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(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。空化作用產(chǎn)生的瞬間高溫(約 5000K)、高壓(可達(dá)數(shù)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(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)具體的實驗需求進行調(diào)節(jié)，以控制超聲波的強度和作用效果。

　　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。

　　可以促進化學(xué)反應(yīng)的進行。例如在一些有機合成反應(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。

　　五、非接觸式超聲波破碎儀??的常見問答(QA)

　　Q1：什么是非接觸式超聲波破碎儀?和傳統(tǒng)接觸式有什么區(qū)別???

　　??A??：非接觸式超聲波破碎儀通過??液介式超聲??(將樣品置于密閉容器如試管/離心管中，超聲波能量通過液體介質(zhì)間接傳遞)破碎樣品，無需探頭直接接觸樣品;而傳統(tǒng)接觸式探頭式破碎儀需將金屬探頭插入樣品中傳遞能量。

　　??核心區(qū)別??：非接觸式避免交叉污染、無需頻繁更換探頭，適合多批次、高活性(如核酸、蛋白)或易揮發(fā)樣品;接觸式能量集中但可能污染樣品，需定期維護探頭。

　　??Q2：非接觸式的破碎核心原理是什么???

　　??A??：通過換能器將電能轉(zhuǎn)為高頻機械振動(通常20-300kHz)，振動在破碎儀反應(yīng)倉內(nèi)的液體中形成??空化效應(yīng)??(液體微小氣泡快速生成、膨脹并劇烈崩潰)，產(chǎn)生局部高溫高壓和微射流，從而破碎細(xì)胞、勻漿或分散顆粒。

　　Q3：非接觸式超聲波破碎儀適用于哪些樣品???

　　??A??：主要用于對??污染敏感、需無接觸處理或溫和破碎??的樣品，典型場景包括：

　　•??生物樣品??：哺乳動物細(xì)胞、細(xì)菌、酵母破碎提取蛋白/DNA/RNA;

　　•??化學(xué)/材料??：納米顆粒分散(如石墨烯、量子點)、催化劑勻漿;

　　•??易揮發(fā)/高粘度樣品??：有機溶劑體系(如DMSO溶液)、粘稠液體(避免探頭式難操作問題);

　　•??痕量分析前處理??：避免金屬探頭引入雜質(zhì)(如ICP-MS樣品前處理)。

　　??Q4：不適合哪些情況???

　　??A??：不適合??很高硬度材料(如金屬礦石)的超細(xì)粉碎??，或?qū)δ芰棵芏纫蠛芨叩膭×移扑椤４祟惽闆r更適合接觸式高功率探頭。

　　Q5：選型時需重點關(guān)注哪些參數(shù)???

　　??A??：核心參數(shù)包括：

　　•??頻率??(常用20-50kHz，低頻能量強適合難破碎細(xì)胞，高頻更溫和適合蛋白/DNA提取);

　　•??功率范圍??(通常100-1500W，功率越高破碎能力越強，但需匹配樣品體積);

　　•??單次處理體積??(常見0.1-15mL/管，大容量機型可處理50-2000mL);

　　•??反應(yīng)倉材質(zhì)??(如316L不銹鋼耐腐蝕，石英玻璃透聲性好);

　　•??是否帶溫控??(超聲產(chǎn)熱需搭配冷卻循環(huán)水浴/壓縮機制冷，尤其對溫度敏感樣品);

　　•??自動化功能??(如程序預(yù)設(shè)、多階段參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)記錄)。

　　??Q6：如何根據(jù)樣品量選擇型號???

　　??A??：小體積(μL-mL級，如PCR管/1.5mL離心管)選??多管適配機型??(如96孔板專用或單/多管架);中等體積(10-100mL)選??單管大容量反應(yīng)倉??;大體積(>100mL)需工業(yè)級機型(如連續(xù)流處理罐)。

　　Q7：操作時有哪些注意事項???

　　??A??：核心注意事項：

　　•??樣品需置于適配容器??(如專用破碎管/離心管，避免普通試管破裂);

　　•??液面高度需達(dá)標(biāo)??(通常需浸沒超聲變幅桿對應(yīng)的空化區(qū)域，或按說明書要求填充液體);

　　•??控制超聲時間??(避免過長導(dǎo)致過破碎，通常每次脈沖幾十秒至幾分鐘，間歇循環(huán));

　　•??溫度監(jiān)控??(敏感樣品建議開制冷，實時監(jiān)測并控制溫度≤冰浴溫度);

　　•??避免空載運行??(無液體時超聲會損壞換能器)。

　　?Q8：破碎不充分可能是什么原因?如何解決???

　　??A??：可能原因及對策：

　　1.??功率不足?? → 調(diào)高功率或延長超聲時間;

　　2.??樣品粘度過高?? → 稀釋樣品或添加分散劑(如PBS緩沖液);

　　3.??頻率不匹配?? → 低頻(如20-25kHz)更適合難破碎細(xì)胞;

　　4.??樣品量過少/液面過低?? → 補充液體至推薦高度;

　　5.??變幅桿(如有)或容器位置偏移?? → 檢查確保樣品處于超聲能量集中區(qū)域。