超濾離心管是依托超濾膜（ultrafiltration membrane）的過濾孔徑對不同分子量大小組分截留功能，用離心力驅動溶液在濾膜表面流動時，鹽分、引物、EDTA、污染物等小分子量溶質及溶劑在離心力作用下穿透濾膜濾出，而蛋白質、核酸（DNA/RNA）、外泌體及細微粒子（如微珠、納米材料）等目標組分則被截留下來并被收集，實現樣品中不同組分分離的。只需一個簡單操作步驟和短短數十分鐘，就同時實現了樣品組分的純化、濃縮兩個目標。可重復性好，樣品回收率高。所需工作條件溫和可控，有利于保持生物組分的生理活性。因此，超濾離心管處理法在蛋白樣品脫鹽、濃縮和緩沖液更換，高品質核酸模板的制備等實驗環節都得到廣泛應用。

       超濾離心管由超濾膜過濾器和離心管兩部分組成。過濾器上部為圓柱型儲液區。中部為扁平、呈V型過濾區，核心是雙排垂直濾膜（twin vertical membranes）。下部為封閉的濃縮液收集槽。工作時，溶液沿著與濾膜表面平行方向（切向）流動，溶劑連同可濾除的小分子組分從濾膜滲出并被甩入離心管底成為濾出液。被濾膜截留的樣品組分則隨切向液流進入濃縮液槽。隨著離心的啟動，濾出液增加而儲液區溶液減少。最終,偌大的濾器內僅剩濃縮液槽內收集的數十～數百微升含目標組分的濃縮液。

       本質上，超濾離心管相當于一套安裝于標準錐形離心管內的超濾膜過濾器（Centrifugal Filter Devices, Centrifugal Ultrafiltration Units）。超濾器的操作壓、滲透通量、管最大樣品處理量、濃縮液體積和有效工作時間，均受控于離心機轉頭的工作性能。純化濃縮操作是用角轉頭還是水平轉頭，轉頭實際輸出性能是否符合超濾管工作要求，對實驗者而言，這是事先應予明辨的重大議題。

一、離心機轉頭屬性對超濾離心管工作效能的影響

1.1 離心機轉頭的工作角度

       轉頭的工作角度決定了超濾離心管的最大樣品載量、濾膜有效工作面積、95%截留率時的有效離心時間及濃縮液體積等多個工作指標。

       首先是管的樣品承載量。水平轉頭中，超濾管在離心前后始終處于豎直狀態，這有利于實現裝填樣品體積的最大化。角轉頭在靜止時，樣品管呈傾斜狀態。故在填充移液時管上部須預留足夠的閑置空間，以防樣品溶液上機安裝時外溢。角轉頭傾角越大，管有效上樣容量越小。如Cytiva Vivaspin 20蛋白濃縮管，在水平轉頭中工作時最大載樣量為20mL，而采用25°角轉頭離心則樣品最大體積驟降至14mL。

        其次是濾膜工作面積。超濾離心管在水平轉頭中工作時，V型排列的雙膜處于同步工作狀態。較大的有效濾膜表面積，有利于高效過濾濃縮。而超濾離心管安裝于角轉頭中時，只有靠外側的一個膜單元有身體濾液發生，內側的另一個膜處于閑置狀態。因此，此時濾器的膜總有效工作面積只有水平轉頭時的一半。

       第三是濃縮液的回收體積。水平轉頭離心過程中，濾器內樣品液面界線由內向外水平推移。當液面越過濾膜外側末端進入死體積腔時，液面與濾膜脫離接觸，則膜過濾停止，樣品濃縮達到最大程度。       

        而角轉頭中的離心末期，液面位置分布與在水平轉頭中的不同。盡管儲液區剩余樣品溶液不足以覆蓋單側濾膜全部表面，但此時液面依然與濾膜保持有效接觸，被濃縮液體與膜接觸時間長于在水平轉頭中濃縮液-濾膜接觸時間。因此，在角轉頭中操作所得的濃縮液體積往往小于水平轉頭的所得。但同時，用角轉頭離心樣品出現過度離心的風險更高。

1.2 離心機轉頭的RCF輸出性能

       超濾離心管的工作動力來自轉頭產生的離心力。在超濾膜耐壓范圍內，通過適當調整轉頭RCF輸出來提高操作壓，如從RCF 4000×g升至5000×g，能增加膜流速，促進與膜吸附的目標組分的解吸附，維持樣品的高回收率。

       將過濾區左右兩側壁膜間的夾角表示為a，水平方向離心力用F表示，則此時F可分解為垂直于濾膜的Fm和平行于膜的Ft兩個分量。兩個力的分量分別發揮促使液體穿透濾膜濾出、沿濾膜表面向液槽底部流動的驅動作用。

       在水平轉頭中，膜間夾角a通常很小(20°以內)，故Fm = F. sin(a/2)較小，而Ft = F. cos(a/2)較大。

       較小的Fm意味著水平離心時作用于樣品溶液的操作壓強小。

       較大的Ft有利于降低目標組分與膜的非特異性吸附，從膜表面流入V型槽底，有助于提高樣品回收率。

       若規定角轉頭自身傾角為θ，大小介于為20°- 45°之間。此時，Fm = F·sin(90°-θ+a/2)。顯然，角轉頭中產生的Fm大于水平轉頭中的Fm。

       Fm的增大提高了超濾膜的操作壓，而膜通量（flux,指單位時間內單位膜面積濾過樣品體積）也相應增加，這樣可彌補角轉頭中因膜有效工作面積減少的滲透通量損失，可將膜的通量維持在較高的水平。

       理想的超濾性能，需要操作壓（operating pressure）、切向樣品流速大小的適度與二者間的平衡。

       進樣操作壓小，則溶液中小分子組分透膜動力不足，膜滲透通量低。但切向驅動力過大，則會抑制小分子量組分的跨膜滲透，膜濾過通量下降。

       相同RCF設置下，角轉頭離心力的兩個分量Fm和Ft，隨轉頭傾角θ的改變而此消彼長。主流品牌離心機角轉頭傾角有25°、35°和45°之分。工作轉頭的傾角θ增大，會導致Fm的降低和Ft的增加。這直接導致濾膜操作壓下降和切向流速的加大，膜通量降低，使操作時間延長。

       賽多利斯、Cytiav Vivaspin超濾離心管使用說明建議用25°角轉頭。這不僅是因為25°轉頭的樣品最大載量相對較大，更重要的考量因素是25°角轉頭中的Fm和Ft兩個離心力分量間的平衡。

分析表明：

       (1) 只要遵循超濾離心管使用指南提供的轉頭、RCF值、離心時間條件操作，無論采用角轉頭、水平轉頭離心，都有望獲得理想的結果；

       (2) 水平轉頭上樣量大且回收率高，在轉頭RCF滿足要求情況下，選擇水平轉頭離心值得肯定；

       (3) 采用角轉頭工作時，超濾管最大載樣量小，但最終濃縮液體積往往較小，故特別適合低豐度組分的濃縮純化。

二、理想超濾離心效果對離心機轉頭工作性能的要求

       正因為超濾離心管的工作中采用的離心力大小及轉頭傾角，對超濾滲透流量、樣品回收率有重要制約效應。因此，不同截留分子量（Molecular Weight Cutoff, MWCO）的濾膜、不同樣品容量管在水平、固定角度兩種轉頭，工作所需的RCF設置不同。概言之，50mL-100k Da超濾管工作RCF為3000-6000×g，50mL-3k - 50k Da管所需RCF為4000-8000×g，15ml管工作設定的RCF高于50mL管。

表1. 品牌超濾離心管工作RCF參數列表

       超濾離心管使用說明文件中，一方面RCF標注為濾膜工作最大RCF值。而另一方面，在產品超濾性能演示實驗中，所用RCF設置通常正是該限定值。

       操作條件低于產品指南建議RCF設置，小分子物質穿膜動力不足，不僅使離心時間延長，關鍵是長時間離心后溶質在膜表面濃度極化效應，使溶質易于在膜表面附著和沉積結垢，一旦膜過濾孔徑和有效面積降低，會造成膜工作通量和樣品回收率的下降，這對離心超濾效果是致命的。因此，實驗者對超濾離心所用轉頭，特別是水平轉頭的實際工作性能應準確了解，在轉頭的選擇上務必謹慎。

       超濾管離心需要何等性能的水平轉頭？這一問題要從超濾離心管結構的特殊性和水平轉頭工作有效RCF輸出兩個角度來分析。

       超濾離心管的膜過濾區，整體上位于離心管長軸中點偏內側、跨越水平轉頭平均離心半徑（average radius，R_av）的位置。濾膜工作中所處的離心力場相對強度（Relative Centrifugal Field, RCF）與轉頭Rav所在位置對應的RCF平均值（RCF_av）大小接近，但小于轉頭R_max處的最大RCF值(RCF_max)。以Himac 4×50mL錐形管水平轉頭R-8S為例，其RCF_max為11500xg，是平均半徑處RCF_av值的1.46倍，遠大于濾膜所處位置的實際RCF強度。

       可見，水平轉頭標示的RCF_max達到超濾離心管工作的RCF設置值，并不等于轉頭的有效RCF輸出達到超濾管最佳表現所需工作條件。只有轉頭的RCF_av達標，轉頭RCF輸出性能才視為與濾膜理想工作狀態所需RCF強度相匹配。

       Beckman Allegra 25R離心機的4×500mL水平轉頭TS-5.1-500，可配置50mL錐形管 (30×120 mm)適配器、15mL 錐形管(17×120 mm)適配器，是超濾離心管使用指南中披露的轉頭選項之一。

表2. TS-5.1-500水平轉頭不同轉速下RCF輸出值

        數據顯示，4000×g RCF的設定，TS-5.1-500轉頭對應工作轉速為5080rpm，已直逼其額定最高轉速5100rpm的極限。

        Pall Macrosep Advance的50mL超濾管RCF建議值為5000×g，已遠超TS-5.1-500轉頭RCF_av輸出能力范圍。顯然，TS-5.1-500轉頭并不適用于Pall Macrosep Advance超濾管，而適用于Vivaspin 20、Vivaspin 6、Vivaspin Turbo 15、Vivaspin Turbo 4和Amicon Ultra-15。

       這提醒我們：并非所有配置有50mL、15mL錐形管適配器的水平轉頭都能適應上述超濾離心管工作所需的RCF輸出要求。

       角轉頭則不同，其額定轉速通常高達8500rpm以上，可輕松實現RCF_av 5000×g的輸出目標，對各品牌超濾離心管工作適應性要優于水平轉頭。

三、超濾純化濃縮實驗中離心機轉頭選型的解決方案

       根據RCF計算公式可知：

⑴相同離心半徑下，工作轉速相同則RCF相同；

⑵增加轉速可加大RCF輸出；

⑶更大的離心半徑，可實現相同轉速下更高RCF輸出。

       將RCF_av輸出值規定為4000×g，可計算出不同額定轉速的轉頭對應的平均離心半徑值（R_av）。在此基礎上，以Falcon 50mL錐形離心管、15mL錐形離心管各自管身長度的一半，即51 mm、55 mm，分別“嫁接”到水平轉頭的平均離心半徑上（計算原理同樣適用于角轉頭，限于本文篇幅，在此不予討論），即可得出這兩種標準尺寸超濾離心管適用水平轉頭最大離心半徑值（R_max）。

表3. 超濾離心管4000×g離心水平轉頭最大離心半徑(R_max)表

       水平轉頭工作性能與超濾離心管工作要求匹配程度評估方法是：

       第一步，根據實際所用轉頭的額定轉速值，找到表中該轉速對應的轉頭R_max計算值；

       第二步，將查到的R_max計算值與離心機制造商樣本資料中該轉頭R_max實際值比較。

       第三部，如轉頭的R_max實際值大于等于R_max計算值，則該轉頭滿足該超濾管所需理想工作條件。否則，則視為該轉頭性能無法確保超濾管工作表現處于最佳狀態，不建議使用。

       驗證實例1：TS-5.1-500 水平轉頭最高轉速5100 rpm，R_max 190mm大于50mL超濾管離心對應的RCF_av值189 mm，故TS-5.1-500滿足此超濾管4000×g的工作要求。

       驗證實例2：Sorvall Legend RT Plus離心機TTH-750水平轉頭，最高轉速4600rpm，R_max 192 mm。表中與4600rpm轉速對應的50mL超濾管Rmax計算值為220 mm。R_max實際值與計算值相差過于懸殊。故TTH-750水平轉頭無法與4000×g的RCF離心要求匹配。不單TTH-750如此，TX-1000（4×750mL/4200rpm/ R_max 209mm）、TX-740（4×750mL/4700rpm/ R_max 195mm）和TX-400（4×750mL/5000rpm/R_max 168mm）均不適用于此規格管工作RCF最佳條件要求。

       表3數據表明，凡不能適應50mL超濾離心管工作要求的轉頭，亦無法作為15mL超濾管最適工作條件的選項。

       基于以上分析，表4中列出了可用于50mL超濾離心管4000×g工作要求的部分離心機水平轉頭。

表4. 部分50mL超濾離心管適用的離心機水平轉頭

四、結語

       離心力（centrifugation force）與樣品粒子自身質量、某一時刻其所處位置的離心半徑和轉頭角速度的平方成正比。樣品溶液中不同分子量的分子、顆粒等，如質量大小存在差異，即便所處離心半徑相同，所受的離心力大小也不相同。同種質量組分，處于管內不同離心半徑的位置，所受離心力也存在差異。因此，離心力的討論永遠繞不開粒子質量大小這一因素。

       物體在重力場中承受重力。而在轉動的離心機轉頭內，微觀粒子還同時置身于離心力場（centrifugation field）環境中。將某一時刻粒子所受離心力與重力的比值定義為離心力相對于重力的相對大小，即“相對離心力大小”（relative centrifugation force）后，則相對離心力大小與粒子種類、形狀、質量大小都不再存在聯系，只與轉頭工作的角速度和粒子在轉頭中的離心半徑有關。在離心機專業技術資料中，習慣上用離心力場對重力場的相對強度，即相對離心力場強度（relative centrifugation field, RCF）來表征所有種類的微觀粒子所承受的相對離心力的大小，并指定用縮寫“RCF”（單位為×g）予以表述。

       驅動超濾離心管內樣品組分、粒子運動的有效RCF是粒子所在位置的實際RCF大小。粒子運動在轉頭內不同離心半徑部位時，所處RCF環境不同，運動狀態也不同。不同的轉頭類型、不同轉頭的RCF_max值大小可能接近，但實際有效RCF輸出則大相徑庭。因此，在科學出版物中，標明實驗所用轉頭型號（讀者據此便可查找到轉頭的R_max、K因子、最高轉速及RCF_max值）、轉速和平均離心半徑（R_av），要比簡單、籠統地披露一個RCF數值，對同行更具有參考價值（因為根據轉速和R_av值，可計算出轉頭的RCF_av，還能驗證參考文獻所提供RCF值的有效性）。

        就超濾離心應用而言，用轉頭的RCF_max來衡量超濾離心管的實際工作效能，技術上不可取。RCF_av值可更準確反映管內樣品實際所受離心力作用大小。考察特定轉頭是否有助于特定超濾離心管實現最佳工作性能，一個簡單有效的指標便是RCF_av。

       多年來的業內外超濾離心實踐表明，要充分發揮超濾離心管工作效能，遵循超濾管說明書建議的工作條件是完全必要。而從目前看，超濾管離心的最適RCF要求，與多數實驗室離心機所配置水平轉頭工作性能間存在著錯位。對現成的離心機轉頭配置，不加詳查，貿然“就地取材”實施操作，極有可能偏離超濾管最佳離心條件。這一點，在水平轉頭中尤其須引起重視。

       角轉頭的優勢在于其額定轉速具有很高冗余度，可通過調節工作轉速實現2000 -10000×g超寬范圍的RCF_av輸出，足以覆蓋各品牌、規格的超濾離心管工作所需RCF設置范圍。因此，為F15-6x100y、F-34-6-38、F0685、JA-18這類中等容量甚至大容量JLA-16.250、R12A3高速角轉頭配置50mL、15mL錐形管適配器，或采用F13-14x50cy、FA-45-6-30、C0650、JA-14.50、R15A及18A這類錐心管專用角轉頭，可為綜合型實驗平臺帶來應用范圍的充分可擴展性和靈活性。

參考文獻

Amicon Ultra-15 Centrifugal Filter Devices User Guide (PR05035, Rev. 10/18)

Vivaspin Turbo 4 and 15 Technical data and operating instructions (Sartouris)

Cytiav Vivaspin 500_2_6 and 20 Instructions for Use

Macrosep Advance Centrifugal Device Operation Instructions for Use (PN 89113C)

Instructions For Use JA-14.50 Fixed-Angle Rotor (PN B32164AC)

R8S Swing Rotor for Refrigerated Centrifuge Instruction Manual (S99806208)