功率超声在生物工程中的应用

功率超声在生物工程中的应用****摘要：伴随着科学技术的进步，超声波技术的应用越发广泛，目前已经逐渐成形，分为功率超声和监测超声两大门类。其中功率超声技术与其他学科的融合更是展现了极大的潜力，尤其是与生物工程的融合，开发出了许多先进的应用方法，不仅对生物工程的发展起到了极大的作用，还让人们对功率超声的认识程度加深。本文就针对功率超声在生物工程中的应用，从促进种子萌发、对酶的作用、基因工程育种三个方面展开简要介绍。关键词：超声；生物工程声学作为人类最早研究的门类之一，其发展已较为完善，目前与其他学科的交叉融合成为了声学下一步研究的重点，而功率超声就在生物工程领域展现出了较高的应用价值。1功率超声介绍超声波是一种波长极短、频率较高的机械波，因其频率完全出现超出人类听力范围而被命名为“超声波”。因为其波长短的特性，所以具有传播速度快、传播声能高等优良性质，在发展超声波技术应用时就容易展开实际应用。而功率超声作为超声工程学的一大门类，它是指通过超声波传播过程中的振动产生的能量来对物质结构、状态、作用等进行改造，或对物质本身发生的变化发挥促进或抑制作用。该项技术是以物理、机械、化学、生物等学科为基础，与之充分融合后在这些领域展开的强化作用，从目前功率超声的应用来看情况，它有着其他处理技术无法比拟的优势。2超声波技术的工作原理和使用优势2.1工作原理2.1.1低强度超声的生物效应超声波的传播必须依赖介质，在不同的介质中其传播情况也各不相同，而低强度超声波在液态介质中的传播就不会引发空化效应，或是引发不太强烈的稳态空化效应。当低强度超声波载液体介质中传播时，会使介质产生机械振动，从而使介质中质点的振动能量上升，引发稳态空化效应后，就会产生空化泡，并使其在液体介质中以非线性的形式进行频率较高的震荡，在这个过程中，空化泡振荡产生的液体微流就可能对介质中的其他物质引发剪切效应。应用于生物工程领域就是低强度超声波凭借其传播产生的震动和稳态空化效应，引发液态介质中物质边界层厚度降低，且使液态介质中溶质的无规则运动更剧烈。若溶质是酶或细胞，则该项技术就可以促进反应物进入酶活细胞当中，从而发生生物化学反应，之后其生成物的向外扩散也会更加简单。由此可知，该项技术可以极大地提高生物工程发生反应的速率。另外，低强度超声波单独在细胞内进行传播时，也会由于稳态空化效应而在细胞液中引发液体微流，从而增大细胞膜的通透性。这个作用的实际应用就是通过提高细胞膜通透性的方式来促进细胞本身的新陈代谢，进而达到激活细胞、提高酶生物活性的作用。但是这种效应依赖于低强度超声波的持续震动传播，一旦超声波停止震动，其作用效果就会消失，细胞膜的通透性也就迅速降低。另一方面，部分超声波仪器可以转换成液体介质吸收的热能，从而提高液体中间温度。由于生物化学反应范围有限，温度变化是酶活性下降甚至停滞的主要原因，尽管气温上升通常不是超声波应用于生物反应的直接效果，但超声波效应可用于微生物控制和酶抑制。2.1.2高强度超声的生物效应高强度超声波在液态介质中传播引发的效应与低强度超声波不同，它是主要引起的是瞬态空化效应，过程较为激烈，持续时间却不长。瞬态空化效应也会产生空化泡，但其容易崩溃破碎，在这个破碎的瞬间，空化泡中的温度和压强急剧上升，对液态介质产生冲击并引发速度极快的微流，整个过程应用于生物工程领域就产生了物理或化学反应。而且由于高强度超声波引发的瞬态空化效应更加剧烈，其引发的物理反应也会更加强烈，我们就可以充分利用这个特点来达到生物工程中剪切物质、破坏细胞、提取物质等目的。2.2使用优势从上述超声波引发的各种效应我们可以知道：功率超声技术在生物工程中的应用操作并不复杂，关键点就只是把握好超声波的传播频率及强度即可，而当前的科学水平完全足够满足此要求。另外因为超声波在传播过程中极其敏感，应用过程中的任何变化都可以被清晰地感知或检测到，同时监测成功率极高，所以功率超声技术的应用易被控制，减少了实验风险。而且由于声学较为悠久的发展历程，功率超声技术成熟度已足够高，在我们日常生活中的各个领域都有涉猎，这就为后续的深入应用创造了坚实的基础。3超声波在生物工程中的应用3.1促进种子萌发方面的应用功率超声技术可以用来检测种子的萌发情况，对地底的种子实施实时监测，充分掌握种子的各项情况，从而提高种子的存活率与萌发率。一般而言，要想改善农作物的生长情况，提高经济效益，都需要从源头抓起对种子的萌发情况提起重视，但是种子大多埋在地底，无法直接观察其是否处于不良状态，通过其他途径检测不仅成功率低，而且操作复杂。而运用超声波技术就不存在这样的问题，因为超声波可以在土壤中传播，从而检测到种子萌发过程中产生的震动，再结合生物知识就可以很轻易地判断出种子的萌发情况。此外，功率超声波技术使得超声波在传播的过程中还会引发生物反应，在提高农作物的经济效益的同时还能有效改善土地荒漠化的问题。因此，功率超声技术在促进种子萌发中的应用可以发挥极大作用，提高农作物的存活率与发芽率，为农业生产带来重大发展机遇。3.2对酶的作用3.2.1提高酶活性功率超声技术可以通过促进酶的作用过程来提高酶的活性，而且此过程并不会对酶本身的结构造成任何破坏。它主要是改善酶和底物的作用效果，通过提高底物进入酶作用地点的速率或降低底物与酶的接触难度并使中作用完成后的生成物加速离开，最终达到提高酶活性，加快其催化过程的目的。功率超声在传播过程中引起的振荡作用促使液态介质与酶之间的扩散速度加快，不仅使得反应底物与酶的接触几率上升，促进反应发生；还加速生成物排出酶的反应地点，为之后的催化反应提供更多的反应地点，从而完成激活酶的作用。3.2.2酶失活功率超声确实会有利于酶的催化作用，但这需要控制超声波的强度，一旦超声波强度过大反而会适得其反，导致酶失活。这其中的原因主要是以下三点：①高强度超声波振荡引发液态介质温度升高，导致酶的蛋白质结构被破坏从而产生酶失活的现象；②高强度超声波引起的瞬态空化效应会产生自由基与酶反应，占据了没到反应地点，导致催化作用无效；③高强度超声波产生的空化泡破碎会引起冲击波，对酶的结构造成破坏导致酶失活。这些原因已基本得到证实，有相关研究证明：热能和超声波联合作用会使得酶失活效应变得更加容易，失活所需温度也会大大降低；且这个效应还会根据超声强度的提高而变得更加显著。我们就可以利用此效应来解决饮品中由于酶作用而产生的问题。3.3超声技术在基因工程育种中的应用基因工程是近年来生物技术研究的热门，它是指在生物分子的尺度上通过一定技术将带有人类所需遗传片段的DNA分子导入到特定细胞，再将其表达，最终得到具有人类所需功能的细胞群的技术。但是因为传统的DNA提取及导入方法不够完善，所以基因工程技术的发展并没有达到人们对预期。而随着功率超声技术在生物工程应用的不断深入，已经有研究证明：超声波引起空化效应而产生的超声空化泡可以击穿生物膜或提高生物膜的通透性，而这就有利于细胞内外或细胞核内外的物质进出，对于DNA的提取与导入都有着促进作用。3.4生物活性物质提取和生产方面的应用超声波技术可应用于液体和固体的分散系统，这些系统的碎裂效果比常见的拆散方法更强，其强度得到合理控制，并可产生有选择的碎裂，产生极好的效果和更大的益处。它可以用于提取活性物质，在不损害活性物质的情况下粉碎生物细胞和酶等其他材料，利用功率超声的高速振荡，进行大规模采掘，帮助提高活性物质的生产。结语综上所述，功率超声作为一种操作简便、发展成熟的声学技术，在生物工程领