一、前言

管架离心机广泛应用于生物医药、环境监测、食品检测等领域，其主要用途在于通过高速旋转产生离心力，将样品中不同密度组分分离。滞留时间（也称停留时间或保留时间）是指样品在离心机转子中实际受离心力作用并完成分离所需的时间。合理确定滞留时间对于获得高产率、最佳分离效率和稳定重复性至关重要。本文将从滞留时间的概念出发，详细分析影响因素、计算模型、实验测定方法及典型应用实例，并给出优化建议。

二、滞留时间概念与意义

1. 定义
   滞留时间指样品一次离心过程中，从启动转速达到预定转速开始，到停止或转速降至低于分层需求的临界值结束，样品在离心管中保持最大相对离心力条件的时长。

2. 意义

• 分离效率：时间过短，颗粒未沉降完全；时间过长，效率递减且影响通量。

• 样品完整性：对生物细胞、高分子复合物等敏感材料，过长暴露于高RCF易导致结构破坏。

• 重复性：明确滞留时间可保证批次间实验条件一致，提高数据可比性。

三、影响滞留时间的主要因素

1. 离心力大小（RCF）

• RCF与转速平方成正比，同一时间内RCF越大沉降速率越快，可适当缩短滞留时间；

• 计算公式：RCF＝1.118×10⁻⁵×r×(RPM)²，其中r为转子半径（cm）。

2. 颗粒或组分物理特性

• 粒径：大颗粒的临界沉降速率高，易快速沉降；纳米级颗粒需延长时间或采用更高RCF；

• 密度差：分离相内颗粒与溶剂密度差越大，沉降速率越高；

• 粘度：溶液粘度升高会显著增加阻力，延长滞留时间。

3. 离心管与转子特性

• 管径与形状：细长管可加速沉降，宽口管可能出现回流；

• 转子类型：角转子、水平转子及晃动转子不同，最佳时间需分别测定；

• 平衡与对称：不平衡装载会导致振动、RCF分布不均，影响分离效率。

4. 加速与减速曲线

• 启动与停止过程：缓升/缓停模式下在中低RCF区域耗时增加，可从最大RCF持续时间中扣减；

• 程序设定：可通过编程控制加减速速率调整有效滞留时间。

5. 温度与化学条件

• 温度：高温降低液体粘度，可缩短时间，但可能损伤温度敏感组分；

• 离心介质：不同缓冲液或加密度梯度介质（如蔗糖梯度）会影响沉降动力学。

四、滞留时间计算模型

1. Stokes定律沉降模型
   适用于低Reynolds数条件下的沉降速率计算：

   vs=2(ρp−ρf)rg2g9ηv_s = \frac{2(\rho_p - \rho_f)r_g^2 g}{9\eta}vs=9η2(ρp−ρf)rg2g

   其中v_s为沉降速率，ρ_p和ρ_f分别为颗粒与液体密度，r_g为颗粒半径，η为粘度，g为重力加速度。将g替换为离心力加速度（RCF×9.81 m/s²）即可求出离心沉降速率，从而通过样品层高度计算所需时间。

2. 连续分离模型
   当样品内分离层厚度L已知时，滞留时间T可近似为：

   T=LvsT = \frac{L}{v_s}T=vsL

   对多分级颗粒，可对各粒径按其v_s分别计算，并取最慢组分时间作为总滞留时间。

3. 经验公式
   在实际操作中，可根据经验系数K修正：

   T=K×LvsT = K \times \frac{L}{v_s}T=K×vsL

   其中K一般取1.1–1.5范围，以补偿非理想因素影响。

五、实验测定方法

1. 标记法

• 使用荧光微球或示踪染料标记目标组分；

• 离心不同时间点取样，检测上清中标记浓度下降至阈值时刻，即为所需滞留时间。

2. 光透法

• 在离心管外壁贴流水晶传感薄膜或用光透仪器实时监测上清透光度；

• 当透光度达到稳定平台，表示颗粒沉降完成，对应时间即为滞留时间。

3. 重量监测法

• 预称重量相同体积溶液离心后取上清，蒸干称重；

• 重量稳定后对应离心时间，可反推颗粒沉降完成临界时间。

4. 显微镜观察法

• 在离心管底部取沉淀观察颗粒密集层形成状态；

• 逐次短时离心记录沉淀形态，直至达到满意分离程度。

5. 动态光散射（DLS）法

• 取离心中不同时间截样进行DLS测试，粒径分布不再变化时，即为稳定分离。

六、典型应用与案例

1. 细胞培养上清中胞外囊泡分离

• 目标囊泡直径约100 nm，密度1.15 g/cm³；

• 在12 000×g（对应12 000 RPM）条件下，通过Stokes模型计算v_s≈0.2 μm/s；

• 上清层高度约1 cm，理想T≈50 000 s≈14 h。实际采用4 h离心加梯度分层方案实现高回收率。

2. 大肠杆菌裂解碎片去除

• 细胞碎屑粒径>1 μm，密度差大；

• 在8 000×g下v_s≈100 μm/s，上清高度1 cm时T≈100 s≈1.7 min；

• 实际操作常规离心5 min以保证完全分离。

3. 乳制品乳脂分离

• 乳脂球密度0.95 g/cm³，与水几乎密度相近，需逆向分离；

• 在3 000×g下浮升速度v_f≈50 μm/s，浮升距离1 cm时T≈200 s≈3.3 min；

• 实验验证常用离心5–10 min获得满意分层。

七、优化滞留时间的建议

1. 选择合适RCF

• 对敏感组分可适当降低RCF并延长时间；

• 对非敏感大颗粒可提高RCF缩短时间。

2. 调整加减速曲线

• 缓速启动与自然停机减少中低RCF阶段的时间损失；

• 可自定义程序优化滞留时间利用率。

3. 改善溶液条件

• 加入密度梯度介质（如蔗糖、Percoll）加速分层；

• 调节粘度或温度降低阻力。

4. 并行与分段离心

• 对多组分样品可分段设定不同滞留时间，以提高整体通量；

• 并行运行多管减少总实验周期。

5. 实时监测与反馈

• 结合光透或在线传感器，根据实时分离状态自动结束离心；

• 实现智能化控制，避免时间浪费。

八、结论

管架离心机的滞留时间是影响分离效果、样品完整性和实验效率的关键参数。通过理论模型、实验测定与经验公式相结合，可准确确定目标样品的最佳滞留时间。结合RCF设置、溶液条件优化、程序设计与实时监测，能够在保证分离质量的前提下最大限度提高通量与效率。定期评估并优化滞留时间，方能充分发挥管架离心机在科研与生产中的价值。