低速离心机离心分离的原理是什么？
一、离心力的物理基础
当试管装载样品置于高速回转的转子上时，样品内质点在惯性作用下向转子外侧运动。对于质点质量为 m 、与旋转中心的距离为 r 、角速度为 ω 的系统，其所受向心力即离心力 F＝mω²r 。这股力与静止状态下重力相比，可强化数十倍至数千倍，显著加快微粒移向管底的速度。
二、相对离心力（RCF）评价标准
由于不同型号转子半径各异，单以转速（RPM）衡量离心强度并不直观。通常以相对离心力（Relative Centrifugal Force，RCF）来量化，计算公式为：
RCF（×g）≈1.118×10⁻⁵×r(cm)×[RPM]²
其中 r 为试管中心至转子轴心的平均距离。通过RCF标定，能够跨设备比较分离效果，并为不同实验方案提供统一的操作参数。
三、粒子沉降速率与斯托克斯定律
在低雷诺数条件下，微粒的沉降过程可视为层流状态，其终速 v 可由斯托克斯定律近似描述：
v＝(2/9)·(a²(ρ_p−ρ_m)g)/η
在离心体系中，将 g 替换为ω²r，即可得到加速场下的沉降速率。式中 a 为粒子半径、ρ_p与ρ_m分别为粒子和介质密度、η为粘度。可见，粒径和密度差是决定分离效率的关键因素。
四、转子结构对分离效果的影响
常见转子类型包括固定角度式和摆桶式。固定角度转子中，试管与轴心固定成固定倾角，有利于沉降颗粒在管壁上沿短距离滑落；摆桶式转子则在离心时水平展开，沉降路径垂直于管底，更适合进行密度梯度分离。不同结构对颗粒沉降路径、分层明显性及分离时间均产生显著影响。
五、介质密度与梯度控制
在复杂样品中，为增强分离分辨率，可在离心管内配置密度梯度介质（如蔗糖梯度、Percoll、Ficoll等）。不同层次的介质密度递增，使目标组分在相应密度处汇聚停留，形成明显分层。梯度浓度、形成方法及稳定性是保证精确分离的核心要素。
六、温度与粘度的协同作用
温控离心机通过内部制冷系统，将腔体温度维持在4℃或室温范围内。温度直接影响介质粘度，进而影响粒子沉降速率；过高温度易加速样品降解或蛋白失活，过低温度又可能增加粘度、延缓分离。合理温控可兼顾分离效率与生物活性保护。
七、平衡配对与减震要求
为了防止离心过程中产生过度振动与偏心，样品管必须严格配对、等质量装载，位置对称排列。现代离心机还配备不平衡检测功能，一旦系统检测到质量差异超标，仪器会中断运行并发出报警，以免损坏设备或造成人身伤害。
八、加速与减速曲线设置
加速（Acceleration）和减速（Deceleration）程序对样品状态影响显著。迅速加速可缩短总运行时间，但可能引起剪切应力和气泡产生；缓慢减速（如惰行模式）则有利于防止颗粒重悬与梯度破坏。根据样品特性，可自定义多段速度曲线，实现平滑过渡。
九、离心时间与分离程度
在保持相同RCF条件下，延长离心时间可使更小或更低密度的微粒充分沉降。然而，时间过长将导致背景杂质沉积并增加胶体聚集风险。合理选择最佳离心时长，通常需要通过预实验优化：先设定多个时间点，比较分离效果与纯度，再确定最终方案。
十、气泡与剪切力的防范措施
样品中气泡会在离心过程中破裂或膨胀，干扰沉降轨迹，甚至引起管体破裂。操作前需轻轻颠倒试管数次，促使气泡上升至管口并排出；匀浆或吸液时避免剧烈搅动，以减小剪切破坏，保证离心结果一致性。
十一、微量分装与取样技术
对于微量蛋白或DNA等高价值样本，应使用低保留材料制成的离心管，并采取毛细管或微量移液器精确取样。离心结束后待转子完全静止再开盖，防止扰动沉淀层；在管壁可见残余液滴时，可倾斜管体或使用微量吸头慢慢吸取。
十二、样品构型与分层现象
离心分离后，试管内通常呈现三层：底部为致密沉淀（pellet），中部为悬浮界面（interface），上清液（supernatant）位于最上方。对于密度梯度系统，还可形成多条清晰界带。不同层次的取样顺序和方法需要根据目标组分性质调整，避免交叉污染。
十三、常见应用场景
细胞收获：将培养液或组织匀浆中细胞快速富集；
胞器分离：通过差速和梯度系统分离线粒体、溶酶体、内质网等；
蛋白沉淀：利用聚乙二醇或硫酸铵沉淀后离心去除上清富集目标蛋白；
核酸纯化：结合硅胶膜技术或酚/氯仿法中，通过离心将DNA/RNA从杂质中分层析出。
十四、设备维护与校准
定期检查转子表面是否有裂纹或腐蚀，确保平衡卡槽清洁无异物；定量校准速度和温度，验证面板数值与实际一致；润滑轴承、调整减震垫；更新老化密封圈，保证仪器性能稳定和安全可靠。
十五、未来发展趋势
随着自动化与智能化进程加速，低速离心机正朝着远程监控、程序云同步、触摸屏交互等方向演进。新型微流体离心系统和集成式多通道旋转平台，也将拓展分离技术在高通量筛选和现场快速检测等领域的应用。
综上所述，低速离心分离的原理核心在于人为放大重力场，通过控制离心力大小、沉降时间与流体环境，实现对不同粒径、密度微粒的快速分级与富集。深入理解各环节物理化学机理，并结合仪器特性与样品要求，能够在实际操作中获得高效、可重复的分离效果。
