一、引言：从“旋转”到“分离”的科学逻辑

• 离心机发明史：从奶油分离器到现代超速解析型超离。

• 为何高速旋转能替代重力：重力加速度 1×g vs 离心场可达 >700 000×g。

二、离心力与加速度：数学基础

1. 向心加速度：a = ω²·r （rad/s²·m）

2. 线速度与 rpm 的换算：ω = 2π·rpm/60

3. 相对离心力 RCF：RCF = ω²·r / g = 1.118×10⁻⁵·r(cm)·rpm²

4. 影响离心力的两大变量：转速 (rpm) 与半径 (r)。

三、样品在离心场中的运动模型

1. 斯托克斯沉降速度：v = (2/9)·(Δρ·g_eff·r_p²)/η

• Δρ：颗粒与介质密度差；

• r_p：颗粒半径；

• η：介质黏度；

• g_eff = RCF·g。

2. 颗粒大小、密度与介质黏度对沉降时间的影响；

3. 叠加布朗扩散、对流、剪切的复杂样品行为概念。

四、三大经典工作模式

1. 差速离心（Differential）

• 流程：逐级升速、分段取沉淀；

• 用途：细胞破碎后提线粒体、核、小泡。

2. 密度梯度离心（Isopycnic/Rate-Zonal）

• 介质：蔗糖、CsCl、Percoll；

• 原理：颗粒迁移至与自身等密位置停止；

• 应用：病毒亚型分离、质粒与染色体 DNA 分辨。

3. 连续流离心（Continuous-Flow）

• 结构：入口/出口管线 + 特殊转头；

• 适合大体积、在线生产，如疫苗澄清。

五、关键组件如何支撑工作原理

1. 高速 BLDC/永磁同步电机：瞬时加速至设定 rpm；

2. 转头设计：角固定 vs 摆桶 vs 垂直；

3. 真空腔体：减少 90% 空气阻力与发热；

4. PID 冷冻系统：维持 4 °C 以内，保护蛋白活性；

5. 控制算法：多段 ramp、RCF 直控、失衡实时校正。

六、参数优化与分离效率

1. 转速 vs 时间：平方关系 → 高速缩短沉降时间；

2. 半径选择：同 rpm，半径加倍 → RCF 加倍；

3. 温度控制：黏度随温度降低而上升 → 低温需加长时间；

4. 梯度浓度：过高阻尼，颗粒难移动；过低分辨率差。

七、典型样品工作原理示例

1. 血清分离：3 000 rpm, 10 min, 6 cm → ~1500×g；红细胞沉降，上清血清。

2. DNA 乙醇沉淀：12 000 rpm, 15 min, 微量角转头 → DNA 微粒沉降形成可见 pellet。

3. 外泌体超速离心：100 000×g, 70 min, 4 °C → 100 nm 颗粒被收集；

4. 纳米金粒径分级：密度梯度 + 50 000 rpm 垂直转头 → 5 nm vs 20 nm 带清晰分离。

八、工作原理的工程延伸

1. 磁悬浮轴承：零摩擦，理论 rpm 上限提升 30%。

2. AI 智能调速：实时 g 值补偿温升；

3. 微流芯片离心：1 mL 微量腔实现 20 000×g，用于 POCT（即时现场检测）。

九、常见误区与操作技巧

• 误区：仅提高 rpm 忽略半径；

• 误区：未预冷导致热冲击蛋白失活；

• 技巧：阶梯加速减小剪切应力；气泡排空防止样品漂移。

十、未来展望与结语

• 超导电机+真空＝200 000 rpm 可能性；

• 绿色制冷剂、整机能效认证；

• 无人实验室：离心机联网 LIMS，自动取样投料。 工作原理的深入理解，使操作人员能在安全范围内压榨设备性能极限，也为新一代高速分离技术提供理论支撑。