高分辨超聲波分光儀用于物質分析

超聲波穿過一個給定物質時，物質的內在屬性將對其產生影響，據此可以建立物理和化學的分析方法。超聲波已廣泛用于醫藥領域，但迄今為止在物質檢測方面的應用還很少。在過去，此技術的主要缺點是分辨率低、所需樣品量大且檢測過程復雜，現代技術的發展克服了這些限制，超聲波分光儀在不同領域的實驗室中得到了廣泛應用，包括：化學、農業、食品及制藥等領域。本文所介紹的超聲波分光儀獲得2002匹茲堡會議的編輯獎(Editor Award)。

The propagation of ultrasonic waves through a given material is influenced by the interior characteristics of that material，providing a means of performing physical and chemical analysis．The application of ultrasonic waves is well-known in medicine，but to date there have been very few applications in the fleld of material research．In the past ,the main disadvantages of the technique have been its low resolutlon，the need for large sample volmes,and a complicated measurement process．With the availability of modern technology these limitations have been overcome,and ultrasonic spectrometers are finding a wide range of applications in many type of laboratories?Chemistry，agricultural，food, pharmaceuocal，etc．The instrument described in this artice received an Editors Award at the 2002 Pittsburgh Conference．

    超聲波的物質分析是基于超聲波穿過被分析樣品的參數測量，這些參數可以提供超聲波與樣品內部結構相互作用的信息，因此可用于樣品的物理和化學性質的分析。超聲波在醫藥領域中的分析應用是眾所周知的，如超聲波能穿過不透明的生物組織，用于病人器官的顯象和血液分析等。

　　盡管超聲波在某些材料領域中有其成功的應用，但此技術尚未被作為常規的材料分析手段廣泛地用于研究、分析及實驗過程控制，這主要是由于受其分辨率低、所需樣品量大及檢測過程復雜的限制。

　　用在HR-US 101高分辨率分光儀(Ultrasonic Scientific Ltd.，Dublin，Ireland)中的現代技術，克服了上述的諸多限制。目前超聲波儀器在商業上可廣泛用于各類分析實驗室中，如化學、物理、生物技術、醫藥、食品、農業、環境控制、石油及氣體工業的分析和研究。裝置所需的樣品體積小（典型的為1 mL，一般使用可低至0．03mL）、分析分辨率可低至10^-5％超聲速。都柏林學化學系生物膠體物理化學實驗室利用分光儀分析了生物聚合物??配位體鍵合、懸浮液聚合及乳膠液聚合、顆粒及聚合凝膠結構、膠束形成以及顆粒表面的吸附等。

1 超聲波用于物質分析的優點

　　對物質固有屬性不具任何破壞性的分析，主要是基于對穿過被分析樣品的信號特征的檢測。這些特征反映了信號與樣品內部的相互作用。任何信號都是波的組合，但只有一種波即電磁波(振蕩的電場和磁場)在物質分析中起作用。這種能夠探測物質電磁性的波，在一些常用的方法中得到應用，如光學光譜和它的派生光譜(紅外、紫外、旋光分光、熒光等)、核磁共振(NMR)及介電(微波)測量等。只有在高頻(聲頻范圍內)時超聲波才與聲波相同。

　　在超聲波中，由于振蕩壓力(普通壓力)引起壓縮振蕩(機械形變)時，將產生流變學波，因此超聲波參數具有簡明的彈性和粘性意義。經典流變學處理的是慢速或低頻（小于1kHz)形變，而超聲波中含有快速或高頻(大于100kHz)形變。

　　超聲波的優點如下：

　　(1) 超聲波能穿透多數物質，使其分析樣品的范圍廣，包括無透光性物質。

　　(2) 超聲波探測的是物質的彈性(而不是電磁性)特征，這對分子內的相互作用尤為靈敏。超聲波的壓縮改變了樣品的分子間距，此間距代表分子間的排斥力。由于傳播介質的彈性差異，聲音在水中的傳播速度要遠大于(5倍)其在空氣中的速度。超聲波參數對分子間的相互作用具有高靈敏度，因此那些使用其它技術難于或無法分析的分子作用過程，用超聲波進行分析。

　　(3)產生和改變高頻率超聲波的波長要相對容易，因此，HR?US101超聲波分光儀無需諸如動力流變儀中的大型激發器、大體積的光源及其它光學部件。這表明可以制造耐用的、具有多種分析功能的儀器，以進行快速、無破壞性的多功能分析。

2高分辨率超聲波分光儀參數測定

　　傳統的超聲波分光儀是基于超聲波衰減的測量，即測量被分析介質的超聲波透過率。超聲波中壓縮和抗壓縮過程中的能量損失決定了衰減值，因此衰減值可以用介質的粘度或縱向損失系數來表示。引起能量損失的兩個主要因素如下：

　　(1) 不均一樣品(乳液和懸浮液等)中超聲波的散射??這是超聲波測定粒子尺寸的基礎。

　　(2) 快速的化學弛豫??超聲波中由于壓力和溫度的周期性變化而引起的化學反應平衡位置的周期性變化。

　　平衡位置的弛豫導致了附加的能量損失。這使得對快速化學動力學過程進行超聲波分析成為可能。

　　超聲波分光儀中測定的第二個參數是超聲波的速度。超聲波的速度是由超聲波中樣品的密度及其對振蕩壓力的彈性響應所決定的，可以用壓縮系數和累積系數(縱向)表示。這一參數對被分析介質的分子結構及分子內的相互作用非常靈敏，用于物質化學性質的分析，是高分辨率超聲波分光儀應用的重要組成部分。然而，超聲速的廣泛應用要求極高的測量分辨率(優于10^-4％)，這在過去是阻礙超聲波應用的主要問題。HR-US101分光計，其分辨率可低至10^-5％，使所有潛在的超聲波分析應用成為可能。

　　高分辨率超聲波分光儀的典型應用包括結構分析和粒子尺寸測量、化學反應的檢測和分析、熱分析和相轉變、液體性質的分析、聚合物和生物聚合物中構型變化的檢測和分析、膠束化、配位體?聚合物鍵合及抗原?抗體反應、水合作用、聚合作用和凝膠作用以及組成的分析。

　　圖1通過測量淀粉酶在水解麥芽糖過程中超聲波速度的變化，來說明超聲波分析淀粉酶在25℃時的活性。將5μg淀粉酶加入到3.5 mmol／L麥芽七糖水溶液中，隨后對超聲波速度的變化進行連續監控。水解能引起超聲波速度的增加。可以把超聲波曲線換算成水解酶作用物的量與時間的依賴關系，如反應動力學曲線，而酶的活性可以由計算獲得。以上測定，無需酶作用物和酶的光學活性以及介質的透光性。

　　圖2表示熔融膠在2％卡巴(kappa)角叉菜膠溶液中的超聲波分析。在測量過程中使用HR-US101的溫度梯度控制。聚合物原子團水合度的增大引起此過程中超聲波速度的增大，從而導致在躍遷溫度處其螺旋結構逐漸消失。超聲波引起凍結的聚合物網狀結構(在超聲波頻范圍內不發生移動)產生壓縮和抗壓縮，當溶劑通過這種凍結結構時將產生摩擦損失，這是導致超聲波衰減下降的主要原因。在此系統中，高分辨率超聲波分光儀能夠檢測聚合物的凝固點和凝固間隔，分析聚合物結構的轉變形式(由超聲波速度)和凝膠網絡的特征結構(由超聲波衰減)。

3超聲波分光計的主要特點

　　HR-US 101的標準設備配置有1mL的超聲波池。超聲波池的結構允許進行樣品攪拌。其平壁的幾何結構包含任意的孔穴和尖角，并易于灌沖、再灌沖、清洗和消毒。此超聲波池可適用于腐蝕性液體如強酸和有機溶劑，螺旋帽防止測量過程中溶劑蒸發。測量過程由計算機控制，測量結果以圖表和數字格式給出，能夠與Excel^TM(Microsoft，Redmond，WA)以及現有的多數數據分析軟件兼容。用戶可以計算組分濃度、遷移溫度和溫度間隔、酶活性、懸浮液和乳液中顆粗的尺寸、物質中物理和化學動力學過程、鍵合化學計量關系和親和力以及樣品的其它參數。

可以用不同的程序完成測量：

　　(1)溫度梯度：聚合物等物質的相轉變及結構轉變的分析，超聲波參數作為溫度的函數進行測定。

　　(2)動力學：化學反應動力學的分析，超聲波速度和衰減作為時間的函數進行測定。

　　(3)滴定：配位體鍵合、分子吸收及復雜的構型現象的分析滴定過程中，測定超聲波速度和超聲波衰減。

　　(4)多頻：上述所有測定都可在預先選定的頻率范圍內進行多頻檢測。

　　Ultrasonic Scientific能夠提供特定的樣品池如流通池、減小體積池(小至0.03 mL)、非液體樣品(如生物組織、硬式凝膠和脂狀物)池以及廣范圍頻率池(頻率范圍為0.1?20MHz)。上述的特征使得高分辨率超聲波分光儀能夠用于一些其它方法不能完成的分析。另外，在許多分析領域，分光計可與現有的一些分析技術結合成為多用途的儀器。高分辨率的優點使其可以用于低深度溶液的測定，有代表性的是l mg／mL的水平，一些情況下可達1μg／mL的水平。也可用于濃縮混合物，表明其超常的動力學范圍。