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、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。
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
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）
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 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 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
- 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
- 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
- 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 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%
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 mL | eXpert 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 rpm | 175 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
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。
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。
選管的 8 個考量因素
產品類別介紹
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。
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。
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
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。
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。
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：
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。
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）。
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。
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 mL | 344062 | 開口薄壁 | Ultra-Clear | 11 × 60 | SW 60 Ti |
| 5 mL | 344057 | 開口薄壁 | Ultra-Clear | 13 × 51 | SW 55 Ti、MLS-50 |
| 6.5 mL | 344088 | 開口薄壁 | Ultra-Clear | 13 × 64 | Type 90 Ti、70.1 Ti、70 Ti、50.4 Ti、50.2 Ti、45 Ti、MLA-55 |
| 13.2 mL | 344059 | 開口薄壁 | Ultra-Clear | 14 × 89 | SW 41 Ti |
| 13.2 mL | 331372 | 開口薄壁 | 聚丙烯 | 14 × 89 | SW 41 Ti |
| 14 mL | 344060 | 開口薄壁 | Ultra-Clear | 14 × 95 | SW 40 Ti |
| 17 mL | 344061 | 開口薄壁 | Ultra-Clear | 16 × 102 | SW 32.1 Ti、SW 28.1 |
| 38.5 mL | 344058 | 開口薄壁 | Ultra-Clear | 25 × 89 | Type 70 Ti、50.2 Ti、SW 32 Ti、SW 28、JS-24.38 |
| 38.5 mL | 344326 | Quick-Seal 圓頂 | Ultra-Clear | 25 × 89 | 落地型轉子 |
| 4.9 mL | 362185 | OptiSeal | 聚丙烯 | 13 × 51 | VTi 90、VTi 65.2、NVT 90、NVT 65.2 |
| 11.2 mL | 362181 | OptiSeal | 聚丙烯 | 16 × 67 | 垂直／近垂直轉子 |
| 13.5 mL | 342413 | Quick-Seal | 聚丙烯 | 16 × 76 | Type 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 mL | C14298 | Ultra-Clear | 開口圓底 | 11 × 60 | SW 60 Ti |
| 13.2 mL | C14293 | Ultra-Clear | 開口圓底 | 14 × 89 | SW 41 Ti |
| 14 mL | C14294 | Ultra-Clear | 開口圓底 | 14 × 95 | SW 40 Ti |
| 38.5 mL | C14292 | Ultra-Clear | 開口圓底 | 25 × 89 | Type 70 Ti、50.2 Ti、SW 32 Ti、SW 28 |
| 39 mL | C14299 | Ultra-Clear | Quick-Seal 圓底 | 25 × 89 | Type 70 Ti、50.2 Ti、VTi 50.1 |
| 4 mL | C18674 | 聚丙烯 | 開口圓底 | 11 × 60 | SW 60 Ti |
| 39 mL | C14304 | 聚丙烯 | Quick-Seal 圓底 | 25 × 89 | Type 70 Ti、50.2 Ti、VTi 50.1 |
| 100 mL | C14305 | 聚丙烯 | Quick-Seal 圓底 | 38 × 102 | Type 45 Ti |
密封管使用步驟
Quick-Seal（熱封）
- 裝樣用針筒把樣品加至管頸底部，留下的氣泡越小越好。
- 熱封把封口帽套上管頸，用手持式熱封器加熱壓合。
- 檢查冷卻後輕擠離心管，確認沒有漏液。
- 上機對稱放入轉子，加上相應的墊片或適配器。
- 取樣離心後剪開管頂，或從側面穿刺抽取條帶。
- 注意密封管為單次使用，不可重複封口。
OptiSeal（塞封）
- 放架把離心管放在專用管架上，加入樣品。
- 保持乾淨確認管頸內沒有殘留液體。
- 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。