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閱讀：54發(fā)布時(shí)間：2023-8-9
超聲波可用于化學(xué)以提高反應(yīng)速率和產(chǎn)物的產(chǎn)率。超聲波對(duì)化學(xué)反應(yīng)的大部分影響是由于空化：溶劑中小氣泡的形成和破裂。在這篇綜述中，我們首先概述了空化的物理背景，并討論了它對(duì)聲強(qiáng)和頻率、溶劑和溫度等因素的依賴性。超聲波對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響被考慮用于均相反應(yīng)和非均相液固系統(tǒng)。個(gè)領(lǐng)域主要通過討論超聲波對(duì)聚合和解聚反應(yīng)的影響來說明，第二個(gè)領(lǐng)域通過有機(jī)合成中的選定實(shí)例進(jìn)行說明。還簡(jiǎn)要討論了超聲改變反應(yīng)機(jī)制以支持均溶（而不是異溶）途徑的趨勢(shì)。在聲化學(xué)條件下對(duì)特定路徑的特定偏好，不同于機(jī)械攪拌下的路徑，被稱為“聲化學(xué)轉(zhuǎn)換"。比較了用于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模實(shí)驗(yàn)的超聲波設(shè)備，并給出了一些實(shí)用的“技巧和陷阱"。
超聲波破碎和裂解細(xì)胞
超聲波聲化學(xué)設(shè)備主要用于樣品制備和生產(chǎn)。這些領(lǐng)域尤其包括各種物質(zhì)的均質(zhì)化、乳化和懸浮，以及化學(xué)反應(yīng)的加速、細(xì)胞破碎和細(xì)胞內(nèi)容物的提取。使用超聲波聲化學(xué)設(shè)備可以選擇性地破壞某些物質(zhì)，可以縮短繁瑣的制備過程并提高許多反應(yīng)的產(chǎn)率。與行星式球磨機(jī)、轉(zhuǎn)子/定子或間隙均質(zhì)機(jī)等機(jī)械加工設(shè)備的比較表明，超聲波聲化學(xué)設(shè)備以更高的效率工作，特別是使可重復(fù)的結(jié)果成為可能。分析的趨勢(shì)是樣本量越來越小，化學(xué)品的使用也越來越少。例如，近年來，超聲波聲化學(xué)設(shè)備的使用變得至關(guān)重要，即使是最小的樣品量也需要快速、經(jīng)濟(jì)且可重復(fù)地進(jìn)行處理。
細(xì)胞和微生物的破壞
在現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室中，超聲波聲化學(xué)設(shè)備用于破壞細(xì)胞壁以提取細(xì)胞內(nèi)容物，例如蛋白質(zhì)，而不會(huì)損壞它們。一部分引入細(xì)胞懸液的能量通過摩擦轉(zhuǎn)化為熱量。為了避免對(duì)細(xì)胞內(nèi)容物的熱損傷，樣品在超聲波處理期間要么周期性地間歇性超聲波處理，要么在冷卻容器中冷卻。玫瑰花池能夠?qū)ξ⑸镞M(jìn)行均勻的超聲波處理，因?yàn)槌暡芰科仁箻悠吩谔筋^下方和整個(gè)側(cè)臂中反復(fù)循環(huán)。置于冰浴中，由于玻璃表面擴(kuò)大，可有效冷卻內(nèi)容物。
細(xì)胞膜的破壞在很大程度上取決于細(xì)胞的彈性。細(xì)胞成分，如線粒體或細(xì)胞質(zhì)，可以通過改變輸入超聲波能量和提取功率來部分地破壞。對(duì)于特別耐藥的細(xì)菌（例如鏈球菌）、真菌、孢子、酵母或組織樣本，可以通過微頂端以非常高的超聲波振幅進(jìn)行直接破壞，因?yàn)槲㈨敹丝梢詫⒎浅４蟮哪芰枯斎氲阶钚〉臉颖玖恐小?/p>
當(dāng)使用微升量時(shí)，容器中的泡沫和飛濺是一個(gè)更大的問題?？赡軙?huì)造成寶貴的樣品材料損失。因此，功率調(diào)節(jié)非常重要。如果要破壞壁不穩(wěn)定的細(xì)胞，只需要很小的功率或小振幅。為了連續(xù)大量溶解，使用帶有超聲室的玻璃或不銹鋼制成的特殊流動(dòng)容器以相同的強(qiáng)度處理懸浮液的每個(gè)顆粒。如果容器額外配備了冷卻夾套，則可以排除對(duì)細(xì)胞內(nèi)容物的熱損壞。為了避免外來顆粒的污染——例如探頭的侵蝕顆粒——優(yōu)選在杯式增壓器或杯式喇叭中進(jìn)行間接超聲波處理。這種方法實(shí)現(xiàn)了均勻的強(qiáng)度和冷卻。
在生物化學(xué)和醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用：
組織培養(yǎng)的破壞
亞細(xì)胞成分和病毒被破壞而沒有任何破壞。
親子鑒定
從假定父親的EDTA血液中快速提取不含基質(zhì)的溶血物，用于親子鑒定（將準(zhǔn)備時(shí)間減少約30分鐘）。
泌尿外科
精子成分的生化膜分析。
基因研究
從人體材料中提取DNA。
脂質(zhì)體制備
使用超聲波 (20 kHz) 分解MLV（多層脂質(zhì)體）是生產(chǎn)SLV（單層脂質(zhì)體）的主要方法。
天花疫苗的治療
制備均勻分布的感染溶液。
分散
借助超聲波能量，可以將固體顆粒甚至液體分散到另一種載體中。納米級(jí)粉末，如或熱解二氧化硅，由于其較大的比表面積和不斷增加的反應(yīng)電位，越來越多地用于生產(chǎn)測(cè)試油漆和油漆，或用于小車身表面的拋光。此外，這些物質(zhì)具有聚集的不利趨勢(shì)，因此流動(dòng)性和潤(rùn)濕性變差。形成的附聚物通過超聲波均化器被破壞并且分散體穩(wěn)定以防止再附聚。
在粒度分析中，分散對(duì)于測(cè)量過程非常重要。顆粒只能在測(cè)量過程中被識(shí)別，并且它們?cè)跍y(cè)量區(qū)域中作為可檢測(cè)的測(cè)量信號(hào)出現(xiàn)。因此，未分散的附聚物導(dǎo)致相當(dāng)大的錯(cuò)誤測(cè)量。在超聲波的幫助下，顆粒被細(xì)分，從而為后續(xù)測(cè)量做好準(zhǔn)備。
當(dāng)用超聲波乳化時(shí)，油和水等兩種不混溶的液體被加工成準(zhǔn)均質(zhì)的乳液。與使用例如轉(zhuǎn)子的傳統(tǒng)方法相比，在超聲波的幫助下可以產(chǎn)生具有非常小液滴尺寸和非常高穩(wěn)定性的精細(xì)分散的乳液。既不發(fā)生團(tuán)塊或簇的形成，也不發(fā)生液滴的沉降。使用轉(zhuǎn)子或攪拌器等傳統(tǒng)方法時(shí)，緩慢攪拌通常會(huì)導(dǎo)致液體分離。攪拌太快會(huì)導(dǎo)致不希望有的空氣夾雜物。超聲波均質(zhì)機(jī)通常用于藥店，用于高質(zhì)量小規(guī)模生產(chǎn)軟膏。
在日常生活中會(huì)遇到許多不同形式的超聲波均質(zhì)乳液，例如在化妝品或乳液中。
均質(zhì)化
超聲波均質(zhì)的技術(shù)應(yīng)用范圍從油漆和清漆的生產(chǎn)到用于分析目的的廢水和土壤樣品的均質(zhì)，再到用于粒度分析的樣品制備。尤其是工業(yè)廢水，在環(huán)境實(shí)驗(yàn)室中不斷檢查是否存在重金屬、脂肪或油，以便在濃度超標(biāo)時(shí)立即采取措施。對(duì)于具有代表性的分析結(jié)果，有必要將廢水樣品轉(zhuǎn)化為均質(zhì)狀態(tài)。這是通過在很短的時(shí)間內(nèi)以高可靠性進(jìn)行超聲波均質(zhì)來實(shí)現(xiàn)的。
為了表征廢物樣品的填埋可能性和污染物評(píng)估，例如土壤中的 PAH（多環(huán)芳烴）、重金屬或 MKW（礦物油烴），超聲波提取被用作快速均質(zhì)過程作為洗脫的替代方法。
在農(nóng)業(yè)中，超聲波均質(zhì)器用于樣品制備，以隨后確定的 THC 含量以及根據(jù)土壤負(fù)荷確定蔬菜食品（例如草莓）中的 PAH 濃度。
超聲波均質(zhì)機(jī)經(jīng)常用于食品質(zhì)量控制。為了符合限值，必須在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)定奶酪的硝酸鹽含量。以前使用二甲酚甲醇蒸餾和隨后的光度法的方法在毒理學(xué)上非常有問題，而且特別耗時(shí)。因此，為了定量測(cè)定硝酸鹽含量，或者將奶酪機(jī)械預(yù)壓碎。然后在很短的時(shí)間內(nèi)用超聲波在玫瑰花結(jié)細(xì)胞中進(jìn)行密集和精細(xì)的均質(zhì)化?？蓪?shí)現(xiàn)的粒徑小于 1 μm，并且由于不會(huì)發(fā)生聚集體形成，因此大大促進(jìn)了后續(xù)過濾以定量洗出離子。
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