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离心 k 因子与转子间时间换算(同样的 g 力,换个转子时间不一样)

由 r_min、r_max 与额定转速算转子 k 因子,按 k 折算换转子后的等效离心时间;RCF 只说明力有多大,沉降要多久还取决于颗粒要走多远。

同样的转速,跑到同样效果需要的时间定角转子 k = 4030 分钟摆平转子 k = 13098 分钟
两个转子可以给出完全相同的 RCF,沉降时间却差 3.25 倍——因为 RCF 只说明力有多大,没说明颗粒要走多远。把「20,000 × g 离心 30 分钟」照搬到右边那个转子上,实际只完成了不到三分之一的沉降。

「20,000 × g 离心 30 分钟」——这句话换一个转子就不成立。

RCF 只说明了力有多大,没说明颗粒要走多远。同样的离心力,在一个短路径的定角转子里 颗粒几毫米就到底了,在一个长路径的摆平转子里要走十几厘米。 沉降要多久,取决于力和路径的组合,这个组合就是 k 因子(clearing factor)。

公式

k = 2.53 × 10¹¹ × ln(r_max / r_min) ÷ rpm²

r_max、r_min 是转子里样品的最外、最内半径(cm),rpm 是额定最高转速。 分子里的 ln(r_max/r_min) 就是路径长度那一项——取对数是因为颗粒越往外走、 受到的离心力越大,跑得越快,所以走完后半程比前半程省时间。

k 越小,转子沉降越快。

这个公式是可以验算的:Beckman SW 41 Ti 的 r_min = 6.71 cm、r_max = 15.30 cm、 额定 41,000 rpm,代进去得 124.1,而厂商标称的 k 正是 124。 本工具用的就是这条式子,你可以拿自己转子的手册数据对一遍。

换转子时怎么折算时间

新转子所需时间 = 原时间 × (k_新 ÷ k_原)

时间和 k 成正比,就这么简单。难的是意识到需要折算—— 只对齐 RCF 而不看 k,是离心方案在实验室之间传丢的最常见方式。

举个数量级:k = 40 的定角转子和 k = 130 的摆平转子,同样的转速下, 后者要跑 3.25 倍的时间才等效。原方案 30 分钟,照搬过去实际只完成了不到三分之一。

降速的代价是平方的

k 是额定最高转速下的值。实际用更低转速时:

k_实际 = k_额定 × (额定转速 ÷ 实际转速)²

那个平方很容易被低估。转速降一半,k 变 4 倍,时间也要 4 倍—— 「慢一点多转一会儿」这句话里的「一会儿」通常比人们以为的长得多。 本工具会把这个倍数直接算出来。

已知沉降系数时可以直接估时间

如果知道目标颗粒的沉降系数 s(单位 Svedberg,1 S = 10⁻¹³ 秒):

沉降时间(小时)= k ÷ s

核糖体亚基、病毒颗粒、大分子复合物的 s 值文献里查得到。 注意这是沉降到底所需时间的估算,实际方案通常还要留余量。

什么时候 k 不够用

相关工具

转速与相对离心力的换算见 RCF / RPM 换算; 菌体收集后的浓度估算见 OD₆₀₀ 换算; 上清与沉淀的体积折算见 稀释计算器。

常见问题

RCF 一样,为什么换个转子还要重算时间?

因为 RCF 只说明颗粒被推得多用力,没说明它要走多远。同样的离心力,短路径的定角转子里颗粒几毫米就到底,长路径的摆平转子里要走十几厘米。沉降要多久取决于力和路径的组合,这个组合就是 k 因子。两个转子可以给出完全相同的 RCF 而 k 相差三倍多——照搬时间的话,实际只完成了不到三分之一的沉降。

k 因子的公式是什么?怎么确认算得对?

k = 2.53 × 10¹¹ × ln(r_max / r_min) ÷ rpm²,其中 rpm 是**额定最高转速**。验算方法是拿一个厂商公布了 k 值的转子代进去对一遍:Beckman SW 41 Ti 的 r_min = 6.71 cm、r_max = 15.30 cm、额定 41,000 rpm,算出来 124.1,而标称值正是 124。本工具用的就是这条式子,你可以拿自己转子手册上的数据核对。

为什么路径那一项要取对数?

因为离心力随半径线性增大——颗粒越往外走,受到的推力越大、跑得越快。所以走完后半程比前半程省时间,累计下来就是对数关系,而不是简单的距离之差。这也解释了为什么 r_min 很关键:起点越靠内,最慢的那一段就越长。

降速一半,时间加倍够不够?

远远不够,要 4 倍。k 与转速的平方成反比:k_实际 = k_额定 × (额定转速 ÷ 实际转速)²。转速降到一半,k 变 4 倍,时间也要 4 倍。这个平方最容易被低估——「慢一点多转一会儿」里的「一会儿」通常比人们以为的长得多。

知道沉降系数的话能直接算时间吗?

能估:沉降时间(小时)= k ÷ s,其中 s 是沉降系数,单位 Svedberg(1 S = 10⁻¹³ 秒)。核糖体亚基、病毒颗粒、大分子复合物的 s 值文献里查得到。注意这是「沉降到底」的估算,实际方案通常还要留余量;而且 s 本身依赖介质的密度和黏度,换缓冲液会变。

密度梯度离心也能用 k 来折算吗?

只能当量级参考。k 的推导假设介质是均匀的,而密度梯度和速率区带离心里介质密度沿半径在变,颗粒的沉降速度也跟着变,k 的前提不成立。这类方案换转子时应当按文献或厂商给的等效条件来,必要时做预实验确认。

不同厂商的 k 值能直接比吗?

要留意 r_min 的定义口径。有的厂商按管口算,有的按实际液面算,同一个转子填不同的 r_min 会得到不同的 k。跨厂商比较时,最好用同一套口径自己重算一遍,而不是直接拿两个标称值相除。

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