超声波技术在环境监测中的应用之预处理技术

水源守护者

2012/11/03
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超声波技术在环境监测中的应用之预处理技术

超声波是频率高于20000赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。

大家有没有留意过自己的身边有多少利用超声波分析的仪器设备呢？我初略统计了下在环境监测领域中利用超声波的样品预处理技术，和大家分享。

1. 超声清洗

清洗的超声波应用原理是由超声波发生器发出的高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械振荡而传播到介质，清洗溶剂中超声波在清洗液中疏密相间的向前辐射，使液体流动而产生数以万计的微小气泡，存在于液体中的微小气泡（空化核）在声场的作用下振动，当声压达到一定值时，气泡迅速增长，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，在其周围产生上千个大气压力，破坏不溶性污物而使它们分散于清洗液中，当团体粒子被油污裹着而粘附在清洗件表面时，油被乳化，固体粒子即脱离，从而达到清洗件表面净化的目的。

在环境监测工作中，超声波清洗器常用来清洗有大量油污或盐附着的瓶子或蒸馏器。比如我们做潮汐性河流挥发酚样品后，向蒸馏瓶内加入少量水，用超声波清洗器清洗，很快上面的盐就被洗脱下来。

2. 超声破碎细胞

超声波破碎仪相较于超声波清洗仪来说，其功率一般大挺多。原因是超声波破碎仪要对含细胞壁的藻类细胞能同样起到破碎作用，而浮游植物细胞壁的破坏需要更高的能量。

超声波清洗仪在环境监测工作中不仅可以用来做叶绿素分析，还能用来做一些生物组织的分析，如鱼肝内毒性物质分析。

3. 超声溶解

利用超声波加速试剂的溶解是超声波在我们工作中的另一大应用。这里使用普通的超声波清洗仪就可以。这个我使用了N次了，溶解速度提高真的不是一点点。不过前提是超声不会对试剂的组成造成影响。特别是还原性物质或易挥发物质，在超声过程中可能发生氧化作用和加速挥发，影响后续实验。

4. 超声颗粒破碎

超声颗粒破碎是样品预处理技术之一。在07年写的一篇论文中我曾经用过该技术。对于含大颗粒物质的水样，如果直接取样，由于污染物会随颗粒分散不均匀，导致取样的代表性比较差，这使得实验结果偏差变大。使用超声波的产生的微小气泡和空化作用，能在短时间内将大颗粒物打散成小颗粒，从而使样品匀质化。

5. 超声消解

超声消解主要是利用超声波在介质中的超声空化、自由基氧化、高温热解、超临界水氧化四大效应。利用超声技术与其他技术的联用，可能更好地完成消解工作，具体在另一个原创中我会详述。

6. 超声促反应

对于某些反应，一定频率的超声波能促进反应的进行。比如在某些酶促反应中，超声波能起到促进作用，这点对于酶联免疫反应的分析方法来说是个很好的消息。貌似这个在现有的酶联免疫中应用还不多吧，研究研究，积累点数据应该就能发一篇比较好的文章。

其原理还是前面说的空化理论等。

7. 超声萃取

超声波萃取的优越性，是基于超声波的特殊物理性质。主要是主要通过压电换能器产生的快速机械振动波来减少目标萃取物与样品基体之间的作用力从而实现固—液萃取分离。（1）加速介质质点运动。高于20 KHz声波频率的超声波的连续介质（例如水）中传播时，根据惠更斯波动原理，在其传播的波阵面上将引起介质质点的运动，使介质质点运动获得巨大的加速度和动能。由于介质质点将超声波能量作用于目标萃取物质点上而使之获得巨大的加速度和动能，迅速逸出而游离于萃取剂中。（2）空化作用。超声波在液体介质中传播产生特殊的“空化效应”，“空化效应”不断产生无数内部压力达到上千个大气压的微气穴并不断“爆破”产生微观上的强大冲击波作用在目标萃取物上，使其中目标萃取物物质被“轰击”逸出，加速浸出提取。（3）超声波的振动匀化使样品介质内各点受到的作用一致，使整个样品萃取更均匀。

超声萃取以其提取效率高、提取时间短、提取温度低、适应性广、操作简单易行等诸多优点而具有较高推广价值。

8. 超声辅助微囊藻计数

这个是我以前写的一个小文，关于微囊藻计数的，这里用到了超声波。实验表明，40kHz超声波处理9min，能将很多聚集成团的细胞打散。但由于超声波通过机械作用，热效应和声流作用，能使藻类细胞破裂、物质分子中的化学键断裂。而空化作用可以使存在于液体中的微气泡迅速膨胀后突然闭合，产生冲击波和射流，从而破坏物理的生物膜与细胞核的结构与构型，使藻类细胞解体，所以处理后的微囊藻细胞浓度要比处理前较低。

随着技术的发展，使用超声这种环保技术的监测仪器还会越来越多。只有想不到，没有做不到吧。

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