原创 高分辨超声波分光仪用于物质分析

高分辨超声波分光仪用于物质分析

超声波穿过一个给定物质时，物质的内在属性将对其产生影响，据此可以建立物理和化学的分析方法。超声波已广泛用于医药领域，但迄今为止在物质检测方面的应用还很少。在过去，此技术的主要缺点是分辨率低、所需样品量大且检测过程复杂，现代技术的发展克服了这些限制，超声波分光仪在不同领域的实验室中得到了广泛应用，包括：化学、农业、食品及制药等领域。本文所介绍的超声波分光仪获得2002匹兹堡会议的编辑奖(Editor Award)。

    超声波的物质分析是基于超声波穿过被分析样品的参数测量，这些参数可以提供超声波与样品内部结构相互作用的信息，因此可用于样品的物理和化学性质的分析。声波在医药领域中的分析应用是众所周知的，如超声波能穿过不透明的生物组织，用于病人器官的显象和血液分析等。超声波流量变送器 活塞式流量计 涡轮流量计 气体质量流量传感器 磁流量变送器 靶式流量计 金属管浮子流量计 玻璃管浮子流量

　　尽管超声波在某些材料领域中有其成功的应用，但此技术尚未被作为常规的材料分析手段广泛地用于研究、分析及实验过程控制，这主要是由于受其分辨率低、所需样品量大及检测过程复杂的限制。

　　用在HR-US 101高分辨率分光仪(Ultrasonic Scientific Ltd.，Dublin，Ireland)中的现代技术，克服了上述的诸多限制。目前超声波仪器在商业上可广泛用于各类分析实验室中，如化学、物理、生物技术、医药、食品、农业、环境控制、石油及气体工业的分析和研究。装置所需的样品体积小（典型的为1 mL，一般使用可低至0．03mL）、分析分辨率可低至10^-5％超声速。都柏林学化学系生物胶体物理化学实验室利用分光仪分析了生物聚合物??配位体键合、悬浮液聚合及乳胶液聚合、颗粒及聚合凝胶结构、胶束形成以及颗粒表面的吸附等。

1 超声波用于物质分析的优点

　　对物质固有属性不具任何破坏性的分析，主要是基于对穿过被分析样品的信号特征的检测。这些特征反映了信号与样品内部的相互作用。任何信号都是波的组合，但只有一种波即电磁波(振荡的电场和磁场)在物质分析中起作用。这种能够探测物质电磁性的波，在一些常用的方法中得到应用，如光学光谱和它的派生光谱(红外、紫外、旋光分光、荧光等)、核磁共振(NMR)及介电(微波)测量等。只有在高频(声频范围内)时超声波才与声波相同。

　　在超声波中，由于振荡压力(普通压力)引起压缩振荡(机械形变)时，将产生流变学波，因此超声波参数具有简明的弹性和粘性意义。经典流变学处理的是慢速或低频（小于1kHz)形变，而超声波中含有快速或高频(大于100kHz)形变。电流记录仪 电压记录仪 电能记录仪监测仪 土壤湿度传感器 气象站 水位水深记录仪 状态记录仪 导率记录仪监测仪 农场气象站方案

　　超声波的优点如下：

　　(1) 超声波能穿透多数物质，使其分析样品的范围广，包括无透光性物质。

　　(2) 超声波探测的是物质的弹性(而不是电磁性)特征，这对分子内的相互作用尤为灵敏。超声波的压缩改变了样品的分子间距，此间距代表分子间的排斥力。由于传播介质的弹性差异，声音在水中的传播速度要远大于(5倍)其在空气中的速度。超声波参数对分子间的相互作用具有高灵敏度，因此那些使用其它技术难于或无法分析的分子作用过程，用超声波进行分析。

　　(3)产生和改变高频率超声波的波长要相对容易，因此，HR?US101超声波分光仪无需诸如动力流变仪中的大型激发器、大体积的光源及其它光学部件。这表明可以制造耐用的、具有多种分析功能的仪器，以进行快速、无破坏性的多功能分析。

2高分辨率超声波分光仪参数测定

　　传统的超声波分光仪是基于超声波衰减的测量，即测量被分析介质的超声波透过率。超声波中压缩和抗压缩过程中的能量损失决定了衰减值，因此衰减值可以用介质的粘度或纵向损失系数来表示。引起能量损失的两个主要因素如下：

　　(1) 不均一样品(乳液和悬浮液等)中超声波的散射??这是超声波测定粒子尺寸的基础。

　　(2) 快速的化学弛豫??超声波中由于压力和温度的周期性变化而引起的化学反应平衡位置的周期性变化。

　　平衡位置的弛豫导致了附加的能量损失。这使得对快速化学动力学过程进行超声波分析成为可能。

　　超声波分光仪中测定的第二个参数是超声波的速度。超声波的速度是由超声波中样品的密度及其对振荡压力的弹性响应所决定的，可以用压缩系数和累积系数(纵向)表示。这一参数对被分析介质的分子结构及分子内的相互作用非常灵敏，用于物质化学性质的分析，是高分辨率超声波分光仪应用的重要组成部分。然而，超声速的广泛应用要求极高的测量分辨率(优于10^-4％)，这在过去是阻碍超声波应用的主要问题。HR-US101分光计，其分辨率可低至10^-5％，使所有潜在的超声波分析应用成为可能。

　　高分辨率超声波分光仪的典型应用包括结构分析和粒子尺寸测量、化学反应的检测和分析、热分析和相转变、液体性质的分析、聚合物和生物聚合物中构型变化的检测和分析、胶束化、配位体?聚合物键合及抗原?抗体反应、水合作用、聚合作用和凝胶作用以及组成的分析。

　　图1通过测量淀粉酶在水解麦芽糖过程中超声波速度的变化，来说明超声波分析淀粉酶在25℃时的活性。将5μg淀粉酶加入到3.5 mmol／L麦芽七糖水溶液中，随后对超声波速度的变化进行连续监控。水解能引起超声波速度的增加。可以把超声波曲线换算成水解酶作用物的量与时间的依赖关系，如反应动力学曲线，而酶的活性可以由计算获得。以上测定，无需酶作用物和酶的光学活性以及介质的透光性。

　　图2表示熔融胶在2％卡巴(kappa)角叉菜胶溶液中的超声波分析。在测量过程中使用HR-US101的温度梯度控制。聚合物原子团水合度的增大引起此过程中超声波速度的增大，从而导致在跃迁温度处其螺旋结构逐渐消失。超声波引起冻结的聚合物网状结构(在超声波频范围内不发生移动)产生压缩和抗压缩，当溶剂通过这种冻结结构时将产生摩擦损失，这是导致超声波衰减下降的主要原因。在此系统中，高分辨率超声波分光仪能够检测聚合物的凝固点和凝固间隔，分析聚合物结构的转变形式(由超声波速度)和凝胶网络的特征结构(由超声波衰减)。

3超声波分光计的主要特点

　　HR-US 101的标准设备配置有1mL的超声波池。超声波池的结构允许进行样品搅拌。其平壁的几何结构包含任意的孔穴和尖角，并易于灌冲、再灌冲、清洗和消毒。此超声波池可适用于腐蚀性液体如强酸和有机溶剂，螺旋帽防止测量过程中溶剂蒸发。测量过程由计算机控制，测量结果以图表和数字格式给出，能够与Excel^TM(Microsoft，Redmond，WA)以及现有的多数数据分析软件兼容。用户可以计算组分浓度、迁移温度和温度间隔、酶活性、悬浮液和乳液中颗粗的尺寸、物质中物理和化学动力学过程、键合化学计量关系和亲和力以及样品的其它参数。

可以用不同的程序完成测量：

　　(1)温度梯度：聚合物等物质的相转变及结构转变的分析，超声波参数作为温度的函数进行测定。

　　(2)动力学：化学反应动力学的分析，超声波速度和衰减作为时间的函数进行测定。

　　(3)滴定：配位体键合、分子吸收及复杂的构型现象的分析滴定过程中，测定超声波速度和超声波衰减。

　　(4)多频：上述所有测定都可在预先选定的频率范围内进行多频检测。

　　Ultrasonic Scientific能够提供特定的样品池如流通池、减小体积池(小至0.03 mL)、非液体样品(如生物组织、硬式凝胶和脂状物)池以及广范围频率池(频率范围为0.1?20MHz)。上述的特征使得高分辨率超声波分光仪能够用于一些其它方法不能完成的分析。另外，在许多分析领域，分光计可与现有的一些分析技术结合成为多用途的仪器。高分辨率的优点使其可以用于低深度溶液的测定，有代表性的是l mg／mL的水平，一些情况下可达1μg／mL的水平。也可用于浓缩混合物，表明其超常的动力学范围。