一、前言
台式离心机是一种利用旋转运动产生离心力场，将混合物中不同组分按密度或颗粒尺寸进行分级和分离的常规实验室设备。其应用范围覆盖生物细胞学、分子生物学、环境监测、食品工业及石油化工等领域。离心过程中，颗粒或液滴在离心力作用下沿径向运动，其沉降机制既有与重力沉降相似的经典动力学，也受高速旋转、流体力学和器械结构等多重因素影响。本文将系统阐述台式离心机中液-固、液-液两类沉降机制的物理本质、数学模型、关键参数及应用要点。
二、离心沉降的基本原理
离心机运行时，样品以角速度ω（rad/s）围绕转子中心旋转，位于径向位置r处的颗粒受离心力
Fc=m ω2 rF_c = m\,\omega^2\,rFc=mω2r与浮力和阻力共同作用。由于离心力远大于重力，可将重力沉降过程放缩到更短时间尺度。对密度为ρ_p的颗粒、流体密度为ρ_f及粒径d的球形颗粒，稳定沉降时满足Stokes定律：
三、固相颗粒的沉降机制
Stokes区间与非Stokes区间
当颗粒直径<1 μm且粘度较大时，Re远小于0.1，可直接应用Stokes公式；
对于尺寸在1–100 μm范围、或转速很高导致局部流速增强，则需修正阻力系数，采用Oseen修正或更通用的经验公式。
加速、恒速与减速阶段
加速阶段：转子从静止到设定ω，颗粒经历逐渐增大的离心场，运动不稳定；
恒速阶段：系统达到稳定ω，Stokes沉降监管；
减速阶段：转速下降若过快，会导致沉淀重新悬起。故多采用缓启动／缓停止曲线，确保沉降层界面平整。
多级分离与分级沉降
粗颗粒去除：初级以较低RCF（2 000–5 000×g）将大颗粒或碎片沉降；
细颗粒精分：再以高RCF（10 000–15 000×g）使小颗粒沉降。分级离心可提高分离纯度，减少颗粒聚集。
影响因素
流体粘度与温度：温度升高降低η，加快沉降；
密度差Δρ：密度差越大，沉降越快；
颗粒形状与聚集：非球形或聚集体会改变阻力系数；
离心管壁效应：当管径与颗粒大小接近时，壁面会产生附加阻力，须进行修正。
四、液-液两相分离机制
液滴沉降模型
对液-液分离（如油/水），相界面张力γ与液滴半径r_d决定临界雷诺数。若液滴小且介质粘度较高，可用Hadamard–Rybczynski公式估算终端速度：相分层与界面稳定性
离心后在管壁或转子槽壁会形成清晰界面。缓启动与缓停止可减少紊流破坏界面；若界面被扰动，需短暂静置或低速复转以重建。乳化体系与破乳
对极细乳状液，需加入破乳剂或调节pH，以增大液滴尺寸；否则高速离心下微小液滴仍难以分层。
五、转子类型对沉降的影响
固定角转子
离心路径短、沉淀向管侧壁堆积，便于快速沉降和分离；适合高速、常规分离，但沉淀压实后上清不易完全取出。摆动转子
在恒速阶段样品管平行于离心轴，离心结束后转为垂直方向，可在管底形成平整沉淀层；适合梯度离心和需要取整层沉淀的操作。水平（卧式）转子
常用于微孔板或多管阵列，分离效率受管口限制，更多用于高通量或小体积样品。
六、数学模型与RCF计算
RCF（Relative Centrifugal Force）
离心机常以RCF表示离心强度：精确控制RCF比直接指定rpm更有意义，因为不同转子半径下相同rpm产生的离心力不同。
沉降距离与时间估算
对于Stokes沉降，可估算所需时间：其中h为颗粒从初始分散区到管底所需径向距离。
七、操作实践与优化策略
预平衡与配对
确保离心管质量平衡，误差<0.01 g，以免振动影响沉降；缓冲液优化
可通过添加表面活性剂、调节离子强度，控制颗粒表面电荷与粘度；温控与仪器校准
对温敏样品采用冷冻离心模式，保持采样温度；定期校准转速与温度传感器；在线监测与无损检测
结合振动传感器与光学检测，可在分离过程中实时监测颗粒浓度分布，为工艺放大提供数据支撑。
八、应用案例
血浆蛋白分离
血浆加抗凝剂后，以3 000×g离心10 min去除细胞碎片，再以15 000×g×60 min纯化高分子蛋白，上清含小分子代谢物。纳米颗粒提纯
10 wt%聚苯乙烯纳米颗粒在离心管中以20 000×g×30 min沉降，配合缓慢减速获得高纯度颗粒饼层。油水乳化破乳
乳状油水样品加0.1%脱乳剂后，经5 000×g×5 min预分离，再以10 000×g×20 min获得界面清晰分层，适合食品与化妆品工业分析。
九、总结
台式离心机中液体与固体的沉降机制，是在等效重力场（离心场）下，颗粒或液滴在浮力、离心力与流体阻力共同作用下的动力学过程。核心模型以Stokes定律及其修正形式为基础，结合RCF与转子结构进行参数化控制；实际操作中需关注颗粒尺寸、密度差、流体粘度、温度控制及加减速方式，并可通过分级离心、缓启动/缓停止、化学助剂和自动化监测等手段不断优化。深入理解并精细调整这些因素，才能在保证分离效率和纯度的同时，实现结果的高度可重复性和可放大性，为科研与生产提供坚实的技术保障。
