珠磨均質(zhì)機(jī)

超過40%的實(shí)驗(yàn)室勻漿器專門用于破碎細(xì)胞。在實(shí)驗(yàn)室均質(zhì)器的一般類別中，珠磨，通常稱為串珠，是這一大類中的最新產(chǎn)品，是傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子-定子和超聲波方法成為細(xì)胞和組織破碎的方法。

在珠磨過程中，將組織或微生物的懸浮液與大量微小的玻璃、陶瓷或鋼珠混合，并通過搖動或攪拌進(jìn)行劇烈攪拌。當(dāng)珠子與細(xì)胞碰撞時，通過珠子的壓碎作用發(fā)生細(xì)胞破裂。與超聲波和高壓細(xì)胞破碎方法相比，珠磨法的剪切力相對較低。通過選擇正確大小的珠子和適度的搖動速度，細(xì)胞膜的回收率很高，并且通常可以分離出完整的細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器。在較高的振蕩能量下，beadbeating被認(rèn)為是破碎孢子、酵母和真菌的方法，并成功地應(yīng)用于難以破碎的細(xì)胞，如藍(lán)細(xì)菌、分枝桿菌、孢子和微藻。最近，珠磨機(jī)均化已應(yīng)用于土壤樣品和植物及動物組織的小樣品。如果采用PCR技術(shù)，這種均質(zhì)化方法是少數(shù)幾種可以避免樣品之間交叉污染的方法之一-主要是因?yàn)樵摲椒ㄖ惺褂玫男∑亢椭樽佣际且淮涡晕锲贰?/trans>

所用珠子的直徑很重要。細(xì)菌和孢子的最佳尺寸為0.1毫米，酵母、菌絲體、微藻和單細(xì)胞動物細(xì)胞如白細(xì)胞或胰蛋白酶組織培養(yǎng)細(xì)胞的最佳尺寸為0.5毫米，組織如腦、肌肉、葉子和皮膚的最佳尺寸為1.0或2.5毫米。通過使用由氧化鋯-二氧化硅或氧化鋯而不是玻璃制成的類似尺寸但更重的陶瓷珠，破碎速度提高了約50%。破壞真正堅(jiān)韌的組織有時需要鉻鋼珠——其密度是玻璃珠的5倍。

雖然微型閥中的鋼珠可用于“搖動式珠磨機(jī)"，但它們太重而無法用于“轉(zhuǎn)子式珠磨機(jī)"。即便如此，在一些高能振動式珠磨機(jī)中，鋼珠可能會使常見的聚丙烯微孔破裂。為了避免這種微孔限制，俄克拉荷馬州巴特爾斯維爾的BioSpec Products公司提供了強(qiáng)化聚丙烯微孔（品牌為“XXTuff"）或不銹鋼微孔。有報道稱，由碳化硅或石榴石制成的邊緣鋒利的非珠狀顆粒也能很好地破壞堅(jiān)韌的組織。小瓶中足夠的珠裝量通常約為小瓶總體積的20-50%。并且，在轉(zhuǎn)子型壓條攪拌器的情況下，相對于腔室容積的壓條裝載容積約為50%。通常，珠子與細(xì)胞懸浮液的體積比越高，細(xì)胞破碎的速度越快。在珠磨機(jī)中均化后，珠子通過重力快速沉降，并通過移液移除勻漿。

可以使用珠磨技術(shù)手動破碎微生物和組織:雖然這種手持方法繁瑣而緩慢，但它可以作為珠磨法的初步測試:將懸浮在1mL提取介質(zhì)中的微生物細(xì)胞或組織（預(yù)先切碎成非常小的碎片）添加到預(yù)先裝有1mL適當(dāng)大小珠子的2 mL微孔中。蓋上微孔蓋，在實(shí)驗(yàn)室渦旋混合器上攪拌混合物十分鐘。

搖動式珠磨機(jī)

標(biāo)準(zhǔn)搖動式珠磨機(jī)（又名Beadbeater）可使用2 mL聚丙烯螺旋蓋微量量具處理高達(dá)500 mg（濕重）的樣品。還提供可容納7 mL或更大試管的珠磨機(jī)附件。必須始終使用螺旋蓋，因?yàn)樵诟吣軗u動過程中，彈簧蓋微孔會釋放出內(nèi)含物的氣溶膠。這些珠磨機(jī)將小瓶保持在垂直位置或更有效的接近水平的位置。幾乎所有的機(jī)器都沿著小瓶的軸線方向搖動珠子，小瓶前后搖動的模式可以是線性的，也可以是壓縮的8字形。雖然不同品牌的珠磨機(jī)之間存在一些明顯的性能差異，尤其是在破碎堅(jiān)韌的細(xì)胞或組織時，全破碎通常需要大約1-3分鐘，并且細(xì)胞內(nèi)生化物質(zhì)的產(chǎn)量非常高。打珠后，珠子在重力作用下在幾秒鐘內(nèi)沉淀下來，細(xì)胞提取物很容易用移液管移出。

1979年，BioSpec Products推出實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的珠磨細(xì)胞粉碎機(jī)，并在市場上占據(jù)了大約20年的時間。該公司現(xiàn)在生產(chǎn)六種型號的高能實(shí)驗(yàn)室級珠磨機(jī)。mini beater-Plus可容納一個2 mL螺旋蓋微量比色皿，而其他三個mini beater型號一次可處理多達(dá)16、24或48個2mL微量比色皿。mini beater-96還可以處理96個深孔微孔板中的樣品。他們還提供了一個可處理高達(dá)80克（濕重）微生物細(xì)胞的制備型實(shí)驗(yàn)室攪拌機(jī)。他們的最新產(chǎn)品SoniBeast可處理12個0.6毫升微管或3個2毫升微量管，與搖動式珠子攪拌器不同的是，它使用超高渦流運(yùn)動攪拌珠子，該運(yùn)動由30，000 rpm（500Hz）的電機(jī)驅(qū)動。SoniBeast在幾秒鐘內(nèi)而不是幾分鐘內(nèi)破碎細(xì)胞，使其成為市場上最快的珠磨細(xì)胞破碎機(jī)。

轉(zhuǎn)子-定子均質(zhì)機(jī)（也稱為膠體磨或Willems均質(zhì)機(jī)）

這些均質(zhì)器非常適合在1毫升到幾升的液體介質(zhì)中均質(zhì)植物和動物組織。它們通常優(yōu)于刀片式折彎機(jī)。與攪拌機(jī)相比，起泡和充氣現(xiàn)象最少，并且易于容納小得多的樣品體積。細(xì)胞物質(zhì)通過位于長靜態(tài)管或探針（通常稱為定子）末端內(nèi)部的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的吸力被吸入設(shè)備。然后，材料通過位于定子附近的槽或孔離心排出。組織被反復(fù)回收，并且由于轉(zhuǎn)子以非常高的速度轉(zhuǎn)動，在液體剪切力和發(fā)生在探針的機(jī)械剪刀狀剪切的共同作用下，組織的尺寸減小。根據(jù)組織樣本的韌性，通常在5-60秒內(nèi)獲得所需的結(jié)果。對于細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器或受體位點(diǎn)復(fù)合物的回收，使用較短的時間和/或降低的轉(zhuǎn)子速度。當(dāng)使用較小尺寸的轉(zhuǎn)子-定子探頭時，在處理前必須用手術(shù)刀或剃刀片將組織樣本預(yù)先切成橫截面小于1 mm的碎片，以便將樣本吸入定子的孔內(nèi)。如果樣本已經(jīng)冷凍保存，可以使用低溫粉碎器（一種在液氮溫度下快速粉碎組織的設(shè)備-見下文）在不解凍的情況下將組織樣本破碎成小塊。一些轉(zhuǎn)子-定子制造商提供的探頭在定子頂端有一圈鋸齒狀的齒，這有助于破碎最初太大而無法進(jìn)入探頭的樣品。該功能很有幫助，但同質(zhì)化時間可能會更長。與許多其他類型的機(jī)械細(xì)胞破裂機(jī)不同，轉(zhuǎn)子-定子均質(zhì)機(jī)在運(yùn)行過程中基本不產(chǎn)生熱量此外，轉(zhuǎn)子-定子均質(zhì)機(jī)不能溶解微生物-這一特性在研究土壤、糞便等中的微生物時很有用。

大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)子-定子均質(zhì)機(jī)都是頂部驅(qū)動的，帶有一個轉(zhuǎn)速為8，000至35，000 rpm的緊湊型高速電機(jī)。轉(zhuǎn)子-定子探針（統(tǒng)稱為發(fā)生器）的尺寸可以從用于0.5-50毫升樣品體積的吸管直徑到能夠處理10升或更多批次的更大裝置不等。轉(zhuǎn)子速度和定子直徑之間存在重要關(guān)系。原則上，轉(zhuǎn)子直徑每減半，均質(zhì)機(jī)的最高轉(zhuǎn)子速度應(yīng)加倍。它不是rpm就其本身而言，但是轉(zhuǎn)子的速度是重要的操作參數(shù)。每秒10至20米（2000至4000英尺/分鐘）是組織破碎可接受的速度。不幸的是，大多數(shù)小到足以輕松裝入微管的商用轉(zhuǎn)子-定子均質(zhì)機(jī)都達(dá)不到這一速度標(biāo)準(zhǔn)。在選擇轉(zhuǎn)子-定子均質(zhì)機(jī)時，其他因素如轉(zhuǎn)子-定子設(shè)計（有很多）、結(jié)構(gòu)中使用的材料以及清潔的難易程度也是需要考慮的重要因素。

實(shí)驗(yàn)室尺寸的均質(zhì)器僅適用于中低粘度范圍的液體樣品。由于使用太小的裝置，均化的速度和效率受到影響，并且給定均化器的轉(zhuǎn)子-定子探針尺寸有效工作的體積范圍只有大約十倍。轉(zhuǎn)子-定子均質(zhì)機(jī)可能會出現(xiàn)泡沫和氣溶膠問題。保持均質(zhì)機(jī)的一端浸沒在培養(yǎng)基中，并使用大小合適的容器有助于解決第一個問題。方形均化容器比圓形容器效果更好，并且有利于將浸沒的探針保持在偏心位置。通過使用適當(dāng)覆蓋的容器（VirTis、Brinkmann和Omni），可以最大限度地減少氣溶膠，但不能消除氣溶膠。盡管許多實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)子-定子均質(zhì)機(jī)使用全封閉電機(jī)，但沒有一臺電機(jī)是防爆的。因此，使用易燃有機(jī)溶劑（如丙酮、酒精或氯仿）時，應(yīng)小心謹(jǐn)慎，在通風(fēng)良好的通風(fēng)柜中進(jìn)行均化。

底部驅(qū)動實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)子-定子均質(zhì)機(jī)是實(shí)驗(yàn)室的新成員。轉(zhuǎn)子-定子組件通常放置在密封的腔室或容器內(nèi)，適合攪拌機(jī)電機(jī)底座，工作容積為100-1000毫升。

分散器  

與轉(zhuǎn)子-定子均質(zhì)器密切相關(guān)，分散器用于制備大量植物和動物水提物。轉(zhuǎn)子-定子機(jī)構(gòu)的構(gòu)造類似于家庭垃圾處理裝置，可快速均勻化和液化千克數(shù)量的生物質(zhì)。樣品懸浮在一升或多升介質(zhì)中，裝入頂部容器中，以連續(xù)或分批模式均質(zhì)化。

葉片式均質(zhì)機(jī)

盡管效率不如轉(zhuǎn)子-定子均質(zhì)機(jī)，并且通氣和起泡可能是一個問題，但葉片均質(zhì)機(jī)（通常稱為攪拌機(jī)）多年來一直用于從植物和動物組織中生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)布里干酪和提取物。攪拌機(jī)不能有效地破壞微生物。在這類均質(zhì)機(jī)中，一組不銹鋼刀片在玻璃、塑料或不銹鋼容器內(nèi)以6000-50000 rpm的速度旋轉(zhuǎn)。葉片可以是底部驅(qū)動的，也可以是頂部驅(qū)動的。如流式細(xì)胞儀分析所確定的，一些高速勻漿器可以將組織樣品減小到一致的顆粒大小，其分布小至4微米。混合后，一些植物組織勻漿會發(fā)生酶促褐變-這是一種氧化和化學(xué)交聯(lián)過程，會使隨后的分離過程變得復(fù)雜。通過在無氧或除氧硫醇化合物如巰基乙醇存在下進(jìn)行提取，酶促褐變被最小化。聚乙烯亞胺、金屬螯合劑或某些溫和洗滌劑（如Triton X-100或Tween 80）的添加也將酶促褐變降低。

使用攪拌機(jī)時，與酒精或丙酮等易燃溶劑混合時要小心。攪拌機(jī)使用有刷電機(jī)來實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，因此在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生火花。此外，混合時容易形成氣溶膠。勻漿病變組織時，使用密封的攪拌器容器，并在通風(fēng)良好的安全罩中操作。

冷凍斷裂或冷凍硬化

微生物糊和動植物組織可以在液氮中冷凍，然后在同樣的低溫下用研缽和杵研磨。堅(jiān)硬的冷凍細(xì)胞因其易碎性而破裂。此外，在如此低的溫度下，內(nèi)部冰晶可能會產(chǎn)生磨損。這一過程的最終產(chǎn)物可以是鹽粒大小的極小組織塊，也可以是幾乎所有細(xì)胞都被破壞的制劑。關(guān)于后者，低溫冷凍是一種機(jī)械細(xì)胞破碎方法，能夠遞送非常高分子量的DNA。

杵和管勻漿器（也稱為組織研磨機(jī)）

用來破壞新鮮的動物組織。盡管研杵和試管均質(zhì)器的變體有諸如波特、波特-埃爾維耶姆、唐斯和Ten Broeck之類的名稱，但作為一個整體，它們由玻璃、惰性塑料或不銹鋼制成的試管組成，其中插入了由類似材料制成的緊密配合的研杵，間隙約為0.1-0.2毫米。試管和研杵的壁可以是光滑的或經(jīng)過研磨的。大多數(shù)組織必須用剪刀或單刃刀片切割或剁碎成小塊（橫截面約1毫米），然后懸浮在試管中3-10倍體積的培養(yǎng)基中。杵被手動操作到管的底部，從而當(dāng)組織被迫在杵的緊密配合側(cè)和管壁之間流動時撕裂和壓碎組織。當(dāng)杵縮回時，研磨動作再次發(fā)生。這種低剪切方法需要重復(fù)五到三十次才能使大多數(shù)組織均質(zhì)化。當(dāng)試管被手動升高和降低時，通過連接到電動機(jī)的研杵以大約500-1000 rpm的速度旋轉(zhuǎn)來加速該過程。雖然杵和管均質(zhì)很簡單，使用的設(shè)備通常也不貴，但該過程是勞動密集型的，并且當(dāng)使用易碎的玻璃均質(zhì)器時，存在潛在的危險。即便如此，這種均質(zhì)機(jī)仍因其極其溫和的作用而繼續(xù)受到歡迎。這通常是從腦或肝等動物軟組織中制備少量亞細(xì)胞器的方法。微生物不能用杵式均質(zhì)機(jī)破碎。

固體組織壓榨機(jī)和分散機(jī)

有幾種機(jī)械裝置通過迫使固體組織樣本穿過一系列小孔或不銹鋼篩網(wǎng)來將軟組織縮小到更小的尺寸。在大多數(shù)情況下，在均質(zhì)化之前沒有向樣品中加入液體介質(zhì)，并且根據(jù)所用的壓機(jī)，排出的分散組織可以具有從漢堡肉到糊狀肝醬的不同質(zhì)地。雖然這不是破壞細(xì)胞的有效方法本身時，它被用作使用其他物理、化學(xué)或酶方法進(jìn)行均質(zhì)化的預(yù)備步驟。

家用絞肉機(jī)或絞肉機(jī)已經(jīng)用于制備分散的動物組織幾十年了。組織被機(jī)械地推過金屬篩板上的小孔，同時旋轉(zhuǎn)的刀片慢慢掃過篩板的表面，并將擠出的肉切成0.3 - 0.5毫米的碎片。如果組織稍微冷凍處理，絞肉機(jī)可以更好地切割肌肉等柔性組織。

超聲波粉碎機(jī)

這些設(shè)備在液體介質(zhì)中產(chǎn)生強(qiáng)烈的聲波壓力波，并廣泛用于破壞細(xì)胞。在適當(dāng)?shù)臈l件下，高壓波會在超聲波探頭表面附近形成短暫的微泡，這些微泡會劇烈生長和破裂。內(nèi)爆產(chǎn)生的沖擊波被稱為空化，其能量足以撕裂細(xì)胞膜，甚至可以破壞共價鍵。

現(xiàn)代超聲波處理器使用由鋯鈦酸鉛晶體制成的壓電發(fā)生器。振動通過鈦金屬喇叭或探針傳遞，該喇叭或探針被調(diào)整為使處理器單元以15-25 kHz的頻率共振。超聲波處理器的額定功率輸出從10瓦到375瓦不等。真正重要的是探針的功率密度。正如預(yù)期的那樣，需要更高的輸出功率來維持大尺寸探頭的良好性能。對于細(xì)胞破碎，探針密度應(yīng)至少為100 W/cm2，并且振動幅度越大越好（典型范圍:30-250微米）。