實驗室離心技術與儀器維護
?為了建立實驗室離心機規范操作與維護的技術保障體系，探索正確選擇各類離心技術與離心轉頭及附件的相互關系；分析了ＲCF、ＲPM、S值、K-值等常用離心參數的運用條件與計算方法，功能配置評估離心轉頭、適配器與離心容器的合理性，根據離心容器材質的理化耐受性合理選用和進行預處理，制定基于風險控制的操作、監測、維護、保養、生物安全等技術保障路徑。堅持從實驗應用到工程維護的全技術流程管理，實行離心機使用維護的全技術路徑規范管理，有效保障了實驗室離心機的正常使用。
離心是利用離心機驅動離心轉頭及離心容器做旋轉運動產生的離心力以及被離心樣本物質的沉降系數、或浮力密度的差別，完成分離、濃縮、提取制備，分析測定生物分子分子量及純度的一項常規實驗技術，其應用覆蓋生命科學、材料學等相關專業實驗［1-3］。因此，為有效發揮離心機在科學實驗研究與科技創新中的作用，需要研究離心力與離心樣品間的相互作用關系，規范操作和維護技術路徑。
綜合有關文獻報道［4-6］，根據離心機相對離心力（ＲelativeCentrifugalForce，ＲCF）上限及其主要應用，實驗室常用離心機大致可分為4類，見表1。
實驗室離心技術與儀器維護配圖1
（1）離心速度。在離心驅動系統帶動下轉頭旋轉的速度，單位為r/min。
（2）相對離心力。物體以一定的角速度做圓周運動就產生離心力F=ω2r，但離心力要克服與其相垂直的地球重力以及樣品粒子的摩擦力、浮力影響（后兩者可忽略不計），故以ＲCF表示，ＲCF=ω2r/980，等于在離心場中作用于樣本粒子上的離心力相當于地球重力的倍數，單位是重力加速度g，ＲCF=1000g則是重力加速度的1000倍。ＲCF的大小與離心速度及在離心容器中粒子距心軸的路徑（實際離心半徑）有關，即ＲCF=1．12r（n/1000）2，故有最大、平均和最小ＲCF之分。樣品粒子能否得到有效分離主要取決于ＲCF，文獻中常給出最大或平均ＲCF為離心條件。轉頭額定轉速所對應的ＲCF可以通過離心半徑—ＲCF-ＲPM曲線換算，但精確ＲCF值還是建議查找生產廠轉頭參數表。
（3）沉降系數S。是樣本粒子重要的物理化學參數［7］，以Svedbergs值（S值=10－13s）表示對應離心力樣品粒子的沉降速率，不同S值樣品粒子所需離心時間（完全沉降至容器底部）的表達式為t=1/Sω2·ln（rmax/rmin）。常見分離生物樣本的S值及參考離心條見表2
實驗室離心技術與儀器維護配圖2
（4）K因數值。反映離心轉頭的效率，與其大小、材質和速度有關。利用K值可估算出某S值樣本粒子的沉降時間：t=K/S；K值越小，轉頭離心效率越高，粒子沉降所需時間短［8］。
1．2離心技術
根據離心力與被離心物質間的相互作用方式，可分為差速離心與密度梯度離心。
1．2．1差速離心
差速離心利用離心樣本組分中不同沉降系數粒子的沉降速度差別（如各細胞組分），經一定速度、一定離心力及一定時間離心，先后沉降而得到分離。在此過程中樣本往往被分離為沉淀物和上清液兩部分。前提是待分離的兩種或幾種粒子的S值的差值足夠大（至少差10倍以上）才能得到較好的分離，如果兩種或幾種粒子的S值相差很小，則難得到好的分離。關鍵要精準控制好分步離心的時間和速度，時間過長或轉速過高會使不該沉降的顆粒也沉降下來，影響分離純化效果［9］。
1．2．2密度梯度離心
密度梯度離心是樣本在有密度梯度的惰性介質液中進行離心沉降或沉降平衡，即在一定離心力作用下把粒子分配到梯度液中相應的位置上，形成不同區帶而得到分離［10］。密度梯度離心又可分為：
（1）密度梯度沉降離心或稱差速區帶離心。用于分離粒子大小、形狀各異（存在一定的S值差）而密度相近的樣本。梯度液密度＜樣本組分密度，先將樣本液加在梯度液液面上，在離心力作用下粒子各自以一定的速度沉降逐漸分離在離心容器中依沉降系數大小形成由下至上的區帶。操作要領是需精確設定離心時間（各樣本區帶間拉開到最大距離后即停機），降速不能過快。
（2）等密度離心。待分離樣本粒子在密度梯度液密度范圍內，離心前加樣其中呈均勻分布，在離心力的作用下，依不同粒子的浮力密度差，或向下沉降、或向上浮起，最終沿梯度移動到與它們恰好相等的密度梯度位置上（即等密度點）形成區帶。離心效果取決于粒子的浮力密度差，差值越大分離效果越好，與粒子的大小、形狀無關，但后兩者涉及到平衡的速度、時間及區帶的寬度。離心時間一般要長于差速區帶離心。
1．3離心轉頭的選擇
實驗室離心機通常配置是固定角和水平轉頭，個
別生產廠還可提供鼓式轉頭、細胞離心涂片裝置等；高速及以上離心機可配置垂直、近垂直、區帶轉頭等。
選擇轉頭主要依據實驗室的功能定位及其對離心技術的需求［11-12］，3種主要離心技術轉頭選擇見表3。1．3．1離心條件的轉換計算當離心技術確定之后，完成某種樣品的有效離心分離，常關注的離心參數是S值、ＲCF、離心時間。多數情況下，這些參數主要從文獻中獲得。存在的問題是，文獻上給出的離心條件往往與所在實驗室可利用離心機的性能有一定差異，如何將文獻離心條件轉化在本實驗室離心機上使用，常用計算方法如下。
在給出T1和ＲCF1的情況下，根據實驗室現有離心轉頭ＲCF2轉換所需T2:T2=T1×ＲCF1/ＲCF2;
在給出T1和K1的情況下，根據實驗室現有離心轉頭K2轉換所需T2:T2=T1×K1/K2。獲得精準計算，一定要建檔管理離心機使用說明書、使用記錄等技術資料［13］，隨時可調用參考。另轉換范圍控制在20%為宜，不能偏離過大，因為沒有足夠的離心力即便是延長離心時間也無意義。
1．3．2離心容器的選擇
除要考慮離心容器的式樣、容量外，常被忽略的是容器的物理及化學耐受性，材質不同的塑料離心管物理和化學耐受性各異，常發生由于錯選材質而導致容器溶裂、破損，有機溶劑濺出腐蝕儀器事件。常用離心容器材質為多聚物(Polyallomer，PA)、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、聚丙烯(Polypropylene，PP)、聚砜(Polysulfone，PSF)、聚乙烯(Polyethylene，PE)和聚苯乙烯-Polystyrene(PS)，其理化耐受性見表4。
實驗室離心技術與儀器維護配圖3
1．4主要操作注意事項
離心機的應用存在著一定的風險，應把風險評估理念貫穿與離心過程、規范操作。
（1）必要的檢查與測試。檢查離心容器與離心轉頭孔位或套筒適配性，在高速離心時，必保證離心容器與離心轉頭孔位適形，特別是在使用錐形底管的情況下，避免在強離心力作用下管底堆陷。
檢查離心轉頭（特別是高速以上轉頭）的外觀有否劃痕或裂紋，根據情況決定是否停用或減速使用（至少減速額定轉數的10%）。
定期核查對超速離心機驅動系統及其轉頭的累計使用時間，一旦超過生產廠給定的保證期要做出減速評估［14］。超速離心機的使用者要經過培訓［15］、考核取得資質后方可上崗操作，更好安排專門人員負責。
檢查真空泵的油水平和實際真空度；如真空路徑裝有HEPA濾器，要復核其使用時間。
檢查離心艙內及轉頭或離心容器適配器件內有否離心容器碎片、殘留水等異物，并清除之；復核轉頭和水平轉頭的離心（吊）桶是否安放到位。
檢查離心容器有否變形、裂紋、損傷或老化現象，擦干離心容器外壁上的水跡。
檢查離心容器加樣量，一般原則是無蓋容器不要裝得過滿，以免離心甩出；而在高速或超速離心時使用帶有密封器件或壓封蓋的容器時，則常要求裝滿以避免在離心力作用下造成變形陷裂。可參考生產廠提供的轉頭及容器手冊，會標明不同形狀、材質離心容器在不同轉速時額定加樣量。
（2）離心配平。離心配平是指離心轉頭及吊桶的管位幾何學對稱重量平衡，乃至轉頭整體平衡，保證轉頭負載分布均勻；不要采取容量配平（特別是在高速以上離心），因為離心容器、加樣器等會存在偏差。
檢查離心轉頭及離心吊桶管位內有否殘留有容器碎片或液體（制冷離心后，放置一定時間也可能出冷凝水），要排除這些潛在的不平衡因素。
檢查水平頭安裝的吊桶自重是否對應配平，生產廠會在吊桶上標記重量；當裝載不同容量樣本一起離心時，盡量避免使用兩對自重差別較大的管架。
近代離心機多裝有失平衡保護功能，要嚴格控制偏差在額定重量以內；但良好選擇是堅持在天平上精密完成一對一配平操作，避免離心驅動系統常在不平衡調整狀態運行。在吊桶或管架中放置多管離心時，建議要連同吊桶或管架一起完成配平。
（3）預冷。預冷系指離心轉頭及其裝載附件和離心艙的預冷。更好將轉頭先放在冰箱或冷室，進而保證轉頭整體預冷。離心艙和小體積轉頭的預冷，可以在離心前，設置欲控制溫度在1000～2000r/min運轉10～20min（視室溫），或使用離心機預冷程序。對大體積轉頭，建議事先放置在冷室或冰箱內預冷。
（4）其他。啟動離心機后不能隨即離開實驗室，要監測運行到設定轉速且平穩、無任何異常聲響后方可。但使用高速、超速離心機時，建議要在位密切監測儀器運行狀況。
如開啟離心艙蓋后轉頭還在余轉，禁忌用手制停。
對疑有生物污染的樣品，應在生物安全柜中上樣，離心后也要在生物安全柜中靜置待氣溶膠下落后方可打開轉頭密封蓋取樣，BSL3級及以上實驗室內的離心操作應參照有關生物安全操作指南［16］。
2．1定位與調平確認安裝是離心機維護與保養的基礎步驟，儀器操作負責人應參加安裝全過程。移動離心機位置安裝后，要注意以下事項：
（1）離心機的安裝位要避開陽光直曬、灰塵、通風不良、熱輻射、過度振動、存在腐蝕性化學物質、洗刷池等［17］；附近不應放置天平、光度計、顯微鏡等精密儀器。
（2）移動冷凍離心機到位后，要靜置60min或更長時間（視搬運的劇烈程度）后方可開機。
（3）電源。首先要確認儀器工作電壓、電流、頻率、相位等技術參數，連接電源應滿足儀器最大啟動功率要求的115%，需要有接地［18］，功耗較大的落地式高速機及超速機應另單獨安裝氣動開關。
（4）臺式離心機。安放的實驗臺要平整、結實、無晃動，離心機的支腳更好能與實驗臺的支撐柱對應；距墻壁或周邊設施至少20cm，有條件的情況下可再寬余些空間，便于散熱、維護和檢修儀器。
（5）落地式機型。首先要評估地面或樓板的承重能力，選擇在墻側為宜；其他同臺式機。
（6）使用經校準的水平測具置于離心中軸位測量360°方位的水平狀況，進行離心機定位水平調整。
2．2提示維護保養措施
（1）離心艙。用軟布擦拭清理離心艙，除去殘留物，但注意不要傷及溫度傳感器；制冷離心化水后要及時擦干，保持開艙蓋晾干后再關上；離心艙密封膠圈不能用有機溶劑擦拭，真空不足時要檢查膠圈是否有污物或老化；發現艙壁有銹蝕，盡快采取除銹處理。
（2）使用較頻繁的低速及通用離心機離心機，要定期卸下轉頭，清理軸桿；用毛刷清理離心軸桿的螺旋縫隙，涂潤滑膏，以免垢污填塞，反復旋擰損傷螺口。停用間期，要卸下轉頭進行保養。
（3）離心轉頭。用軟木棒纏綁軟布或脫脂棉擦拭清理轉頭或管架孔位，制冷離心后要及時清除水跡。用毛刷清理轉頭與驅動軸擰固處的螺旋縫隙，并涂潤滑膏。
（4）用軟布擦去水平轉頭與吊桶懸掛位的污垢，涂潤滑膏。
（5）檢查轉頭、離心吊桶的密封膠圈有否老化、變形、斷裂等現象，及時更換。
（6）保持離心實驗室內的清潔；定期除去機箱散熱網灰塵，特別是壓縮機處。
（7）如果停用離心機1個月以上，期間要開機轉載轉頭運行1次，觀測是否有異常聲響，能否達轉速、制冷溫度等額定指標。長期不用的轉頭要做清潔處理，涂保護劑。
（8）檢查離心機電源插頭及連接插座有否接觸不良、燒焦現象，電源線有否老化，發現問題及時處理。
（9）定期檢查真空管路及相關設施連接狀況，濾器是否阻塞。
（10）機箱表面的污跡只能有軟布沾清水或近中性且無磨損性的清潔劑清理，禁用干粗布、有機溶劑擦拭顯示面板及艙蓋上方的觀察窗。
規范使用和必要的監測、維護措施是增進離心機技術效率的重要保障，決不能忽視每一個技術路徑。本實驗室在實施離心機應用技術保障體系的同時，加強了對實驗者的技術培訓，面向研究生開設選修課程。5年來，離心機故障率逐漸降低，基本上沒有產生付費維修情況，為學校科學實驗研究、實驗教學及所在地區的共享服務提供了有效的技術服務。