實(shí)驗(yàn)室離心機(jī)的應(yīng)用需求與功能配置評估的探討
?離心機(jī)是廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室，完成樣品分離、分析技術(shù)的儀器。由于各實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)定位不同或?qū)嶒?yàn)?zāi)康牟煌瑢﹄x心機(jī)的技術(shù)功能配置需求也存在較大差異，實(shí)踐中不乏功能配置配置不合理、不適宜釀成資源浪費(fèi)的事例。因此，探討其應(yīng)用需求和功能配置間的關(guān)系在裝備配置管理上有著重要意義。
離心是在離心力的作用下，利用被離心樣品物質(zhì)的沉降系數(shù)、浮力、密度差別進(jìn)行分離、濃縮、提取制備以及分析測定生物大分子分子量和純度。
１．１離心技術(shù)
離心機(jī)的設(shè)計(jì)原理是利用驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的離心場力加快樣品粒子的沉降速度，把樣品中不同沉降系數(shù)或浮力密度差的物質(zhì)分離開。決定離心力大小的因素除轉(zhuǎn)速（Ｒｅｖｏｌｖｅｄｐｅｒｍｉｎｕｔｅ，ｒ／ｍｉｎ或ｒｐｍ）和離心（轉(zhuǎn)頭）半徑外，還與粒子在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中所受到的力（重力、浮力、摩擦力）之作用影響有關(guān)，如圖ｌ所示。離心力方向與重力呈垂直，故常用相對離心力（Ｒｅｌａｔｉｖｅｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｆｏｒｃｅ，ｒｃｆ）表示，即相對于重力作用在旋轉(zhuǎn)粒子上的離心力，用重力加速度ｇ（９８０ｃｍ／ｓ２）作為量值，也稱為“ｇ－Ｆｏｒｃｅ”，表達(dá)式為：ＲＣＦ＝ω２ｒ／９８０。運(yùn)用離心技術(shù)的關(guān)鍵是如何根據(jù)樣品粒子和介質(zhì)的性質(zhì)以及轉(zhuǎn)子的技術(shù)參數(shù)來確定離心力、轉(zhuǎn)速和離心時(shí)間設(shè)置。粒子（細(xì)胞、細(xì)胞器及大分子的統(tǒng)稱）的沉降或分離速率取決于離心力、粒子的大小、形狀和密度以及沉降介質(zhì)的密度和粘度。按離心機(jī)的工作方式可將其所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)分為離心過濾、離心沉降（或澄清）及離心分離［１］。
實(shí)驗(yàn)室離心機(jī)的應(yīng)用需求與功能配置評估的探討配圖1
圖 1 離心力的產(chǎn)生
１．２通用實(shí)驗(yàn)室離心機(jī)
近年來，一類稱之為通用實(shí)驗(yàn)室離心機(jī)（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌｌａｂｏｒａｔｏｒｙｃｅｎｔｒｉｆｕｇｅ）的機(jī)型進(jìn)入醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室。所謂“通用”是其兼顧了低速機(jī)和高速機(jī)、微量和較大容量的性能，且體積小、重量輕、耗電低、操作簡便；常見機(jī)型最高轉(zhuǎn)速≥１５０００ｒ／ｍｉｎ，最大ｒｃｆ一般可達(dá)２００００×ｇ以上，個(gè)別機(jī)型達(dá)到≥６００００×ｇ，最大離心容量≥３０００ｍｌ，性能上順應(yīng)了分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域常規(guī)分離制備技術(shù)的需要。
通用實(shí)驗(yàn)室離心機(jī)在結(jié)構(gòu)上與高速機(jī)基本相同，但為實(shí)現(xiàn)其通用性能可謂濃縮了近代離心機(jī)制造方面的高新技術(shù)：⑴驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用無碳刷變頻電機(jī)取代了直流串激電機(jī)，在不同轉(zhuǎn)速都能輸出最大扭矩，為開發(fā)一機(jī)多功能型的通用離心機(jī)提供了重要前提；低噪聲，免除了碳刷摩擦產(chǎn)生的高頻噪聲，不需要安裝在專門房間；且因無碳粉污染，還可在特定樣品分離要求的無菌、無塵實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用；起動(dòng)速度快；整機(jī)體積、重量和功耗減小，故大多制作成臺(tái)式機(jī)型。⑵離心轉(zhuǎn)頭，不同技術(shù)性能的轉(zhuǎn)頭代表著離心功能，通用離心機(jī)所配置的轉(zhuǎn)頭充分體現(xiàn)了當(dāng)代離心技術(shù)的特征；主要可概括為采取計(jì)算機(jī)三維計(jì)算優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有體輕、轉(zhuǎn)速高等優(yōu)點(diǎn)；碳纖維制造高速轉(zhuǎn)頭，容量大、重量輕、耐腐蝕性能強(qiáng)；開發(fā)出大離心力轉(zhuǎn)頭，縮短了某些難以分離生物樣品的分離時(shí)間，減少了濃度擴(kuò)散作用，提高了分離純度和分辨率；角轉(zhuǎn)頭采取小傾角設(shè)計(jì)，兼有垂直轉(zhuǎn)頭沉降距離小、縱剖面面積大、分離時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，尤其適于質(zhì)粒ＤＮＡ、ＲＮＡ分離；多樣式，每管位容量覆蓋０．２￣７５０ｍｌ，除角轉(zhuǎn)頭外，還有水平（含微量高速水平轉(zhuǎn)頭）、鼓式、區(qū)帶、微板、涂片等轉(zhuǎn)頭。⑶控制和顯示，采用微處理機(jī)控制，自動(dòng)轉(zhuǎn)頭識(shí)別；可設(shè)置ｒｐｍ和ｒｃｆ，并實(shí)時(shí)顯示實(shí)際值，減少了計(jì)算麻煩；多檔設(shè)置的升速／降速控制；瞬時(shí)離心控制；自檢和故障提示。⑷安全性，如電子蓋鎖、超溫、過速、失平衡保護(hù)等，一旦發(fā)生誤操作或故障將發(fā)出提示聲音報(bào)警。⑸控溫系統(tǒng)，低溫控制機(jī)型多為一級壓縮機(jī)無氟制冷，控溫范圍一般在﹣９℃（或﹣２０℃）～＋４０℃，精度≤１℃；具有預(yù)冷程序、待機(jī)狀態(tài)可恒冷維持功能，以適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室機(jī)動(dòng)性、連續(xù)性工作需要。
通用實(shí)驗(yàn)室離心機(jī)可能會(huì)深入到每一個(gè)技術(shù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)室，是一個(gè)潛在發(fā)展的市場，應(yīng)當(dāng)引起裝備管理方面的高度重視。在明確實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)定位、主次技術(shù)需求及相應(yīng)離心方法的前提下，轉(zhuǎn)頭形式、最大ｒｃｆ、ｒｐｍ、樣品量等是選擇離心技術(shù)的基本參數(shù)，要在此基礎(chǔ)上考慮離心機(jī)的選型、主要功能及兼顧功能的配置。
２．１醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室常規(guī)離心技術(shù)功能需求
２．１．１ＲＮＡ離心制備
培養(yǎng)細(xì)胞經(jīng)低速離心（水平轉(zhuǎn)頭，３００×ｇ）完成細(xì)胞分離、裂解后，加ＲＮＡ沉淀提取液，于４℃，１００００～１２０００×ｇ（角轉(zhuǎn)頭，微量１．５／２．０ｍｌＥｐｐｅｎｄｏｒｆ管，或≥１５ｍｌ、５０ｍｌ管）分步提取；組織樣本需先施勻漿預(yù)處理［２］。
２．１．２ＤＮＡ離心制備
水平轉(zhuǎn)頭，２０００×ｇ左右（１．５／２．０ｍｌＥｐｐｅｎｄｏｒｆ管，１５ｍｌ、５０ｍｌ錐底管或更大體積）；再經(jīng)１２０００～２７０００×ｇ。制備質(zhì)粒ＤＮＡ：角轉(zhuǎn)頭，２５０ｍｌ或５００ｍ１／瓶，５０００～６０００×ｇ；１５～５０ｒｎｌ／管，１２０００～２７０００×ｇ；４℃或特定溫度。
２．１．３載體表達(dá)蛋白分離
角轉(zhuǎn)頭，２５０～５００ｍｌ／瓶，４０００×ｇ；１５～５０ｍｌ錐底管，３０００×ｇ；角轉(zhuǎn)頭，５０ｍｌ管／瓶，２７０００×ｇ；４℃。
２．１．４細(xì)胞純化和亞細(xì)胞器分離
用差速離心法分離細(xì)胞器和大小差別懸殊的細(xì)胞［３］。由低速分步到高速離心，細(xì)胞器的沉降順序是細(xì)胞核、線粒體、溶酶體、過氧化酶體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、核蛋白體，所有過程控溫４℃。收集細(xì)胞：水平轉(zhuǎn)頭，８５０～１８５０×ｇ，優(yōu)選錐形底管；分離細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)，３３００×ｇ；核提取，２５０００×ｇ。進(jìn)一步純化分離將聯(lián)用超速離心。密度梯度速率沉降法分離密度相近而大小不等的細(xì)胞或細(xì)胞器。采用合適的密度梯度介質(zhì)，水平轉(zhuǎn)頭１００～９００×ｇ。等密度梯度法分離細(xì)胞器，１００００～３００００×ｇ。
２．１．５細(xì)胞學(xué)涂片離心
除專用細(xì)胞涂片離心機(jī)外，在個(gè)別實(shí)驗(yàn)室離心機(jī)上可配置細(xì)胞學(xué)涂片離心轉(zhuǎn)頭，實(shí)現(xiàn)一次≥４片離心。據(jù)細(xì)胞學(xué)特性，ｒｃｆ控制在５０～１０００×ｇ。選購時(shí)，需注意離心容器的樣品處理量是否滿足實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/div>
２．１．６離心超濾、濃縮、抽提
配合市售離心過濾濃縮管（１．５～８０ｍｌ，Ｃｏｍｉｎｇ，Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ，Ｓｐｅｃｔｒｕｍ等）或樣品抽提容器使用，采用角轉(zhuǎn)頭或水平轉(zhuǎn)頭，角轉(zhuǎn)頭可使超濾膜與離心力不成直角而避免濃度極化；１０００～ｌ２０００×ｇ不等，可參考所購容器的使用說明。
２．１．７微孔板離心
酶標(biāo)板、ＴＣ板、ＰＣＲ板以及樣品抽提純化板的離心。在通用離心機(jī)可通過在大容量水平轉(zhuǎn)頭上配置微孔板吊架（ｒｃｆ一般將低于轉(zhuǎn)頭的額定值）或選用微板專用離心轉(zhuǎn)頭實(shí)現(xiàn)，１０００×ｇ左右。每個(gè)吊架可放１～４塊標(biāo)準(zhǔn)９６孔板或更多，也有可兼做載玻片的離心適配器
２．２選型與功能配置評估
通用實(shí)驗(yàn)室離心機(jī)在性能、價(jià)格上仍存有較大差別。為節(jié)省資源，建議在裝備實(shí)踐中力求功能配置與應(yīng)用需求功能做到相關(guān)適宜。
２．２．１功能配置與實(shí)際需求的雙向功能分解評估
實(shí)驗(yàn)室離心制備小樣本ＲＮＡ常用的功能參數(shù)是：容量１．５／２．０ｍ１／管，最大ｒｃｆ≥１００００×ｇ。表１列出４種可供選擇的通用離心機(jī)功能配置方案（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ），投入成本依次遞增有較大差別，配置功能與需求功能達(dá)到適時(shí)一致，將是資源配置的很好的結(jié)果。如果裝備對象僅以小樣本制備為主選擇方案Ａ即可滿足，兼顧細(xì)胞學(xué)工作還可選擇Ｂ，當(dāng)然如２項(xiàng)技術(shù)的使用率均較高也可采用分別單一功能配置。
２．２．２注意各實(shí)驗(yàn)室間的資源共享
方案Ｃ或Ｄ的選擇，需要對實(shí)驗(yàn)室的性質(zhì)以及對各項(xiàng)擴(kuò)展功能的權(quán)重做出進(jìn)一步的評估。另外，一個(gè)衛(wèi)生單位內(nèi)如有多個(gè)實(shí)驗(yàn)室不同程度地涉及到某（些）種功能，但利用率均不高，要注意資源共享，研究功能配置的數(shù)量、搭配及管理等問題。對特殊離心功能配置如大容量離心轉(zhuǎn)頭、鼓式轉(zhuǎn)頭等，可考慮裝備在能公共利用的地點(diǎn)專管共用或?qū)嵭薪栌谩?/div>
表１醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室樣品制備離心機(jī)的選擇及功能配置
實(shí)驗(yàn)室離心機(jī)的應(yīng)用需求與功能配置評估的探討配圖2
２．３其它配置評估因素
在完成功能需求配置評估的基礎(chǔ)上，還要根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求及實(shí)驗(yàn)室的具體情況在器材的選擇上考慮以下因素：
２．３．１轉(zhuǎn)速與離心力
要對離心機(jī)的綜合性能做出全面評估，在進(jìn)行產(chǎn)品比較時(shí)不能單純評估轉(zhuǎn)速，還要注意相應(yīng)的最大ｒｃｆ值。
２．３．２生物安全
離心機(jī)是可引發(fā)氣溶膠污染的器材之一［４］，如在ＢＳＬ２級別以上實(shí)驗(yàn)室使用應(yīng)注意：（１）離心室的密封性能；（２）選擇帶密封蓋、可進(jìn)行１２１℃高溫滅菌的生物安全密封式轉(zhuǎn)頭．配套的離心管ｆ瓶）也應(yīng)具備密封措施；（３）如果要將離心機(jī)放人生物安全柜或超凈工作臺(tái)中使用，要充分考慮離心機(jī)的體積、重量、穩(wěn)定性以及安全柜的承受能力等指標(biāo)。
２．３．３溫度控制
高速離心特別是大容量高速離心轉(zhuǎn)頭的溫度控制，要注意在最大轉(zhuǎn)速時(shí)可控制的溫度值是否滿足實(shí)驗(yàn)要求。
２．３．４最小起動(dòng)轉(zhuǎn)速／降速和調(diào)速增量
對此參數(shù)要求嚴(yán)格的離心實(shí)驗(yàn)，要注意選型。