什麼是超高速離心 Ultracentrifuge ?

Beckman Coulter 超高速離心機第一品牌,超高速離心管

什麼是超高速離心?|原理、類型與儀器圖解
Ultracentrifugation

什麼是超高速離心?原理、類型、分離方法與儀器圖解

超高速離心(Ultracentrifugation)是用轉速極高的離心機,把溶液裡極小的粒子(例如蛋白質、DNA、病毒、胞外體)依大小、密度、質量分開或加以分析的技術。一般離心機分不開這麼小的東西,所以它是分子生物學、病毒學、生物製藥等領域常用的基本工具。

150,000最高轉速 rpm
>1,000,000 × g最高相對離心力
1924Svedberg 發明
落地型超高速離心機 Optima XE-100

一、條列解釋

定義

超高速離心機是專門讓轉子以極高速旋轉的離心機,可產生數十萬到上百萬倍重力的加速度。它主要分成兩大類:分析型與製備型。

運作原理

  • 粒子受離心力往外沉降,同時有摩擦力與浮力在反方向阻擋。
  • 密度越大的粒子沉得越快;粒子密度和周圍液體相同時就不會再沉降。
  • 離心力(RCF)由轉子半徑和轉速的平方決定。

沉降係數與 Svedberg 單位

粒子沉降的快慢用「沉降係數」表示,單位是 Svedberg(S),1 S 等於 10⁻¹³ 秒。例如細菌核糖體的兩個次單位分別叫 30S 和 50S。

主要特徵

和一般桌上型離心機相比,超高速離心機一定要有冷卻和真空系統,以免過熱損壞;也能沉澱出核糖體、小囊泡這類一般離心機分不開的小粒子。常見轉速約 60,000 到 150,000 rpm。

起源與發展

1924瑞典化學家 Svedberg 與 Rinde 做出第一台可實際使用的研究用離心機,取名「ultracentrifuge」。它用電動馬達驅動,轉速約 8,700 rpm、離心力約 5,000 倍重力。
1926改用油壓渦輪驅動,轉速提高到約 45,000 rpm、約 100,000 倍重力;同年 Svedberg 獲得諾貝爾化學獎。
1935Pickels 把機艙抽成真空,減少摩擦,也因為消除對流而讓樣品溫度保持穩定。
1947第一台商用超高速離心機問世。
1949Model L 推出,是第一台能達到 40,000 rpm 的製備型超高速離心機。
現今桌上型機種轉速最高可達 150,000 rpm、超過 1,000,000 × g,並加入觸控螢幕、稽核紀錄、生物安全防護等功能。

分析型(AUC)

在離心過程中用光學系統即時觀測粒子怎麼移動,可以推算分子量分布、形狀、結合比例、平衡常數與樣品純度。不需要標記或標準品,可在接近天然的溶液狀態下分析。

製備型

用來分離、收集樣品,分析在離心結束後才進行。常見應用包括沉澱胞器與病毒、純化病毒載體、分離 DNA/RNA、純化胞外體。

實際應用

  • 沉澱粒線體、核糖體等胞器和病毒
  • 用銫鹽梯度分離 DNA、RNA、質體
  • 純化病毒載體、分析蛋白質聚集狀態
  • 分離胞外體(被視為黃金標準方法)
  • 奈米粒子與膠體的特性分析

限制與風險

  • 轉子帶有很大的旋轉動能,損壞時可能造成爆炸性事故,必須定期檢查、不可超過額定轉速。
  • 運轉時間長、處理量低,設備昂貴。
  • 高 g 力可能破壞囊泡等脆弱樣品。
  • 不同實驗室流程差異大,結果較難互相比較。

製備型的分離方法圖解

差速離心(Differential)

分好幾輪逐步加快轉速:大粒子先沉下來,再把上清液拿去用更高轉速離心,依序收集更小的粒子。常用於分離胞器。

速率區帶(Rate-zonal)

樣品放在預先做好的密度梯度上方,粒子依沉降係數以不同速度往下移動,形成一條條區帶。轉太久會讓所有粒子都沉到管底。

等密度(Isopycnic)

只依密度分離:粒子停在密度與梯度相同的位置,延長時間也不會再往下沉。常用氯化銫或碘克沙醇(iodixanol)作為梯度介質。

轉子類型

轉子角度適合用途
水平吊籃(Swinging-bucket)運轉時 90°速率區帶分離,梯度帶分得清楚
固定角(Fixed-angle)約 14–40°快速、大量沉澱
垂直(Vertical)0°等密度梯度、縮短運轉時間
區帶(Zonal)—單一大體積樣品,適合大規模分離

密度梯度自動化

密度梯度分離的解析度高,但手工鋪梯度既耗時又容易因人而異。自動化的梯度製備器(如 OptiMATE)可以依設定好的程式,自動鋪出氯化銫連續梯度或碘克沙醇階梯梯度,讓結果更穩定、可重複,並大幅縮短運轉時間(官方宣稱超過 75%)。

  • 碘克沙醇 80%:適合病毒、胞器、胞外體、蛋白質分離
  • 氯化銫 60%:已預先調配,適合病毒、質體與核酸純化
  • 兩者皆無菌、低內毒素(≤1 EU/mL)
OptiMATE 密度梯度製備器
OptiMATE 密度梯度製備器:觸控螢幕選擇程式,自動鋪梯度

儀器介紹

超高速離心機依外型可分為落地型與桌上型。落地型容量大、轉子選擇多,適合大體積製備;桌上型節省空間,適合少量樣品的快速分離。

Optima XPN-100
落地型・高階

Optima XPN 系列

  • 提供 80k、90k、100k rpm 三種機型,最大容量 1,500 mL
  • 內建 eXpert 模擬軟體,可在運轉前先模擬分離結果
  • 可連網,具可自訂的安全與追蹤功能,便於監管鏈與法規遵循
  • 多層生物安全設計,另有 IVD 與 Biosafe 版本
  • 相容大量轉子與耗材
Optima XE-100
落地型・入門

Optima XE 系列

  • 90k/100k rpm,最大容量 1,500 mL
  • 最高約 802,400 × g
  • 直覺式操作介面,裝載安全
Optima MAX-XP
桌上型

Optima MAX-XP

  • 最高 150,000 rpm、超過 1,000,000 × g
  • 樣品量 175 µL 至 32.4 mL
  • 觸控螢幕即時顯示轉速、時間、溫度
  • 密碼控管、電子紀錄與完整稽核軌跡
  • 可放入生物安全櫃,可選配 HEPA 過濾
Optima MAX-TL
桌上型

Optima MAX-TL

  • 最高 120,000 rpm
  • 精巧機身,適合個人實驗台
  • 適合少量樣品的快速沉澱與分離
Airfuge CLS
氣動微量型

Airfuge CLS

  • 以壓縮空氣驅動轉子,最高約 110,000 rpm
  • 機身小巧,以壓力錶與計時旋鈕操作
  • 適合極微量樣品的快速超高速離心
OptiMATE
配件・自動化

OptiMATE 梯度製備器

  • 自動鋪設連續或階梯密度梯度
  • 搭配碘克沙醇、氯化銫專用試劑
  • 流程標準化、運轉時間縮短超過 75%
配套系統:超高速離心機需搭配專用的轉子、離心管與保養耗材,例如固定角轉子、透明 Ultra-Clear 離心管、免塞子熱封的 Quick-Seal 離心管、O 環用真空矽脂、轉子清潔劑等。分析需求則可選用 Optima AUC 分析型超高速離心機,在溶液狀態下直接分析大分子,不需標準品。

二、表格整理

項目說明
英文Ultracentrifugation
發明者Theodor Svedberg(1924 年,1926 年獲諾貝爾化學獎)
核心原理用強大離心力加快沉降,依粒子大小、密度、形狀分離
速度/離心力約數萬到 15 萬 rpm;數十萬到百萬 × g
必要配備真空艙、冷卻系統、高強度轉子
主要應用蛋白質與核酸純化、病毒與病毒載體、胞器、胞外體、奈米粒子
優點能分開極小的粒子;不必標記,可在接近天然的狀態下分析
缺點耗時、設備昂貴、轉子有安全風險、可能傷到脆弱樣品

分析型與製備型比較

比較面向分析型(AUC)製備型
目的測量分子的性質分離、收集樣品
何時分析離心中即時觀測離心結束後
主要方法沉降速度、沉降平衡差速、速率區帶、等密度梯度
得到的資訊分子量、形狀、聚集、交互作用純化的胞器、病毒、核酸、胞外體

一般高速離心與超高速離心比較

比較面向一般高速離心超高速離心
轉速約 15,000–30,000 rpm約 60,000–150,000 rpm
離心力中等數十萬到百萬 × g
典型對象細胞、較大胞器病毒、核糖體、蛋白質、胞外體
真空/冷卻選配或沒有必備

儀器規格一覽

機型類型最高轉速容量/樣品量特色
Optima XPN落地型80k/90k/100k rpm最大 1,500 mLeXpert 模擬軟體、連網、生物安全
Optima XE落地型90k/100k rpm最大 1,500 mL入門款,操作直覺
Optima MAX-XP桌上型150,000 rpm175 µL – 32.4 mL>1,000,000 × g、稽核軌跡
Optima MAX-TL桌上型120,000 rpm少量樣品精巧、適合個人實驗台
Airfuge CLS氣動微量型約 110,000 rpm微量樣品壓縮空氣驅動

三、一句話總結

超高速離心就是把樣品轉到幾十萬倍重力,讓蛋白質、DNA、病毒這類極小的粒子依重量和密度「排好隊」,方便收集或測量。
超高速離心原理與儀器圖解

Beckman Coulter 離心管與超高速離心管圖解指南
Tubes & Bottles

Beckman Coulter 離心管與超高速離心管種類、材質、選購要點一次看懂

超高速離心時,樣品承受的是數十萬倍的重力,離心管本身就是分離成敗與實驗安全的關鍵。Beckman Coulter 採「整體系統設計」(total-system design),離心機、轉子與離心管彼此搭配驗證,提供開口管、密封管、無菌管、特殊管與大容量離心瓶等完整選擇。

175 µL最小容量
1 L最大離心瓶
36 款Quick-Seal 相容轉子
Quick-Seal Ultra-Clear 密封管

為什麼離心管要「原廠搭配」?

超高速離心機轉速可達每分鐘十萬轉以上,離心管必須在極大離心力下維持形狀、不破裂、不滲漏。管子的尺寸、壁厚與材質都是依特定轉子設計的;用錯管子,輕則樣品流失、分離失敗,重則損傷轉子。因此 Beckman Coulter 的離心管都標明相容的轉子型號,建議與自家離心機及轉子一起使用。

小提醒:每款離心管都有指定的相容轉子(例如 SW 41 Ti、Type 70 Ti)。選管時先確認手上的轉子型號,再挑容量與材質。

選管的 8 個考量因素

1分離技術沉澱、密度梯度、速率區帶等,決定管型與轉子
2樣品種類病毒、胞外體、核酸、蛋白質等
3溶劑或梯度介質氯化銫、蔗糖、碘克沙醇、有機溶劑
4拋棄式或可重複使用薄壁多為單次使用,厚壁可重複使用
5透光性透明、半透明或不透明,影響能否看見條帶
6可切割或穿刺方便從側面抽取梯度中的特定條帶
7可否高壓滅菌需滅菌後重複使用時要特別注意
8化學耐受性不同材質對酸、鹼、有機溶劑耐受度不同

產品類別介紹

Open-Top Thinwall Ultra-Clear 開口薄壁管
Open-Top Tubes

開口管(薄壁/厚壁)

管口大,裝樣與回收樣品都很方便,可用於固定角轉子與水平吊籃轉子,有多種材質與容量可選。

薄壁(Thinwall)
單次使用;材質有 Ultra-Clear、聚丙烯、聚乙烯;容量 175 µL – 94 mL;圓底或錐底。
厚壁(Thickwall)
可重複使用;容量 230 µL – 94 mL;常見材質為聚碳酸酯與聚丙烯。

圖為 Ultra-Clear 開口薄壁管:材質完全透明,容易找到肉眼可見的條帶或沉澱。

厚壁聚碳酸酯離心管
Thickwall

厚壁管:耐用、可重複使用

厚壁管管壁較厚、硬度高,可以不加滿也能安全離心(依轉子規範降速),適合需要反覆使用的常規沉澱實驗。聚碳酸酯(PC)厚壁管透明堅固,從桌上型的 7 × 20 mm 小管到落地型的 38 × 102 mm、81 mL 大管都有。

  • 適合固定角轉子的快速沉澱
  • 透明材質便於觀察沉澱位置
  • 注意:PC 不耐鹼與有機溶劑,高壓滅菌會縮短壽命
Quick-Seal 密封管
Sealing Tubes

密封管:Quick-Seal 與 OptiSeal

密封管封口快速可靠,可作為轉移到轉子時的第一層生物防護,特別適合密度梯度與具感染性的樣品。

Quick-Seal
用手持式熱封器封口,免塞子、免 O 環,提供次級生物安全防護。材質為薄壁聚丙烯或 Ultra-Clear,容量 1 – 100 mL,圓頂、鐘形頂、錐形鐘頂等樣式,相容 36 款超高速轉子,離心後可切開或穿刺取樣。
OptiSeal
插入附密封圈的塞子即可密封,不需加熱或工具,也不必再檢查封口;多用於垂直(VTi)與近垂直(NVT)轉子,例如 4.9 mL、11.2 mL、36.2 mL 等規格。

搭配 g-Max 系統(短鐘形頂 Quick-Seal 管+浮動墊片),可縮短路徑長度、加快分離。

無菌且 Certified Free 離心管包裝
Sterile & Certified Free

無菌與 Certified Free 離心管

為保護珍貴樣品不被降解或污染而設計,分成兩個等級:

Certified Free
檢測不到 DNA、DNase、RNase、PCR 抑制物與內毒素(依低於偵測極限的抽樣結果);雙層包裝,方便帶入無塵室。適合基因體學、DNA/RNA 定序、胞外體、蛋白質體學。
Certified Free+無菌
以環氧乙烷(EtO)滅菌,滅菌與包裝符合 ISO 11135 與 ISO 11607;開封即用,免自行建立滅菌流程。適合微生物、基因治療、生物製劑、細胞培養等。

提供款式:Ultra-Clear 開口圓底、Ultra-Clear Quick-Seal 圓底、聚丙烯開口圓底、聚丙烯 Quick-Seal 圓底、聚丙烯開口錐底(konical),並附分析證明書(CoA)。

不鏽鋼離心管錐形按壓蓋小管
Specialty Tubes

特殊用途管

  • 不鏽鋼管:耐化學品與高溫,適合會侵蝕塑膠的溶劑或對熱敏感的應用,可重複使用。
  • 錐形按壓蓋小管(snap cap):蓋子一壓即密封,適合少量樣品的沉澱。
  • 單次使用透明管:拋棄式設計,省去清洗並降低交叉污染風險。
  • 纖維素丙酸酯(Cellulose Propionate)管:特殊材質選項,適用於特定溶劑條件。
大容量離心瓶
Bottles & Large Volume

離心瓶與大容量管

用於大體積沉澱、蛋白質純化、DNA 分離與樣品儲存。1 公升離心瓶有兩種材質:

  • 聚碳酸酯(PC):堅硬、透明
  • 聚丙烯(PP):半透明,耐酸鹼與酒精

瓶蓋組可確實密封。另有 HarvestLine 內襯袋系統,把樣品收集在拋棄式內袋中,減少從製備到清洗的步驟。

材質比較

材質外觀化學耐受性高壓滅菌適合用途
Ultra-Clear(UC)完全透明耐弱酸與部分弱鹼;不耐 DMSO 與多數有機溶劑不可需要看見條帶的密度梯度、病毒與胞外體純化
聚丙烯(PP)半透明對多種酸、鹼、酒精耐受性佳可通用、氯化銫梯度、核酸純化
聚碳酸酯(PC)透明、堅硬不耐鹼、酒精與其他有機溶劑可,但會縮短壽命厚壁管、離心瓶、常規沉澱
Polyallomer(PA)
聚丙烯與聚乙烯共聚物
半透明耐部分酸鹼與有機溶劑可(121 °C)舊款開口管、Quick-Seal、OptiSeal
不鏽鋼(SS)不透明耐化學品與高溫可強溶劑、熱敏感應用

圓底 vs 錐底(konical)

圓底(Round Bottom)

最常見的管型,適合密度梯度與一般沉澱,相容的轉子最多。

錐底(konical)

底部收窄,沉澱集中在尖端,少量樣品也容易看見與回收,適合胞外體等微量沉澱。

代表型號一覽

容量品號種類材質尺寸 (mm)相容轉子
4 mL344062開口薄壁Ultra-Clear11 × 60SW 60 Ti
5 mL344057開口薄壁Ultra-Clear13 × 51SW 55 Ti、MLS-50
6.5 mL344088開口薄壁Ultra-Clear13 × 64Type 90 Ti、70.1 Ti、70 Ti、50.4 Ti、50.2 Ti、45 Ti、MLA-55
13.2 mL344059開口薄壁Ultra-Clear14 × 89SW 41 Ti
13.2 mL331372開口薄壁聚丙烯14 × 89SW 41 Ti
14 mL344060開口薄壁Ultra-Clear14 × 95SW 40 Ti
17 mL344061開口薄壁Ultra-Clear16 × 102SW 32.1 Ti、SW 28.1
38.5 mL344058開口薄壁Ultra-Clear25 × 89Type 70 Ti、50.2 Ti、SW 32 Ti、SW 28、JS-24.38
38.5 mL344326Quick-Seal 圓頂Ultra-Clear25 × 89落地型轉子
4.9 mL362185OptiSeal聚丙烯13 × 51VTi 90、VTi 65.2、NVT 90、NVT 65.2
11.2 mL362181OptiSeal聚丙烯16 × 67垂直/近垂直轉子
13.5 mL342413Quick-Seal聚丙烯16 × 76Type 90 Ti、70.1 Ti、NVT 65、VTi 65.1、MLA-55

無菌+Certified Free 款式

容量品號材質管型尺寸 (mm)相容轉子
4 mLC14298Ultra-Clear開口圓底11 × 60SW 60 Ti
13.2 mLC14293Ultra-Clear開口圓底14 × 89SW 41 Ti
14 mLC14294Ultra-Clear開口圓底14 × 95SW 40 Ti
38.5 mLC14292Ultra-Clear開口圓底25 × 89Type 70 Ti、50.2 Ti、SW 32 Ti、SW 28
39 mLC14299Ultra-ClearQuick-Seal 圓底25 × 89Type 70 Ti、50.2 Ti、VTi 50.1
4 mLC18674聚丙烯開口圓底11 × 60SW 60 Ti
39 mLC14304聚丙烯Quick-Seal 圓底25 × 89Type 70 Ti、50.2 Ti、VTi 50.1
100 mLC14305聚丙烯Quick-Seal 圓底38 × 102Type 45 Ti

密封管使用步驟

Quick-Seal(熱封)

  1. 裝樣用針筒把樣品加至管頸底部,留下的氣泡越小越好。
  2. 熱封把封口帽套上管頸,用手持式熱封器加熱壓合。
  3. 檢查冷卻後輕擠離心管,確認沒有漏液。
  4. 上機對稱放入轉子,加上相應的墊片或適配器。
  5. 取樣離心後剪開管頂,或從側面穿刺抽取條帶。
  6. 注意密封管為單次使用,不可重複封口。

OptiSeal(塞封)

  1. 放架把離心管放在專用管架上,加入樣品。
  2. 保持乾淨確認管頸內沒有殘留液體。
  3. 插塞插入附密封圈的塞子即完成密封,取出時使用專用拔管工具。

總結

先看轉子、再看分離方法、最後看材質:要看條帶選 Ultra-Clear,要耐化學品選聚丙烯或不鏽鋼,要防污染選無菌 Certified Free,要安全密封選 Quick-Seal 或 OptiSeal,處理大量樣品則用離心瓶。
離心管與超高速離心管圖解指南
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