Open-top开口超速离心管的选择及使用方法说明

       Open Top Tube，即无盖敞口离心管、开顶管或开口管。这种类型离心管的无管盖设计，管顶敞开，侧壁厚度与直径上下一致，样品装载和离心后条带、沉淀的回收简便。其简洁的外形结构，既有利于达到样品容量的最大化，又能与转头离心孔内壁紧密贴合，轻松实现高速、超速离心的功能。

       开口管有多种不同材质可选，常见的型号有透明PET、Ultra-Clear（PETG）管、PC管，半透明的PP管、PA管、PE管，以及可耐有机物腐蚀的不锈钢离心管、钛合金管等。款式可分为薄壁管、厚壁管、圆底管和锥形底管四种。

       资料显示，Beckman Optima XPN-100超速离心机适配的113款离心管中，60款为开口管。除连续流转头（Continuous-Flow Rotor）、区带转头（Zonal Rotor）、Type 100 Ti（8×6 mL/100000rpm）、Type 19（6×250mL）和NVT 100（8×5.3mL/100000rpm）外，开口管适用于28个转头中的23款，覆盖了绝大多数的角转头、近垂直转头和全部垂直转头、水平转头，实用工作转速从80000rpm超速直至15000rpm高速。开口管容量范围宽（0.9mL- 94mL），使用简便，经济性好，是超速离心机实验中最常用的离心管选项。

       开口管离心工作原理与常规带盖热封管、指封管及离心瓶有何区别，使用中有哪些注意事项？这还得从头说起。

       如图1所示：在固定角度转头中的离心管与转轴中线存在一固定夹角θ。工作时，水平方向作用于转轴近侧管壁所受离心力F可分解为垂直于离心管中轴的F1和与中轴平行的F2两个分力。根据平面几何定律可获得F1、F2与F间计算关系。

       F2在同一侧管壁内部产生相应应力（由于外因作用，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗外因的影响并试图使物体保持和恢复原有外形状态）。当F2强度超过管壁可耐受范围时，管壁容易引发管壁内陷、开裂和变形。

       而F1则垂直地对管壁施加影响，使近轴侧管壁有远离转轴、向管中轴线靠近（向管内凹陷）的位移趋势，对管内液体产生潜在排挤（挤牙膏）效用。一旦排挤发生，会造成管内液面上升。而液面最高点位置抬升至超过与管口高度，势必造成样品外溢。

       开口管超速离心过程中管壁形变、样品泄露的发生与否，由多重因素的决定。

1）离心力

       同款离心管在同一转头中工作，转速越高，则载样外溢风险越大。以Beckman 4mL厚壁开口管（355645）为例。工作转速为50000rpm时，Type 90Ti角转头RCFav为15470×g，而Type 50.4 Ti角转头内侧离心孔RCFav是226800×g，外侧离心孔RCFav则高达26900×g（RCFav的概念参考：《Optima MAX-XP超速离心机转头的选择对外泌体分离效果影响的分析》）。毫无疑问，用Type 50.4 Ti转头的外圈离心孔离心更容易发生泄露。

       资料显示，无盖开口管在角转头中使用的工作转速上限是150000rpm。如Optima MAX-XP台式超速离心机MLA-150转头用的1.0mL厚壁PC开口管343778和CS150NX离心机S150AT角转头适配的1.0mL 薄壁管1PC Tube (5720411000）。

       离心管容量增大则工作转速上限下调。如Optima MAX-XP的MLA-80角转头用5.8mL厚壁管(355647)，其转速上限为80000rpm。立式超离心用薄壁管容量整体较大，可支持工作转速上限更低（如CP-100NX立式超速离心机P100AT2角转头用4.7PC厚壁管 5720411032的速度升限仅60000rpm）。13.5 - 45mL范围的中等容量开口管，须降速使用以确保离心安全。

2）开口管管壁厚薄和刚性

       薄壁管管壁刚性自持力不足，缺少管盖支持时，抗离心力侧向冲击能力弱。

厚壁管的管壁厚度超过1mm，自身结构刚性优于薄壁管，可支持无盖条件下、在一定转速与样品容量范围采用角转头心。

常用的无盖厚壁管用的是刚性强度好的PP和PC材质。如Type 45 Ti角转头适用的厚壁开口管中的4mL管（355644-PP；355645-PC）、10.5mL管（355639-PP；355629-PC）、45mL PP管（355628）和47mL PC管（355643）。

3）转头倾角因素

       转速相同、离心半径接近情况下，转头倾斜角θ增大，管壁承受的F1减小，管壁对液体排挤作用相应减弱。最关键的是，转头超速运行状态下，管内液体平面由弯月型转变为竖直崖壁式，此时液面巅顶离管口更近(见图2)。相同离心管液体装填量相同情况下，所用转头的倾角θ小，则离心形成的液面最高点离管口边缘近；反之，转头倾角θ大，则液体顶部离管口管远，样品外溢风险降低。

       因此，无盖薄壁开口管采用倾角较小转头离心时，样品装填量不宜装满。厂商通常建议，填充体积达到管额定容量的一半或略多一点即可。而开口管加配密封盖时，样品可装填至液面离管口3mm的位置。

       大部分情况下，在角转头中使用开口管时应带盖使用，除用于防止样品的外溢，可提高样品载量和离心效率，也是重要考虑因素。以Type 90 Ti为例，该转头额定容量8×13.5mL，无盖厚壁开口管355645最大容量仅4.0mL，而加盖薄壁开口管326814的容量则多达13.5mL，超过无盖管有效容积3倍。

       当角转头的倾角从45°-35°-20°一路减小到7-8°时，角转头就演变成近垂直转头。如常用于核酸分离纯化和脂蛋白飘浮分离的NVT90、NVT65转头便是。近垂直转头倾角减小的直接结果是，开口管近侧管壁承受的F1猛增。当转头倾角更进一步变成0°时，就产生了超大离心力、超快分离效能的垂直转头，如VTi 90、VTi 65.1等。近垂直和垂直转头工作时管壁侧向F1之强悍（垂直转头的F1=F），不仅使无盖开口管的使用不和时宜，连加盖薄壁管、刚性PC离心瓶都无法确保离心安全。此情形下，指封管、热封管的选择成为必然。

       另一方面，当角转头的倾角θ从45°增大至90°，角转头就变身为水平转头。此时，开口管工作受力发生了重大新变化。F2=F而F1归询价，垂直于管壁的离心力消失，取而代之是液体样品传导的离心场压强HP、管壁轴向离心力CF。

       如图3所示，液体处于超速离心场下，这确保开口管的管底、侧壁在离心过程中与转头紧贴，防止离心管发生位移。

       但样品装填过少时，空白处管壁缺少来自液体传导的离心场压强支持。薄壁管在相当于自身重力加速度十万倍的RCF环境作用下，管壁近端与远端间应力容易在管壁薄弱处发生内陷变形（图3中黄色箭头所示）。这将影响离心结束后样品条带的回收处置。

因此，开口管样品装填量，不仅是用角转头离心有要求，使用水平转头实施密度梯度离心实验中，同样有严格要求。

       业内规定：薄壁管的样品液量填充至弯月液面最低处与管口垂直高度相差2-3mm为止。厚壁管管壁相对坚实，装填量可填充至管半满以上程度。不锈钢或钛合金离心管，因自身结构强度足够高，管壁不依赖于液体压强支撑而足以安全离心，因此对其液体填充水平无强制要求。

        总之，开口管在不同类型转头中，对样品载量和工作转速的限制条件是不同的。

       实际工作中，开盖管在水平转头中使用可实现最高60000rpm的工作转速（如Beckman optima XPN-100离心机的SW 60 Ti转头适配的3 mL厚壁管355636和355635）。但角转头离心工作转速50000rpm以上时，通常建议为开口管添置配套管帽组件（Cap Assembly）。管帽组件安装时需将阀杆（Stem）部分插入管内后固定。金属材质的阀杆为管口提供足够刚性支撑的同时会占用少量液体装填空间。此时，液体装填应考虑留足阀杆安装空间。

       开口管盖帽组件的安装使用方法，有待《开口超速离心管S-Cap加盖密封方法的说明》等的详解。

主要参考文献

1. Instructions For Use MLA-80 Fixed-Angle Rotor (TL-TB-024AF)

2. Instructions For Use SW 40 Ti Swinging-Bucket Rotor (L5-TB-033SE)

3. Instruction For Use Rotors and Tubes For Beckman Coulter Preparative Ultracentrifuges (LR-IM-24AK)