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一文讀懂非接觸式超聲波破碎儀
閱讀：3279 發(fā)布時間：2018-9-10一、定義與原理
非接觸式超聲波破碎儀是一種利用超聲波能量來破碎細(xì)胞、乳化液體、分散顆粒等的儀器。它的工作原理是通過換能器將電能轉(zhuǎn)換為高頻的超聲波機(jī)械能。換能器產(chǎn)生的超聲波在液體介質(zhì)中傳播時，會產(chǎn)生交替的高壓和低壓區(qū)域。在低壓區(qū)域，液體中會形成微小的真空泡，這些真空泡在高壓區(qū)域會迅速崩潰，這個過程被稱為空化作用?？栈饔卯a(chǎn)生的瞬間高溫(約 5000K)、高壓(可達(dá)數(shù)百個大氣壓)以及強(qiáng)烈的沖擊波和微射流，能夠作用于樣品，使細(xì)胞破裂、顆粒細(xì)化等。
與接觸式超聲波破碎儀不同的是，非接觸式超聲波破碎儀的探頭不直接接觸樣品，而是通過容器壁將超聲波能量傳遞到樣品中，這樣可以避免探頭對樣品的污染以及探頭磨損帶來的交叉污染等問題。
二、儀器組成部分
1.超聲波發(fā)生器：它能夠產(chǎn)生高頻交流電信號，其頻率通常在 20kHz - 100kHz 之間。這個信號的頻率和功率等參數(shù)可以根據(jù)具體的實驗需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，以控制超聲波的強(qiáng)度和作用效果。
2.換能器：換能器負(fù)責(zé)將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的高頻交流電信號轉(zhuǎn)換為超聲波機(jī)械振動。它一般是由具有壓電效應(yīng)的材料制成，當(dāng)受到交流電信號的激勵時，材料會發(fā)生周期性的伸縮，從而產(chǎn)生超聲波。
3.超聲容器：用于盛放待處理的樣品。它通常是由特殊的材料制成，能夠有效地傳遞超聲波能量。容器的形狀和材質(zhì)對超聲波的傳遞效率和效果有一定的影響，例如玻璃和某些塑料材料是比較常用的容器材料，因為它們對超聲波的吸收相對較少。
三、應(yīng)用領(lǐng)域
1.生物領(lǐng)域
在細(xì)胞破碎方面應(yīng)用廣泛。例如在提取細(xì)菌、酵母等微生物細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子時，通過非接觸式超聲波破碎儀能夠快速有效地破碎細(xì)胞，釋放出細(xì)胞內(nèi)的成分。與傳統(tǒng)的機(jī)械破碎方法相比，它具有破碎效率高、對生物活性物質(zhì)的損傷相對較小等優(yōu)點。
也可用于制備脂質(zhì)體。在脂質(zhì)體的制備過程中，超聲波的空化作用可以幫助將脂質(zhì)均勻地分散在溶液中，形成大小較為均勻的脂質(zhì)體結(jié)構(gòu)。
2.化學(xué)領(lǐng)域
用于乳液聚合反應(yīng)。在乳液聚合過程中，超聲波可以使單體液滴更好地分散在水相中，增加反應(yīng)界面，提高反應(yīng)速率，并且可以使生成的聚合物顆粒大小更加均勻。
可以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。例如在一些有機(jī)合成反應(yīng)中，超聲波的空化作用能夠產(chǎn)生局部的高溫高壓環(huán)境，激活反應(yīng)物分子，使反應(yīng)在較為溫和的條件下進(jìn)行，或者提高反應(yīng)的選擇性。
3.材料領(lǐng)域
在納米材料的制備中發(fā)揮作用。比如制備納米金屬顆粒時，超聲波的空化作用可以幫助控制顆粒的生長，防止顆粒團(tuán)聚，從而得到粒徑較小且分布均勻的納米材料。
用于材料的表面改性。通過超聲波處理，可以改變材料表面的物理和化學(xué)性質(zhì)，如提高材料表面的粗糙度、增加表面活性基團(tuán)等。
四、操作注意事項
1.樣品要求：樣品的體積、濃度等參數(shù)需要根據(jù)儀器的規(guī)格和要求進(jìn)行調(diào)整。如果樣品體積過小，可能會導(dǎo)致超聲波能量不能有效地傳遞和分散;如果體積過大，可能會影響破碎效果。同時，樣品中不能含有過多的氣泡，因為氣泡會干擾超聲波的傳播，并且可能會在超聲波作用下過度膨脹，導(dǎo)致樣品溢出容器。
2.參數(shù)設(shè)置：根據(jù)不同的樣品和實驗?zāi)康模枰侠碓O(shè)置超聲波的頻率、功率和處理時間等參數(shù)。頻率過高可能會導(dǎo)致空化作用過于劇烈，對樣品造成不必要的破壞;功率過大也可能會產(chǎn)生類似的問題。處理時間過長，可能會使樣品溫度過高，影響樣品的性質(zhì)，所以一般需要根據(jù)預(yù)實驗來優(yōu)化參數(shù)。
3.安全操作：雖然是非接觸式，但在儀器工作過程中，操作人員還是應(yīng)該避免直接接觸正在運行的超聲容器，因為容器可能會因超聲波的作用而產(chǎn)生振動，并且超聲波本身也可能對人體產(chǎn)生一定的影響。同時，要確保儀器接地良好，防止觸電等安全事故。