谢伯阳 wang yi:功率超声及其在生物加工与制药中的应用

目录
前言----------------------------------------------------------------------------------------------1
一、超声的宏观力学与热学机制----------------------------------------------------------1
二、超声的空化效应与介质的微观力学行为-------------------------------------------5
三、超声对介质电学性质的影响----------------------------------------------------------9
四、超声引发的化学反应及力化学的应用----------------------------------------------11
五、超声在生物加工与制药中的几个具体应用----------------------------------------13
5.1难溶组织的超声水解与活化-----------------------------------------------------13
5.2超声对细胞中有效成分的释放与提取-----------------------------------------13
5.3酶的超声提取及超声对酶的抑制与活化--------------------------------------14
5.4超声对矿物药的分离与活化-----------------------------------------------------14
5.5超声对细菌、病毒的致死与抑制作用-----------------------------------------14
5.6超声对生物大分子的解聚--------------------------------------------------------15
5.7超声在分子生物学中的应用-----------------------------------------------------15
六、结束语-------------------------------------------------------------------------------------16
超声在生物加工与制药中的应用
前言
当人类即将进入二十一世纪、由微电子向信息和生物工程时代过渡之际，美国生物力学委员会在《生物力学未来研究的需要》报告中指出：“工程学对成功地完成生化过程的贡献，集中在生物反应器及其外围设备的设计和运行方面。生化过程的工程学分析包括动量传递、质量传递、能量传递和化学动理学等方面的研究。”
现代分子生物学和遗传工程的方法和进展，为生物加工系统的未来工程应用，提供了非常乐观前景。我国中医药的现代化，对设计有效的生物反应器以及在生物加工和制药中的应用有更迫切的需求和更重要的现实意义。
近年来，利用高压、超声、激光、电晕与低温等离子体、冲击波、磁场、超高频电磁场等以及由它们之间的组合所构成的生物反应器，已成为非常活跃的研究领域，其中有些反应器在实验室及生产过程中得到了应用。
人们利用超声波作为生物学的研究手段已有五十多年的历史。由于超声设备使用方便、安全、设备价格和处理成本低廉，超声对生物材料以及无机材料的处理有较明显的效果，所以能在今天得以广泛应用。
传统超声设备由于功率强度较弱、反应空间小、缺乏对各种参数的控制、缺乏必要的外围设备等原因，使超声不能充分发挥作用，并且也难以将其作为生物加工及制药的手段应用于规模化生产过程中。
将超声设备应用于生物加工及制药系统中，必须了解超声波的基本特性以及超声波对反应物质的作用机理。唯有如此，才能正确地进行工艺设计、设备选型，清楚地知道需要哪些外围设备，需要多大的功率、频率和反应时间，需要控制哪些环境因素，并且清楚哪些物质与环节适于采用超声技术，哪些物质与环节不适于采用超声技术。总之，只有深入掌握这些机理，才能使超声设备充分发挥作用，才能保证获得预期的社会效益和经济效益。
一、             超声的宏观力学与热学机制
作为生物加工及制药系统的超声反应器所处理的多为液——液或固——液等物质形态，
其超声设备多为有一定功率强度的压电式或磁致伸缩式的超声换能器，并将电能转换为介质的机械运动能。换能器的高频振动传递到溶液中，使溶液中各点顺序产生位移，形成疏密相间、周期变化的胀缩，即所谓的纵波。纵波在介质传播时，其频率等于换能器的振动频率，所以溶液中纵波的周期T与换能器振动频率f有如下关系：
T=1/f                                （1.1）
周期T的单位为秒（s），频率的单位为次/秒（Hz，赫兹）。每秒振动1千次常记为KHz。人类听觉上限为16KHz。由于换能器振动频率高于16KHz，所以形成的纵波称之为超声波。
由（1.1）式可知，当频率为f=25KHz及f=1000KHz=1MHz，则周期分别为T=4×10-5s，T=10-6s。
超声波在介质中的传播速度v只与介质的固有力学性质有关，而与频率无关，其表达式为：
v=                      (1.2)
其中v (cm/s)为超声波在介质中的传播速度，Ey (day/cm2 )为介质的弹性模量，µ为介质的泊松比（|横向应变εt/纵向应变ε|=µ），ρ（g/cm3）为介质的密度。需要说明一点，（1.2）式指出的是介质的弹性波速度，而不是超音速的冲击波速度。
由于各种介质的性质不同，所以在不同介质中超声波的传播速度也不同。表1列出四种物质加以说明。
表1
物 质
温度（℃）
速度（cm/s）×105
密度（g/ cm3）
声阻抗率ρv(g/s cm2)
空 气
20
0.343
1.205×10-3
41.3
乙 醇
20
1.17
0.789
0.293×105
水
17
1.43
0.999
1.43×105
玻 璃
3.49
6.03
2.11×105
超声波在介质中传播时，频率f、速度v与波长λ（cm）满足波动的一般表达式：
λ=v∕f                              (1.3)
例如在水中的一种声波振荡器，其f=540Hz，国产的两种超声波反应器的超声波频率为f=25KHz、f=1MHz，三者在水中传播时，纵波的波长分别为264.8cm，5.72cm，0.143cm。这些数据说明超声波的波长很短，所以其传播具有一定的方向性，即成束状传播（而前者为球形波）。一般情况下，当超声波的入射角θ＜15º，即接近于换能器横截面的垂直方向时，超声波能有效地进行传播。正因为如此，超声波反应器的尺寸与换能器的个数、安装的位置等都要有一定的要求，那种期望单单依靠一个较大功率的换能器就可在较大尺寸的反应器中实现超声波的作用是不切实际的。
由于超声波入射角θ与波长λ及换能器截面（声源）的直径D有如下关系：
sinθ∝λ/D                  (1.4)
可见较低频率的超声波和较小的换能器截面则有较大的入射角，若超过这一角度则很难接收到超声波的能量。所以，待处理的物体（如装有反应物的容器）应置于2θ的锥形区域内。
超声波在一定容器、一定介质中传播时，由于容器壁或其它阻碍物的反射和声波的连续运动，经过一定时间后，可在确定位置上存在波形的相互加强与互相抵消，从而使波幅形态形成稳定不变的状态，此种波形称为驻波。波幅加强处为驻波的波腹，相互抵消处是驻波的波节，两波节间距离为λ/2。由于在波腹处有激烈的扰动，可使细小颗粒物质聚集在波节处形成凝聚。通过超声凝聚可对某些物质进行分离。如果是利用超声进行均质、分散，则应避开驻波的形成，此时可通过外加搅拌，不仅可破坏驻波生成的条件，并且有助于均质与分散。此外，介质的粘度对驻波生成有较大影响，即粘度的增加可减少驻波的生成。
如果溶液体系的固有频率（基频与倍频）与超声频率相接近时，则发生共振。通常是通过反应器中加入的溶液数量来调整共振点。当共振时，介质的质点发生强烈的振动，这不仅有助于均质、分散，同时有助于产生超声空化以及由空化引起的其它效应。但是长时间在共振状态下工作，易导致设备寿命的降低。
超声波在介质中传播时，介质的运动量可由ρυ之积来表示。超声波在两种介质中通过界面进行传递时，若两种介质的ρυ值相接近，则容易传递，即通过的能量很多；反之，两介质的ρυ值相差较大，难以传递，通过的能量也就很少。所以，常将ρυ称为声阻抗率，记为R（=ρυ）。
和一般声波一样，超声波从一种介质传到另一种介质的分界面时，将有部分能量透过界面进入第二种介质中，若不考虑能量的转化与损耗，则余下的能量又返回第一种介质（只是改变了相角）。反射回多少能量则与两种介质的声阻抗率有关：
E = E0  2         （1.5）
式中E为反射回的能量，E0为入射的能量。由（1.5）式及表1中ρυ的数据可知，固体或液体的声阻抗率都远大于空气的声阻抗率，所以空气与固体或空气与液体界面反射能量与入射能量之比（E/ E0）接近于1，即E≈E0。这表明声波几乎不能通过固体与空气的界面，以及只能较少地通过液体与空气的界面。而声波通过液体向固体，或通过固体向液体传递时，就会有较多的能量透过界面传递过去。对于放入水中进行超声处理的生物组织（如皮、血液、内脏等），由于这些生物组织与水有相近的声阻抗率，使得超声可在水与生物组织之间少有阻碍地进行传递。所以，这是超声在生物系统中可进行有效处理的重要原因之一。
超声波在液体中的频率和传播速度都很高，所以在很少的振动周期内，可以近似地认为介质来不及进行热交换，是没有能量损耗的封闭、绝热系统。然而，事实上超声反应器与介质体系是一非封闭的开放系统，并且，超声波所通过的固体或液体都存在一定的阻尼，或有一定的粘滞系数，所以经过一定周期后，超声波在固体及液体中必然产生明显的能量耗散。又因为超声波在介质中形成的稀疏与压缩的连续过程中也存在着因热传导而导致的能量损失。
G.G.stokes的研究表明，由粘滞而吸收的声能为
（1.6）
其中η为介质的粘滞系数。
G.Kirchhoff的研究表明，因热传导而吸收的声能为
（1.7）
其中CP为定压比热，K为两种比热的比值，K为导热系数。于是，由粘滞内耗与热传导共同引起的能量吸收可表示为：
（1.8）
由（1.8）式可知，对于较高频率的超声波通过粘滞系数大的介质时，可在较短时间内就能使系统的温度上升甚大。为了使换能器和反应器能正常工作，必须控制超声的处理时间；条件允许情况下，尽量采用较低频率的超声发生器；进行强制冷却。
由于在很多情况下是利用超声反应器进行组织或细胞粉碎，对某些物质进行分离、提取、活化、灭菌、溶液的乳化、生物大分子的解聚以及引发其它的化学与生化反应，这些工作多需要系统有较低的温度，此时，对反应器中的介质必须采取相应的冷却措施以保证反应系统有较低的温度。为此，有时采用冷水循环、或加入冷套、或加入冰块、或采用脉冲超声等，都可减少超声引起的热效应。但是，在应用超声波对癌症以及其它疾病进行治疗时，以及在工业中的超声粘接、焊接过程中，都是充分利用超声产生的热效应。
超声波的各种效应与换能器的功率N（W）和换能器的横截面积A（cm2）的比值有重要关系。称N/A（W/ cm2）为超声反应器的功率强度，通常将
N/A=0.2～1.5W/ cm2             称为弱强度超声
N/A=1.5～3.0W/ cm2             称为中强度超声
N/A>3.0W/ cm2                    称为高强度超声
用于生物加工的超声反应器多为N/A≥1.5W/ cm2（有时称为功率超声），其频率通常在20KHZ～1MHZ 。
由于生物加工所用的超声反应器有较大的功率强度，因此在介质中传播时可形成较大的宏观压力。这种宏观压力一是纵波引起的交变压力，另一是不变的辐射压力。其中交变压力的最大压强Pmax为：
Pmax=0.5ρvωΑ2                                    (1.9)
式中ω=2πf，f为超声波的频率，A为质点振动的振幅。由振动器件的频响特性可知，频率越高，振幅越小。以f=30KHZ的超声波在水中传播为例，若质点振幅A=0.03cm，代入（1.9）式可得Pmax=1212×104day/ cm2=1212Kpa，将近12大气压。
超声的辐射压强可表示为：
(1.10)
式中Ê为能量平均密度，α为比例常数。通过实验测得的结果表明，Pr大约为1~2 Pa，远远小于交变压强的最大值，所以介质所承受的压力几乎就是纵波引起的交变压力。这一交变压力虽然不能对介质的结构构成破坏，但是，可使溶液各点获得相当大的动能，使其相互间有更多的碰撞机会，因此，通过超声的宏观力学作用，足可使反应器中介质达到均匀分散的效果。
事实上，超声可在介质中产生高于1000大气压的巨大压力，足可以使固体结构破坏、颗粒进一步粉碎、细化，使互不相溶的液体均质、乳化，使分子的化学键断裂，进而使其降解、改性、活化等等。但是，超声的这种巨大作用效果，是不能单靠力学，尤其是宏观力学所能解释的。
二、超声的空化效应与介质的微观力学行为
超声反应器能应用于生物加工过程，主要靠超声的空化效应、超声空化对均质、乳化、
粉碎、反应物的化学与生化反应以及介质的电学性质的变化等都有决定性意义。
超声空化是指强大的超声束作用下，液体中微小空腔的产生与溃灭以及对周围介质所产生的一系列效应。
目前对空腔的形成较为一致的看法是，溶液内存在着原始的充气或不充气的微小“颗粒”或强度薄弱点（如在不同的介质界面上）形成所谓的空腔的“核”。当强超声束使溶液产生激烈运动时，就可以使这些“核”进入超声场的最强区域。由于超声波周期性张力与压力，使这些微小的“核”可在张力造成的稀疏状态时形成空腔。由于微小空腔在长大、收缩的振动中汇聚而又不断长大，空腔的固有频率也随
A
空腔长大而变化。当空腔的固有频率与超声频率接               •A
近或相同时，则发生共振，此时，空腔在外部压力
作用下失稳而即刻破裂形成局部的爆炸。在空腔爆                     图1-1
炸的瞬间，空腔附近介质迅速压向空腔，使空腔附近形成强烈的稀疏区，此区域内介质的各点受到瞬间极强烈的张力作用（如图1-1所示），同时也为周围的小空腔或“核”进入这一强烈的张力区域以及为稍远一些的介质生成新的小空腔与“核”创造了条件。这样周而复始，持续不断的空腔爆炸和无数的空腔聚集便可形成肉眼可见的羽毛状云雾，并可听到空腔不断破裂的嘶嘶声。若超声功率强度较大，或当介质体系与超声发生共振时，可有更多的空腔破裂而产生刺耳的尖叫声。
破裂前空腔的几何尺度、空腔破裂形成的压力、空腔从最大尺寸到破裂所需要的时间，显然这是重要、也是令人感兴趣的三个问题。
F.D.Smith给出了空间半径r(cm)与超声频率f(Hz)的近似表达式：
(2.1)
其中f为超声波频率，r为球形空腔半径，γ为空腔内气体的比热，P0为空腔外部液体的压强，ρ为液体的密度，σ为空腔与液体界面的表面张力。以水为例，假定P0=106day/cm2，f=60KHZ，γ=1.41，ρ=1g/cm3，此时2σ/ r可忽略不计，于是得：
F(HZ)      103      104        105         106
r(mm)     3.3      0.33      0.033      0.0033
由上述数据可以容易地算出不同频率的超声波空化时最大空腔半径。例如某一超声波反应器，f=30KHZ，其空化时最大空腔半径r=0.11mm。
空腔破裂前，空腔内部近于真空，但不是绝对真空，即残存有极少量气体，否则空腔破裂将产生无穷大的压力。L.Rayleigh给出球形空腔附近一点A的压强近似表达式：
P=P0                          (2.2)
式中P0为远离空腔的液体宏观压强，P为空腔附近一点A当空腔破裂时的压强，A点距空腔的中心距离0A= r0。由于空腔内还残存有少量气体，所以空腔破裂过程是半径为r0的最大空腔缩减成半径为r的极小的空腔。设r仅为r0的二十分之一（r0=20r），P0=106day/cm2，
则附近一点A的最大压强P=1260大气压（=0.126GPa）。
空腔由r0缩减至r的完全破裂时间由下面的近似表达式给出：
(2.3)
如果式中r0=0.01cm（相当于30KHZ超声波空化时在水中产生的最大空腔半径），ρ=1g/cm3，P=1000大气压，则t=2.89×10-6s（2.89微秒），该时间也是压力由P0上升到P的时间，所以可由t的倒数来表示其应变速度，上例t-1=0.34×106/s。
可是，超声波引起微小空腔破裂时，在空腔附近的介质受到强烈的冲击作用。应指出，超声波的这种冲击作用与炸药爆炸等产生的冲击波相比要小许多，对此，表2作一粗略的比较。虽然，超声空化作用的强度低于强冲击波（激波），但是由于冲击波反应器反应空间小，
表2
Pmax
应变速度
作用时间
作用范围
超声空化产生的冲击作用
0.1GPa
106/s
持续、长时
短程
炸药爆炸产生的冲击波
10~102Gpa
1010/s
10-5~106s
长程
处理的材料有限，反应器价格昂贵，操作不十分安全，所以激波化学、激波生物化学目前只能限于在实验室中进行。
R.S.Silver对空腔靠近固体边界的情况进行了较详细地计算。若空腔半径r0≥10-4cm
(1μm)，则空腔破裂时在固体表面可产生的最大压力可达0.1Gpa（1000大气压）。这一数值与L.Rayleigh给出的数值是较为接近的。由于许多材料，特别是非金属材料的宏观破坏强度接近或低于0.1Gpa，所以超声空化可使一些固体颗粒进一步粉碎、细化。
Willard对超声空化情况下的声压幅度进行过多次实验测试，结果表明，空化时液体最大压强仅有0.02Gpa（20大气压）。显然，这一结果比前面的计算值（0.1GPa）少了50倍。为了解释这一矛盾，也是为了深入理解在超声空化作用下，介质的力学行为以及更好地利用空化效应，将现代的连续介质的破坏与损伤理论作一简单介绍是必要的。
连续介质的破坏与损伤理论（如Fracture Mechanics and Damage Mechanics）形成于60~80年代。结合超声空化可将这一理论的基本观点概括为：
（1）连续介质存在原始的微小缺陷如裂纹、杂质、空洞及强度薄弱处。由于缺陷几何尺度微小，在宏观应力作用下，微小缺陷顶端（或边缘）具有应力（应变）趋于无穷大的奇异性（如图2-1所示）。因此，缺陷及其附近介质的力学状态不再适用于传统的线性分布理论，也不再适用于位置单值函数所确定的关系。由于缺陷      P
附近各点的应力（应变）远远大于远离缺陷的平均宏观应      ↑P0
力（应变），当缺陷尺寸或宏观应力（图2-1中的P0）达                             r
到某个限度，即使这一应力水平低于介质的宏观破坏强度，    ↓ P0           图2-1
也可导致原始缺陷的快速扩展，进而可能造成整体的所谓低应力破坏。
超声空化时，液体中小空腔的边缘及其周围所形成的压力——张力也具有分布的奇异
性，并且其数值也远远超过纵波产生交变应力的最大值，Willard的实验只能是对远离破裂空腔所测得的平均压力，因此，Willard的实验结果与Rayleigh的计算并不矛盾，并且反映了连续介质微小缺陷的应力分布理论适用于超声空化过程的力学规律。
（2）对于一般材料（介质），原始缺陷在一定的宏观张力作用下可长大、沟通，形成较大的缺陷，同时在其附近又可形成新的缺陷（如图2-2所示），  ↑    ↑     ↑   ↑po
从而增加了介质的缺陷密度，增大了缺陷及系统的表面自由能。                   o
当表面自由能增加到一定限度将转化为机械功，导致原有缺陷    ↓   ↓     ↓   ↓po
形态甚至整体的破坏。                                           图2-2
同样，超声在介质中形成的小空腔，在周期性张力作用下运动、聚合、长大，同时形成新的小空腔，增加了原有小空腔及系统的表面自由能。当空腔表面自由能达到一定限度，或空腔尺度扩展到如（2.1）式所确定的临界值时，表面自由能将转变成空腔破裂所作的功。
（3）介质在较低的循环应力作用下，可在介质的局部产生微小、不可恢复的形变。经过一次周次循环应力的作用，这种微小、不可恢复的形变可得到逐渐地积累。积累的结果可使微观结构发生不可恢复的永久变化，如缺陷与位错密度的增加、晶体键角的改变、结晶与非结晶区域的变化等，从而导致介质宏观性能的“劣化”，即造成所谓“损伤”。损伤的宏观力学表现为应力松弛、应变滞后、弹性（模量）性能下降等。
在损伤理论中，损伤度的定义可用宏观力学量来加以描述。J.Lemeitre最早给出的定义是：
D=1 -                           (2.4)
其中Ê= dσ/dε为介质损伤时的弹性模量，E为介质无损伤时的初始弹性模量。由于 ≤E，
所以              0        无损伤
D=                          0≤D<1
1              完全损伤
生物材料在超声空化的持续、长时作用下，容易在键合力的薄弱处产生损伤。常见的积累损伤如生物膜通透性增加、生物组织逐渐被水解、化学键的断裂、生物大分子的高级结构逐渐被破坏、分子量的逐渐下降等。这些微观结构的变化导致介质的粘度、溶解度、浸润性、表面张力等宏观物理、化学性能的逐渐改变。Baramboim利用超声导致大分子聚合物分子量的变化，提出如下参量来描述解聚即分子结构的损伤：
Φ=                 (2.5)
其中Mt为t时刻的分子量，Min为初始分子量，Mlim为极限分子量。当分子量由Mt向Mlim逐渐变化过程中
0     Mt=Min      无降解（无损伤）
Φ=
1     Mt=Mlim     完全降解（完全损伤）
一般情况下0≤Φ<1。可见（2.5）式是用分子量的变化参量Φ来描述大分子或聚合物的降解，即损伤的过程。所以（2.4）与（2.5）两式不仅形式相同，而且两式表明的物理意义（结构损伤程度）也是一致的。
空化效应是超声反应器的重要作用机制。可在较低温度下，持续、长时地产生空化，这是超声反应器有别于其它反应器的主要特征。由于超声空化效应可在介质中产生巨大应力、应力梯度与应变速率，所以，力学的破坏、损伤是超声对生物进行机械加工、处理的主要作用方式之一。由力学破坏、损伤可使固相颗粒细化、增加比表面积与原子裸露程度，可使生物大分子、聚合物的某些化学键断裂、解聚，增加介质的自由能，提高反映的化学势，从而降低了反应物的反应活化能，所以超声的机械作用可引发介质的化学反应，可提高物质的化学与生化的反应活性。
针对不同的物质和不同的加工目的，对超声空化效应的要求也有所不同。因此，首先需要掌握何时、何种情况需要空化，其次应掌握如何加强空化、如何避免或适度的空化。为此，需要在具体操作过程中，采取必要的手段，如控制反应物的数量、选择合适的容器、控制反应或处理顺序、控制反应时间与温度、介质的成分与浓度，以及考虑加入适当的如搅拌、振摇、辐射等辅助设施。
三、超声对介质电学性质的影响
在液相介质中，超声的纵波和空化效应都可能改变介质的电学性质。介质电学性质的改
变不仅影响介质的宏观力学形态，更为重要的是将与介质的化学与生化反应直接相关。
对于生物组织乃至其最小单元都是有一定的介电常数的电介质，并且它们又都具有一定的压电性，所以，在液相中，由于超声纵波的交变应力作用，可以使生物组织及其单元显现出一定的电极性，并且可产生出一定的交变电压，其频率与超声频率相同。但是，一旦超声作用停止，这种因压电性而在外界交变电压作用下产生的极化便立即消失。
在液相中，超声空化效应在导致反应物分子的化学键断裂的同时，可使原子外层电子的能级发生变化，或夺取或丢失电子。如果这种变化是使价电子丢失，则使原来的分子成为带有正电荷的原子团；若夺取电子，则将使有机物分子的端基可能形成带有负电荷的官能团。总之，超声的持续空化，就可以使原有的极性分子进一步极化，增加其偶极矩，以至获得永久性形变。超声的持续空化也可以使极性较小甚至某些非极性分子获得一定的永久变形而表现出一定的电极性。这些由超声空化效应导致的极化，可以在停止超声作用后仍能得以长期保留或继续保留一定时间。
超声引起介质微观的极化是均匀、无序地分布，但是可使介质的宏观电性发生改变，譬如介质的电阻、介电常数、电导率、电粘度、电触变性等，这些性能的变化都可以通过实验来进行测定。值得注意的一个问题是，由于超声极化可导致某些分子的感应，并聚集形成沉淀以及同极性电荷微颗粒互相排斥而造成附壁，从而影响溶液物理形态的稳定。
超声空化效应的破坏作用可使物质形成新表面。无论是无机物或有机物，都会在新形成的表面上富集电荷，例如，生物组织的断口（或在体的组织上形成的伤口）上会富集有负电荷。对于超声形成的小空腔内侧，却有正、负两种等量电荷，分布在相
对的腔壁上（如图3-1所示），并形成一定电位。随着空腔的长大，腔内
的电荷量与电位也在增加。当空腔破裂时，正、负电荷中和，形成脉冲放    图3-1
电。持续的超声空化，就形成持续的脉冲放电。所以超声空化释放的能量是由巨大压力下的空腔破裂和正负电荷中和放电两部分组成。超声空化效应在局部所释放出的巨大能量，不仅可使化学键断裂，使分子处于激发状态，并且可使远离质子的饱和成对电子游离，从而使原有的分子、原子或离子成为带有弧电子的自由基。由于自由基的寿命很短，所以自由基本身并不影响介质整体的电性，它只能在电子交换所引发的化学反应中来改变介质的宏观性能。由于自由基化学活性极高，所以可引发一连串的化学反应。
介质的极化、持续脉冲放电及自由基的形成都可以影响介质的化学与生化反应，因此，除空化效应外，空腔破裂引起的介质极化、脉冲放电及自由基都是超声引起介质化学与生化反应的重要机制。
由于介质的极化、脉冲放电的强度以及自由基产生的浓度都与超声的功率强度、空化效
应等直接相关，因此，若想控制介质的极化、脉冲放电与自由基的产生，则必须控制超声的功率强度、空化效应以及与其相关的（如温度等）参数。
强磁场与高压静电场也都可以使介质的宏观电性发生变化，特别是高压静电场对介质有强烈的极化效果（也可形成较高浓度的自由基），但是，与超声对介质极化的机理所不同的是，高压静电场对介质的极化主要是通过感应极化或通过高能电子的注入来实现的，并且表现出极化的整体性和有序性。
四、超声引发的力化学反应
大量实验表明，只有达到一定功率强度的超声，并维持在空腔附近产生高压、脉冲放电
等空化效应，超声才能在液体系统中引发化学及生化反应。
近年来的研究表明，超声空化引发的化学及生化反应属力化学反应。力化学反应的主要机制为自由基反应历程。
力化学（Mechanochemistry），简言之是机械应力引发的化学反应。力化学于60年代初
由H.K.Baramboim等前苏联学者所创立，但直到80年代方被普遍接受。力化学的主要内容与观点为：
（1）       力化学反应的基本方式为自由基反应，即
R－R→R·+ R·或M+→R·+R·分子或离子的分解
R·+R·→R－R或R·+R·→M+结合或回反
R·+R→R+ R·或R·+R－R－R→R+R－R·—R取代与转移
R·+R·→R+R                              歧化
R·+A·→R－A（自由基受体）               被受体俘获而中和
（2）       对于水基溶液，首先是水被解离，主要表现为：
H2O→H·+·OH   ，   H·+·OH→H2O
·OH+·OH ←→  H2O2
对于溶液中溶解有氧，则经激活后可增加其氧化反应：
O2 → O·+ O·
O2  + O·→ O3·
超声空化效应可在分子链断裂处或化学键薄弱处形成自由基，使之成为化学反应的活跃点。
（3）       力化学反应特点及力化学反应的影响因素
4.3.1原始分子量（Min）对热化学反应虽然不明显，但却是力化学反应的敏感因素，
即生物大分子、合成的高分子聚合物等易引发力化学反应。
4.3.2键的强度、分子链的刚度、分子的组成形态（如缠绕的网结构、链结构等）及其
分布对力化学反应有明显影响，并表现出明显的选择性，即容易在链的中间及键合的薄弱处产生断裂，在主链或交联键处产生自由基或形成新的官能团。
4.3.3因高温时自由基寿命低，所以力化学反应有负的温度系数，即温度越低，力化学
反应越明显。这与热化学反应有正的温度系数恰好相反。
4.3.4应力水平、应变速度越高，力化学反应越激烈。
4.3.5反应介质，尤其自由基受体明显影响力化学反应进程与结果。
4.3.6许多加载方式或物理条件均可引发力化学反应，如机械高压、强冲击波（激波）、
电磁场、电晕与低温等离子体等。
由上述力化学反应特点及力化学反应的影响因素可知，超声反应器可在生物加工及
制药中发挥如下作用：
（A）生物加工的对象多为有坚韧保护组织的植物根、茎、叶、果实，或有坚韧生物膜保护的动物细胞与组织，这些保护组织又多有生物大分子所组成，并形成排列紧密、具有强度高、刚性大的结构。由于超声空化产生强烈的压力、张力，可导致坚韧保护组织的破裂，而构成这些组织的生物大分子及其刚性形态则对力化学反应敏感，可使保护组织的部分大分子解聚、水解，从而达到组织破碎的生物加工的目的。
（B）生物加工的目的多在于提取生物组织中的有效成分，而这些有效成分都是各
种化学键与其它成分有机地、牢固地结合在一起。由于超声空化引发的力化学反应具有选择性破坏各成分之间的键合，从而可使有效物质从胞内、或胞壁、或组织中被溶出、释放。
（C）由于超声反应器可维持长时，持续的高应力和保持一定浓度的自由基，因此对于
反应器中的物质可在较长时间内具有较低的化学反映活化能，从而使其能充分地进行某些化学与生化反应。特别是生物组织在空化及其引发的力化学反应过程中，由于存在一定浓度的自由基，可使生物组织在没有酶的参与下也可发生类似于酶解的反应，即使是一些难溶解的生物组织也可部分被水解。
（D）在生物加工，特别是在生物药制取过程中，往往需要获取有较高生物活性或生理
活性的物质。通过超声空化及其引发的力化学反应，可使大分子量降解成易于机体吸收的小分子量的生物物质；或可以破坏某些生物大分子的高级结构，使其保留具有药效的一级结构：或者可以通过接入新的官能团，或通过改变分子的微细结构（如键角、晶区分布的改变等）使其具有后活化的效应。
（E）由于高温下自由基寿命低，所以力化学反应要有较低的温度环境。对于超声反应
器来说，可以容易地将系统的温度控制在25℃以下，这对于生物加工及制药都是极为重要的，这尤其是对于在高温下易变性的蛋白质；对于极具药效价值的低沸点物质（如挥发油等）的分离、提取；对于在高温下易分解的维生素C等生物物质的提取及分离过程中，可以说，超声反应器可发挥特殊、重要的作用。
（F）超声空化及其引发的力化学反应极易导致氢键的断裂，但是，当超声作用中止后，
氢键仍可按热力学规律重新键合。如果，由于超声的活化，降低了反应活化能，提高了反应物的极化率，则氢键的键合可以超过未经超声处理前的程度。所以，对于含有一定极性基团的溶液，经超声处理后会提高溶液的氢键缔合度。
五、超声在生物加工与制药中的几个具体应用
超声在生物化学中传统的应用，只限于生物组织的裂解、匀浆以及对悬浮液等的分散，
这已是实验室中的常规技术，有关这方面的内容在生物化学或相关技术的书籍中均有记述。对于超声用于均匀分散及液一固、油一水等系列的乳化并将其用于改进制剂的剂型，目前也较普遍地应用于食品与制药工业中。
随着大功率超声以及相关技术的出现，对超声作用的机理被进一步认识，为超声技术在生物加工与制药中更广泛地应用提供了可能。
5.1超声对难溶解的坚硬生物组织的水解与活化
对于植物的种子、花粉的坚壳、动物的角蛋白、壳蛋白等难溶解、坚硬（韧）的生物组织，通过超声空化及其引发的力化学效应，在施加机械破坏的同时，可使这些组织部分水解。例如作为中药上品的珍珠层粉，由于其强度高、硬度大、溶解度非常低，所以在传统的炮制过程中，其有效成分的应用效率十分低下。通过在低温条件下，对其进行超声和辅以其它手段的处理，珍珠层粉的粒度可细化到十几微米，并且可得到相当数量可溶性的游离氨基酸、牛磺酸等药效成分，经显微镜观察，其微粒的孔隙发达：经红外测定表明，其主要特征吸收峰均有明显改变，可以说明经超声处理后的珍珠层粉具有较高的生理活性。
5.2超声对细胞中有效成分的释放与提取
由于超声空化效应能有效地破坏细胞壁，所以可使细胞中有效物质被充分释放。例如忽布（啤酒花、药村）经超声提取，要比传统的方法提取，其效率会提高68～85%。
利用超声提取植物中的黄酮类以及其它多糖物质，不仅可提高提取效率，并且可抑制酶对某些多糖类物质的分解，并可防止某些低沸点物质的丢失。例如黄芩苷用超声提取10min，要比传统的蒸煮3h的提取率还要高，并且由于抑制了酶的活性，从而避免形成不溶性的黄芩素。再如利用超声提取菊花中的黄酮类物质，其提取效率明显高于传统的浸泡、渗漉等提取的方法，并且可保留极有药效价值的挥发性物质。利用超声还可提取生物碱、植物色素以及其它物质。这里提出一个值得注意的问题，在提取植物色素过程中，在充分利用原有纤维素酶水解纤维素时，是不能用超声进行处理。所以，利用超声提取细胞中物质，务必注意设计好超声处理的顺序。另外在提取时要注意溶液在超声作用下的化学反应，如醇的醛化反应等，这也需要给予充分地注意。
5.3酶的超声提取及超声对酶的抑制与活化
利用超声可破坏细胞和控制超声的某些参数可从细菌中提取酶。超声提取不仅比传统方法的酶提取要简单，而且酶分子不遭到破坏。
由于酶的结构、性质的不同，对超声作用的反应也不一样。例如氧化酶经超声处理通常变得不活泼，所以可利用超声处理糖浆，来防止蔗糖转变成象葡萄糖那样的生成物。而还原酶、过氧化氢酶等对超声作用则不敏感。至于胃蛋白酶则有不肯定的结果，如超声初始可使其活性增加，然后则受到抑制，或者酶在溶液中的浓度较低时（0.2%）会受到抑制，当浓度高时（10%）则不受影响。根据这一特性，在利用胃蛋白酶进行水解蛋白时，要谨慎使用超声处理。
5.4超声对矿物药的分离与活化
超声对生物材料的分离与活化是充分利用超声的空化及其引发的力化学反应。超声对无机材料的矿物药的分离与活化，除利用空化与力化学效应外还需要超声的驻波条件，分阶段地进行才能达到分离与活化的目的。
例如矿物药甘土，作为法国新药Smecta（消化道粘膜保护剂）的主要成分（含有90%以上甘土），它与天然甘土的主要区别在于几乎无石英成分，并且具有团絮状的微观形貌。为此，可将天然甘土（经Na基化处理后）经超声处理后，再利用超声分散及驻波特性，便可使石英相发生沉积而达到分离的目的。经过超声处理后的甘土不仅具有团絮状微观形貌，并且具有更好的水合性和离子交换活性。
5.5超声对细菌、病毒的致死与抑制作用
超声空化以及由空化形成的氧自由基、过氧化氢等强氧化作用，可使细胞膜结构破坏，并且细胞表面的胶体在超声释放的酶的水解作用下，使细胞内的成分进入到溶液中，导致细菌、病毒的死亡或部分抑制。由于细菌、病毒的种类不同，超声对其致死与抑制的效果也不同。超声处理的时间以及功率强度、频率等，对致死、抑制的效果也有明显的影响。超声对悬浮液中的细菌培养物有明显的致死作用，但是对组织里的细菌，由于受到组织的弹性作用的保护，则致死效果不明显。
大量实验表明，低温、低频率的超声处理有较明显的致死作用与抑制效果，这是与力化学反应特性、负的温度系数和低频率易产生空化效应等直接相关。
5.6超声对生物大分子的解聚
超声对淀粉、琼脂、明胶、阿拉伯胶、蛋白质、壳聚糖等生物大分子有解聚作用。随着分子量的增加，解聚作用越明显，但通常不能解聚到单体。对于大功率强度、持续（超过1h）超声作用，这种解聚往往是不可逆的。所以，当以分解生物大分子为目的的超声处理是可取的，而以生物大分子作为稳定剂时，应谨慎使用超声处理。
例如，肌肉组织磨浆后再经超声处理，可获取蛋白质外，还含有相当数量的小分子多肽以及部分游离的氨基酸。英、美等国家曾对多聚葡萄糖进行解聚以制取人造血浆。
值得注意的是壳聚糖（动物多糖）单纯用超声解聚虽然也有明显的效果，但目前尚未能达到理想的解聚的程度 。
5.7超声在分子生物学中的应用
近年来，超声与分子生物学的结合日趋明显，这种结合包括两方面。其一为超声在分子生物学研究和实践中的应用；其二为超声生物学效应及其应用中的分子生物学。
5.7.1超声在分子生物学研究中的应用
利用超声空化释放细胞中的物质，这已经使超声成为分子生物学研究中一种成功的有力手段之一。近年来，利用超声使基因转化的研究工作开始有较多的报道。
由于超声空化可破坏DNA，同时又可损伤细胞膜，提高细胞膜的通透性，所以可利用超声将目的基因片段导入受体细胞。Wyber报告2.0W/cm2，20KHZ超声辐照30s使质粒进入酵母为对照组的20倍。Kim采用超声将β——半乳糖苷酶基因导入鼠成纤维细胞和软骨细胞，并报告了这种转化的最佳条件。
由于超声可破坏DNA，所以利用超声转化时，可使DNA的完整性受到影响，因此，超声用于基因转化时，基因的转化率与表达率会产生差异。对此，有些学者研究发现，阳离子脂对DNA具有保护作用。于是，用DNA/脂质体复合物转化受体细胞，既能有效导入基因，又可保护DNA的完整性，以利于基因的表达。
实践表明，低频率、低强度的超声有利于基因的转化与表达。此外，Bao的报告提到，试管的旋转可提高基因的转化，这可能是试管的旋转有利于超声的空化所致。
5.7.2超声生物学效应及其应用中的分子生物学
（A）              超声可影响DNA、RNA的生物合成及蛋白质的合成与释放。Doan采用超声
处理培养的牙龈成纤维细胞、下颌骨成骨细胞和单核细胞，研究超声辐照对细胞增殖、胶原和非胶原蛋白合成、细胞因子生成的影响。结果发现，超声可使细胞增殖加速，胶原和非胶原蛋白的合成增加、血管生成相关细胞因子合成增加。此结果提示超声可刺激细胞增殖、蛋白质合成和血管形成。
（B）              恶性细胞对超声较正常细胞敏感。这种生物学效应可能是因为肿瘤组织中处
于分裂期的细胞比例高，DNA、RNA和蛋白质合成旺盛，这正如早期胚胎组织，因而为超声损伤细胞提供了更多的“靶”位点。这一超声生物学效应，对超声的肿瘤治疗，选择最佳的时、点可能会有帮助。
（C）              超声对组织胚胎的生物学效应。这一效应与超声诊断有密切关系，因为随着
超声诊断仪的功率、频率的提高，逐渐在接近功率超声的强度。所以，如何控制超声的剂量，以保证超声诊断的无创性便是一个非常重要的问题。
（D）             超声对细胞的粘附、运动、致突变的影响。
超声可抑制细胞的迁移和粘附能力，这与超声使蛋白解聚、蛋白分子量减少有关。至于超声是否致突变还有争议，这需要进一步明确其分子机制。
六、结束语
随着超声设备与技术的发展，人们对超声作用机理的深入理解，超声在生物加工与制药
中的应用会日益广泛。
本文对超声的基本概念和一般原理只做了简单介绍，重点是对超声的空化效应、介质的极化与超声的力化学机理进行了阐述，其目的是为了在正确理解超声作用机理的基础上更好地应用这一技术。
本文列举的一些具体应用例，其目的在于说明超声作用的机理，因此未能写得更详细、更全面，可在以后的交流中来弥补这一不足。
在生物加工与制药技术中，超声技术只占很小一个方面，但是，如果能将超声与其它技术很好地结合起来，则可能会产生非常大的良好效果。这也是我写这份材料的目的和心愿。