LABORAUSSTATTUNGEN Leichte Homogenisierung mit Ultraschall

Der Einsatz von Ultraschall-Homogenisatoren gewinnt zunehmend in der täglichen Laboranalytik, in den Bereichen Umwelt, Medizin, Qualitätskontrolle oder auch der Sonochemie an Bedeutung.

Anbieter zum Thema

Gerstel GmbH & Co. KG

IKA-Werke GmbH & Co. KG

JULABO GmbH

Der Einsatz von Ultraschall-Homogenisatoren gewinnt zunehmend in der täglichen Laboranalytik, in den Bereichen Umwelt, Medizin, Qualitätskontrolle oder auch der Sonochemie an Bedeutung. Die Geräte sind einfach zu handhaben und liefern reproduzierbare Ergebnisse.

Ultraschall ist aufgrund seiner hohen Frequenzen für die menschliche Wahrnehmung nicht zugänglich. Die Schallfrequenzen liegen etwa zwischen 16 kHz und einem GHz. Ultraschall-Homogenisatoren arbeiten meist bei niedrigen Ultraschallfrequenzen um 20kHz, um hohe Energiedichten in flüssige Medien zu übertragen. Sie bestehen im Wesentlichen aus drei Komponenten, dem Hochfrequenz-Generator, dem Ultraschallwandler und einer Arbeitsspitze, auch Sonotrode genannt.

Der HF-Generator wandelt elektrische Leistung in eine Hochfrequenzleistung bei 20kHz um. Diese HF-Leistung wird vom piezoelektrischen Ultraschallwandler in eine mechanische Bewegungsleistung in Form longitudinaler Schwingungen gleicher Frequenz umgesetzt. Die mechanischen Schwingungen werden vom Ultraschallwandler über die Sonotrode verstärkt und in das zu beschallende Medium übertragen. Die Sonotroden bestehen meist aus einer hochfesten korrosionsbeständigen Titanlegierung und sind autoklavierbar. Die hohe Bewegungsamplitude an der Sonotrodenspitze erzeugt ein starkes Ultraschallfeld und eine intensive Kavitation in Flüssigkeiten. Dies führt zur ständigen, millionenfachen Bildung mikroskopisch kleinster Bläschen, die in darauf folgenden Schwingungszyklen wieder implodieren.

Die dabei frei werdenden Energien in Form hoher Beschleunigungskräfte und Flüssigkeitsjets sind die Ursache der meisten Ultraschalleffekte. Für die richtige Auswahl eines Ultraschall-Homogenisators ist die Leistungsangabe des Gerätes in Watt allein nicht geeignet. Dieser Wert sagt nichts über die auf das Medium wirkende Ultraschall-Amplitude aus. Besser und entscheidend für das Beschallungsergebnis ist die Angabe der Amplitude an der Sonotrodenspitze unter Berücksichtigung der Probenmenge.

Von der Reinigung zur Homogenisation

Seit vierzig Jahren beschäftigt sich die Firma Bandelin mit der Entwicklung und Produktion von Ultraschall-Homogenisatoren. Ultraschall-Reinigungsgeräte fertigt das Unternehmen seit mehr als 55 Jahren.

Die Sonoplus Ultraschall-Homogenisatoren sind speziell für den Einsatz im Labor entwickelt. Sie können die gewählte Amplitude konstant halten, unabhängig davon, ob sich die Bedingungen in der Flüssigkeitsprobe ändern. Damit sind reproduzierbare Ergebnisse garantiert. Wahlweise können die Geräte auch mit konstanter Vorgabeleistung betrieben werden. Bei den Sonoplus-Geräten können neben der Amplitude weitere Prozessparameter wie z.B. Taktzeiten und Probentemperatur programmiert werden. Die in die Probe eingebrachte Energie wird am Gerät in kJ angezeigt. Der Temperaturfühler für 0-120 °C wird optional angeboten. Alle Prozessparameter können in neun Anwenderprogrammen gespeichert werden. Ein Schnittstellenanschluss für Laborautomatisierung oder auch eine Prozessüberwachung mittels PC ist möglich. Probenmengen ab 50 µl bis zu 1000 ml im stationären Betrieb und bis zu 30 l/h im Durchflussbetrieb können beschallt werden.

Ultraschall in der Praxis

Die Haupteinsatzgebiete von Ultraschall-Homogenisatoren liegen in der Aufbereitung bzw. Probenvorbereitung beim Homogenisieren von Substanzen aller Art, Emulgieren, Suspendieren, Beschleunigen von chemischen Reaktionen, dem Zellaufschluss und der Extraktion von Inhaltsstoffen. So setzen Labore heute zunehmend Hochleistungs-Ultraschall ein, wenn es darum geht, Zellwände aufzubrechen, um an die Zellinhalte zu gelangen, ohne diese zu schädigen. Ein Teil der in die Probe eingetragenen Energie wird in Wärme umgesetzt. Thermische Schädigungen der Zellinhalte werden durch möglichen Intervallbetrieb oder auch durch Einsatz spezieller Kühlgefäße verhindert. Mit Rosettenzellen können Proben kontinuierlich und sehr gleichmäßig beschallt werden.

Im Eisbad platziert, wird der Inhalt wegen der vergrößerten Glasfläche und der Zirkulation sehr wirksam gekühlt. Bei sehr resistenten Bakterien (z.B. Streptokokken), Pilzen, Sporen oder Gewebeproben ist die direkte Beschallung mit sehr dünnen Sonotroden (Mikrospitzen) erforderlich, da hier größere Amplituden nötig sind. Beim Beschallen kleinster Volumina in Reaktionscups ist eine genaue Amplitudenregelung nötig, da sonst die Lösung aus dem Gefäß spritzt und wertvolles Probenmaterial verloren geht. Sollen Zellen mit labilen Zellwänden aufgeschlossen werden, ist ebenfalls eine kleine Amplitude oder geringe Leistung wichtig. Für den Aufschluss von Zellen, Bakterien oder zur Beschallung von Gewebekulturen wird eine indirekte Beschallung in Beschallungsbechern oder Becherresonatoren empfohlen, um eine mögliche Kontamination durch Metallpartikel von der Sonotrode zu verhindern.

Auch die technischen Einsatzmöglichkeiten sind sehr vielfältig. Sie reichen von der Farben- und Lackherstellung unter Ultraschalleinsatz über die Abwasser-Homogenisierung bis hin zum Aufschluss von Bodenproben für Analysezwecke oder der Probenvorbereitung für die Korngrößenanalyse.

Industrieabwasser wird ständig auf Anteile von Schwermetallen, Fetten oder Ölen in Umweltlaboren untersucht, um im Fall von Konzentrationsüberschreitungen sofort handeln zu können. Für repräsentative Analysenergebnisse ist es erforderlich, die Abwasserproben in einen homogenen Zustand zu versetzen. Durch den Einsatz von Ultraschall-Homogenisatoren Sonoplus aus dem Hause Bandelin ist der Homogenisiervorgang innerhalb sehr kurzer Zeit abgeschlossen.

Zur Charakterisierung von Abfallproben hinsichtlich ihrer Deponierbarkeit und zur Beurteilung von Schadstoffen wie PAK (polycyklische aromatische Kohlenwasserstoffe), Schwermetallen oder MKW (Mineralölkohlenwasserstoffe) in Böden wird die Extraktion mit Ultraschall als schnelleres Verfahren alternativ zur Elution eingesetzt. Im Landwirtschaftsbau werden Ultraschall-Homogenisatoren bei Bestimmungen des THC-Gehaltes in Hanf und auch bei PAK-Konzentrationen in pflanzlichen Lebensmitteln in Abhängigkeit von der Bodenbelastung verwendet. Auch in der Lebensmittelanalyse werden Ultraschall-Homogenisatoren häufig eingesetzt. Hierzu nur ein Beispiel: Der Nitratgehalt in Käse ist laut „Zusatzstoff-Zulassungs-VO“ nach oben hin begrenzt.

Die bisherige Methode über Xylenolmethanol-Destillation und anschließender photometrischer Bestimmung ist toxikologisch bedenklich und zudem zeitaufwändig. Zur quantitativen Bestimmung des Nitratgehaltes wird der Käse nach mechanischer Vorzerkleinerung in wässriger Lösung in einer Rosettenzelle innerhalb kürzester Zeit suspendiert.

Die Teilchengröße liegt dann unter 1 µm und die sich anschließende Filtration zum quantitativen Auswaschen von Ionen wird erheblich erleichtert, da keine Konglomeratbildung stattfindet. In der Sonochemie sind vor allem Anwendungen interessant, mit denen sich Reaktionen beschleunigen oder überhaupt erst durch Ultraschall in Gang setzen lassen. So lässt sich zum Beispiel die Reaktionsfähigkeit von Metallen wie Lithium, Magnesium, Zink oder Aluminium wesentlich steigern. Homogenisatoren lassen sich zur Zerstörung hochmolekularer Ketten (Depolymerisation) oder zur Verschmelzung von Metallteilchen in Flüssigkeiten einsetzen. Das schnelle lokale Aufheizen und Abkühlen durch die ultraschallbedingte „Kavitation“ in Flüssigkeiten ermöglicht auch die Zerlegung von Wasser in extrem reaktive H+- und OH--Radikale.

Fazit: Die Beispiele kennzeichnen einige wesentliche Aspekte der Anwendung von Ultraschall-Homogenisatoren. Bestimmte Substanzen können gezielt zerstört ?werden, langwierige Prozesse lassen sich vereinfachen, die Ausbeute von vielen Reaktionen wird erhöht und immer wieder finden sich neue Anwendungsmöglichkeiten. Der Vergleich mit anderen Homogenisiergeräten wie Kugelmühlen, Rotor-/Stator- oder Spalt-Homogenisatoren zeigt, dass Ultraschall-Homogenisatoren mit hoher Effizienz arbeiten und reproduzierbare Ergebnisse garantieren.

Immer kleinere Probenvolumina und die Verringerung des Chemikalieneinsatzes stehen im Trend der Analytik. So hat der Einsatz von Ultraschall-Homogenisatoren in den letzten Jahren überall dort zentrale Bedeutung erlangt, wo Proben schnell, kostengünstig und reproduzierbar aufbereitet werden sollen.

TYPISCHE EINSATZGEBIETE IN DER MEDIZIN

- Aufbruch von Gewebekulturen: Subzelluläre Komponenten und Viren werden ohne jegliche Zerstörung aufgeschlossen.- Vaterschaftstest: Einsatz des Homogenisators, um schneller an das stromafreie Hämolysat aus dem EDTA-Blut des Putativvaters zu gelangen, das für die Begutachtung der Vaterschaft notwendig ist (Reduzierung der Vorbereitungszeit um ca. 30 min).- Urologie: Biochemische Untersuchungen an Membranen von Spermatozoen.- Extraktion von DNA aus Humanmaterial in der Genforschung.- Liposomenherstellung: Liposomen dienen als Membranmodelle in Biochemie, Pharmazie und Medizin, da zwischen Membranen von Zellen und Liposomen Ähnlichkeiten bestehen. Die Desintegration von MLV (Multilamellare Liposomen) mit Hilfe von Ultraschall (20 kHz) ist die vorherrschende Methode zur Gewinnung von SLV (Unilamellare Liposomen).- Herstellung einer gleichmäßig verteiltenInfektionslösung: Aufbereitungvon Pockenschutzviren.

*Dipl. Ing. M. Herrmann, Dipl. Ing. R. Jung,BANDELIN electronic GmbH, 12207 Berlin

(ID:148440)