Ugrás a tartalomhoz

Illusztrált segédanyag a modern műszeres analitikai kémia oktatásához

Galbács Gábor (2013)

Szegedi Tudományegyetem; Pécsi Tudományegyetem

Energiaközlés ultrahangos besugárzással

Energiaközlés ultrahangos besugárzással

Ultrahangnak a 20 kHz-nél nagyobb frekvenciájú longitudinális nyomáshullámot nevezzük. Az ultrahang kémiai hatásainak vizsgálatára már az 1920-es évekből is lehet példát találni, de az ún. szonokémia tudományterülete csak később, az olcsó, rutinszerűen használható ultrahangos készülékek megjelenését követően született meg. Az utóbbi évtizedekben a különféle analitikai mintaelőkészítési technikák is egyre szívesebben hívták segítségül az ultrahangot.

Működési elv

Folyadékokba mártott szilárd testek, folyadékok, szuszpenziók, emulziók ultrahanggal történő besugárzásának közvetlen fizikai hatása lényegében a közeggel való mechanikai energiaközlésen alapul; az ultrahang keltette nyomáshullámok a nagymértékben összenyomhatatlan folyadékokat (és szilárd anyagokat) rezgésre kényszerítik.

Napjainkban az ultrahangos besugárzás során fellépő fizikai-kémiai változásokat elsősorban a kavitáció jelenségének kialakulásán keresztül értelmezik. Egy folyadék ultrahanggal történő besugárzása során a folyadék egyes részletei kitágulnak (nyomáscsökkenés jön létre), míg mások összenyomódnak (nyomásnövekedés alakul ki). Amennyiben elegendően nagy az ultrahang intenzitása, a folyadék belsejében kialakuló lokális nyomáscsökkenés hatására a nyomás a gőznyomás alatti értékre csökken és gőzbuborékok képződnek. Ezen buborékok képződésével, növekedésével, majd robbanásszerű megszűnésével járó folyamatot mikrohullámú kavitációnak nevezzük (érdemes megjegyezni, hogy a kavitáció jelenségének kialakulására egyéb beavatkozások pl. radiolízis, lézerrel történő megvilágítás, turbulens áramlás, stb. hatására is számítani lehet). A gáz (gőz) buborékok villámgyors adiabatikus összeomlása ún. „forró pontok” létrejöttét eredményezi, melyekben becslések szerint a hőmérséklet elérheti az 5000 °C-ot, míg a nyomás a 2000 atmoszférát. Bár ezen adatok meglepően magasnak tűnnek, azok kialakulását az eredményként lejátszódó kémiai reakciók (pl. reaktív gyökök keletkezése) igazolja. Mivel a buborékok mérete igen kicsiny a folyadék összes térfogatához képest, így a disszipálódott energia rövid idő alatt általában nem okoz számottevő felmelegedést a folyadék egészében.

Eszközök és módszerek

Ultrahangok előállítására több lehetőség is van, de az analitikai kémiában használt készülékek tipikusan a piezoelektromosság elvén működnek. Egy piezoelektromos tulajdonságot mutató kristályra (pl. ólom/titán/cirkónium tartalmú kerámia) nagyfrekvenciájú váltakozó feszültséget kapcsolva a kristály egyes lapjainak irányában periodikusan kitágul, majd összehúzódik. Ezt a piezoelektromos kristályt egy fémből készült „kád” alakú tartály aljára kívülről, vagy egy kemény fémből (pl. Ti) készült rúdra erősítik fel, ami az érintkező minta folyadék közegének átadja a rezgéseket. Mivel az anyagok piezoelektromos tulajdonságai egy küszöb hőmérséklet felett megszűnnek (Curie pont), ezért a kristályokat erősen hűteni kell (ezért kell pl. a jelzett minimális vízmennyiséget egy kád típusú ultrahangos rázató eszközbe tölteni).

A hagyományosnak nevezhető alkalmazások többségénél a frekvencia a 20 – 60 kHz tartományba esik és ezek tipikusan két csoportra oszthatók, mégpedig a kis energiájú (< 1 W/cm2) és nagy energiájú (> 1 W/cm2) alkalmazásokra. Az orvosi diagnosztikában kis amplitúdójú és kis energiájú, 5 MHz feletti ultrahangokat alkalmaznak képalkotási célokra (ezek kavitás keltő hatása csekély).

A kád típusú ultrahangos berendezések nagy térfogatú, vagy egyszerre több minta kezelését teszik lehetővé, de az alkalmazott besugárzás koncentrálására kevés lehetőséget nyújtanak. A mintát egy merev falú (pl. üveg főzőpohár) edényben merítjük be az általában vízzel telt kádba. Egyes típusok frekvencia és amplitúdó szabályzási, illetve fűtési lehetőséget is kínálnak.

A rúd kialakítású készülékeket eredetileg kifejezetten biológiai minták (sejtek, gélek, stb.) roncsolásához tervezték, de ma a kémiai (szervetlen) mintaelőkészítésben is elterjedten használják. A néhány mm átmérőjű és 50-200 mm hosszú rudat közvetlenül a mintatartó edénybe mártjuk bele. Ennél a kialakításnál jobban szabályozható a minta hőmérséklete (a kis mintatartó edényt pl. termosztálható edényben lehet elhelyezni) és kis mintatérfogatokban jól koncentrálható a sugárzás. Mivel az edényzetet itt nem kívülről rezgetjük, így az lehet akár műanyagból is (pl. centrifugacső, Eppendorff cső, stb.). Nyomelemanalitikai alkalmazásának gátat szab, hogy a fém rúd a minta szennyezését okozza (erózió és keresztszennyezés révén).

Oldódás segítése rúd kialakítású ultrahangos készülékkel

Jellegzetes alkalmazási területek

A folyadékokban kis intenzitású és frekvenciájú ultrahang besugárzással történő mechanikai energia közlése hatékonyan tudja segíteni szilárd anyagok oldódását, szuszpenziók ülepedésének (a szuszpendált részecskék aggregációjának) megakadályozását, szilárd tárgyak tisztítását, oldott gázok kihajtását, folyadékok aeroszol cseppekre szakítását, stb. Ezekre az elsősorban fizikai effektusokra épülő feladatokra az ultrahangos besugárzást széles körben alkalmazzák az ipar és az analitikai kémia sok területén.

A kétféle készülék kivitel közül az ultrahangos kádakat elsősorban általános analitikai laboratóriumi feladatok elvégzésére (pl. oldott gázok kihajtása oldószerekből, oldódás és extrakció segítése, szuszpenziók ülepedésének gátlása, stb.) használják. A rúd típusú készülékek alkalmazása elsősorban a minta lebontását igénylő területeken lehetséges. Érdekesség, hogy ez a kivitel aeroszolok előállítására (porlasztás) is elterjedten használt; ilyenkor a neve angol nyelven kémiailag pontatlanul „ultrasonic atomizer”.

Félillékony szerves komponensek szilárd mintákból való kinyerésére egyre elterjedtebben alkalmazzák az ultrahanggal segített extrakció módszerét. Ilyenkor a mintamennyiség általában több tíz gramm, amit előzetesen pl. vízmentes Na2SO4-tal elkeverve kiszárítanak. Az oldószer általában 1:1 aceton/hexán vagy aceton/metilénklorid. Az extrakció általában 3-5 perc alatt lezajlik, illetve 2-3 alkalommal friss oldószerrel megismételhető, majd az oldatok egyesíthetők. Az extrakció után szűrés vagy centrifugálás szükséges a szilárd mátrixtól való elkülönítéshez. Ezzel a módszerrel például PAH és PCB komponensek kinyerése lehetséges por- és üledékmintákból.

Az ultrahang besugárzás kémiai reakciók indukálására, gyorsítására is alkalmazható.

Ellenőrző kérdések és feladatok

  1. Mit nevezünk ultrahangnak?

  2. Hogyan állítunk elő ultrahangot?

  3. Ismertesse az ultrahangos kavitáció jelenségét!

  4. Hogyan működnek és milyen analitikai jellemzőkkel bírnak a kád típusú ultrahangos készülékek?

  5. Hogyan működnek és milyen analitikai jellemzőkkel bírnak a rúd típusú ultrahangos készülékek?