本质上，离心机通过高速旋转来分离混合物中的组分。这种旋转会产生强大的向外力，称为离心力，其强度是地球重力的许多倍。这种力使密度更大或更重的颗粒移向容器的外边缘，而密度较小的组分则被推开并保持靠近中心，从而实现高效分离。
其核心原理并非发明一种新力，而是显著加速沉降的自然过程。通过用强烈的旋转力取代温和的重力拉动，离心机可以在几分钟内完成可能需要数天、数年甚至根本无法分离的物质分离。
基本原理：加速沉降
要理解离心机，您必须首先理解它旨在取代的更慢的过程：沉降。
从重力到G力
在正常条件下，液体中密度较大的颗粒会因重力作用缓慢沉淀到底部。想象一下沙子沉淀在水桶中。这个过程称为沉降。
离心机将这一原理放大数千倍。产生的力以地球重力的倍数或G力来衡量。
旋转如何产生分离
当离心机的转子高速旋转时，其中所持的样品会受到巨大的加速度。这迫使颗粒远离旋转中心。
这种向外推力远强于重力，促使组分根据其物理特性更快地分离。
密度和质量的作用
分离的发生是因为密度较大的颗粒受离心力的作用更有效。它们以更大的力被推向管的“底部”（离中心最远的部分）。
同时，较轻、密度较小的组分被向内推开，形成不同的层。例如，在血液中，致密的红细胞在底部形成沉淀，而较轻的血浆则作为液体留在顶部。
各行业的主要应用
快速分离混合物的能力使离心成为几乎所有科学和工业领域的基础技术。
在医疗和研究实验室中
这是最常见的应用。离心机对于分离血液成分至关重要——分离血浆、血清和红细胞以进行诊断测试。
它们对于制备生物样品也至关重要，例如分离DNA、纯化蛋白质和从培养基中收获细胞。
在工业生产过程中
在乳制品行业，大型工业离心机用于将奶油从牛奶中分离出来，以生产脱脂牛奶和奶油。这个过程比让重力自然作用更快、更高效。
其他工业用途包括通过去除果肉来澄清果汁、在废水处理厂中脱水污泥以及纯化油类。
在高度专业化的领域
最精确的应用可能是在用于铀浓缩的气体离心机中。这些机器以惊人的速度旋转六氟化铀气体。
略重的铀-238同位素比轻的铀-235同位素被推向外壁的程度稍大，从而使两者能够缓慢分离。
理解权衡和局限性
尽管功能强大，但离心过程并非没有关键的操作限制和潜在的缺点。
平衡的迫切需求
离心机操作最重要的一条规则是完美平衡。放置在转子中的样品管必须与另一侧重量相等的管子精确平衡。
一个不平衡的转子以每分钟数千转的速度旋转会导致剧烈振动，损坏仪器并造成重大的安全隐患。
潜在的样品损坏
强大的G力可能具有破坏性。脆弱的生物细胞可能破裂，大型蛋白质分子可能因应力而剪切或变性。
必须根据特定样品仔细校准旋转速度和持续时间，以确保分离而不造成损坏。
热量产生
电机摩擦和旋转转子上的空气阻力会产生大量热量。对于酶或RNA等敏感生物样品，这种热量可能会破坏它们。
这就是为什么许多实验室离心机是冷藏的，允许用户在运行过程中保持精确、凉爽的温度。
根据您的目标做出正确选择
离心机的类型和使用的设置完全取决于手头的分离任务。
- 如果您的主要重点是将大的固体颗粒从液体中分离出来：低速、大容量的工业或台式离心机是样品澄清等任务最有效的工具。
- 如果您的主要重点是分离生物大分子或细胞器：需要一台高速或超速离心机，并带有精确的温度控制，以产生足够的力而不损坏样品。
- 如果您的主要重点是常规临床样品制备：带有特定采血管适配器的标准台式离心机是行业标准，用于清洁分离血浆或血清。
最终，掌握离心技术就是利用一种受控的、放大的力来揭示均匀混合物中隐藏的独特组分。
总结表：
| 分离因素 | 关键原理 | 常见应用 |
|---|---|---|
| 高G力 | 放大重力以加速沉降 | 分离血液成分（血浆、细胞） |
| 密度差异 | 密度较大的颗粒向外移动，密度较小的颗粒向内移动 | 分离DNA、蛋白质和细胞培养物 |
| 旋转速度 | 旋转产生离心力以实现快速结果 | 牛奶分离和果汁澄清等工业用途 |
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