基于齒槽型聲輻射單元的非接觸式超聲破碎儀

袁 博，胡俊輝

（南京航空航天大學 機械結構力學及控制國家重點實驗室，南京210016）

0 引 言

隨著生物技術的發展，各類微生物可以為我們提供諸如生物藥品、生物化學試劑、生物柴油、生物催化劑、生物敏感材料［1?2］等生物產品。因為絕大部分有用的細胞產物都位于細胞內部，所以需要使用一定的手段對細胞產物進行釋放。利用某些方法對生物細胞的細胞壁和細胞膜進行破碎，從細胞內部釋放產物的過程被稱為細胞破碎。常見的細胞破碎方法按照是否利用機械作用力，可分為機械破碎法（如珠磨法、高壓均質法、超聲處理法等）和非機械破碎法（如酶處理法、化學試劑法、微波處理法等）［3?5］。在機械破碎法中，超聲破碎法因為能處理低劑量樣品、操作簡便、結構簡單可靠等優點，被廣泛應用于實驗室的細胞破碎。

超聲破碎的設備具有多種形狀和工作方式，按照破碎設備與樣品是否直接接觸，可以分為接觸式和非接觸式兩種［6］。接觸式超聲破碎儀通常采用帶有變幅桿結構的換能器，將變幅桿的端部伸入被破碎樣品的溶液或懸濁液中，變幅桿端部振動在液體中產生的超聲波對細胞進行破碎。接觸式破碎儀的局限性在于：與被破碎樣品相接觸的變幅桿端部會造成交叉污染，在破碎細菌與病毒時產生感染性氣霧；而其優點在于聲輻射端面與液體樣品直接接觸，超聲處理的效率較高。最初的非接觸式超聲破碎儀使用貼有超聲換能器的水槽，把盛有被破碎樣品溶液或懸濁液的密封試管浸入開啟了超聲的水槽中，進行破碎工作。由于超聲波會在試管壁發生反射并在水中發生衰減，故該方法的能量利用效率低、破碎效果差。為解決非接觸式超聲破碎儀的這些問題，美國Covaris公司在2019年提出了利用設置在水槽底部的高頻聚焦型超聲換能器進行非接觸式破碎的方法，該方法能有效提高超聲系統的破碎效果。

為了進一步提升超聲系統的破碎效果，本文提出了一種以周期性齒槽結構為聲輻射單元的非接觸式超聲破碎儀，并對其樣機性能進行了測試與分析。該破碎儀的特點是在普通的水槽式破碎儀中增加了一個周期性齒槽結構，作為聲輻射單元。以螺旋藻作為被破碎對象進行實驗，實驗結果表明：齒槽結構的超聲破碎儀破碎性能優于非齒槽結構的超聲破碎儀。有限元聲場分析表明：這個結構具有一定的聲能匯聚效果，在槽中會產生較大的聲壓，進而提升超聲破碎的破碎效果。

1 超聲破碎儀的主體結構

本文的非接觸式超聲破碎儀的主體結構如圖1（a）所示。整體分為4個部分，從下往上分別是換能器、水槽、齒槽結構的聲輻射單元、試管支架，實際樣機如圖1（b）所示。工作時水槽中充滿水，作為聲介質。最底部是頻率為33.3 kHz的夾心式超聲換能器，換能器上方粘有一個由不銹鋼制作的水槽，尺寸如圖1（c）所示。水槽長90 mm，寬80 mm，高50 mm，由厚度為1 mm的不銹鋼板構成。水槽底面上方粘接了鋁合金材質的周期性齒槽結構作為聲輻射單元，其尺寸如圖1（d）所示。為了能利用齒的縱向振動對齒間的水進行勵振，采用三角形齒。1.5 mL規格的尖頭離心管作為樣品試管，其材質是聚丙烯塑料。

圖1 非接觸式超聲破碎儀的主體結構與尺寸

由于試管尖端需伸入齒槽中，所以齒間距應大于離心管直徑。實驗中離心管的圓柱部分直徑為10 mm，齒和齒之間的寬度設計為15 mm。為了使得齒間聲壓較高的區域能覆蓋試管中被破碎液體的區域，齒的高度需要大于試管內液體的高度。實驗中尖頭離心管的錐形部分高度是15 mm，齒的高度設計為20 mm。為了便于在齒間發生足夠強的聲空化，選用工作頻率在30 kHz附近的低頻換能器。

2 工作聲場的有限元分析

為了確認周期性齒槽結構的聲聚焦性能，我們利用COMSOL有限元軟件對破碎儀的主體結構進行了振動與聲場分析。首先，基于破碎儀主體結構的尺寸與材料，建立了如圖2（a）和圖2（b）所示的三維物理模型，用于對壓電?固體振動?聲的耦合場進行有限元分析。壓電片材質為PZT?4，相鄰壓電片的極化方向相反。換能器的前后端蓋材質分別為鋼和鋁，水槽材質為不銹鋼（SUS304），齒形結構的材質為鋁合金（2024）。水槽中水域的高度為30 mm。有限元模型中的邊界條件設定如下：水和空氣的界面為軟聲場邊界，水和水槽的接觸界面為聲?結構耦合邊界，固體和空氣的接觸界面為自由振動邊界，如圖2（c）所示。有限元模型的網格剖分情況如圖3所示，單元形狀為自由剖分四面體，對聲場和勵振面附近的求解區域進行細化剖分。計算中，工作頻率為32.7 kHz，施加于壓電片兩端的電壓為80 V。

圖2 超聲破碎儀的物理模型

圖3 超聲破碎儀的網格劃分

基于上述模型計算得到的水槽中的聲壓分布如圖4所示。由圖4（a）可知，在3個槽的中間部位都存在一些聲壓較大的區域。破碎儀的中間截面如圖4（b）所示。由圖4（b）可知，在3個槽的中心位置均存在聲壓較大的區域，且中間槽內的聲壓大于兩側的聲壓。圖4（c）表示3個槽內部長度方向（x軸方向）的聲壓分布情況。由圖4（c）可知，中間槽的最大聲壓處位于槽的中心位置且其幅值較大，而兩側槽的聲壓較大的位置處同樣位于槽的中心位置，但其幅值比中間槽的大約低三分之一。因此，中間槽及兩側齒槽的中心位置時都可以用于非接觸式破碎。

圖4 聲場分布

3 螺旋藻破碎實驗

選擇上海光語生物科技有限公司提供的GY?D18螺旋藻作為被破碎樣品。實驗的主要設備有：自制的帶有齒槽結構的非接觸式超聲破碎儀，其齒寬為10 mm，齒高為20 mm，齒間距為15 mm，水槽長寬高分別為90 mm、80 mm、50 mm，工作頻率31.03 kHz；自制的無齒槽結構的超聲破碎儀，其水槽長寬高同樣分別為90 mm、80 mm、50 mm，工作頻率為32.90 kHz；用于觀察破碎實驗結果的顯微鏡（Keyence VHX?1000），使用200倍光學放大倍數；使用1.5 mL規格的的尖底聚丙烯塑料試管。

在破碎過程中，試管插入破碎儀的試管支架。超聲換能器輸入的電功率為20 W，超聲信號的開啟和關閉時間分別為10 s／10 s，破碎時間從3 min至21 min，每隔3 min取樣并用顯微鏡進行觀察統計。對于顯微鏡拍攝的圖象，利用圖象處理方法對目標樣品進行測量。其主要步驟（如圖5所示）包括：利用Canny算子進行邊緣檢測獲得二值化圖象；使用輪廓檢測方法獲得被檢測物體的位置和尺寸信息；最終對圖象中的細胞碎片進行數據統計分析，獲得細胞碎片尺寸分布圖。

圖5 圖象處理步驟

圖6（a）所示出的是破碎之前樣品螺旋藻的顯微鏡照片和長度分布圖。可以發現，未被破碎的螺旋藻長度從100μm至700μm不等，主要長度分布在150μm至450μm之間。圖6（b）是使用齒槽結構的超聲破碎儀進行12 min破碎以后螺旋藻碎片的顯微鏡照片及其長度分布圖，細胞碎片的尺寸范圍在5μm～40μm之間，主要長度分布在5μm～25μm之間。圖6（c）是傳統破碎儀在工作12 min后的破碎結果，其碎片尺寸在5μm～170μm之間，其中主要長度分布在10μm～80μm之間。因此，在其他條件相同的情況下，齒槽結構超聲破碎儀產生的碎片尺寸要明顯小于傳統破碎儀的碎片尺寸，齒槽結構超聲破碎儀具有更強的破碎效果。

圖6 齒槽結構超聲破碎儀與傳統超聲破碎儀的破碎效果比較（左邊為顯微鏡照片，右邊為尺寸分布圖）

圖7所示出的是被處理樣品平均長度和40μm以下碎片占比隨聲輻射時間的變化。由圖7（a）可以發現：使用齒槽結構聲輻射單元時，通過3 min的聲輻射，被處理樣品的平均長度就到達了20μm左右，在接下來的時間，平均長度隨時間變化非常小（停留在12μm左右）；而對于不使用齒槽結構的破碎儀，破碎過程相對緩慢很多，在9 min的聲輻射以后，長度下降開始緩慢趨于平穩，長度減小的速度開始下降（停留在30μm左右）。由圖7（b）可以發現：使用齒槽結構聲輻射單元時，40μm以下碎片占比同樣在3 min到達90%，后續增長緩慢（停留在94%左右）；而不使用齒槽結構時，40μm以下碎片占比的增速到9分鐘以后才明顯下降（停留在78%左右）。由于實驗中兩種超聲破碎儀的功率都是20 W，因此使用齒槽結構聲輻射單元會顯著提升破碎效率與效果。

圖7 齒槽結構超聲破碎儀與傳統超聲破碎儀的特性對比

4 結 語

根據仿真和實驗結果，得出如下結論：

1）本文的周期性齒槽結構聲輻射單元具有一定的聲能聚集功能，可以在齒間產生較大的聲壓區域。

2）和傳統的非接觸式超聲破碎儀相比，基于周期性齒槽結構聲輻射單元的超聲破碎儀的破碎效率更高，破碎效果更佳。

綜上所述，在非接觸式超聲破碎中，使用周期性齒槽結構聲輻射單元有利于提高聲能利用率與破碎能力。