一、引言 离心机是实验室中常用的分离设备，其离心力的大小直接影响分离效果。在台式离心机上，常用转速（RPM, Revolutions Per Minute）来设定操作参数，但科学意义更强的指标是相对离心力（RCF, Relative Centrifugal Force），单位为×g。准确地从RPM换算为RCF，并了解影响两者关系的关键因素，能帮助实验人员优化分离条件，实现高效可靠的实验结果。

二、RPM与RCF的物理关系与换算公式

1. RCF定义：RCF为离心过程中样品受到的比重力，计算公式为：其中，r为转子半径（单位：厘米），RPM为离心机转速（单位：转/分）。

2. 公式推导：基于离心加速度 a = ω^2 r，ω = 2πRPM/60，将 g 作为基准重力加速度。

3. 反向换算：

4. 单位说明：

• r：以实际样品管底部到转子中心的距离为准；

• RPM：仪器面板显示值；

• RCF：常见设定范围从几十×g到数万×g。

三、转子半径（r）的测量与影响

1. 标称半径与实际半径：生产商提供的标称半径为转子设计值，实际使用时应测量管底到转子轴心的垂直距离。

2. 不同转子类型：管槽式、角转子、水平转子均具有不同的r值，应分别对应测量。

3. 温度与材质膨胀：高温环境下金属转子发生热膨胀，r值微增，RCF计算上可能出现微小偏差。

四、转子角度与离心力分布

1. 固定角度转子：转子槽口与水平面通常成25°–45°角，离心力方向含垂直与水平分量，实际沉降路径更短。

2. 水平（摇臂）转子：管体在离心过程中水平展开，r值随转速变化，RCF沿管壁均匀分布。

3. 修正因素：对水平转子，可使用等效半径法或转子厂商提供的RCF曲线修正。

五、离心力度与分离效率关系

1. 沉降速率：根据Stokes定律，沉降速率 v ∝ (ρ_particle - ρ_medium) * RCF。

2. 分离分辨率：RCF越高，沉降时间越短，但过高RCF可能导致颗粒破碎或热效应。

3. 优化策略：根据样品颗粒尺寸、密度差和粘度选择合适RCF和时间组合。

六、仪器精度与校准

1. 转速显示与实际误差：仪器显示RPM与实际转速可能存在±1%–5%的偏差。

2. 校准方法：使用激光转速计或光电传感器测量真实RPM，以修正RCF换算中的RPM值。

3. 定期校准：建议半年或每次维修后进行校准，确保计算精度。

七、影响换算准确性的其他因素

1. 离心机振动与不平衡：振动导致有效r值波动，RCF计算不稳定。

2. 样品管装载位置：管架位置不同导致r略有差异，建议对称装载和位置标定。

3. 仪器温度与润滑状态：低温或润滑不足增加摩擦，转速稳定性下降，RCF波动加剧。

4. 转子老化与磨损：磨损改变管槽深度，影响r值；裂纹或腐蚀导致实际加速度分布异常。

八、RCF计算实例

1. 普通微量转子：r = 8 cm，RPM = 10000，则RCF ≈ 1.118×10^{-5}×8×(10000)^2 ≈ 8945×g。

2. 大容量转子：r = 15 cm，RPM = 5000，则RCF ≈ 1.118×10^{-5}×15×(5000)^2 ≈ 4186×g。

3. 反算举例：若需RCF = 20000×g，r = 10 cm，则RPM ≈ √(20000/(1.118×10^{-5}×10)) ≈ 13366 rpm。

九、软件工具与自动换算功能

1. 仪器面板功能：部分离心机内置RCF换算表或自动计算功能，直接输入r值与RPM即可。

2. 实验室管理软件：LIMS或CMMS可集成算法模块，批量计算与记录离心参数。

3. 手机/PC应用：可使用Excel或在线计算器，在实验设计阶段快速评估RCF需求。

十、校验与验证流程

1. 实验室验证：在不同r值和RPM组合下，使用标准颗粒测试分离效果，与理论RCF值比对。

2. 精度评估：多次测量RCF并计算标准偏差，确保在±5%范围内。

3. 文档记录：实验验证数据纳入设备性能报告，留存QA/QC档案。

十一、常见问题与注意事项

1. 不同厂商转子标称半径差异：不可混用标称值进行计算；

2. RCF与时间的折衷：在高RCF下短时间运行会产生较高热量；

3. 对高密度颗粒有限制：当密度差小于某阈值时，增加RCF也难以提高分离效率；

4. 安全提醒：超出转子最高允许RPM可能导致机械失效。

十二、总结与建议

1. 精确测量r值及定期校准RPM是保证RCF计算准确性的关键；

2. 综合考虑转子类型、样品性质与安全因素，合理设定离心参数；

3. 建议实验室建立RCF–RPM换算表，标准化操作流程并纳入培训体系。