CN111408428A - 一种集混悬液分离及上清液提取功能为一体的双腔离心管 - Google Patents
一种集混悬液分离及上清液提取功能为一体的双腔离心管 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种集混悬液分离及上清液提取功能为一体的双腔离心管，利用隔板及单向阀实现离心管内部液区分割，以离心力作为单向阀开闭的开关。该方法应用在需要提取上清液的场合极为高效、快速且纯净。
Description
技术领域
本发明涉及离心力技术应用领域，尤其涉及一种集混悬液分离及上清液提取一体化的双腔离心管。
背景技术
离心机是利用离心力，分离液体与固体颗粒或液体与液体的混合物中各组分的机械。离心力的大与小，转动速度、旋转半径以及物质的质量而决定。离心机广泛运用于化学工程、石油、食品加工、制药、选矿工程、炭、水处理、核能工业和船舶等部门。样品悬浮液盛放在离心管中在高速旋转下，由于巨大的离心力作用，使悬浮的微小颗粒（如细胞器、生物大分子的沉淀等）以一定的速度沉降，从而与溶液分离。
离心提取一体化离心管能够将离心技术带入一个崭新的阶段。区别于传统上清液的提取（先离心沉淀在外部抽取），能够在离心管内完成上清液生成及提取的全部操作。基于离心管设计的该结构有如下优点：由于整个过程是在相对封闭的离心管内部，所以上清液的纯净得到很好的保证；由于是分离提取一体化操作，可以大大减少人为的工作量，简化程序。
发明内容
本发明的目的是开发一种用于上清液提取的多功能双腔离心管及利用该离心管结构实现上清液提取的方法，具体涉及样品混悬液添加、离心力分离混悬液、离心力打开挡片、挡片打开后上清液流入收集腔的全过程。
所述的双腔离心管，利用隔板中部安装的挡片、弹力结构和样品溶液的区域控制，实现单向阀的开闭操控，完成上清液分离后的提取，通过离心力和弹力单向阀朝向的综合调控，完成从样品混悬液到分层溶液再到收集上清液的流程。
所述双腔离心管分为三层结构，如图1所示，分别是1样品腔、2收集腔和3隔板，所述隔板层在样品腔和收集腔中间并隔开这两个腔由4弹力单向阀：包括弹片、弹片末端质量块和挡片（厚度较小，重力不计）三个部分，通过弹力、质量块重力和离心力综合控制挡片开闭。
有益效果
1.本发明通过离心管结构的设计，能够简化上清液提取的操作步骤，大大加快现场取样采集的流程；
2.通过离心管收集上清液的过程都是在离心管封闭过程中进行，能够避免污染，尽可能减少与外界的接触；
3.简化流程的过程中也减少了离心机外其他设备的使用，减少了设备需求同时也减少了人员成本和时间成本。
附图说明
图1为离心管未添加样品时竖直放置的切面结构，1为样品腔，2为收集腔，3为隔板，从中间位置分隔样品腔和收集腔，4为弹力单向阀，主要包括弹力结构、挡片和质量块。
图2为装样状态，此时样品混悬液装入样品腔中，挡片末端受到弹力和液压的作用，其中弹力向右使挡片抵住隔板液压向左使挡片脱离隔板，保证弹力大于液压，则弹力单向阀保持关闭状态，混悬液就不会渗透进入收集腔。
图3为离心管插入离心机尚未开始离心的倾斜状态，样品腔在上，收集腔在下，此时样品混悬液装在倾斜的样品腔中，因为产生倾角所以挡片处液压深度变浅压力减小、弹力不变，压力依旧小于弹力，保证垂直于挡片方向的弹力大于液压和挡片末端质量块的重力分量，则弹力单向阀仍然关闭。
图4为以样品腔在上收集腔在下的方式插入离心机后，离心结束状态，混悬液完成分离在离心过程中离心力向右与弹力方向一致，所以与重力的合力仍然向右，弹力单向阀保持关闭。
图5为混悬液分离完成，溶液分层后，将离心管取出旋转180°重新插入离心机，使样品腔在下而收集腔在上的状态，此时挡片所受液压小于弹力，且质量块重力分量方向与弹力方向相同，所以单向阀仍然关闭。
图6为第二次离心转速稳定后的状态，此时转速大于阈值，挡片所受离心力和压力的合力远大于弹力和质量块重力的合力，使单向阀打开，上清液流入收集腔中直到样品腔液面与弹力单向阀高度一致。
图7为第二次离心结束后，离心管未从离心机中取出的状态，此时液压不再作用到弹力单向阀上，只有弹力使单向阀关紧的状态。
图8为从离心机中取出离心管后，离心管竖直放置的状态，此时的液压小于注满样品时的液压，所以仍小于挡片受到的弹力，弹力单向阀关闭。
通过这五种状态的先后完成，实现对添加混悬液试剂的上清液提取。其中5为混悬液样品、6为上清液、7为沉积液。
图9为几种单向阀的开关结构，（a）是通过直角的弹片压缩施加压力作为挡片的弹力，此时弹力结构的单向阀由弹片构成；（b）是通过对折弯曲弹片施加压力作为挡片的弹力，弹力结构通过弹片和弯曲结构组成；（c）是直接使用弹簧施加压力作为挡片的弹力，弹力结构由弹簧和挡片组成。
弹力单向阀结构受力分析参数式（以质量块为分析对象）
有F弹>F压
F合=F压’+Gcosθ
F弹>F合
F离>F弹sinθ+Gcosθsinθ-F压’sinθ
P=ρgH
F压=P*S , F压’ = ρgh, G=mg
其中ρ样为样品密度，
θ为离心管与水平面夹角，
S为单向阀上挡片面积，
g为重力加速度，
m为单向阀末端质量块的质量，
H为弹簧阀到离心管盖距离
h为计算有倾角时水压的实际高度h= Hsin θ
F离>>100G
则有100mg> F弹> F压=PS=ρgHS 且 100mg> F弹>F压’ +Gcosθ=ρgHSsin θ+mgcosθ
弹力单向阀结构受力分析代数式
设计离心管的结构参数如下：
容量为10ml，有效长度为10cm，单向阀上挡板面积S为2mm*2mm
则注满液体时，处于挡板中间位置的液压(以血液为例)如下：
P=ρgH=1.05g/cm3 *9.8N/kg *5cm=0.05145N/cm2
F压=P*S=P*0.04cm2=0.000206N
其中ρ为样品密度，g为重力加速度，H为单向阀到离心管盖的距离。
离心管插入离心机与水平面成θ角时，
F压’= F压sinθ
只要弹力>0.000206N即可保证文中图2提到的受力分析的准确性。
假设单向阀末端质量块是铁质直径为2mm的球状物，则其重力
G=mg=ρ铁V球g=7.9mg/mm3 *4/3*Π*(1mm)3*9.8N/kg=0.000324N
则根据图3 F合=F压+Gcosθ，F弹>F合，有F弹>0.00053N
图6达到阈值转速时，F离>>100G，F离>F弹涉及到离心力的受力分析易知满足条件
综合可知，保证0.324N>F弹>0.00053N时，设计成立。
图9为几种单向阀的开关结构，（a）是通过直角的弹片压缩施加压力作为挡片的弹力，此时弹力结构的单向阀由弹片构成；（b）是通过对折弯曲弹片施加压力作为挡片的弹力，弹力结构通过弹片和弯曲结构组成；（c）是直接使用弹簧施加压力作为挡片的弹力，弹力结构由弹簧和挡片组成。弹片的一部分可作为挡片使用而弹簧的底端都与一块光滑挡片相连起到密封阀门的效果。其中8为弹片、9为弹簧、10为挡片。
具体实施例：
根据本发明设计一个集混悬液分离及上清液提取功能为一体的双腔离心管，其容量为10ml，有效长度为10cm，单向阀上挡板面积S为2mm*2mm，设置弹片作用于挡板弹力为0.1N。在样品腔注满添加有抗凝剂的人血液，离心管样品腔在上、收集腔在下、管盖向内插入45°固定角转子的离心机，此时离心管与水平面、转轴均成45°，使用的离心机为湘仪H1650台式高速离心机、其角转子孔径16.5mm、深度76mm。盖上转子盖及离心机盖，转速设置为10000rpm，离心10分钟，然后打开离心机及转子盖，旋转离心管180°，使样品腔在下、收集腔在上，盖上转子及离心机，保持转速不变继续离心10分钟，人血液的血清得以分离、收集。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种集混悬液分离及上清液提取功能为一体的双腔离心管，包括试管体，其特征在于，包括隔板、弹力单向阀，所述隔板纵向将试管腔分隔为样品腔、上清液收集腔，所述弹力单向阀包括分离孔、挡片、质量块、弹力结构，所述分离孔设置于所述隔板上，挡片在上清液收集腔侧覆盖所述分离孔，所述弹力结构固定在试管内壁或所述隔板上，所述弹力结构的弹力指向样品腔一侧，所述质量块置于所述挡片上，所述挡片所受的弹力结构的弹力将所述挡片压在所述分离孔上使其关闭，将所述双腔离心管插入离心机的固定角转子中，在样品腔远离离心机转轴一侧、上清液收集腔在靠近离心机转轴一侧的情况下离心，所述质量块和挡片所受离心力指向样品腔一侧，质量块和挡片所受弹力结构的弹力指向样品腔一侧，所述挡片被压在隔板上，弹力单向阀保持关闭，离心使混悬液分层；在样品腔在靠近离心机转轴一侧、上清液收集腔在远离离心机转轴一侧的情况下离心，质量块和挡片所受离心力指向上清液收集腔一侧，质量块和挡片所受弹力结构弹力指向样品腔一侧，当转速大于一个阈值时，弹力单向阀的质量块和挡片的受力状态为：朝向上清液收集腔方向的合力大于朝向样品腔方向的合力，所述弹力单向阀的挡片将和隔板分离，分离孔开通，样品腔中的上清液进入上清液收集腔。
2.根据权利要求1所述的集混悬液分离及上清液提取功能为一体的双腔离心管，其特征在于，所述弹力结构的弹力足以克服静息状态下及搬运状态下所述弹力阀的挡片所受外力，使样品腔中的混悬液不能进入上清液收集腔。
3.根据权利要求1所述的集混悬液分离及上清液提取功能为一体的双腔离心管，其特征在于，根据所述分离孔根据所分离混悬液中固体与液体的比例，将所述分离孔设置于离心分离后所形成的固液分界面上方。
4.根据权利要求1所述的集混悬液分离及上清液提取功能为一体的双腔离心管，其特征在于，分离孔设置于所需处理的样品的深度的一半高度的位置。
5.根据权利要求1所述的集混悬液分离及上清液提取功能为一体的双腔离心管，其特征在于，所述挡片远离试管底部固定在所述隔板上，以挡片相对于隔板的弹力将挡片压在所述分离孔上，不再单独设置弹力结构。
6.根据权利要求1-5所述的集混悬液分离及上清液提取功能为一体的双腔离心管，其特征在于，所述混悬液为血液。
7.根据权利要求6所述的集混悬液分离及上清液提取功能为一体的双腔离心管，其特征在于，以试管竖立放置的状态作为参照来描述，上清液收集腔横切面积是样品腔的2－3倍。
8.根据权利要求6所述的集混悬液分离及上清液提取功能为一体的双腔离心管，其特征在于，所述隔板是弯曲的，将样品腔设置成上粗下细，上清液收集腔设置成上细下粗。
9.根据权利要求6所述的集混悬液分离及上清液提取功能为一体的双腔离心管，其特征在于，所述弹力结构是通过条形弹片施加压力作为挡片的弹力，或通过直角的弹片压缩施加压力作为挡片的弹力，或通过对折弯曲弹片施加压力作为挡片的弹力，或直接使用弹簧施加压力作为挡片的弹力，挡片朝向隔板一面是光滑的。
10.权利要求1-9所述的集混悬液分离及上清液提取功能为一体的双腔离心管，其使用方法包括以下步骤：
（1）将混悬液样品注入所述样品腔；
（2）将所述双腔离心管插入离心机的固定角转子中，样品腔远离离心机转轴一侧、上清液收集腔在靠近离心机转轴一侧，离心，使混悬液分层；
（3）在离心使混悬液分层后，转动所述双腔试管，使样品腔在靠近离心机转轴一侧、上清液收集腔在远离离心机转轴一侧，离心，使转速大于一个阈值，所述阈值是指达到弹力单向阀的质量块和挡片的受力状态为：朝向上清液收集腔方向的合力大于朝向样品腔方向的合力，所述弹力单向阀的挡片将和隔板分离的状态时的转速，此时，分离孔开通，样品腔中的上清液进入上清液收集腔；
（4）在上清液收集腔中吸出上清液，完成混悬液的分离及上清液提取。
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