1、2014-5-13 1 四、 超声波提取法 （一） 超声波的 概念 1. 超声波的概念 超声波是指频率高于可听声频率范围的声波 ， 是一种频率超过 17KHz的声波 。 超声波在媒质中的反射 、 折射 、衍射 、 散射等的传播规律 ， 与可听声波的规律并没有本质上的区别 。 超声波属于机械波 ， 是机械振动在弹性媒质中的传播 当声音在空气中传播时 ， 会推动空气中的微粒作往复振动 ， 即对微粒做功 。 声波功率 就是表示 声波作功快慢的物理量 。 当强度相同时 ， 声波的频率越高 ， 它所具有的功率就越大 。 由于超声波的频率很高 ， 所以与一般的声波相比 ， 超声波的功率是很大的 （一） 超
2、声波的概念 超声波很像电磁波 ， 能折射 、 聚焦和反射 ， 但超声波又不同于电磁波 ， 电磁波可在真空中自由传播 ， 而超声波的传播则要依靠弹性介质 。 超声波在传播时 ， 使弹性介质中的粒子产生振荡 ，并通过弹性介质按超声波的传播方向传递能量 超声波可以产生 空化效应 、 热效应 和 机械效应 （ 二 ） 超声波提取原理 超声萃取（ Utrasonic Solvent Extraction， USE）技术是由溶剂萃取技术与超声波技术结合形成的新技术，超声场的存在提高了溶剂萃取的效率 超声波是指频率为 20千赫 50兆赫左右的电磁波，它是一种机械波，需要能量载体 -介质来进行传播。超声萃取又
3、称超声提取，即指从某一原料中提取所需的物质或成分 超声作用于液液、液固两相、多相体系表面体系以及膜界面体系会产生一系列的物理、化学作用，并在微环境内产生各种附加效应，如湍动效应、微扰效应、界面效应和聚能效应等，从而引起传播媒质特有的变化 （ 1)空化效应 当大量的超声波作用于提取介质时 ， 体系的液体内存在着张力弱区 ， 这些区域内的液体会被撕裂成许多小空穴 ， 这些小空穴会迅速胀大和闭合 ， 使液体微粒间发生猛烈的撞击作用 此外 ,也可以液体内溶有的气体为气核 ,在超声波的作用下 ,气核膨胀长大形成微泡 ,并为周围的液体蒸气所充满 ,然后在内外悬殊压差的作用下发生破裂 ,将集中的声场能量在极
4、短的时间和极小的空间内释放出来 1、 空化效应 当空穴闭合或微泡破裂时，会使介质局部形成几百到几千 K的高温和超过数百个大气压的高压环境，并产生很大的冲击力，起到激烈搅拌的作用，同时生成大量的微泡，这些微泡又作为新的气核，使该循环能够继续下去，这就是 空化效应 空化效应中产生的极大压力造成被破碎物细胞壁及整个生物体的破裂，且整个破裂过程可在瞬间完成，因而提高了破碎速度，缩短了破碎时间，使提取效率显著提高 2014-5-13 2 2.热效应 超声波在弹性媒质中传播时， 其能量不断被媒质质点吸收并转化为热能，从而使媒质质点的温度升高 ，这种现象称为超声波的热效应 空穴闭合或气泡崩塌之后，其内 “
5、热点 ” 骤然冷却，冷却速度可达 108K/s。这相当于将金属熔浆放入液氮中的急剧冷却速度 3.机械效应 超声波的高频振动及辐射压力 可在气体或液体中形成有效的搅动与流动 ，使媒质质点在其传播空间内进入振动状态，从而可加速细胞内物质的释放、扩散及溶解过程 此外，空化气泡振动对固体表面产生的强烈射流及局部微冲流 ,均能显著减弱液体的表面张力及磨檫力 ,并破坏固液界面的附着层，起到普通低频机械搅动达不到的效果 ,上述现象称为 超声波的机械效应 （二） .超声波提取原理 超声波提取技术的基本原理主要是 利用超声波的空化作用 来增大物质分子的运动频率和速度 ， 从而增加溶剂的穿透力 ，提高被提取成分的
6、溶出速度 。此外 ， 超声波的次级效应 ， 如热效应 、 机械效应等也能加速被提取成分的扩散并充分与溶剂混合 ， 因而也有利于提取 （二 ） 超声波提取原理 利用超声波提取技术提取样品中目标成分时， 首先在液体介质中产生特有的空化效应 ，即不断产生无数内部压力达上千个大气压的微小气泡，并不断 “ 爆破 ” 产生微观上的强冲击波而作用 于 样品上 促使动植物样品细胞破壁或变形，并在溶剂中瞬时产生的空化泡的作用下发生崩溃而破裂，这样溶剂便很容易地渗透到细胞内部，使细胞内的化学成分溶解于溶剂中 由于 超声波破碎过程是一个物理过程，因而不会改变被提取成分的化学结构和性质 其次 ,超声波在介质中传播可使
7、介质质点在其传播的空间内产生振动 ,从而可强化介质的扩散与传质 ,即 超声波的机械效应 ,超声波在传播过程中产生的辐射压强沿声波方向传播时 ,对物料有很强的破坏作用 ,可使细胞组织变形、植物蛋白质变 性 （二 ） 超声波提取原理 同时 ,它还可给予介质和悬浮体以不同的加速度 ,且介质分子运动速度远大于悬浮体分子的运动速度，从而在两者之间产生磨檫 ,这种磨檫力可使生物分子解聚 ,使细胞壁上的目标提取物更快地溶解于溶剂中 再次 ，与其他物理波一样，超声波在介质中的传播过程也是 一个能量的传播与扩散过程 超声波在介质中传播时，其声能可以不断地被介质的质点所吸收，同时介质会将多吸收的能量全部或大部转变
8、成热能，导致介质本身和药材组织的温度上升，从而增大药物有效成分的溶解度，加快有效成分的溶解速度 由于 这种吸收声能而引起的药物组织内部温度的升高是瞬时的，因而不会破坏被提取成分的结构和 生物活性 （二） 超声波提取原理 可见， 在超声波的作用下，中药材中的有效成分不仅作为介质质点而获得巨大的速度和动能，而且在超声波的空化效应、机械效应和热效应的共同作用下而受到强大的外力冲击，从而使提取速率显著提高 2014-5-13 3 （三）超声波提取的主要影响因素 1.浸泡时间 浸泡时间对提取效率的影响实际上是样品湿润程度对提取效率的影响 理论上应将 样品 浸泡至透心为度，这样有利于溶剂 渗入样品组织 内
9、部，从而将有效成分提取出来 但若浸泡时间过长 ，样品组织 内的糖类、粘液质等会扩散出来，并附着 于样品表面 而阻碍溶剂的进入，从而影响提出效率 针对不同 的样品， 可通过实验来确定适宜的浸泡时间 （三）超声波 提取的主要影响因素 2.温度 超声波提取一般不需要加热，但其本身存在较强的热效应，且介质的温度对空化作用的强度也有一定的影响，因此提取过程中对温度进行适当控制也是非常必要的 例如，当以水为介质时，温度升高，水中的小气泡(空化核 )增多，对产生空化作用有利；但温度过高时，气泡中的蒸气压太高，将增强气泡闭合时的缓冲作用，导致空化作用减弱。实验表明，当以水为介质时，超声波提取的温度宜控制在 6
10、0 左右。当采用其他溶剂时，超声波提取的适宜温度可通过实验来 确定 （三）超声波 提取的主要影响因素 3.声波频率 超声波频率是影响有效成分提取率的主要因素之一。研究表明，对于大多数样品而言 ,当其他条件一定时 ,目标成分的提取率随超声波频率的增加而下降 但用超声波提取技术提取益母草总生物碱时，超声波频率越大，提出率就越大，这表明不同 样品 的目标成分都有自己适宜的提取频率 实际应用中 ,应针对具体的 样品 品种和被提取组分，通过实验来确定适宜的超声波频率 此外，由于介质受超声波作用而产生的气泡尺寸不是单一的，存在一个分布范围，因此提取时 超声波频率也应有一个变化范围 （三）超声波 提取的主要
11、影响因素 4.声处理时间 超声提取通常比常规提取的时间要短 一般情况下，超声处理时间在 2045min以内即可获得较好的提取效果 相对于其他影响因素而言，超声提取时间对提取率没有显著影响 例如，在均匀设计法优选超声波提取苦杏仁油和沙枣油的试验中，相对于溶剂用量和超声频率而言，超声时间的影响最小，可以忽略不计 （三）超声波 提取的主要影响因素 5.占空比 超声波的占空比是 超声波的工作时间与间隙时间 (脱气时间 )之比 根据操作方式的不同，超声波提取器可分为 连续式和间歇式 两种类型 连续式超声波提取器的介质中一直有超声波存在，而间歇式超声波提取器在工作一段时间后，即停止一段时间进行脱气 占空比
12、对控制液体中由超声波产生的空化现象及其附加作用有明显 影响 但 占空比对药物有效成分提取率的影响，占空比与其他参数 对样品提取 的效率、杂质含量的交互影响，以及较小占空比是否有利于维持有效成分的化学结构等还需进一步的 研究 （四）、特点 与传统萃取方法相比，超声波萃取具有如下突出特点 （ 1）无需高温。 （ 2）常压萃取，安全性好，操作简单易行，维护保养方便 （ 3）萃取效率高 （ 4）具有广谱性 （ 5）超声波萃取对溶剂和目标萃取物的性质（如极性）关系不大。因此，可供选择的萃取溶剂种类多、目标萃取物范围广泛 （ 6）减少能耗。由于超声萃取无需加热或加热温度低，萃取时间短，因此大大降低能耗 （
13、 7）处理量大，成分易于分离、净化 （ 8）萃取过程成本低 2014-5-13 4 （四） 、特点 目前，实验室广泛使用的超声波萃取仪是将超声波换能器（ Transducer）产生的超声波通过介质（通常是水）传递并作用于样品，这是一种间接的作用方式，声振强度较低，因而大大降低了超声波萃取效率。此外，通常实验室所用的超声波发生器功率较大（ 300W），因而会发出令人感觉不适的噪音（须采取隔音措施或操作期间远离超声波发生器） 超声装置亦分为浸入式和外壁式两种，采用复频共振方式，比单一频率提取效率大大地提高。 （五）、应用 邻苯 二甲 酸二丁酯 (DBP)与邻苯二甲酸二 (2-乙基己基 )酯 (DE
14、HP)是使用量最大的两种邻苯二甲酸酯 PAEs)，美国环境保护署 (EPA)和中国环境监测总站都将它们列为优先控制的污染物 植物样品中 PAEs的测定一般采用 GC或 HPLC，关键在于前处理 前处理的方法主要有超声溶剂提取，硅胶柱纯化 ；索氏溶剂提取，弗罗里硅土柱纯化 ； 以及用溶剂浸泡提取，硅胶柱纯化等 例一 .超声萃取气相色谱法测定植物样中邻苯二甲酸酯 （ 1）、样品 前处理 实验 植物：金鱼藻，黑藻，苦草，微齿眼子菜， 2005年 6月取自太湖 提取 ：将新鲜植物用重蒸水洗干净，然后用吸水纸吸干表面 水份。准确 称取 5g植物置于研钵中，加入 10ml二氯甲烷 和少量无水硫酸钠研磨成匀
15、浆后，移入 150ml锥形瓶，再用 30ml二氯甲烷分数次冲洗研钵，转移到锥形瓶， 超声萃取 15min后 ，滤纸过滤，并用 10ml二氯甲烷分数次洗涤合并滤液，旋转浓缩至约1ml 净化 ：依次 加入 1g氧化铝 (100 00目 )与 2g无水硫酸钠用 10ml石油醚淋洗柱子，弃去淋洗液，待石油醚下降至无水硫酸钠层，迅速加入样品提取液，待其下降至无水硫酸钠层时，加入石油醚淋洗，用石油醚少量多次淋洗浓缩瓶，一并注入层析柱，收集滤液 30ml于尖底瓶，旋转浓缩至约 3ml后用 N2吹至约 0.4ml，转移到 1ml样品瓶，并用 0.6ml石油醚分数次洗涤尖底瓶，合并洗涤液于样品瓶至约 1ml。加
16、入 10l五氯甲苯标液，作为定量 内标 (2)、 结果与 讨论 运用 此方法测定太湖中金鱼藻、苦草、黑藻、微齿眼子菜等四种沉水植物，在金鱼藻、苦草、黑藻和微齿眼子菜中，DBP分别为 0.013， 0.010， 0.009和 0.013 g/g； DEHP分别0.106， 0.090， 0.026和 0.0841 g/g所有植物都检测出了微量的 DBP(0.009-0.013 g/g )与 EHP(0.026-0.106 g/g ) 由此可见 ，该法用于沉水植物中 PAEs的测定效果较好，同时，该方法也适用于蔬菜等其它 植物样品 的 测定 不同萃取方式的比较 不同 萃取溶剂的 比较 (2)、结果
17、与讨论 植物样品的色谱图 例二 . 超声 萃取气相色谱法 测定污泥中的 硝基苯（陈忠林等， 中国给水排水 ， 2006， 22（ 14）： 80-82） 采用超声萃取 - 气相色谱法测定了污泥中的硝基苯 含量 研究 了混合溶剂的比例及用量、超声萃取时间、盐析剂投量等因素对测定结果的 影响 采用 该方法测定以蒸馏水和松花江水为本底制备的泥样时的平均回收率分别为 91.6 97.4 和 83.4 ， RSD分别为 1.9 4.4和 7.1 。该方法简便、快速，从样品预处理到检测完毕只需 90 min 2014-5-13 5 例三 .大气总悬浮颗粒物中半挥发性有机污染物的 测定 （ 吴宇峰等， 安全
18、与环境学报 ， 2006， 6（ 3）： 86-89） （ 1）主要 仪器： HP5890/5972型气相色谱质谱仪，KQ.250DB型数控超声波清洗器， RE一 52AA型旋转蒸发仪， BF-2000A型氮吹仪，智能大容量总悬浮颗粒物无碳刷采样器 (1.5 m3 min)，玻璃纤维滤膜 (25 cm 20 cm，在 400 马弗炉内烘烤 4 h)。 （ 2）样品 前处理：先将采样后的玻璃纤维滤膜剪碎，放入 100 ml锥形瓶中，加入 50 ml二氯甲烷溶剂。将锥形瓶放人 30 超声清洗器中 超声提取 10 min，将提取液转移至 150 ml平底烧瓶中，再向锥形瓶中加入 50 ml二氯甲烷溶
19、剂，继续超声提取 10 min，合并提取液，用旋转蒸发仪浓缩至约 5 ml，然后将样品通过硅胶 C18小柱 (1000 mg 6 ml)净化，用二氯甲烷洗脱至鸡心 瓶。最后 在40 下氮吹定容至 1 ml，用气相色谱质谱仪 (GC/MS)进行定性 定量分析 （ 3）、 结 论 本文方法提取和净化操作简单，效果好，耗时较短，适合于批量样品多种类有机物的定性定量分析，替代物回收率大于 50 ，基体加标和基体加标平行偏差小于 10 ，各物质的检测限均小于 10 g，结果 较好 对 不同时间及地点的环境样品进行测定，结果显示，天津环境大气颗粒物中含有多种酞酸酯类物质和多环芳烃类物质，有的样品苯并 (a)芘浓度超过国家环境标准 SVOC标准物质总离子流图 例四 .超声萃取 GFAAS法测定油脂类食品中 铅 （ 李海等，中国公共卫生， 2001， 17（ 7）： 598） 测定 油脂类食品中铅的含量所遇到的技术难点主要是样品 前处理 由于 油脂比重小于水，采用湿式酸消解法容易发生样品溅 出 提出 了油脂类食品中铅的稀酸溶液超声萃取法。通过试验确定了萃取时间、介质酸度、萃取相体积等方法的技术 参数 回收试验，精密度 试验及与国标法相比的实样测试结果表明本方法各项指标达到分析工作要求，方法快捷简便，无须人工萃取，提高了自动化程度和 工作效率
