医学实验室中离心机的应用与技术保障*

周 末　姚　璐　高　建　崔泽实*

医学实验室中离心机的应用与技术保障*

周 末①姚璐①高建①崔泽实①*

周末,男,(1984- ),本科学历，实验师。中国医科大学实验中心三部，从事生物样本制备、显微成像分析等实验技术研究工作。

目的：规范医学实验室离心技术的应用与仪器维护。方法：正确选择与应用离心技术，掌握相对离心力(RCF)、S值及K值等常用离心参数的运用与计算方法，合理配置离心转头与离心容器，根据材质的理化耐受性选用和处理离心容器，制定基于风险控制的操作规范、监测、维护、保养以及生物安全等系列措施，建立实验室离心机技术保障。结果：通过规范医学实验室离心技术的应用，使实验室离心机的故障率降低，工作效率得到提升。结论：保障离心机正常使用，必须坚持从实验应用到工程维护的全技术流程管理。

离心机；离心技术；技术保障；维护；医学实验室

DOI∶ 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.05.006

[First-author’s address] China Medical University, Shenyang 110001, China.

医学实验室离心机用于医学实验样品制备，离心是利用离心机驱动离心容器做旋转运动产生的离心力以及被离心样本物质的沉降系数或浮力密度的差别，完成分离、浓缩及提取制备，分析测定生物分子分子量及纯度的一项常规实验技术，其应用覆盖医学乃至生命科学诸多专业实验[1]。因此，研究离心力与被离心样品间的相互作用关系，规范使用和维护技术流程甚为重要。本研究探讨规范医学实验室离心技术的应用与仪器维护，旨在制定风险控制的操作规范、监测、维护、保养以及生物安全等系列措施，建立实验室离心机技术保障。

1　医学实验室离心技术的选择

根据离心机相对离心力(relative centrifugal force，RCF)上限和主要应用，医学实验室常用离心机大致可分为低速离心机、通用离心机、高速离心机及超速离心机4种。

1.1离心机的选择

(1)低速离心机。RCF≤7 000 g；细胞或细胞碎片沉降分离，过滤、透析、亲和柱提纯；大容量机型(4～12 L)常用于血站或血库实验室。

(2)通用离心机。RCF≤30 000 g；除具备低速功能外还部分兼顾核酸、蛋白及质粒提取等高速功能[2]。

(3)高速离心机。RCF≤100 000 g；核酸、蛋白及质粒提取；兼顾亚细胞结构和病毒分离；密度梯度离心。

(4)超速离心机。RCF≤1 050 000 g；核酸纯化CsCl；亚细胞结构、细胞器、病毒及脂蛋白分离；密度梯度离心[3]。

1.2常用离心参数

(1)离心速度。在离心驱动系统带动下转头旋转的速度，单位为每分钟转数(revolution per minute，RPM)(r/min)。

(2)相对离心力。物体以一定的角速度做圆周运动就产生离心力F=ω2r。但离心力要克服与其相垂直的地球重力(gravity)以及样品粒子的摩擦力和浮力影响(后两者可忽略不计)，故以RCF表示，RCF=ω2r/980，等于在离心场中作用于样本粒子上的离心力相当于地球重力的倍数，单位是重力加速度g(1 g＝980 cm/s2)，RCF1000×g则是重力加速度的1000倍。RCF的大小与离心速度及在离心容器中粒子距心轴的路径(实际离心半径)有关，即RCF=1.12 r(RPM/1000)2，故有最大、平均和最小RCF之分。样品粒子能否得到有效分离主要取决于RCF，文献中常给出最大RCF为离心条件。转头额定转速所对应的RCF可以通过离心半径-RCF-RPM曲线换算，但精确RCF值应查找生产厂转头参数表。

(3)沉降系数(sedimentation coefficient，S)。是样本粒子重要的物理化学参数，以Svedbergs值(S值=10-13s)表示对应离心力样品粒子的沉降速率，不同S值样品粒子所需离心时间(完全沉降至容器底部)的表达式为t=1/S ω2· ln rmax/rmin[4]。常见分离生物样本的S值及参考离心条件见表1。

表1　常见离心样本的参考S值及离心条件

(4)K因数值(K-factor)。反映离心转头的效率，与其大小、材质和速度有关。利用K值可估算出某S值样本粒子的沉降时间：t=K/S；K值越小，转头离心效率越高，粒子沉降所需时间越短[5]。

2　医学实验室离心机的离心技术

根据离心力与被离心物质间的相互作用方式，可分为差速离心与密度梯度离心。

2.1差速离心

差速离心是利用离心样本组分中不同沉降系数粒子的沉降速度差别(如各细胞组分)，经一定速度、一定离心力及一定时间离心，先后沉降而得到分离。在此过程中样本往往被分离为沉淀物和上清液两部分，其前提是待分离的两种或数种粒子的S值的差值足够大(至少差10倍以上)方能得到较好的分离，如果两种或数种粒子的S值相差极小，则难以得到好的分离。关键要精确控制好分步离心的时间和速度，时间过长或转速过高会使不该沉降的颗粒而沉降下来，影响分离纯化效果[3]。

2.2密度梯度离心

密度梯度离心是样本在有密度梯度的惰性介质液中进行离心沉降或沉降平衡，即在一定离心力作用下将粒子分配到梯度液中相应的位置上，形成不同区带而得到分离[6]。密度梯度离心又可分为密度梯度沉降离心或差速区带离心和等密度离心

(1)密度梯度沉降离心或差速区带离心。用于分离粒子大小、形状各异(存在一定的沉降系数差)而密度相近的样本，梯度液密度＜样本组分密度。先将样本液加在梯度液液面上，在离心力作用下粒子各自以一定的速度沉降，逐渐分离在离心容器中依沉降系数大小形成由下至上的区带。需精确设定离心时间(各样本区带间拉开到最大距离后即停机)，降速不可过快。

(2)等密度离心。待分离样本粒子的密度在密度梯度液密度范围内，离心前加样其中呈均匀分布，在离心力的作用下，依不同粒子的浮力密度差，或向下沉降、或向上浮起，最终沿梯度移动到与其恰好相等的密度梯度位置上(即等密度点)形成区带。离心效果取决于粒子的浮力密度差，差值越大分离效果越好，与粒子的大小、形状无关，但后两者涉及到平衡的速度、时间及区带的宽度。离心时间通常长于差速区带离心。

表2　离心转头在不同离心技术的适用性

2.3离心转头的选择

实验室离心机最常配置是固定角转头和水平转头，个别生产厂还可提供鼓式转头、细胞离心涂片装置等；高速及以上离心机还可配置垂直、近垂直及区带转头等。选择转头主要依据离心技术需求，3种主要离心技术的转头选择见表2[7]。

2.3.1离心条件的转换计算

当离心技术确定后完成某种样品的有效离心分离，常关注的离心参数是S值、RCF及离心时间。多数情况下这些参数主要从文献中获得，存在的问题是，文献上给出的离心条件往往与所在实验室可利用离心机的性能有一定差异，如何将文献离心条件转化在本实验室离心机上使用，其常用计算方法如下。

(1)在给出T1值和RCF1值的情况下，根据实验室现有离心转头RCF2转换所需T2∶T2=T1×RCF1/ RCF2。

(2)在给出T1值和K1值的情况下，根据实验室现有离心转头K2转换所需T2∶T2＝T1×K1/K2。

获得精确计算，重要在于建档管理离心机的使用说明书及使用记录等技术资料，随时可调用参考[8]。另转换范围控制在20%为宜，不可偏离过大，无足够的离心力即便延长离心时间同样毫无意义。

2.3.2离心容器的选择

除要考虑离心容器的式样、容量外，常被忽略的是容器的物理及化学耐受性，材质不同的塑料离心管物理和化学耐受性各异，常发生由于错选材质而导致容器溶裂、破损，有机溶剂溅出腐蚀仪器事件。常用离心容器材质为多聚物(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)，其理化耐受性见表3。

3　医学实验室离心机操作注意事项

离心机的使用存在着一定的风险，应将风险评估理念贯穿于离心的全过程，并规范操作。

3.1必要的检查与测试

(1)检查离心容器与离心转头孔位或套筒适配性，在高速离心时应保证离心容器与离心转头孔位适形，尤其是在使用锥形底管的情况下，避免在强离心力作用下管底堆陷。检查离心转头尤其是高速以上转头，检查其外观有否划痕或裂纹，根据情况决定是否停用或减速使用(至少减速额定转数的10%。定期核查对超速离心机驱动系统及其转头的累计使用时间，一旦超过生产厂给定的保证期要做出减速评估。

(2)检查真空泵的油水平和实际真空度，如真空路径装有HEPA滤器，要复核其使用时间。

(3)检查离心舱内及转头或离心容器适配器件内有否离心容器碎片和残留水等异物，并清除之，复核转头和水平转头的离心吊桶是否安放到位。

(4)检查离心容器有否变形、裂纹、损伤或老化现象，擦干离心容器外壁上的水迹。

(5)检查离心容器加样量，一般原则是无盖容器不可装满，以免离心甩出。而在高速或超速离心时使用带有密封器件或压封盖的容器时，则常要求装满以避免在离心力作用下造成变形陷裂。可参考生产厂提供的转头及容器手册，会标明不同形状、材质离心容器在不同转速时额定加样量。

(6)超速离心机的使用者要经过培训、考核取得资质后方可上岗操作，并由专人负责管理。

3.2离心配平

离心配平是指离心转头及离心吊桶的管位几何学对称重量平衡，乃至转头整体平衡，保证转头负载分布均匀。①不可采取容量配平，尤其是在高速以上离心，因为离心容器、加样器等会存在偏差；②检查离心转头及离心吊桶管位内有否残留有容器碎片或水溶液，由于制冷离心后放置一定时间也可出冷凝水，因此需排除潜在的不平衡因素；③检查水平头安装的吊桶自重是否对应配平，生产厂会在吊桶上标记重量，当装载不同容量样本一起离心时，尽量避免使用两对自重差别较大的管架。

表3　不同材质离心容器的理化耐受性

近代离心机多装有失平衡保护功能，要严格控制偏差在额定重量以内；但最佳选择是坚持在天平上精密完成一对一配平操作，避免离心驱动系统常在不平衡调整状态运行。在吊桶或管架中放多管离心时应连同吊桶一起完成配平。

3.3预冷

预冷系指转头及其装载附件和离心舱的预冷。先将转头放入冰箱或冷室，以保证转头整体预冷。离心舱和小体积转头的预冷，可在离心前设置控制温度，在1 000～2 000 RPM运转10～20 min，视室温；或使用离心机预置的预冷(pre-cooling)程序。

3.4其他

启动离心机后不能随即离开实验室，应监测机器运行到设定转速平稳、且无任何异常声响后方可离开。但使用高速、超速离心机时不可离开，需密切监测仪器运行状况。如开启离心舱盖后转头还在余转，禁忌用手制停。疑有生物污染的样品时应在生物安全柜中上样，离心后在生物安全柜中静置数分钟待气溶胶下落后方可打开转头密封盖取样，BSL3级及以上实验室内的离心操作须参照其相关规范[9]。

4　医学实验室离心机常规维护

必要的维护与保养措施是保障离心机正常使用的首要前提，应参考仪器操作说明书制定规范，纳入实验室常规技术流程。

4.1定位与调平确认

安装是离心机维护与保养的基础步骤，仪器操作负责人应参加安装全过程。移动离心机位置安装后应注意以下事项。

(1)离心机的安装位要避开阳光直晒、灰尘、通风不良、热辐射、过度振动、存在腐蚀性化学物质以及洗刷池等。附近不可放置天平、光度计及显微镜等精密仪器[10]。

(2)移动冷冻离心机到位后静置60 min或更长时间(视搬运的剧烈程度)后方可开机。

(3)确认仪器工作电压、电流、频率及相位等技术参数，连接电源应满足仪器启动最大功率要求的115%或更多，且必须有接地，功耗较大的落地式高速机及超速机应另外单独配置气动开关[11]。

(4)台式离心机安放的实验台要平整、结实及无晃动，离心机的支脚应与实验台的支撑柱对应；为了便于仪器散热、维护及检修，安放时距墙壁或周边设施≥20 cm，有条件的可再宽余些。

(5)落地式机型需评估地面或楼板的承重能力，选择在墙侧为宜；其他同台式机。

(6)使用经校准的水平测具置于离心中轴位测量360o方位的水平状况，进行离心机定位水平调整。

4.2维护保养措施

(1)离心舱。用软布擦拭清理离心舱，除去残留物，但注意不可伤及温度传感器；制冷离心化水后应及时擦干，保持开舱盖晾干后关闭；离心舱密封胶圈不可用有机溶剂擦拭，真空不足时应检查胶圈是否有脏物或老化；发现舱壁有锈蚀时应及时采取除锈处理。

(2)使用较频繁的低速及通用离心机离心时应定期卸下转头清理轴杆；用毛刷清理离心轴杆的螺旋缝隙，涂抹润滑膏，以免垢污填塞，反复旋拧损伤螺口。停用间期应卸下转头进行保养。

(3)离心转头。用软木棒缠绑软布或脱脂棉擦拭清理转头或管架孔位，制冷离心后及时清除水迹。用毛刷清理转头与驱动轴拧固处的螺旋缝隙，用软布擦去水平转头与吊桶悬挂位的污垢，并涂抹润滑膏。

(4)检查转头、离心吊桶的密封胶圈有否老化、变形及断裂等现象，并及时更换。

(5)保持离心实验室内清洁，定期除去机箱散热网灰尘，特别是压缩机处。

(6)离心机闲置1个月以上时，期间要开机转载转头运行1次，观测是否有异常声响，能否达转速、制冷温度等额定指标。长期不用的转头要做清洁处理，涂保护剂。

(7)检查离心机电源插头及连接插座有否接触不良和烧焦现象，电源线有否老化，发现问题及时处理。定期检查真空管路及相关设施连接状况，滤器是否阻塞。

(8)机箱表面的污迹只能用软布沾清水或近中性且无磨损的清洁剂清理，禁用干布、有机溶剂擦拭显示面板及舱盖上方的观察窗。

5　结语

正确使用和必要的监测、维护措施是发挥离心机技术效率的重要保障，不可忽视每个技术环节。实验室在实施离心机应用技术保障体系的同时，应加强对实验者的技术培训，面向研究生开设选修课程，降低离心机故障率，为学校科学实验研究、实验教学及所在地区的共享服务提供有效的技术支撑。

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Application and technical support of centrifuges in medical maboratories

ZHOU Mo, YAO Lu, GAO Jian, et al

China Medical Equipment,2015,12(5)∶20-24.

Objective∶ To establish the good practice of the application and maintenance of the centrifuges in the medical laboratories. Methods∶ By correct selection of centrifuge technology, to know well the technical parameters of the centrifuges and calculation methods, reasonable configuration for rotors and containers, processing according to the physical and chemical resistances of the centrifugal containers, set up technical support system by formulating maintenance measures of the centrifuges based on risk control. Results∶ Centrifuge failure in the laboratory is reduced, the technical efficiency increased. Conclusion∶ In order to keep a good operating practice of the centrifuge, need to perform total technical procedures management from the experiment application to the engineering maintenance.

Centrifuge; Centrifugal technology; Technical support; Maintenance; Medical laboratory

1672-8270(2015)05-0020-05

R197.39

A

辽宁省科学事业研究公益基金(2012006005)“提升高校中心化实验室共享服务效益的优化运行模式及机制研究”；沈阳市生命科学实验技术重点实验室建设(F12-264-4-01)“分子细胞计量学实验技术数字资源共享服务平台”

①中国医科大学实验中心三部 辽宁 沈阳 110001

labczs@mail.cmu.edu.cn

2015-01-08