一、离心力学基础

1. 离心力的产生
   当转鼓以角速度（rad/s）旋转时，转鼓内任意质量为的微小颗粒在旋转坐标系中受到向外的惯性力，即离心力：

   其中，为颗粒到旋转轴的距离。角速度与转速(rpm)的换算关系：

2. 相对离心力（RCF）
   为便于不同设备和实验间比较，定义相对重力倍数：

   RCF无单位，常用“×g”表示。与和成正比，是选择转速与转鼓半径的核心依据。

3. 力学分析
   离心力场中，还需考虑科里奥利力、黏性阻力与颗粒受力平衡：

• 科里奥利力 影响颗粒运动轨迹；

• 黏性阻力 根据斯托克斯定律，低雷诺数下颗粒沉降速度：

  在离心场中置换为，得沉降速度加速方程。

二、液–固分离机理

1. 颗粒比重分离
   样品中颗粒密度越大，受离心力越强，沿径向沉降越迅速；低密度或小粒径颗粒则滞留于近轴位置形成澄清液。

2. 层析分离
   在梯度离心中，样品在预制密度梯度介质（如蔗糖梯度）中迁移至其等密度层位，实现更精细的分层纯化。

3. 剪切与混合效应
   高转速下液体湍流增大，混合效应影响颗粒聚集与分离，应通过加速/减速曲线控制剪切速率，避免过度扰动。

三、离心过程分段与参数控制

1. 加速段
   采用线性或阶梯加速，逐步增速至目标转速，减少剪切和样品扰动；常用秒/rpm的加速率。

2. 恒速段
   保持目标一段时间，以完成颗粒沉降。时间由样品性质（粒径、密度差及粘度）决定，通常数分钟至半小时不等。

3. 减速段
   缓降速至停止，防止沉淀层破坏或颗粒再悬浮；特别在梯度分离和分层取样时至关重要。

4. 温度与压力控制

• 低温离心 保持样品在4℃–20℃，减少热效应与蛋白变性；

• 真空/压力离心 在特殊样品（如有机溶剂）处理中可降低沸点，实现低温快速分离。

四、转鼓与样品行为

1. 转鼓类型

• 固定角度：适合快速粗分，常用于血液与细胞离心；

• 摆臂：适合梯度分离与上清取样；

• 水平：最大沉降面积，用于超速分离与纳米颗粒精细分层。

2. 动平衡与振动
   转鼓装载须严格平衡，否则产生不平衡力，增加振动并引发应力集中，影响设备寿命与分离效果。

五、流体动力学与传热分析

1. 湍流与层流转变
   雷诺数临界值决定流体状态。低速离心为层流，易于预测沉降；高速离心易产生湍流，需优化转鼓导流结构。

2. 传热管理
   高速产生热量，应通过风冷、水冷或半导体制冷系统散热，保证样品温度一致性，防止局部过热。

六、安全与故障保护机制

1. 不平衡检测与停机
   高灵敏度振动传感器监测转鼓不平衡，超过设定阈值自动降速或停止。

2. 超速与门锁保护
   超速保护阀即时断电；门盖在转速高度时强制锁定，转速降至安全值后才解锁。

3. 电气与过热保护
   电机过流、过压、过热均触发保护，防止电机烧毁与样品损坏。

七、系统集成与智能化控制

1. PLC/嵌入式系统
   集成PID控制算法，实现转速、温度和不平衡的闭环调节。多段程序和远程监控功能提升实验效率。

2. 在线监测与数据记录
   实时记录转速、温度、振动和RCF曲线，支持USB/以太网导出，与LIMS系统无缝对接。

3. 自适应算法
   基于样品实时反馈（浊度、电导率），动态调整转速与运行时间，优化分离效率。

八、应用案例与优化实践

1. 生物发酵液澄清
   以酵母发酵液为例，常规3000 rpm（5000×g）5 min可去除细胞；梯度升速至6000 rpm（10000×g）可去除微絮状物。

2. 纳米颗粒分层
   碳纳米管制备中，采用水平转鼓30,000 rpm（120,000×g）进行分层，可获得30 nm、50 nm和100 nm级别的分级产物。

3. 医学分子分离
   病毒颗粒纯化采用超速离心100,000 rpm（1,000,000×g）+蔗糖梯度，GET细胞提取中保证高纯度与活性。

总结：电动离心机通过精确控制转速、转鼓结构和温控系统，结合惯性力学、流体动力学与智能化算法，实现对不同样品的高效分离。掌握其基本原理，有助于优化离心流程、提升分离质量，并推动离心技术在科研与生产中的创新应用。