超聲輔助提取的基礎(chǔ)是將超聲波應(yīng)用于液體介質(zhì)中,超聲波通過聲空化(在液體介質(zhì)中形成小氣泡)促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)化合物通過質(zhì)膜擴(kuò)散,也可以破壞質(zhì)膜,導(dǎo)致化合物釋放到介質(zhì)中。這種萃取技術(shù)的影響因素包括:功率、頻率、強度、反應(yīng)器形狀和體積、溶劑、溫度、溶解氣體的存在和外部壓力以及材料參數(shù)。
超聲輔助萃取是從固體樣品中提取有機污染物的常用技術(shù),因為它易于應(yīng)用于各種基質(zhì)和可以使用的溶劑范圍廣,當(dāng)超聲波能量通過介質(zhì)傳輸時,各種物理和化學(xué)現(xiàn)象會導(dǎo)致超聲波效應(yīng)。這些現(xiàn)象包括攪動、振動、壓力、沖擊波、剪切力、微射流、壓縮和稀疏、聲流、空化和自由基形成。聲空化是超聲提取效果的主要驅(qū)動力。超聲波能量會產(chǎn)生干擾,當(dāng)定期重復(fù)時,會導(dǎo)致介質(zhì)分子中的膨脹和壓縮循環(huán),從而形成和坍塌氣泡。這種現(xiàn)象增強了溶劑對基質(zhì)的滲透,因為空化氣泡的內(nèi)爆會產(chǎn)生溫度和壓力變化,從而增加分析物向溶劑的質(zhì)量傳遞,從而促進(jìn)分析物的回收。
超聲空化效應(yīng)通常被描述為液體介質(zhì)中的氣泡在足夠壓力的超聲場作用下形成、生長和崩潰的過程。超聲引起的空化效應(yīng)可分為穩(wěn)態(tài)空化和瞬態(tài)空化。當(dāng)液體空心氣泡的體積在連續(xù)高頻超聲條件下逐漸膨脹但不超過臨界裂紋尺寸時,就會發(fā)生穩(wěn)態(tài)空化。在此過程中,空化氣泡體積變化產(chǎn)生的微流在空化氣泡周圍的介質(zhì)中產(chǎn)生強渦流。同時,溶解氣體在介質(zhì)中進(jìn)出氣泡的擴(kuò)散也會在氣泡周圍產(chǎn)生小電流。瞬態(tài)空化是指在連續(xù)低頻超聲的情況下,氣泡的體積迅速膨脹,達(dá)到臨界尺寸后,氣泡破裂并伴有大量的能量釋放。超聲瞬態(tài)空化會在氣泡周圍瞬間產(chǎn)生高剪切應(yīng)力和溫度,并可能導(dǎo)致氫和羥基自由基的產(chǎn)生。氣泡在流體介質(zhì)中的膨脹、收縮、爆炸和內(nèi)爆可能產(chǎn)生極端條件,并在超聲作用中起主導(dǎo)作用。超聲誘導(dǎo)的聲波空化會在水溶液中產(chǎn)生大量的微氣泡,微氣泡的塌陷會產(chǎn)生多種活性中間體(OH、HO2·),引起機械和熱效應(yīng)(例如,沖擊波、高溫、微射流和聲流)。
超聲波清洗器根據(jù)工作頻率的類型,超聲可分為單頻超聲波清洗器、雙頻超聲波清洗器和多頻超聲波清洗器。在單頻超聲設(shè)備的基礎(chǔ)上,通過安裝兩個或多個不同頻率的超聲換能器,由多個超聲發(fā)生器驅(qū)動不同頻率的超聲換能器,從而達(dá)到具有多個頻率的效果。超聲頻率的發(fā)射方式,超聲可分為定頻和掃頻兩種形式。與定頻超聲相比,掃頻超聲的頻率在一定的掃描周期內(nèi)圍繞中心頻率波動。掃頻超聲可以更好地激發(fā)與樣品溶液固有頻率相匹配的共振頻率,達(dá)到更好的處理效果,從聲學(xué)角度來看,掃頻超聲可以產(chǎn)生聲場,更有利于改善空化效應(yīng)。掃描頻率超聲在介質(zhì)中的傳播會導(dǎo)致更強的振動和高加速度,這可能會增加分子運動的頻率和速度,并增加溶劑的穿透力。
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