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離心原理
當含有細小顆粒的懸浮液靜置不動時,由于重力場的作用使得懸浮的顆粒逐漸下沉。粒子越重,下沉越快,反之密度比液體小的粒子就會上浮。微粒在重力場
動的速度與微粒的大小、形態(tài)和密度有關,并且又與重力場的強度及液體的粘度有關。像紅血球大小的顆粒,直徑為數(shù)微米,就可以在通常重力作用下觀察到它們的沉降過程。
此外,物質(zhì)在介質(zhì)中沉降時還伴隨有擴散現(xiàn)象。擴散是無條件的的。擴散與物質(zhì)的質(zhì)量成反比,顆粒越小擴散越嚴重。而沉降是相對的,有條件的,要受到外力才能運動。沉降與物體重量成正比,顆粒越大沉降越快。對小于幾微米的微粒如病毒或蛋白質(zhì)等,它們在溶液中成膠體或半膠體狀態(tài),僅僅利用重力是不可能觀察到沉降過程的。因為顆粒越小沉降越慢,而擴散現(xiàn)象則越嚴重。所以需要利用離心機產(chǎn)生強大的離心力,才能迫使這些微粒克服擴散
產(chǎn)生沉降運動。
離心就是利用離心機轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強大的離心力,加快液體中顆粒的沉降速度,把樣品中不同沉降系數(shù)和浮力密度的物質(zhì)分離開。離心力(F)的大小取決于離心轉(zhuǎn)頭的角速度(ω,r/min)和物質(zhì)顆粒距離心軸的距離(r,cm)。它們的關系是:F=ω2R [1]
為方便起見,F(xiàn)常用相對離心力也就是地心引力的倍數(shù)表示。即把F值除以重力加速度g (約等于9.8m/s2.)得到離心力是重力的多少倍,稱作多少個g。例如離心機轉(zhuǎn)頭平均半徑是6cm,當轉(zhuǎn)速是60 000r/min時,離心力是240 000×g,表示此時作用在被離心物質(zhì)上的離心力是日常地心引力的24萬倍。
用離心方法分離生物大分子和亞細胞物質(zhì)的基本原理是根據(jù)它們在液體介質(zhì)中或者沉降速度不同而形成不同的區(qū)帶,或者它們的密度不同而停留在液體介質(zhì)中不同的位置而把它們一一分開。前者是沉降速度法,應用該法時液體介質(zhì)的大密度要小于樣品中小顆粒的密度,離心時選用高轉(zhuǎn)速和短時間;后者是沉降平衡法,應用該法時液體介質(zhì)的大密度要大于樣品中小顆粒的密度,離心時選用較低轉(zhuǎn)速和較長時間。實際操作有幾種形式:
差速離心
這種方法是選擇不同轉(zhuǎn)速的離心,分別分離各個不同組分。例如先用低速沉降大顆粒和上清液,在高速離心上清沉降中等顆粒,后超速離心上清沉降小顆粒。采用逐級提高離心力分離上情液的方法,把不同大小的顆粒分開。
這種方法比較簡單,方便。分離的組份沉到管底,因此可以迅速濃縮所要的組份,減少體積。但回收率和純度是有矛盾的,要提高回收率,勢必提高轉(zhuǎn)速或延長離心時間,這樣大小相近的顆粒也會沉到管底。因此該法多用于粗提純或初步濃縮樣品。
速度區(qū)帶(或速度梯度)離心
本法是將樣品放在一個連續(xù)的密度梯度液體上,通過離心,大顆粒沉降快,小顆粒沉降慢。經(jīng)過一段時間,相同的顆粒就在同一深度
形成一條帶子,因此把各種組份分開來。它適用于分離密度相同、而大小不同的物質(zhì),如不同的蛋白質(zhì)組份密度都差不多,但分子量不一樣,用本法很容易將其分開。但對密度不同、大小類似的物質(zhì)則不易分離。
蔗糖梯度是一種常用的介質(zhì)。用不同濃度的蔗糖溶液(5%-60%)配成梯度,用于梯度離心。再分別進行收集處于不同區(qū)帶里的各個組份。
沉降平衡離心
這是靜力學的方法。在離心管中形成一個液體梯度,在離心時各組份以不同的速度下沉,但終停留在與自己相同的密度中,形成一條狹窄的平衡帶,并保持相對的穩(wěn)定。為了使樣品所有組份都能達到它們的平衡位置,需要長時間離心。這種方法適用于分離大小相似但密度不同的物質(zhì),如核酸的分離。氯化銫梯度是常用于平衡離心的介質(zhì),分辨率很高,可區(qū)別密度相差0.05的組分,但離心時間需十幾到幾十小時,且價格很貴。已有一種商品名叫"Percoll"的聚蔗糖溶液可以代替氯化銫梯度。該介質(zhì)能迅速形成梯度,使離心時間大大縮短到1-2h而仍有很好的分離效果。并且有配套的標記珠 可以測定樣品的密度。