超声波在重金属形态学测定上的协助萃取作用研究

秦津 苗利军

摘   要：超声波具有方向性好、强穿透力、重复性好、高效等特点，被人们广泛应用于军事、医学、工业、农业等领域。从超声波的作用原理以及该技术在重金属形态学测定上的协助萃取应用情况进行了阐述，讨论了在重金属萃取过程中超声波协助作用实施中应注意的问题。

关键词：超声波;重金属;重金属形态;协助萃取

对于重金属在环境及农作物中赋存形态的研究，人们的关注点一直集中在重金属在生物链中传递和富集的过程以及最终对人体健康的危害上，侧重于分析重金属高毒性及高活性的形态及转化机理。目前对环境和农作物中重金属的形态分析，大多依据相似相溶的原理或者利用提取剂的极性来提取或萃取重金属，已达到分离的目的，但是该操作存在耗时长等缺点。1928年，美国普林斯顿大学化学实验室的科技人员首次发现超声波有加速化学反应的作用[1]，在协助提取样品中的金属元素方面开始引起研究者的关注，并快速发展起来。

1    超声波工作原理

超声波是一种频率高于20 kHz的一种弹性机械波，因其频率下限超过人耳的听力上限而得名[2]。在传播过程中超声波与介质相互作用，改变或加速了介质的物理性质、状态、生物特性，从而达到提高产品质量和强化单元操作速率（如固、液萃取等）的目的，而在这个过程中会发生一系列效应，将这其归结为空化作用、热作用和机械作用，这也是超声协助提取的3个理论依据。

1.1  空化效应

在液态介质中传播的大能量超声波，因其波动性将处于稀疏状态下的液体撕裂，形成很多小的空穴或气泡，使接触面积大大增加，而且超声波撕裂而成的空穴或气泡瞬间又会闭合，在此过程中便会产生瞬间高压高温，增加湍流强度，形成局部强烈的激波，即为空化效应。在流体中绝大多数都是利用超声波的空化效应使液体中的各种物质被撕裂细化，从而使待测物中的有效成分能够更快、更多地进入到溶剂当中，通过进一步提取，使有效成分的提取率得以提高[3]。

1.2  热作用

超声能和其他形式能一样可以转化成热能。机械震荡使超声波在介质传播过程中产生的能量被介质吸收并转化为热能，导致介质温度升高和周围局部温度上升。这种温度升高是稳定的，能达到其他加热方式的同等效果，超声波强度越大，热作用越大。人们在重金属提取中根据不同形态的重金属性质，设置不同的超声条件，瞬间使溶剂内部温度升高，达到加速溶解有效成分的目的。

1.3  机械作用

超声波的辐射压强会引起超声波的机械作用。辐射压强可引起使细胞组织变形和蛋白质变性的生物效应和摩擦效应。摩擦效应产生原因是悬浮物体的运动速度远远小于溶剂分子速度，促使悬浮物体和溶剂间产生摩擦效应。而超声波机械作用产生的摩擦力量足以使生物分子解聚。故而超声波有助于物质破碎、切割等。

2    超声波协助萃取环境中的重金属

美国环保局已经将超声波提取方法作为环境中重金属提取的基本分析方法。在超声波的作用下，溶有环境样品的酸液会产生强烈的空化作用。超声波的空化效应产生大量的破裂气泡，使溶剂和样品间产生高温高压，增大溶剂和样品的接触面积[4]，促使重金属在酸液中快速溶解。之后，通过一系列后续的分析手段和方法，可实现对重金属的定量分析和形态分析。

2.1  超声波在协助萃取环境中重金属的应用

因为工业化的发展，重金属通过各种途径被排放到环境中。作为污染物最终收纳场所的土壤，承受着严重的重金属危害，是土壤污染问题中污染面积最广、危害最大的环境问题之一[5]。实际上，土壤中可提取态重金属的含量决定了重金属的迁移能力，生物可利用性和生态毒性大小[6]。传统方法因其费时的缺点越来越不能适应工作的需要。在此情况下，超声波可在极短时间内有效提取土壤中的重金属物质[7-8]，满足了人们的需求。Elik[9]的研究显示，在相当回收率目标下，超声波协助萃取可将传统振荡萃取时间由12 h降至25 min。超声辅助酸浸法能增强含金属污泥中金属离子间的选择性分离，如果两种重金属溶度积数量级差距较小如Cr和Cu，需要通过超声辅助两步酸浸法就能将重金属离子完全分离，而传统的无超声强化的酸浸法需要更多级的浸取步骤才能完全分离重金属离子[10]。

2.2  超声波协助提取植物中的重金属

超声协助萃取的效果受到超声时间、频率、强度的影响。彭斓兰等[11]在超声波结合酸法提取，石墨炉原子吸收光谱法（ GFAAS） 检测大米中的无机镉的研究中发现，超声时间和频率对镉的提取率有很大影响，最佳超声波前处理条件为双频超声波（25/40 kHz）提取30 min，镉的提取率为308.35 μg/kg。超声波空化效应改变大米蛋白的空间结构，促使酸进入淀粉颗粒与蛋白质的空隙，使无机镉离子更充分地进入溶剂。

3 超声波在重金属提取实验中应注意的问题

3.1  超声条件的设定

在超声提取實验中，重金属样品不同，形态不同，需要设定的超声条件也是不一样的。主要考虑的指标有超声波的强度、作用时间以及超声波使用频率及温度等，所以在超声协助萃取中，合适的实验条件设定是重金属提出率提高的关键所在。

3.2  重金属提取溶剂的选择

在超声波协助萃取中，因设定超声条件的不同会影响提取剂或者样品中有效成分的理化性质，所以提取剂在选择的时候必须要结合设定的超声条件及有效成分的理化性质。

4    超声波技术缺陷及带来的问题

超声波技术也存在一定缺点：其一，样品处理的规模较小;其二，利用超声波技术处理不同样品时，影响因素较多，每个样品需要对应不完全相同的最佳工艺参数，在一定程度上大大限制了超声波技术在协助萃取重金属领域的大规模应用。

[参考文献]

[1]宋国胜，胡松青，李   琳.超声波技术在食品科学中的应用与研究[J].现代食品科技，2008（6）：609-612.

[2]蔡路昀，万江丽，周小敏，等.超声波技术在鱼类加工中的应用研究进展[J].食品科学技术学报，2019（6）：55-56.

[3]王金梅.包建强超声波辅助鱼皮胶原蛋白提取及其性质研究[J].上海农业学报，2017，33（2）：114-119.

[4]臧小龙，谷庆宝，孟   柯.土壤中重金属形态分布对化学提取的影响[J].环保科技，2017，23（1）：1-7.

[5]李选统，卢维盛，李   谦，等.土壤重金属污染的修复[J].现代农业科技，2011（24）：295-297.

[6]ZHU X，YANG F.Factors influencing the heavy metal bioaccessibility in soils were site dependent from different geographical locations[J].Environmental Science Pollution Research，2015，22（18）：13 939-13 949.

[7]KAZI T G，JAMALI M K，ARAIN M B，et al.Evaluation of an ultrasonic acid digestion procedure for total heavy metals determination in environmental and biological samples[J].Journal of Hazardous Materials，2009，161（2-3）：1 391-1 398.

[8]MEREY R，MASRI M S，BOZOU R.Cold ultrasonic acid extraction of copper，lead and zinc from soil samples[J].Analytica Chimica Acta，2002，452（1）：143-148.

[9]ELIK A.Ultrasonic-assisted leaching of trace metals from sediments as a function of pH[J].Talanta，2007，71（2）：790.

[10]吳阳东，张   缤，黄智源.超声波辅助浸取分离污泥中的重金属[J]环境科学与技术，2013，36（4）：109-111.

[11]彭斓兰，陈季旺，陈超凡.GFAAS法测定大米中无机镉的前处理条件优化[J].武汉轻工大学学报，2019，38（1）：1-8.