實(shí)驗(yàn)室離心機(jī)的應(yīng)用需求與功能配置評(píng)估的探討

                                 郭德倫① 高 建① 傅雅靜① 崔澤實(shí)①

    ［文章編號(hào)］１６７２－ ８２７０（２００７）０４－ ０６－ ０３     

    ［中圖分類(lèi)號(hào)］    ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］

    ［摘要］ 從不同醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的功能定位和應(yīng)用需求出發(fā)， 探討裝備離心機(jī)應(yīng)考慮的若干功能配置問(wèn)題。

     ［關(guān)鍵詞］ 離心 實(shí)驗(yàn)室離心機(jī) 功能配置 技術(shù)評(píng)估

    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?duì)離心機(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。

    １ 離心技術(shù)及通用實(shí)驗(yàn)室離心機(jī)

    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(cè)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(chǎng)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(kāi)。決定離心力大小的因素除轉(zhuǎn)速 （Ｒｅｖｏｌｖｅｄ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅ， 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(duì)離心力（Ｒｅｌａｔｉｖｅ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｆｏｒｃｅ， ｒｃｆ）表示，即相對(duì)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(chēng)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(lái)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(chēng)）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(guò)濾、離心沉降（或澄清）及離心分離［１］。

       

    １．２ 通用實(shí)驗(yàn)室離心機(jī)

     近年來(lái)，一類(lèi)稱(chēng)之為通用實(shí)驗(yàn)室離心機(jī)（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇｅ）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(jiǎn)便； 常見(jiàn)機(jī)型最高轉(zhuǎn)速≥１５０００ ｒ／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(wú)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(kāi)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(zhuān)門(mén)房間； 且因無(wú)碳粉污染， 還可在特定樣品分離要求的無(wú)菌、無(wú)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(kāi)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￣７５０ ｍｌ， 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(guò)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(jí)壓縮機(jī)無(wú)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。

    ２ 裝備應(yīng)考慮的主要問(wèn)題及功能配置

     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(chǎng)，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

    ２．１．１ ＲＮＡ 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 １．５／２．０ ｍｌ Ｅｐｐｅｎｄｏｒｆ管， 或≥１５ ｍｌ、  ５０ ｍｌ 管）分步提?。?nbsp;組織樣本需先施勻漿預(yù)處理［２］。

    ２．１．２ ＤＮＡ 離心制備

     水平轉(zhuǎn)頭， ２ ０００×ｇ左右（１．５／２．０ ｍｌＥｐｐｅｎｄｏｒｆ管，１５ ｍｌ、５０ ｍｌ錐底管或更大體積）；再經(jīng)１２０００～２７０００×ｇ。制備質(zhì)粒 ＤＮＡ： 角轉(zhuǎn)頭， ２５０ ｍｌ 或 ５００ｍ１／瓶， ５０００～６０００×ｇ； １５～５０ ｒｎｌ／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， ２５０～５００ ｍｌ／瓶， ４０００×ｇ； １５～５０ ｍｌ 錐底管， ３０００×ｇ； 角轉(zhuǎn)頭， ５０ ｍｌ 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(xiàn)粒體、溶酶體、過(guò)氧化酶體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、核蛋白體， 所有過(guò)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(zhuān)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(gòu)時(shí)， 需注意離心容器的樣品處理量是否滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?BR>
    ２．１．６ 離心超濾、濃縮、抽提

   配合市售離心過(guò)濾濃縮管 （１．５～８０ ｍｌ， 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(gòu)容器的使用說(shuō)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(guò)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(zhuān)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(píng)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(píng)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１．５／２．０ ｍ１／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，將是資源配置的最佳結(jié)果。如果裝備對(duì)象僅以小樣本制備為主選擇方案 Ａ即可滿(mǎn)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(duì)實(shí)驗(yàn)室的性質(zhì)以及對(duì)各項(xiàng)擴(kuò)展功能的權(quán)重做出進(jìn)一步的評(píng)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(wèn)題。對(duì)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(zhuān)管共用或?qū)嵭薪栌谩?BR>
         

    ２．３ 其它配置評(píng)估因素

     在完成功能需求配置評(píng)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(duì)離心機(jī)的綜合性能做出全面評(píng)估， 在進(jìn)行產(chǎn)品比較時(shí)不能單純?cè)u(píng)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，如 ［４］在 ＢＳＬ２ 級(jí)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(mǎn)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(duì)此參數(shù)要求嚴(yán)格的離心實(shí)驗(yàn)， 要注意選型。