定期更换涂层管，或在管壁预涂少量载体蛋白（如BSA）降低粘附。

4. 温度漂移影响分层：在操作间隙将离心管置于冰浴中，避免管体过热导致流体对流。

十、结论

优化台式离心机的固相颗粒与上清分离，需从离心参数、管材与转子、操作流程、取样技术及自动化手段等多维度入手，并结合严格的质量控制和数据反馈。通过系统化的试验设计和标准化的操作流程，能够在保证回收率与纯度的同时，提高实验效率和重复性，为不同类型样品的分离与纯化提供稳定可靠的技术支撑。