RPM 與 RCF 的差異：如何選擇最適合您實驗需求的離心機和離心管？
RPM 與 RCF 的差異：如何選擇最適合您實驗需求的離心機和離心管？
离心机是现代实验室的核心设备之一，广泛应用于生命科学、化学、物理、临床医学等领域。在使用离心机时，RPM（每分钟转数）和RCF（相对离心力）是两个至关重要的参数。本文将详细介绍这两个参数的定义、区别以及如何选择适合的参数，帮助实验人员更好地使用离心机。
离心机在实验室中的角色
离心机在现代实验室中是核心设备之一，被广泛应用于生命科学、化学、物理、临床医学等领域的样品分离。其主要功能是通过旋转分离开样品中的不同成分，如沉淀固体、血清、细胞培养和蛋白质样本等。离心机利用离心力将不同密度的物质分离开来，这一过程基于重力和向心力的相互作用，使得分离过程更加迅速和高效。
RCF 和 RPM 的定义与区别
离心机使用过程中，RPM（每分钟转数）和 RCF（相对离心力）是至关重要的两个参数，但它们的作用和意义不同。为了更好地理解这两个参数，以下提供详细解释：
RPM（每分钟转数）
RPM 表示转子的每分钟旋转次数。简单来说，RPM 用来描述离心机运行的速度。RPM 是一个设备固有的参数，当设定好 RPM 后，机器在运行中会以该速度旋转。然而，RPM 并不直接代表样品受到的离心力，因为离心力的大小还受到转子的半径影响。因此，不同离心机、不同大小的转子，即使设定相同的RPM，对样品产生的离心力也可能不同。
RCF（相对离心力）
RCF 是衡量离心过程中样品受到的离心力强度。这个单位用 g 倍数表示，反映样品受到的加速度，是衡量离心过程中实际作用于样品的力的标准。RCF 提供了一个相对可靠的参考标准，在不同设备或转子条件下，能帮助使用者达成一致的分离效果。因此，RCF 是在实验沟通、重复与改善时更重要的信息。
这两个参数之间的关系可以通过以下公式进行转换：
其中γ 是转子的半径（单位：厘米），而 RPM 表示每分钟旋转次数。因此，了解并计算 RCF 是至关重要的，尤其是在相同实验需要在不同转子或设备之间进行分离开操作并需要达到一致性结果时。
为何在不同转子直径下相同 RPM 产生不同的 RCF？
当离心机设定固定的 RPM 时，不同转子的半径会导致样品承受不同的 RCF。转子的半径越大，样品距离旋转中心越远，其所承受的离心力也随这增大。因此，虽然离心机的转速（RPM）相同，实际样品承受的 RCF 却可能大不相同。这一现象解释了为何在相同的 RPM 下，不同转子会导至分离开结果的差异。理解并正确应用这这一点，有助于实验设计者进行有效的实验条件设置，从而保证分离开效果的一致性。
举个例子，在实验中，如果需要保持 1000 g 的 RCF，但转子半径不同（例如 5 cm 和 10 cm），则所需的 RPM 将有所不同：
★ 半径为 5 cm 的转子：
使用上述公式可得
★ 半径为 10 cm 的转子
为了达到相同的 RCF，计算得出
由此可看出，当转子半径增大时，所需的 RPM 会下降。而这意味着，若是进行核酸纯化、沉淀的离心作业，在 A 离心机以 10 cm 半径的转子，设定 15,000 RPM 时，可以顺利沉淀核酸；换到 B 离心机的 5 cm 半径的转子一样设定 15,000 RPM 时，可能无法顺利沉淀核酸。因为 10 cm 半径的转子以 15,000 RPM 转速旋转时，产生的对样品离心力约为 25,155 g；但当换成 5 cm 半径的转子，同样设定 15,000 RPM 转速旋转时，产生的对样品离心力则仅有约 12,578 g。因此，在进行实验时，应更聚焦关注于 RCF 而非 RPM，才能让实验更轻松高效。
如何选择合适的 RPM 和 RCF？
在设计和选择离心条件时，应根据样品的特性和实验需求选择合适的 RCF 和 RPM。以下是一些建议，以帮助离心机使用者达到最佳效果：
1. 依据样品性质设置 RCF
不同样品对离心力的耐受性有所不同。例如，生物样品如细胞和蛋白质对较高的 RCF 较为敏感，因此需设置较低的 RCF，避免破坏样品结构。相反，沉淀金属离子或分离高密度颗粒时，则可设置较高的 RCF。
2. 选择适合的转子
离心机的转子设计会影响样品分离开效果。使用小半径转子可减少离心管的应力，但需要更高的 RPM 以达到相同的 RCF。选择适合样品的转子有助于增强实验的稳定性和再现性。
3. 确保实验重现性
在需要多次离心分离开的实验中，建议使用相同的 RCF，而非 RPM。这是因为 RCF 更能真实反映样品所受的实际情况，能保证不同设备或转子间结果的一致性。
4. 避免样品过度分离开或损坏
过高的 RCF 可能导致样品过度分离开或损坏。因此，对于对应力敏感的样品，应选择相对较低的 RCF 进行离心，并适时检查样品状态。
常见的 RCF 应用选择与操作建议
在不同设备或转子条件下，离心操作可能需要经常进行 RCF 和 RPM 之间的转换。以下是一些应用场景的建议：
★ 生物样品（如细胞）分离开
通常建议使用 200 g 到 500 g 的 RCF，尤其适合敏感细胞，如初代细胞或培养细胞。这一范围能在保护细胞完整性的同时有效去除培养基中的悬浮杂质。若更换不同转子，可根据转子的半径重新计算 RPM，以确保离心效果一致。
参考文献：见于《Current Protocols in Cell Biology》中的细胞分离开章，以及 Beckman Coulter 和 Eppendorf 离心机应用指南。
★ 血清或血浆分离开
建议使用约 1000 g 到 2000 g 的 RCF 来分离开血清或血浆，此范围有效分离开血清或血浆中的细胞碎片而不损害样品。
参考文献：如 Thermo Fisher Scientific 的离心机应用指南、Beckman Coulter 的临床样品处理手册及文献中的标准实验操作指南。
★ 蛋白质沉淀
蛋白质沉淀通常需要更高的 RCF，一般在 10,000 g 左右，此范围能有效促进蛋白质沉淀，适合于常见蛋白质分离开和纯化操作。
参考文献：如《Molecular Cloning: A Laboratory Manual》，Thermo Fisher 的蛋白质沉淀试剂套装操作指南，及其他生物化学技术参考文献。
★ 核酸纯化
核酸离心通常建议使用 5,000 g 到 15,000 g 的 RCF。这一范围内离心力有助于有效分离开 DNA、RNA 等核酸分子，尤其是在去除蛋白质、残渣和其他杂质时能取得更好的效果。核酸样品对机械应力较为敏感，尤其是长片段 DNA 或质粒 DNA。因此，设定较慢的加速和减速过程，有助于避免核酸损伤，保护样品完整性。选用可温控的离心机于低温进行，可保护易降解的核酸分子（如：RNA）。
参考文献：如 Qiagen 的核酸萃取试剂套装操作手册、《Current Protocols in Molecular Biology》，以及《Molecular Cloning: A Laboratory Manual》等。
★ 高密度样品（如金属离子沉淀）
这类样品对离心力需求较高，可使用更高的 RCF，通常在 20,000 g 甚至更高，因为高密度颗粒沉淀需要强力离心力。但需注意离心管是否能承受这样的离心力。
参考文献：见于 Hettich、Thermo Fisher 等设备制造商的高密度样品沉淀应用指南，以及一些分离开化学应用文献。
离心机使用者的注意事项
1. 定期维护与校准
离心机的性能和安全性依赖于正确的维护。定期检查转子、离心管和密封件的状况，尤其是长时间使用高 RPM 和 RCF 的情况下，确保设备的稳定性。
2. 正确设置平衡
将样品平衡放置在离心管内是每次离心操作的必要步骤。平衡不良可能导致转子损坏，甚至影响离心机的安全性。
3. 不要使用三角平衡法来平衡样品
三角平衡法在物理学上给予了相同的力矩，因此不会产生旋转上的失衡；但对机械设备而言，更在意的是穿过轴心的连线上是否有平衡物来稳定转子，因此三角平衡法可正常操作离心机，长期却有可能使离心机寿命下降。
4. 使用重量（秤重）而非体积来进行平衡
有时在离心时，奇数样品可以轻松通过添加一管空管，并加入等量液体进行平衡。但在进行细胞/微生物离心时、有纯化用 Column 时、或是溶液是多重复配而不是纯水（如培养基、血清、PBS 等缓冲液）时，单纯添加等量液体可能无法良好平衡，此时建议应先秤重需设置平衡位置对向（轴心连线）样品的总重，并配置含管总重相等的平衡管，如此才能达到理想的平衡状态。
5. 适当的冷却或加热控制
某些离心机配有温度控制功能，对于易受温度影响的生物样品，适当的温度控制有助于保护样品稳定性。
6. 选择正确的离心管材质
根据样品性质，选择合适材质的离心管，以免样品在高 RCF 下因应力过大而导致破裂。
7. 理解转子寿命
高 RCF 的操作会加速转子的磨损，甚至可能引发裂痕。因此，应遵循制造商建议的使用寿命，并定期进行转子检查。
充分了解 RPM 和 RCF 的关系并正确应用，才能让实验操作更顺利。