离心机是利用离心力分离液体与固体颗粒，或液体与液体混合物中不同组分的机械装置。其核心原理是通过转子高速旋转产生远大于重力的离心力场，加速混合物中不同密度或粒度组分的沉降或漂浮速度，从而实现物质的分离、纯化或分析。离心技术已成为现代生物医学、化学工业、食品加工、环境科学及众多研究领域重要的基础技术之一。
一、技术发展简史
起源与初步发展：工业离心机起源于19世纪中叶的欧洲。1912年左右，首批低速电动台式离心机实现商品化。
超速离心的突破：1920年代，瑞典科学家Svedberg等研制出分析型超速离心机，并因此获得诺贝尔化学奖，开启了生物大分子研究的新纪元。1947年，首台商品化的超速离心机上市。
技术进步与普及：1950至1970年代，差速离心、密度梯度离心等关键方法相继成熟并广泛应用。转子材料(如1963年钛金属转子的推出)和设计的进步不断推高离心速度和安全性。
智能化与现代发展：1990年代末至21世纪，离心机进入智能化时代，出现了能自我修正平衡的转子、可模拟离心分离方案的专家软件，以及具备物联网功能的机型。同时，磁悬浮技术等新技术的应用，进一步降低了能耗和机械磨损。
二、 基本原理
离心分离基于混合物中各组分在离心力场中运动行为的差异。
离心力产生：当悬浮液静置时，固体颗粒在重力作用下自然沉降，但过程缓慢，对于微小颗粒(如细胞、蛋白质)或密度差小的组分，重力难以实现有效分离。离心机驱动转子高速旋转，产生强大的离心加速度，其大小通常以相对于重力加速度(g)的倍数来表示，称为相对离心力(RCF)。
沉降与分离：在离心力场中，密度大于周围介质的颗粒会向外周(转鼓壁)方向移动，发生沉降;密度小于介质的颗粒则会向轴向中心移动，发生漂浮。颗粒的沉降速度取决于其大小、形状、密度以及离心力场的强度和介质的粘度。
关键计算公式：相对离心力(RCF)与转子转速(RPM)和旋转半径(R，单位为厘米)的关系可用公式 RCF = 1.118 × 10^(-5) × R × (RPM)^2 进行换算。这意味着在实际应用中，分离效果不仅取决于转速，还与转子的半径密切相关。
三、 主要分类
按分离因数(Fr)或转速划分：这是最常见的分类方式。
低速离心机：最大转速通常低于10，000 RPM，相对离心力在15，000×g以内。常用于血细胞、酵母细胞等较大颗粒的初步分离或大量样品的收集。
高速离心机：转速在10，000至30，000 RPM之间，相对离心力可达70，000×g。多用于细胞器、病毒、蛋白质沉淀等的分离。
超速离心机：转速超过30，000 RPM，相对离心力超过70，000×g，最高可达百万倍重力加速度以上。主要用于细胞膜组分、核糖体、脂蛋白等亚细胞结构及生物大分子的精细分离、纯化和分析。
按操作方式与结构划分：
间歇式离心机：物料分离过程(加料、分离、洗涤、卸渣)为分批、间歇进行，如常见的三足式、上悬式离心机。
连续式离心机：物料的进料、分离和卸渣过程可连续自动进行，适用于工业生产中大规模物料的处理，如螺旋卸料沉降离心机。
台式与落地式：根据体积和容量划分，实验室常用台式离心机，而工业生产或大型制备则使用落地式离心机。
按分离原理划分：
过滤式离心机：转鼓壁上有孔，并衬有滤布。在离心力作用下，液体通过滤材和孔被甩出，固体截留在转鼓内，实现固液分离，适用于晶体或纤维状物料的脱水。
沉降式离心机：转鼓壁无孔。依靠固体与液体的密度差，在离心力作用下，固体沉降贴紧转鼓内壁，通过特定机构(如螺旋卸料)排出，适用于细小颗粒悬浮液的分离。
四、 核心组件
一台离心机，尤其是高性能实验室离心机，是多项技术集成的产物。
核心组件：
驱动系统：现代离心机普遍采用无刷变频电机。它取代了早期的碳刷电机，具有免维护、启动速度快、运行平稳、噪音低且无碳粉污染的优点。
转子：是承载样品并直接产生离心力的核心部件。其材质(铝合金、钛合金、碳纤维)、类型和设计决定了离心的最大速度、容量和效果。常见转子类型包括：
定角转子：样品管与转轴成固定角度(通常为20°-45°)，沉降路径短，分离速度快，适合差速离心。
水平转子：离心时吊篮带动样品管摆动至水平位置，沉降路径长，分离分辨率高，适合密度梯度离心。
垂直转子：样品管与转轴平行，沉降距离极短，可大幅缩短超速离心时间。
控温系统：对于生物样品，温度是保持活性的关键。冷冻离心机内置压缩机制冷系统，可在离心过程中将腔体温度精确控制在零下数十度至常温范围，精度可达±1℃。
控制系统与安全保护：现代离心机采用微电脑控制，具备转子自动识别、转速/离心力一键设定与切换、多种升/降速曲线选择、程序存储等功能。安全系统包括不平衡检测、超速超温保护、自动锁盖、紧急制动等，是保障操作安全的关键。
五、 应用领域
离心机的应用渗透到科学研究与生产生活的方方面面。
生物医学与生命科学研究：这是实验室离心机最核心的应用领域。具体包括：血液成分分离(血清、血浆、血细胞);细胞、细胞器(线粒体、细胞核)的分离纯化;病毒、蛋白质、核酸(DNA、RNA)的提取与纯化;基因工程、细胞治疗(如CAR-T细胞制备)中的关键步骤。
制药与化工行业：用于抗生素(如青霉素)、维生素、胰岛素等生物药品生产过程中菌丝体分离、结晶提纯及液液萃取。在化学工业中，用于催化剂回收、产品脱水及生产工艺中的固液分离。
食品工业：广泛应用于牛奶脱脂、奶油分离、酵母回收、果汁澄清、食用油精炼、淀粉加工等流程，以提高产品品质和得率。
环境与能源领域：用于工业废水(如钢厂、石化厂废水)处理、城市污泥脱水、钻井泥浆分离以及油污处理等环保工程。
日常与其他领域：家用洗衣机的脱水功能便是利用离心原理。此外，在采矿、船舶、航空航天等领域也有特定应用。
六、 安全操作与维护保养
规范操作和定期维护是确保离心机安全运行、延长使用寿命和获得可靠实验结果的前提。
操作守则：
对称平衡：这是最重要的安全原则。放置样品管时必须确保转子对称位置上的负载重量严格平衡，误差通常需控制在0.1克以内，否则可能引发剧烈振动，甚至导致转子飞裂。
规范装载：检查离心管是否有裂纹，盖紧管盖或瓶盖。样品装载量不得超过管/瓶容积的设定上限(如三分之二)，防止液体在高心压力下外溢。
正确选择参数：根据实验目的和样品性质选择合适的转子、转速(离心力)、温度和时间。严禁超过转子和离心机本身规定的最高限用转速。
确认状态后启动：盖紧离心机舱盖，确认所有设置无误、平衡良好后，再启动程序。运行过程中不得强行开盖。
完全停止后取物：待转子完全停止旋转后，方可打开舱盖取出样品。
维护保养：
日常清洁：每次使用后，及时清理离心机腔体、转子座及转子内的溅出物或冷凝水，保持干燥清洁，防止腐蚀。
转子保养：转子是易损耗件，应避免碰撞划伤。使用后应用清水(或温和清洁剂)清洗并倒置晾干。长期不使用时应涂抹保护油并妥善存放。定期记录转子的使用次数和时间，遵循制造商建议的使用寿命。
定期检查：定期检查门盖锁紧机构、转子安装的紧固性以及设备是否有异常噪音或振动。对于冷冻离心机，需定期检查冷凝器散热片是否被灰尘堵塞。
专业维护：按照设备要求，定期由专业人员进行全面检查和保养，如更换密封圈、检查驱动系统轴承等。
离心机自诞生以来，其技术演进始终与科学发现和工业需求紧密相连。从最初的简易机械到今日高度智能化、精密化的仪器，离心机作为分离科学的核心工具，将继续在探索微观世界和推动产业升级中发挥重要的作用。
