离心技术研究与应用综述

摘要：离心技术在生物科学，特别是在生物化学和分子生物学研究领域，已得到十分广泛的应用，每个生物化学和分子生物学实验室都要配置各种型式的离心机。离心技术主要用于各种生物样品的分离和制备，生物样品悬浮液在高速旋转下，由于巨大的离心力作用，使悬浮的微小颗粒（细胞器、生物大分子的沉淀等）以一定的速度沉降，从而与溶液分离，而沉降速度取决于样品的质量、大小和密度。

关键词：离心技术 应用 发展 中药研究 新型离心技术

离心技术（centrifugal technique）是根据颗粒在作匀速圆周运动时受到一个外向的离心力的行为而发展起来的一种分离技术。这项技术应用很广，诸如分离出化学反应后的沉淀物，天然的生物大分子、无机物、有机物，在生物化学以及其它的生物学领域常用来收集细胞、细胞器及生物大分子物质。

一、离心技术分类

根据离心原理，按照实际工作的需要，目前已设计出许多离心方法，综合起来大致可分三类。

1.平衡离心法根据粒子大小、形状不同进行分离，包括差速离心法（differential velocity centrifugation）和速率区带离心法（rate zonal centrifugation）。[1]

2.等密度离心法（jsopycnic centrifugation）又称等比重离心法，依粒子密度差进行分离，等密度离心法和上述速率区带离心法合称为密度梯度离心法。

[2]

3.经典式沉降平衡离心法用于对生物大分子分子量的测定、纯度估计、构象变化等。

差速离心法、速率区带离心法、等密度离心法是制备超速离心法的三种方法。[3]

（一）差速离心法

它利用不同的粒子在离心力场中沉降的差别，在同一离心条件下，沉降速度不同，通过不断增加相对离心力，使一个非均匀混合液内的大小、形状不同的粒子分部沉淀。操作过程中一般是在离心后用倾倒的办法把上清液与沉淀分开，然后将上清液加高转速离心，分离出第二部分沉淀，如此往复加高转速，逐级分离出所需要的物质，常用于其他分离手段之前的粗制品提取。

（二）速率区带离心法

速率区带离心法是在离心前于离心管内先装入密度梯度介质（如蔗糖、甘油、KBr、CsCl等），待分离的样品铺在梯度液的顶部、离心管底部或梯度层中间，同梯度液一起离心。

（三）等密度离心法

等密度离心法是在离心前预先配制介质的密度梯度，此种密度梯度液包含了被分离样品中所有粒子的密度，待分离的样品铺在梯度液顶上或和梯度液先混合，离心开始后，当梯度液由于离心力的作用逐渐形成底浓而管顶稀的密度梯度，与此同时原来分布均匀的粒子也发生重新分布。此法一般应用于物质的大小相近，而密度差异较大时。常用的梯度液是CsCl。

二、化学实验中常见电动离心机

化学实验中的离心机按转速不同可分为普通离心机( 如国产80型),高速离心机和超速离心机( 如贝克曼L8M 型)，它们的转速可分别达到4000转/分, 20000转/ 分和70000/分。

三、离心技术的应用与发展

（一）离心技术在中药研究中的应用

1.离心技术在口服液制备中的应用：中药提取液一般体积大，有效成分含量低，杂质多，常需要进一步分离和精致，传统的生产方式是以水提醇沉法处理提取液，从而除去杂质，提高澄明度，但由于“包埋”等原因，有不少的有效成分被沉淀弃去，而且大量乙醇的使用增加了药品成本，离心分离法与醇沉法相比具有较多的优点，如缩短了工艺流程，节约了大量乙醇，生产更趋向安全，且可减少有效成分丢失，是值得推广和进一步探讨的方法。[4]

2.离心技术在中药固体制剂中的应用：利用超速离心技术，制成的颗粒剂与未经离心和常规离心制得的颗粒剂样品作比较，以君药黄芪甲苷含量为指标，结果表明经离心后制得的颗粒剂与未经离心制得的颗粒剂相比，每克颗粒的含固量下降了38.82%，每克颗粒的黄芪甲苷含[5]量则上升了61.54%。

（二）离心技术在其他方面的应用

1.在浓缩过程的应用：离心薄膜浓缩综合了薄膜蒸发和离心分离两种工艺原理，利用离心力使料液在加热面上传递能力大大提高（薄膜厚度在0.1mm左右），使流速和传热系数增高，药液在加热面上停留时间缩短，单位液滴可在瞬间完成浓缩，因此蒸发效果好，时间短。因此离心薄膜浓缩技术具有传热系数高，浓缩比高，物料受热时间短，有效成分含量基本保持不变的优点，尤其是对热敏性物质特别适用。[6]

2.在溶剂萃取方面的应用：根据在萃取分离是两种溶剂的比重不同，利用离心力破坏乳化层，取得了满意的效果。[7]离心技术开发高血压新疗法：俄罗斯科学家已通过航天用离心机，开发出治疗高血压等疾病的新疗法。俄罗斯萨马拉国立医科大学校长，根纳季?科捷利尼科夫介绍说，该校医生利用检查航天员前庭功能的离心机，在俄罗斯率先成立了重力疗法实验室。治疗时，医生将病人置于旋转离心机产生的离心系统中，该系统产生的离心力和向心力使病人血液中的不同成分分层，从而对高血压、动脉粥样硬化等10多种病症产生了疗效。科捷利尼科夫说，新疗法所用离心机由萨马拉一家制造航天用离心机的军工企业制造，目前这种疗法已在俄罗斯获得专利。

此外，离心技术在质量控制方面、在超滤工艺及超细粉碎方面都有不同程度的应用与体现。

（三）离心技术的发展——新型离心技术

1.以连续流动离心法，实验室规模从肉汁培养液中收集细菌：通过大量实验表明，连续流动离心法具有缩短操作时间，大为减少了需要的膜面积，减少装填体积以及最终浓缩物的量等优点。快速纯化质粒DNA（脱氧核糖核酸）离心色层吸附柱设备用来纯化和恢复在细菌染色体中的双链质粒DNA的。这个离心柱的方法令人注目地代替了密度梯度的纯化法，并且宣布不再需要超速离心而可实现全部离心操作过程：收集细菌、制备澄清的溶菌液、制备粗的质粒DNA和最终纯化质粒。[8]

总结

总而言之离心技术已渗透到我们生活中来，我们要合理的规范的应用和发展离心技术。相信不久的将来会有更大的突破。

参考文献：

[1]单德杰. 浅谈化学实验中的离心技术[J]. 阜阳师范学院学报(自然科学版), 1998,(03)

[2]徐根福. 浅谈离心技术在中药研究中的应用[J]. 黑龙江医药, 2008,(06)

[3]赵风章,栗振宝. 超速离心技术的基本原理与应用[J]. 吉林大学学报(医学版), 1983,(06) .

[4]杨苏. 密度梯度离心技术的探讨[J]. 宁德师专学报(自然科学版), 1998,(04) .

[5]何学民. 浅谈超速离心技术在生物学中的应用[J]. 生物学通报, 1982,(06) .

[6]崔泽实. 通用实验室离心机及其功能配置[J]. 医疗卫生装备, 2005,(09) .

[7]金倩.新型离心技术.《技术交流资料》，l992年5月.

[8]《中外科技信息?科技发展动态》

第二篇：文献综述范文1

肺活量测量系统的概述

【摘要】自1718年测出肺活量值之后，随着科学技术的不断发展，肺活量检测技术也层出不穷。肺活量检测对于人体健康评估具有很大的意义，但是如何提高肺活量计的精度、减小装置体积、降低成本，仍是重要的研究课题之一。本文整理了各种肺活量计的发展历史、制作原理、最新技术的应用及发展前景。

【关键词】机械式肺活量计；电子肺活量计；压差式；节流装置

【Abstract】Since 1718 the value of vital capacity was measured,with the development of science and technology, vital capacity detection technology is endless. vital capacity detection is of great significance to human’s health assessment test, but how to improve the accuracy , reduce the volume and the cost, still is one of the most important research projects. This sorted out the history of development, the principle of various spirometer, the application of the latest technologies and development prospects.  

【Key word】mechanical pneusometer; Electronic lungs;Pressure-Gradient; throttling device

1 肺活量计的发展历史

肺活量计的发展历史大致可以分为以下二个阶段：机械式肺活量计发展时期（18～19世纪） 、电子肺活量计发展时期（20世纪～21世纪）。在机械式肺活量计发展时期，人们刚刚意识到肺活量跟人体健康的重要关系，开始检测尝试检测肺活量值，随着机械制造技术的发展，机械式容积肺活量计得到较大的发展。18世纪初，James Jurin通过导管向一个倒置在水槽的容器吹气的方法，测得自己的肺活量值。18世纪40年代,Daniel Bernonilli制作了水置换式肺活量计。18世纪50年代，肺活量的概念正式被提出，Huichinson运用重量抵消法制作了水封式肺活量计。直到20世纪才进入电子肺活量计发展时期，随着电子技术的发展，才逐渐完善起来。20世纪初 ，Tissot Bohr设计出了具备图形记录装置的密闭式肺活量计。40年代后期，发明了直接测量压差信号的装置。80年代初，Martfn Beck等人在Karman涡街流量计的基础上，研制了超声旋涡流量计.90 年代中后期，气体超声流量计因精度高、重复性好等优势，得到了较为广泛的发展。21世纪，美国航空航天局经过深入研究、大量试验，发明了新型A+K多函数孔圆盘式平衡流量计，在减小永久压力损，提高量程比、测量精度、稳定性，耐污堵等方面均有极大改善。

2 肺活量计测量原理

肺活量计在体检测试中具有重要的用途，为了更精确、更方便地测量肺活量，各种类型的肺活量计相继问世。在国外生产肺功能仪比较好的有美国美科公司和日本CHEST公司，产品的实现基本上使用的都是差压法。国内最近有两种电子肺活量计面世：①南通衡器厂FCS-10000型电子肺活量计；② 申仙医疗器械厂FLI-B型电子肺活量计。根据结构原理，肺活量计大致可以分为机械式容积肺活量计和流速测定型肺活量计：

下面具体介绍机械式容积肺活量计和流速测定型肺活量计这2种方法。有图的要表明图几。表格要说明是表几，公式后面要表明（1）、（2）……，公式要用公式编辑器，公式编辑器没有的我传给你们。参考文献要在论文中标上上标。

2.1  机械式容积测定型肺活量计

通过置换法直接测得气体体积的肺活量计称为容积测定型肺活量计（见图1）。

一个带有刻度装满水的密闭测量浮筒，通过一个吹气装置向容器里吹气，根据排出水的体积计算气体的体积，从而测得肺活量值。

                    图1 机械式容积肺活量计原理图

由于缺点较为突出：体积大，重量重，系统误差大，易引发交叉污染，机械容积式肺活量计已逐渐地被淘汰。

2.2流速测定型肺活量计

流速测定型肺活量计是指通过节流法，先测得流经某一管路是气体的流速，然后通过对气体的流速进行计算来求得总的气体体积流量。此类肺活量计也称间接式肺活量计。

2.2.1节流装置

在国外，17世纪初，卡斯特利、托里谢利提出两条奠定节流装置理论基础的基本原理：流速乘以管道横截面积等于流量；通过孔眼的流量与压头的平方根成正比。19世纪40年代就研究出了第一个喷嘴。国内差压式流量计发展较晚，20世纪70年代才开始对孔板的研究。目前，标准节流装置的国际标准ISO5167-1，我国国家标准GB、T2624-93.规定了生产、安装和使用标准节流装置的要求和方法。

     影响节流装置的因素有很多，如雷诺系数、公称通径、流量系数、压力损失等等。

  ⑴雷诺系数

     通常，雷诺系数在2000～4000范围内。 雷诺系数表达式

                 

其中，是特征速度，是特征长度，是质量密度，是粘度。             

 ⑵公称通径

 公称通径决定了节流装置的尺寸。各种适合节流装置的公称通径范围不同。孔板为50～1000mm的通道，文丘里管的公称通径为100～1200mm.

 常用的节流装置有文丘里节流管、孔板节流管、喷嘴节流管。A+K多函数孔圆盘式平衡流量计是最新的技术，巧妙将传统整流器和节流件一体化，性能较好，但是目前未普及。各种节流装置的性能对比见表1。

表1节流装置对比

2.2.2流速测定型肺活量计可分为以下几种：

⑴差压式肺活量计

吹出的气体通过管路时，气体压力发生一定的变化，通过检测压力变化而而得出流量的肺活量计叫做压差式肺活量计。

气体流经节流装置时（见图2），流束产生收缩，并在一次装置前后产生压差，用信号管路将取压孔与差压计进行连接，测量差压，气体压力的变化与流速之间有如下关系：

                       （1）

式中： 为流量系数；为流速膨胀系数；为开孔状态下节流件开孔面积；  为节流件上流侧取压处流体密度；= 。

图2 差压式肺活量计原理图

⑵热敏式肺活量计

基于热传递原理。传感元件是2个精密热电阻RTD。其一是流体介质温度传感元件，另一个是加热兼传感元件，组成惠斯登电桥的两个桥臂，控制加热传感器的加热功率，以使加热传感器和参比温度传感器间保持恒定温差。流体流过加热传感器所带走的热量和流体的流速和密度之积的m次方成正比，流体的质量流量变化时，必须同时改变加热传感器的加热功率，才能保持温差不变。根据测得的加热功率间接可以测得气体流量。检测元件总热损失与流速有如下关系：

           （2）

    式中：k为流体导热系数；A为被加热元件面积；B为传感器支撑件的自然对流、热辐射和热传导总的热传递常数；C为常数；d为传感器直径；为流体黏度；为元件表面温度；为介质温度；A为管道有效截面积。

⑶漩涡肺活量计（涡街肺活量计）

具体介绍漩涡肺活量计原理

⑷超声肺活量计

具体介绍超声肺活量计原理

三总结与展望

传统的机械式容积肺活量计已逐渐被小巧的电子肺活量计所取代。目前较为普遍使用的是差压式电子肺活量计。在节流装置的制作方面，各种最新技术相继问世，值得一提的是，美国航空航天局经过深入研究，大量试验的成果：A+K多函数孔圆盘式平衡流量计，巧妙将传统整流器和节流件一体化，创新化，相信随着价格的降低，会在测量肺活量方面得到越来越多的应用。漩涡式肺活量计目前技术尚未成熟，但随着各种技术的解决，相信在未来会具有很大的发展前景；热敏式肺活量计目前国内售价太高， 应用较少，相信随着科技的发展，技术的成熟，具有巨大的发展前景。

参考文献:

[1] 程春雨.便携式高精度电子肺活量计的设计与实现.大连理工大学,20##年

[2] 包家立等.超声法测量Karman漩涡脱落频率的研究.浙江医科大学,20##年

[3] 王曙华等.气体流量计选型应用.全国性建材科技期刊,20##年

[4] 吴海莉.肺活量的三种简易测定方法,20##年

[5]纪纲著.流量测量仪表应用技巧.北京:化学工业出版社,20##年

[6]邝小磊,聂玉强,连之伟.差压式流量计误差产生机理分析及改进.工业安全与防尘. 20##年

[7] HoneywellIne.压力传感器.北京:霍尼韦尔中国公司.1997年6月.第7页,第40一47页

[8] 苏彦勋.流量计量与测试.北京:中国计量出版社,1992年

[9] 郑劲平.肺功能检测原理与常用仪器.医疗器械,1999年,第23卷第5期:第284一288页

[10] 王铁军等.五种肺功能仪之定标值比较研究.医疗器械,1992年,第16卷第6期:第344一345页

[11]  A. Sangiovanni-Vincentelli and A. Ferrari. System Design—Traditional Concepts and New Paradigms.  Proc. Int’l Conf. Computer Design, IEEE CS Press, Los Alamitos, Calif., 1999, pp. 2-12.

[12]. K. Keutzer et al.. System Level Design: Orthogonalization of Concerns and Platform-Based Design. IEEE Trans. CAD of Integrated Circuits and Systems, vol. 19, no. 12, Dec. 2000, pp. 1523-1543.