超声生物处理中声场特性的影响研究【毕业论文】.doc

1、本科毕业论文（20 届）超声生物处理中声场特性的影响研究所在学院 专业班级 海洋技术 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I目录目录 .I摘要 .IIAbstract .III第一章 引言 .11.1 生物超声发展状况 .11.2 生物超声的应用 .1第二章 超声生物基础理论 .32.1 超声波的作用机制 .32.2 生物超声处理技术作用机理 .32.3 声空化理论 .42.4 影响因素 .10第三章 超声辐射声场的影响分析 .123.1 超声生物处理仪器 .123.2 克希霍夫（基尔霍夫）积分定理 .133.3 圆形活塞换能器辐射的纵波声场 .143.4 声场的方向性 .17第

2、四章 结论 .23参考文献 .24致 谢 .26II摘要本文基于近几年超声在化学领域有关声场均匀性的研究，综述了超声在生物领域的发展历程，研究成重点研究声场特性在超声生物处理中的影响极其重要性。超声波的生物学效应对其在生物技术中的应用具有重要意义，超声波作用机制主要包括机械力学作用，热学作用，空化作用。超声辐射形成的声场特性，对于改善超声波声场的均匀性与超声波辐射的效率有非常大的帮助，生物学效应随其强度和作用时间的不同而不同，不同的声处理目的对超声场的要求不同，因此，本课题主要分析生物超声中典型的声场特征，为生物超声的应用提供一定的参考。目前对超声学在生物技术方面的研究，涵盖了宏观和微观领域。

3、例如，生物材料的超声加工，细胞破碎，纳米材料制备等领域的研究应用。由于超声技术的廉价、高效、安全性，利于环境和生态保护，已引起科技界的广泛重视。【关键词】： 超声；生物学效应；作用机制；声场特性；IIIAbstractBased on recent years ultrasound in the chemistry of the research about sound field uniformity, summarized the ultrasound in the development of biological field research, the research results

4、, acoustic properties in ultrasonic biological treatment effect in the extremely importance. Ultrasonic biological effect on the application of biological technology in importance, ultrasonic mechanism mainly includes mechanical function, thermal effect, cavitation effect. Ultrasound irradiation, fo

5、rmed to improving the acoustic characteristics of ultrasonic sound field homogeneity and ultrasonic radiation efficiency has a very big help, biological effect with its intensity and duration different and different, different acoustic processing purpose of ultrasonic field requirements of different

6、, accordingly, this topic is typical of the analysis of biological ultrasound acoustic characteristics, the application of biological ultrasound to provide certain reference. Ultrasonics current research in biotechnology, covering the areas of macro and micro. For example, ultrasonic processing of b

7、iological materials, cell disruption, the areas of nano-materials research and application preparation. As ultrasound technology, cheap, efficient, safety, environmental and ecological protection, the sector has attracted wide attention.Key words ultrasound ; Biological effect; mechanism; Sound fiel

8、d characteristics浙江海洋学院本科毕业论文 引言1第一章 引言1.1 生物超声发展状况1920 年，法国物理学家 Langevin 在研究声纳时，发现将高强度超声射入水中后，杀死了许多小鱼，这就是超声生物效应的早期例证。超声的生物效应与声强、频率及生物组织本身的性质有很大关系，且有可逆效应和不可逆效应两种。可逆效应在声强度比较低的情况下发生，而声强超过一定阀值后则会产生不可逆效应。超声生物效应按作用机理可分为热效应、机械效应、声流效应、空化效应和触变效应，这种生物效应可以改变细胞膜的脂质双分子层结构，增加细胞膜的通透性，增加化疗药物的细胞毒性，损伤细胞 DNA，使其单、双链断裂

9、、促进细胞凋亡；高强度聚焦超声可直接杀死肿瘤细胞等。七十年代以来, 医学超声取得了异乎寻常的进展，特别是对人体脏器实时超声断层显象技术的发展和普及以及超声计算机辅助断层显像（即超声 CT）技术的崛起，使得人们对超声在活性组织中传播规律的了解变得十分迫切。我们看到，超声波既是直接服务于人类健康的临床诊断和治疗的工具，又是研究生物体系运动规律的基本手段，这是声学所特有的“外在性”特点的又一反映。生物超声处理技术是利用一定剂量的超声能量及其声空化效应来影响物质的结构、状态及其特性，或强化某些物理、化学、生物过程，提高过程的质量或效率。目前对超声学在生物技术方面的研究，涵盖了宏观和微观领域。例如，生物

10、材料的超声加工，细胞破碎，纳米材料制备等领域的研究应用。1.2 生物超声的应用由于声能独特的优点，没有二次污染，设备简单，应用的范围比较广泛，因此受到人们越来越多的关注，超声生物已经成为一个蓬勃发展的研究领域。目前，超声在生物领域的贡献可谓有目共睹，国内外相关专家也对这方面做过大量研究，目前已有一些结论可供参考。超声在生物中最初用处是粉碎细胞，以释放出其内容物，后来发现它能促进生化反应的进行。另外，超声在多肽的酶合成法中起到很好的乳化作用，使产率提高了 5 倍。2它还可以激活固定化酶。超声的这些作用被认为主要是超声促进了生化反应传质过程的缘故。超声方法测得的各种氨基酸分子的质子转移时间常数处于

11、几毫微秒至几十毫微秒之间, 与其它方法的测量结果十分接近 这些基础研究可能揭示有关生物大分子生命功能的物质基础, 触及到分子生物学的核心问题 这些研究与医学超声基础的关系很密切，因为它可能在分子水平上来研究生物效应，为超声临床应用的安全剂量提供微观机理上的依据。此外，有关生物媒质非线性参量 B/A 的研究最近开始受到重视，因为它有可能作为表征生物煤质的新的特征量在医学诊断和基本研究中得到应用。近来, 也有人把超声性质的基本研究与组织的病理状态直接联系起来 如已发现肺组织在发炎时, 内部液体积沸, 水量增多, 蛋白含量下降, 超声衰减显著变小 引起贫血症的镰刀形红细胞与正常红细胞的超声性质明显不

12、同等。到目前为止，人们对超声的生物效应已做了较多的研究工作，发表文章上千篇。研究的范围遍及生物体系的各个层次，如生物大分子，细胞，组织和器官。对于温热可以使癌细胞致死的机理，已做了大量基础研究。一种普遍被接受的解释是：温升使溶酶体活性大大增强从而加速了溶酶体对癌变组织细胞的破坏能力，同时加热又使以脂类分子层为支架的细胞膜结构发生镶边。由液晶态转向无序态使其功能被破坏，最后致整个细胞解体而死亡。由于热疗法的重要性，在超声治疗癌症中温度是非常重要的。实验表明，声吸收系数与温度有着密切的关系。3第二章 超声生物基础理论2.1 超声波的作用机制目前人们认为超声波有4 个基本作用: 线性的交变振动作用

13、, 就是说超声波在媒质中传播时, 必然使媒质粒子作交变振动, 并引起媒质中的应力或声压的周期性变化, 从而引起一系列次级效应; 大振幅振动在媒质中传播时会形成锯齿形波面的周期性激波, 在波面处造成很大的压强梯度, 因而能产生局部高温高压等一系列特殊效应 ; 振动的非线性会引起相互靠近的柏努利力和由黏度的周期性变化而引起的直流平均黏滞力, 这些直流力可以说明一些定向作用、凝聚作用等力学效应; 空化作用, 这是只能在流体媒质中出现的一种重要的基本作用。在声场中,液体中的气泡可能逐步生成和扩大, 然后突然破灭,在这急速的气泡崩溃过程中, 气泡内出现高压高温,气泡附近的流体中也形成局部强烈的激波。因此

14、就可以产生一系列次级效应, 如化学效应、声致发光、分散作用和乳化作用等。在流体中进行的超声处理技术, 几乎大多数都与空化作用有关。这些作用导致5种效应(表2) 。表2.1 超声波的5 种效应效应 作用力学效应搅拌作用, 分散作用, 去气作用, 成雾作用,凝聚作用, 定向作用, 冲击破碎作用, 疲劳破坏作用等热学效应 吸收引起的整体加热, 边界面处的局部加热,形成激波时波前处的局部加热等光学效应 引起光的衍射、折射、双折射, 声致发光等电学效应 在压电、压磁材料中产生电场和磁场, 引起电子逸出和电化学效应等化学效应促进化学反应, 促进氧化还原, 促进高分子物质的聚合或解聚, 引起照相底片的感光,

15、 引起声化学发光等2.2 生物超声处理技术作用机理生物超声处理技术是利用一定剂量的超声能量及其声空化效应来影响物质的结构、4状态及其特性，或强化某些物理、化学、生物过程，提高过程的质量或效率。目前研究较多的是应用高强度超声波降解水中的化学污染物，它主要是利用超声化学的一些基本原理和理论使水体中的有机污染物得到氧化降解，降低污水的生物毒性。随着超声波在生物技术领域中研究的发展，人们发现低强度超声波也可以有效增强生物的活性，继而提高污水的生物处理效率。超声波在传声媒质中传播时，会通过各种机械、热、空化机制对传声媒质产生各种作用或效应，称为超声效应。当传声媒质是生物媒质时称作超声生物效应。在生化反应

16、过程中，机械和空化作用具有十分重要的意义。当超声波的声强较低时，产生的空化泡的大小变化是有规律而和缓的，并以非线性的方式在媒质中振荡若干个声周期，使其周围的酶或细胞颗粒受到微声流切应力的作用，这种空化即为稳态空化。稳态空化作用对细胞产生的破坏很小，并能有效促进可逆渗透，从而加强细胞内外物质运输，减少次生代谢产物的积累对微生物代谢的抑制作用，促进代谢产物的合成。稳态空化正是以这种特殊的能量形式来增强微生物的活性、加速生化反应速率。另外，Kazuo M等 1认为发酵过程中DCO (溶解性CO )的浓度过高，会对细胞生长产生抑制作用，而通过低强度超声波辐照可以有效降低DCO的溶解度，从而促进细胞生长

17、。黄卓烈等 2 通过对超声波 (25 Wcm 、135 kHz)处理过的多酚氧化酶进行紫外差示光谱扫描，发现其分子构象发生了明显变化，因此推测通过超声波处理后多酚氧化酶活性的提高是由酶分子构象的改变所引起的。2.3 声空化理论（1） 空化核根据斯托克斯定理，液体中半径较大的气泡，将因浮力迅速上升到液面，然后失去表面张力而破裂；而半径较小的气泡，则因表面张力作用，会产生使泡中气体向周围液体做“定向扩散”的过程，从而很快溶解。这表明，在一般的情况下，空化核难以在液体中稳定的存在。经研究证实，在以下几种情况下，空化核能稳定的存在于液体中：a.液体因热起伏，不断产生小的蒸气泡。这种蒸气泡在液体中存在的

18、条件是，泡内的蒸气压Pev与表面张力和液体的静压力Po相平衡。由这种蒸气泡构成的空化核，具有由下式确定的平衡半径：5002=-evRP式中： -表面张力系数。b.液体中存在带有气隙的悬浮固体粒子，当液体不浸润时，在固体粒子的气隙中，由于表面张力为负值，可使缝中的气体同时达到力学与热力学平衡，因而能稳定的存在。而一旦外加声压超过空化阀值时，这种缝隙式气泡便开始增大，其液-气界面也由凹面变成凸面，形成空化核。c.带有薄的有机物外壳的小尺寸气泡（一般指RoPo时才能出现负压。负压超过液体强度时才能形成空化。空化阀声压Pc可由下式表示: 322cov oVoTTPPRR式中：Pv-蒸汽压Ro-气泡的初

19、始半径T-液体的温度可见，空化阀值随不同液体而不同；对于同一种液体，不同的温度、压力、空化核半径及含气量，空化阀值也不同。一般来说，空化阀值随声波的频率、液体的静压力和粘滞性的增大而升高，随液体的含气量的增大而降低。（3）空化气泡的运动气泡在声场作用下将进行振动，但不一定会发生崩溃。当声波的频率小于气泡的谐振频率时才可能使气泡崩溃，而当声波的频率大于气泡的谐振频率时，气泡将进行复杂的振动，一般不发生崩溃。设液体是不可压缩的，液体中有一气泡，半径为R;气泡所在液体中静压为Po,超声声6压为：P=PmSinwt,则可求得气泡的运动方程为： 3223122sin 0oomv VoRdRTTPtPtt

20、 上式是一个非线性方程，一般得不到解析解，但在特殊情况下可使方程线性化。如当气泡振幅很小时，设运动过程为绝热过程，在一级近似下，可得出气泡做简谐运动的固有频率为： 1232voo ofPRRVoPR式 中 ： 蒸 汽 压 气 泡 的 初 始 半 径液 体 的 密 度气 体 的 比 热 比液 体 的 表 面 张 力 系 数这种弱声场作用下，气泡所做的是稳定的小振幅脉动现象，即“稳态空化”。这些气泡在进行共振过程中，伴随着一系列二阶现象发生。首先是辐射力作用，其次伴随气泡脉动而发生的是微射流，它可使脉动气泡表面存在很高的速度梯度和粘滞应力。一般情况下，当PmPo时，计算可得出下述结论:a.若外加声

21、场的频率为fo,由上式可算出相应的气泡共振半径。对初始半径大于共振半径的气泡，将发生复杂的形变运动，但一般不产生闭合过程。b.对初始半径小于共振半径的气泡，随着声压负相的到来而不断增大，而当声压正相的到来时，气泡先因惯性继续增大到最大半径，然后迅速收缩，直到闭合。这种有闭合的气泡运动，即“瞬态空化”。当气泡体积收缩到极小时，它可能延续零点几个纳秒，气体的温度可高达数千度。气泡中的水蒸气在这样的高温下分解为H与OH自由基，它们又迅速与其他组分相互作用而发生化学反应。此外，在空化泡崩溃时，常常伴有声致发光、冲击波及高速射流等现象发生。(4) 空化效应及其机理空化效应是一个很复杂的物理现象。第一次发现空化现象是在1894年，英国海军造出第一艘驱逐舰，在下水实验中发现，当螺旋桨推进时船体会发生剧烈振动。英国军方