超声波提取法

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

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“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（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60℃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20~45min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（7）处理量⼤，成分易于分离、净化（8）萃取过程成本低（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(DEHP)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N 2

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 。加⼊10µl 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 µ g/g ；DEHP 分别0.106，0.090，0.026和0.0841 µ g/g ．所有植物都检测出了微量的DBP(0.009--0.013 µ g/g )与EHP(0.026--0.106 µ 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

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，安全与环境学报，2006，6（3）：86-）?（1）主要仪器：HP50/5972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⼆氯甲烷溶剂，继续超声提取10min，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 µg，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