一文讀懂非接觸式超聲波破碎儀

　　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換為高頻的超聲波機械能。換能器產生的超聲波在液體介質中傳播時，會產生交替的高壓和低壓區域。在低壓區域，液體中會形成微小的真空泡，這些真空泡在高壓區域會迅速崩潰，這個過程被稱為空化作用。空化作用產生的瞬間高溫(約 5000K)、高壓(可達數百個大氣壓)以及強烈的沖擊波和微射流，能夠作用于樣品，使細胞破裂、顆粒細化等。

　　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.超聲波發生器：它能夠產生高頻交流電信號，其頻率通常在 20kHz - 100kHz 之間。這個信號的頻率和功率等參數可以根據具體的實驗需求進行調節，以控制超聲波的強度和作用效果。

　　2.換能器：換能器負責將超聲波發生器產生的高頻交流電信號轉換為超聲波機械振動。它一般是由具有壓電效應的材料制成，當受到交流電信號的激勵時，材料會發生周期性的伸縮，從而產生超聲波。

　　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、應用領域

　　1.生物領域

　　在細胞破碎方面應用廣泛。例如在提取細菌、酵母等微生物細胞內的蛋白質、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胞，釋放出細胞內的成分。與傳統的機械破碎方法相比，它具有破碎效率高、對生物活性物質的損傷相對較小等優點。

　　也可用于制備脂質體。在脂質體的制備過程中，超聲波的空化作用可以幫助將脂質均勻地分散在溶液中，形成大小較為均勻的脂質體結構。

　　2.化學領域

　　用于乳液聚合反應。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，增加反應界面，提高反應速率，并且可以使生成的聚合物顆粒大小更加均勻。

　　可以促進化學反應的進行。例如在一些有機合成反應中，超聲波的空化作用能夠產生局部的高溫高壓環境，激活反應物分子，使反應在較為溫和的條件下進行，或者提高反應的選擇性。

　　3.材料領域

　　在納米材料的制備中發揮作用。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性質，如提高材料表面的粗糙度、增加表面活性基團等。

　　四、操作注意事項

　　1.樣品要求：樣品的體積、濃度等參數需要根據儀器的規格和要求進行調整。如果樣品體積過小，可能會導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，導致樣品溢出容器。

　　2.參數設置：根據不同的樣品和實驗目的，需要合理設置超聲波的頻率、功率和處理時間等參數。頻率過高可能會導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，所以一般需要根據預實驗來優化參數。

　　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生振動，并且超聲波本身也可能對人體產生一定的影響。同時，要確保儀器接地良好，防止觸電等安全事故。