一文读懂非接触式超声波破碎仪

　　一、定义与原理

　　非接触式超声波破碎仪是一种利用超声波能量来破碎细胞、乳化液体、分散颗粒等的仪器。它的工作原理是通过换能器将电能转换为高频的超声波机械能。换能器产生的超声波在液体介质中传播时，会产生交替的高压和低压区域。在低压区域，液体中会形成微小的真空泡，这些真空泡在高压区域会迅速崩溃，这个过程被称为空化作用。空化作用产生的瞬间高温(约 5000K)、高压(可达数百个大气压)以及强烈的冲击波和微射流，能够作用于样品，使细胞破裂、颗粒细化等。

　　与接触式超声波破碎仪不同的是，非接触式超声波破碎仪的探头不直接接触样品，而是通过容器壁将超声波能量传递到样品中，这样可以避免探头对样品的污染以及探头磨损带来的交叉污染等问题。

　　二、仪器组成部分

　　1.超声波发生器：它能够产生高频交流电信号，其频率通常在 20kHz - 100kHz 之间。这个信号的频率和功率等参数可以根据具体的实验需求进行调节，以控制超声波的强度和作用效果。

　　2.换能器：换能器负责将超声波发生器产生的高频交流电信号转换为超声波机械振动。它一般是由具有压电效应的材料制成，当受到交流电信号的激励时，材料会发生周期性的伸缩，从而产生超声波。

　　3.超声容器：用于盛放待处理的样品。它通常是由特殊的材料制成，能够有效地传递超声波能量。容器的形状和材质对超声波的传递效率和效果有一定的影响，例如玻璃和某些塑料材料是比较常用的容器材料，因为它们对超声波的吸收相对较少。

　　三、应用领域

　　1.生物领域

　　在细胞破碎方面应用广泛。例如在提取细菌、酵母等微生物细胞内的蛋白质、核酸等生物大分子时，通过非接触式超声波破碎仪能够快速有效地破碎细胞，释放出细胞内的成分。与传统的机械破碎方法相比，它具有破碎效率高、对生物活性物质的损伤相对较小等优点。

　　也可用于制备脂质体。在脂质体的制备过程中，超声波的空化作用可以帮助将脂质均匀地分散在溶液中，形成大小较为均匀的脂质体结构。

　　2.化学领域

　　用于乳液聚合反应。在乳液聚合过程中，超声波可以使单体液滴更好地分散在水相中，增加反应界面，提高反应速率，并且可以使生成的聚合物颗粒大小更加均匀。

　　可以促进化学反应的进行。例如在一些有机合成反应中，超声波的空化作用能够产生局部的高温高压环境，激活反应物分子，使反应在较为温和的条件下进行，或者提高反应的选择性。

　　3.材料领域

　　在纳米材料的制备中发挥作用。比如制备纳米金属颗粒时，超声波的空化作用可以帮助控制颗粒的生长，防止颗粒团聚，从而得到粒径较小且分布均匀的纳米材料。

　　用于材料的表面改性。通过超声波处理，可以改变材料表面的物理和化学性质，如提高材料表面的粗糙度、增加表面活性基团等。

　　四、操作注意事项

　　1.样品要求：样品的体积、浓度等参数需要根据仪器的规格和要求进行调整。如果样品体积过小，可能会导致超声波能量不能有效地传递和分散;如果体积过大，可能会影响破碎效果。同时，样品中不能含有过多的气泡，因为气泡会干扰超声波的传播，并且可能会在超声波作用下过度膨胀，导致样品溢出容器。

　　2.参数设置：根据不同的样品和实验目的，需要合理设置超声波的频率、功率和处理时间等参数。频率过高可能会导致空化作用过于剧烈，对样品造成不必要的破坏;功率过大也可能会产生类似的问题。处理时间过长，可能会使样品温度过高，影响样品的性质，所以一般需要根据预实验来优化参数。

　　3.安全操作：虽然是非接触式，但在仪器工作过程中，操作人员还是应该避免直接接触正在运行的超声容器，因为容器可能会因超声波的作用而产生振动，并且超声波本身也可能对人体产生一定的影响。同时，要确保仪器接地良好，防止触电等安全事故。