Processador ultrassônico / sonicador de ponteira

Processador ultrassônico / sonicador de ponteira

Este artigo sobre Processador ultrassônico / sonicador de ponteira tem como objetivo detalhar melhor alguns pontos que nossos clientes sempre nos perguntam, permitindo assim conhecer melhor estes equipamentos, entendendo seu funcionamento, assim como fornecer dicas sobre como melhorar os trabalhos desenvolvidos e até mesma como escolher o equipamento adequado para sua necessidade.

Dividiremos este post em tópicos, conforme abaixo:

1 – O que é e como funciona um processador ultrassônico ou sonicador

2 – Sonda ultrassônica, Micro sonda e Ponteira

3 – Parâmetros para utilização de um processador ultrassônico ou sonicador de ponteira

4 – Desgaste das sondas ultrassônicas e como realizar a troca

5 – Dicas de utilização para melhor performance do Sonicador de ponteira

6 – Aplicações para um processador ultrassônico

7 – Vantagens de um processador ultrassônico sobre um banho de ultrassom

8 – Vantagens do processador ultrassônico Sonics Vibra-Cell

9 – Como escolher seu processador ultrassônico / Sonicador de ponteira

1 – O que é e como funciona um processador ultrassônico ou sonicador  

 Um processador ultrassônico, também chamado de Sonicador de ponteira ou apenas sonicador, é um equipamento de laboratório utilizado em muitas aplicações, como por exemplo na produção de dispersões, disruptura de parede celular (lise celular) e para homogeneização de amostras (veja mais aplicações no item 6).

Seu funcionamento é fruto da conversão de energia elétrica em energia mecânica.

Um sonicador é composto basicamente por 3 componentes:

• Controlador
• Conversor
• Sonda

No exemplo da foto, este modelo possui também um sensor de temperatura externo, que permite definir o valor máximo suportado pela amostra, evitando sua degradação ou evaporação de solventes.

 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

O CONTROLADOR do processador ultrassônico converte a frequência da energia elétrica (60 Hz no Brasil) em uma frequência muito maior, que no caso dos processadores ultra-sônicos Vibra-Cell da SONICS é de 20 KHz.

Esta energia elétrica, já na frequência de 20 KHz, é transmitida através dos transdutores piezelétricos existentes dentro do CONVERSOR. Portanto, dentro do conversor, a energia elétrica é transformada em energia mecânica vibratória, devido a expansão e contração dos transdutores.

Atenção: Estes transdutores existentes dentro do conversor são confeccionados com materiais cerâmicos, portanto não são resistentes a impactos. Logo, o conversor é um componente bastante sensível do sonicador e cuidados com quedas são fundamentais para evitarem danos irreversíveis.

Cavitação

As vibrações geradas pelo conversor são intensificadas pela SONDA, que é o componente que será introduzido na amostra.

Estas vibrações criam ondas de pressão sobre o líquido / amostra, rompendo as forças moleculares de coesão da mesma.

Logo, esta ação forma milhões de bolhas microscópicas que se expandem, a medida que a pressão negativa ocorre, e implodem violentamente durante a pressão positiva.

Neste fenômeno, chamado de cavitação, uma considerável quantidade de energia é liberada no momento das implosões das bolhas, o que gera uma poderosa força de cisalhamento na ponta da sonda.

Mesmo tendo duração de micro segundos, e considerando que a energia liberada por cada implosão seja pequena, a energia cumulativa de todas as implosões é consideravelmente alta.

Portanto, quanto maior é o diâmetro da sonda, maior é o volume de amostra que ela pode processar, mas menor é a intensidade desta energia.

Sondas com menor diâmetro, processam menores volumes de amostra, mas geram maior intensidade na sua ponta, devido a maior expansão (amplitude).

Esta intensidade é chamada AMPLITUDE.

O QUE É AMPLITUDE ?

A AMPLITUDE, medida em microns, e é a distância longitudinal que a sonda oscila, também chamada de DESLOCAMENTO ou CURSO, definida também como “Aumento do comprimento da sonda”.

Portanto, quanto mais alta é a amplitude ajustada, maior é o deslocamento da sonda e consequentemente a quantidade de energia que será transmitida para a amostra.

Entretanto, a amplitude em uma sonda depende do seu diâmetro e do % da amplitude selecionada no controlador do Sonicador.

No ajuste máximo da amplitude do controlador (100%), a sonda irá deslocar uma determinada amplitude pré definida pelo fabricante.

Exemplo

Em um Processador Ultrassônico de 500W de potência (Sonics Vibra-Cell VC 505) ou com potência de 750 W (Sonics VibraCell VCX 750), utilizando uma sonda de 13 mm de diâmetro, o deslocamento máximo com ajuste da Amplitude do controlador em 100% será de 124 μm (Curso de 124 μm).

Como o controle da amplitude é linear, se o controlador for ajustado para amplitude de 50%, a sonda irá se deslocar 62 μm.

Se utilizarmos um processador ultrassônico de 130 W, como o Sonics Vibra-Cell VCX 130, com uma sonda de 3 mm, a amplitude máxima (considerando o controlador ajustado para 100%) será de 182 μm. Da mesma forma, com uma amplitude ajustada no controlador em 50%, o deslocamento da sonda será de 91 μm.

Para informações completas sobre o deslocamento de cada sonda, consulte as tabelas 14 e 15 existentes no tópico 9 deste post.

Controle automático da amplitude

Os processadores ultrassônicos Sonics Vibra-Cell possuem um controle de amplitude único no mercado mundial, que garante uma estabilidade muito grande. Ao contrário dos concorrentes, o deslocamento da sonda (amplitude) não será impactado quando a resistência da amostra à sonda aumenta.

A amplitude também não será afetada em função de variações de outras variáveis, tais como pressão, densidade, viscosidade e temperatura da amostra.

Entretanto, conforme veremos a seguir, estas variáveis irão influenciar na quantidade de ENERGIA liberada pelo controlador, ou seja, a POTÊNCIA utilizada.

O QUE É POTÊNCIA DE UM SONICADOR?

A potência é medida e expressa em Watts (W) e refere-se à quantidade de energia requerida pela amostra para energizar e vibrar a sonda na AMPLITUDE definida no controlador. Ela é consequência da amostra e suas condições e portanto não pode ser definida pelo usuário !

Nos equipamentos da Sonics, durante o processamento, basta pressionar a tecla “VIEW” que os parâmetros de processamento podem ser visualizados on line, inclusive a potência que está sendo despejada na amostra.

Mas por que meu Sonicador não está “entregando” a potência máxima quando a amplitude é ajustada para 100%?

Podemos explicar este fenômeno fazendo uma comparação com o controle de velocidade de um “piloto automático” em um automóvel.

O controle da velocidade pelo piloto automático é desenvolvido para que a velocidade seja constante.

Entretanto, em alguns momentos do trajeto, pode haver necessidade de aumento de potência do motor para manter a mesma velocidade, como em uma subida por exemplo.

Conforme o ambiente muda, a potência despejada pelo motor do carro é alterada, mas a velocidade é constante.

Quanto maior for a inclinação do terreno, como em uma subida de ladeira, maior será a potência despejada pelo motor para vencer esta resistência do ambiente, objetivando manter a velocidade constante.

Portanto, o “piloto automático” percebe alterações do terreno e automaticamente ajusta a quantidade de potência que o motor do carro precisa produzir para manter a velocidade constante.

Para garantir repetibilidade, ou seja, sempre a mesma performance do sonicador em todos os experimentos, o processador ultrassônico Vibra-Cell da Sonics é projetado para “entregar” sempre a mesma AMPLITUDE através do sistema de Auto Tunning, independente do tipo e condição da amostra. Entretanto, a quantidade de energia (potência) necessária poderá variar.

Logo ….

Conforme aumenta a resistência da amostra à sonda, uma potência adicional será “liberada” pelo controlador para garantir que o DESLOCAMENTO da sonda (amplitude) seja o mesmo ajustado no controlador pelo usuário.

O controlador dos sonicadores de ponteira Sonics Vibra-Cell permite com que a sonda tenha sua amplitude ajustada em qualquer nível definido pelo usuário, de 10 a 100%.

Apesar do grau de cavitação necessário para processar uma amostra possa ser determinado por observação visual, a quantidade de potência necessária não pode ser determinada desta forma.

Uma rede “sensitiva” e de alta tecnologia existente no controlador monitora continuamente as necessidades de processamento e ajusta automaticamente a potência para manter a amplitude definida pelo usuário no controlador sempre constante.

Quanto maior for a resistência ao movimento da sonda, maior será a potência despejada.

A potência máxima que um processador ultrassônico é capaz de despejar só será obtida quanto a resistência ao movimento da sonda for alto o suficiente para garantir esta saída nominal.

Este fenômeno pode ser demonstrado da seguinte forma:

• Com o equipamento em stand by (ligado, mas não processando), ajuste a AMPLITUDE no controlador para 100%
• Encoste a ponta da sonda em um pedaço de madeira, sem muita força, e ligue o equipamento.
• Observando o monitor de potência do equipamento no display do controlador, identifique a potência despejada
• Quanto maior for a pressão da sonda na madeira, maior será a resistência à sonda e consequentemente maior será a potência despejada pelo controlador para compensar esta resistência.

OBS. Não executar este teste se estiver utilizando um micro sonda, ou seja, sonda para pequenos volumes. – Ver maiores informações a seguir !

A definição de potência pelo fabricante de um sonicador de ponteira pode ser real ou exagerada. Vemos muitos concorrentes informando uma potência de X watts em seus equipamentos, mas na realidade eles são capazes de processar volumes que não condizem com esta informação.

Infelizmente, não existe norma que padronize ou regule esta informação a nível mundial.

Logo, um fabricante pode informar que seu modelo tem 100 W de potência. Mas quem utiliza o padrão RMS, que é mais rigoroso, informa que seu processador tem 60 W e processa o mesmo volume de amostra que o fabricante de 100 W informou.

Conforme veremos a seguir, quanto maior a potência e maior o diâmetro da sonda, maior o volume que pode ser processado.

Medida de potência

Como as determinações de potência variam amplamente com os fabricantes, recomendamos que a escolha da sonda ou microsonda seja cuidadosa para garantir que o processamento seja adequado.

Por exemplo, uma unidade de 100 watts deve poder utilizar uma sonda de 1⁄2 “(13 mm) e processar efetivamente até 100 ml. Se uma sonda de 1⁄2” (13 mm) não estiver disponível com um equipamento de “100 watts ”, afirmamos que um método diferente do padrão RMS foi utilizado para determinar a potência do equipamento e que suas capacidades de processamento reais serão inferiores a 100 ml.

Obs: O volume máximo que pode ser realmente processado com uma sonda de 1⁄8 “(3 mm) é de 15 ml.

Na Sonics Vibra-Cell, realizamos a classificação de potência RMS, que é a mair rigorosa, e divulgamos os recursos de potência e volume de processamento reais, pois pensamos que fornecer uma informação sem a outra seria ao mesmo tempo sem sentido e intencionalmente enganosa aos clientes.

2 – Sonda ultrassônica, Microsonda e Ponteira

As sondas dos sonicadores, também são chamadas de sonotrodos ou ponteiras.

Elas atuam como um “transformador” para aumentar a amplitude (desclocamento) da vibração gerada pelo conversor. Elas normalmente possuem duas seções, onde cada uma possui um diâmetro diferente.

Quando levadas a sua frequência de ressonância, a sonda se expande e contrai longitudinalmente em torno do seu centro. Entretanto, nenhum movimento longitudinal ocorre na rosca da sonda, que é uma área sem atividade, o que permite a conexão de acessórios neste ponto.

Quanto maior for a relação de massa entre a seção superior e inferior da sonda, maior é o fator de amplificação e o curso “de ponta a ponta” da sonda.

Sondas com diâmetros menores produzem grande intensidade de cavitação, mas a energia liberada é restrita a uma área menor e mais concentrada, processando portanto menores volumes.

Inversamente, sondas com a área da ponta com maior diâmetro produzem menor intensidade, mas a energia é dissipada em uma área maior, permitindo processar maiores volumes de amostra.

A Sonics disponibiliza uma grande variedade de sondas para uma ampla faixa de volumes.

Erros como utilizar uma sonda com pequeno diâmetro para grandes volumes, ou sondas de grande diâmetro para pequenos volumes, precisam ser evitados.

Também estão disponíveis sondas especiais, chamdas de Sondas de alto ganho, que  produzem intensidade maiores do que as padrões do mesmo diâmetro e são usualmente recomendadas para processar amostras de difícil processamento.

As sondas possuem diâmetro de 13 a 26 mm e são capazes de processar volumes de 50 a 1.000 ml

As micro sondas possuem diâmetro de 2 a 6 mm, processando de 0,2 a 50 ml.

As ponteiras são pequenos “pedaços” das sondas, na verdade é apenas a sua ponta, portanto possuem os mesmos diâmetros das sondas (ver mais sobre sonda com ponteira substituível, no item 2.3).

Justamente por causa deste conceito, alguns clientes chamam os processadores ultrassônicos de ultrassom de ponteira.

2.1 – Material das sondas, micro sondas e ponteiras

As sondas, micro sondas e as ponteiras são fabricadas pela Sonics e utilizam liga de titânio de alta qualidade Ti6Al4V, produzindo assim características essenciais ao processamento ultrassônico, tais como:

• Permitir que sejam submetidas a altas tensões de tração
• Possuir boas propriedades acústicas nas frequências ultrassônicas
• Alta resistência a corrosão
• Baixa toxicidade
• Excelente resistência a erosão devido ao processo de cavitação
• Possibilidade de esterilização em autoclaves

Esta liga foi estudada desenvolvida e para garantir a mais alta performance e durabilidade possível em diversas aplicações de sonicação.

De uma forma geral, esta liga é recomendada para aplicações onde a combinação de alta resistência a baixas e médias temperaturas são necessárias, incluindo sua baixa densidade, alta formabilidade e excelente resistência a corrosão.

Algumas das principais aplicações para utilização desta liga são peças de turbinas de avião, estruturas aeroespaciais, materiais automotivos de alta performance, aplicações marítimas, equipamentos médicos e até mesmo esportivos.

Em inglês, esta liga de titânio é chamada de “horsepower”, ou seja, uma liga de alta resistência de uma forma geral.

A mesma é de longe a liga mais utilizada mundialmente, representando quase 50% de todas as ligas de titânio fabricadas.

2.2 – Resistência Química e corrosão das sondas

A liga Ti 6Al-4V possui elevada resistência química para trabalhos em soluções altamente ácidas ou básicas. Algum descoloramento pode ocorrer na superfície das sondas, mas a integridade da mesma não será comprometida.

Entretanto, as condições de operação (solvente da solução, tempo e amplitude da sonicação, temperatura de trabalho, etc) podem, de uma forma conjunta, contribuir para um maior desgaste.

Exemplos de resistência química para as sondas:

• Ácido sulfúrico: Moderada
• Hidróxido de sódio: Moderada
• Água do mar: Excelente
• Ácido acético: Excelente

Abaixo apresentamos uma tabela com taxas de corrosão para a liga de titânio, considerando diversos meios:

A liga Ti 6Al-4V imediatamente e espontaneamente forma uma camada de óxido bastante aderente e estável ao contato com o oxigênio do ar ou com a água. Isso permite excelente resistência a corrosão nos diversos meios citados acima.

Esta liga possui, portanto, excelente resistência em soluções aquosas, inclusive água do mar e ácidos oxidantes, cloretos (na presença de água) e bases.

As piores condições para qualquer liga de titânio, incluindo a Ti 6Al-4V, e que aumentam o nível de corrosão são a presença de ácidos redutores ou gases clorados.

Elas também são suscetíveis a fragilização por hidrogênio, que pode se difundir no metal, formando hidretos, e portanto devem ser evitadas.

2.3 – TIPOS DE SONDA

Existem dois tipos de sonda: sonda sólida e sonda com ponteira substituível, conforme vimos início do tópico 2.

Algumas aplicações utilizam solventes orgânicos ou de baixa tensão superficial, como álcoois. Estes solventes penetram na rosca da ponteira substituível juntamente com a amostra, formando uma espécie de isolamento, provocando assim sobrecarga e falhas no sistema controlador.

Isso ocorre pois a sonda não irá ressonar mais na frequência para a qual foi desenvolvida, o que pode sobrecarregar o controlador e até mesmo danifica-lo.

Como esta informação “se perde” com o tempo dentro de um laboratório, e portanto para evitar problemas futuros, sempre recomendamos aos clientes a utilização de sondas sólidas.

Reforçamos: as sondas com ponteiras substituíveis só podem ser utilizadas com amostras com solvente aquoso.

Apesar desta limitação técnica, a sonda com ponteira substituível possui uma vantagem: quando sofre desgaste, basta trocar sua ponteira, que é mais barato do que a troca da sonda inteira.

Por padrão, a Biovera oferta as sondas sólidas devido a sua flexibilidade na utilização com qualquer tipo de solvente.

Obs: Não existe disponibilidade de microssondas (para pequenos volumes) com ponteira substituível

3 – Parâmetros para utilização de um processador ultrassônico ou sonicador de ponteira

A intensidade da cavitação que ocorre no líquido, ou seja, a intensidade da sonicação, é proporcional a algumas variáveis, tais como:

1. a intensidade da vibração da ponta da sonda (Amplitude)
2. a tensão superficial do solvente
3. a temperatura da amostra
4. a viscosidade da amostra
5. a pressão que o líquido está recebendo
6. a posição/profundidade da sonda em relação a amostra

Quanto maior a amplitude, maior é a oscilação da ponta da sonda e maior o nível de cavitação, e portanto sua eficiência de sonicação.

O % da amplitude pode ser ajustado no controlador do sonicador. Mas a amplitude de cada sonda, ou seja, quanto ela oscila, é consequência entre o diâmetro inicial e final da sonda.

Quanto maior for esta relação, maior será a amplitude da sonda, ou seja, sondas com menores diâmetros terão maiores amplitudes do que sondas com maiores diâmetros, conforme imagem 7 abaixo.

Em contrapartida, quanto menor o diâmetro da sonda, menor seu volume de processamento. Maiores diâmetros permitirão processar maiores volumes de amostra.

Tanto a viscosidade quanto a tensão superficial do solvente possuem grande efeito no processo de cavitação. Quanto maior forem, maior será a redução acústica e maior será a energia necessária para cavitar o líquido.

Com relação a temperatura, a influência da mesma também é direta: maior temperatura produzirá maior cavitação. Este fenômeno ocorre até 70ºC aproximadamente, quando a cavitação começa a ser reduzida até parar completamente quando o líquido chega no seu ponto de ebulição.

Da mesma forma que um líquido pressurizado exigirá maior energia ultrassônica (maior amplitude) para produzir cavitação, sendo assim maior a energia que será liberada na amostra à medida que as bolhas implodem.

Influência da temperatura no processamento ultrassônico

A temperatura do líquido que está sendo sonicado tem grande influência na intensidade da cavitação. A temperatura modifica diversas propriedades do líquido, como viscosidade, tensão superficial e principalmente a pressão de vapor, e todas estas características influenciam na cavitação.

Apesar de temperaturas elevadas “enfraquecerem” o colapso das bolhas devido ao aumento da pressão de vapor, quanto mais alta a temperatura maior a quantidade de bolhas e mais violento é o colapso das mesmas.

Para a maioria das aplicações, recomendamos manter a temperatura entre 4 e 20ºC.

Durante o processo de sonicação, a temperatura da amostra invariavelmente irá aumentar, principalmente em volumes menores.

O excesso de temperatura traz consequências negativas como evaporação de solventes, alterando o volume processado, ou até mesmo a degradação da amostra, como por exemplo em células ou fármacos.

Uma abordagem simples para minimizar os efeitos negativos do aumento da temperatura é manter a amostra em um banho termostático ou banho de gelo. O frasco da amostra deve ficar submergido em um nível na qual a amostra fique submersa no banho.

A temperatura da amostra deve ser mantida baixa. Isso também pode ser realizado pulsando o processamento, através da respectiva função ON e OFF, enquanto a amostra está submersa no banho.

Durante o processamento ultrassônico, toque o frasco para avaliar se o mesmo está com baixa temperatura.

Com relação a um possível dano a sonda, sua liga permite trabalhos até 350ºC, portanto mesmo temperaturas abaixo de 100ºC não irão em hipótese alguma danificar a mesma.

Portanto, as consequências negativas, conforme relatado anteriormente, são todas para a amostra e não para a sonda em si.

A expansão térmica da liga de titânio utilizada nas sondas e microssondas é detalhada no gráfico abaixo:

Operação em modo contínuo e pulsado

Os processadores ultrassônicos podem operar no modo contínuo ou pulsado.

No modo pulsado existe um intervalo do pulso (processamento) com um tempo estático (pulso off), ou seja, durante um tempo ON o equipamento estará processando e durante o tempo OFF o equipamento estará sem operar.

Estes tempos podem ser regulados conforme aplicação e desenvolvimento do processo de preparação da amostra.

A operação em modo de pulsação, com pulsos ON e OFF, retarda consideravelmente o aumento da temperatura da amostra, minimizando os efeitos indesejados citados acima, permitindo assim um melhor controle da temperatura.

A Operação com pequenos pulsos intercalada com períodos de refrigeração é geralmente recomendada.

Quando se trabalha com pequenos volumes, a temperatura da amostra tende a aumentar rapidamente com a sonicação. Logo, as condições de refrigeração da amostra devem ser mais intensas do que para grandes volumes.

Outro fator observado no trabalho com pulsos ON e OFF é a possibilidade de uma melhor homogeneização da amostra, que pode retornar a proximidade da sonda durante o ciclo OFF.

4 – Desgaste das sondas ultrassônicas e como realizar a troca: processo de erosão por cavitação

O processo de cavitação em um líquido é muito dependente da tensão superficial e quanto maior ela for, maior será a cavitação. Apesar de normalmente a água ser escolhida como um bom meio para dispersão ultrassônica, as sondas utilizadas em meio aquoso se desgastam aproximadamente 5x mais rápidas do que em um solvente orgânico.

A performance de uma sonda é reduzida na mesma proporção que o desgaste da ponta ocorre, até o ponto onde o nível de energia transmitida para o líquido é significantemente menor.

Polir aponta com uma lixa fina pode aumentar um pouco a vida útil da sonda, mas a remoção de material em excesso da ponta mudará a frequência de ressonância, para a qual a mesma foi desenvolvida, gerando sobrecarga e danos ao Controlador.

Para verificar a frequência de ressonância, ajuste a amplitude do sonicador para 100% (ou 40% se estiver utilizando uma microssonda) e observe o display do controlador. Com a sonda no ar, ou seja, sem estar submersa em nenhuma amostra, a leitura de potência deve ser menor do que 15 Watts para as sondas e menor de 5 Watts para uma microssonda. Se valores maiores do que estes forem observados, a sonda/microssonda ou ponteira devem ser imediatamente substituídas.

Objetivando reduzir o processo de erosão das sondas, diversos revestimentos já foram testados, como a base de safira ou cerâmica, mas os mesmos não se mostraram eficientes por mais do que poucos minutos.

Logo, ainda não se descobriu um revestimento que evite a erosão das sondas dos processadores ultrassônicos.

Como realizar a troca de uma sonda

Para a troca da sonda, são necessárias pelo menos duas chaves: uma para manter o conversor em posição fixa, sem se movimentar, e outra para girar a sonda/microsonda.

Para fixação do conversor, utilizamos uma chave com pino AZUL.

As microssondas ou as ponteiras das sondas substituíveis, utilizam chave de boca.

Para  remoção das sondas de maior diâmetro, utilizamos chave com pino Vermelha (menor diâmetro do que a chave AZUL).

Durante este procedimento, é muito importante que o conversor fique estático, preso com a chave azul, impedindo a sua rotação enquanto “soltamos” a sonda.

Isso é essencial pois, como falado anteriormente, dentro do conversor temos discos cerâmicos (cristais piezelétricos) que são soldados uns aos outros.

O movimento de rotação nestes discos provoca o rompimento desta solda e danos irreversíveis ao conversor, que precisará ser descartado e substituído por um novo

Uma dica importante é manter as superfícies de contato entre o conversor e a sonda limpas, isentas de material ou amostra, assim como na rosca da sonda/microssonda / microponteira.

Abaixo mostramos as posições corretas para remoção e fixação das sondas, micro sondas e ponteiras

5 – Dicas de utilização para melhor performance do Sonicador de ponteira

Trabalhar com recipiente para amostra fabricados com materiais com alta condutividade térmica ajuda a garantir uma rápida dissipação de energia da amostra. Portanto, sugerimos os seguintes materiais, em ordem de prioridade, ou seja, da maior para a menor condutividade térmica:

• Aço Inox
• Vidro
• Plástico

Quando escolher o recipiente, também deve-se observar a compatibilidade química da amostra com o mesmo.

O vidro é compatível com soluções alcalinas. Se algum analito for do grupos dos ftalatos por exemplo, recipientes plásticos devem ser evitados.

Outra dica é a utilização de uma folha de alumínio para cobrir o frasco da amostra, mantendo apenas a abertura necessária para a passagem da sonda. O uso desta cobertura é recomendado para evitar a perda de solventes líquidos, especialmente quando utilizados solventes voláteis como etanol, ou quando for necessário processamento de longa duração.

Esta folha de alumínio também impede a formação de aerossóis durante o processo de sonicação.

Refrigerar a amostra também irá inibir a evaporação de solvente e podemos utilizar tanto um banho termostático (colocando a amostra dentro do mesmo), quando um banho de gelo ou até mesmo um bécher encamisado (onde circulamos fluido refrigerado na camisa do becker com a utilização de um chiller).

Independente da forma de refrigerar a amostra, o mais importante é que o a amostra fique completamente submersa, ou seja, a superfície da amostra esteja no mesmo nível da superfície do líquido refrigerante, conforme desenho esquemático abaixo.

Tempo de processamento e concentração

O total de energia despejada na amostra (E) não depende apenas da Potência (P), mas também do tempo (t) que a amostra é submetida ao processamento.

Podemos dizer que a Energia é igual a potência multiplicada pelo tempo

E = P x t

Logo, dois líquidos processados com o mesmo nível de potência por tempos diferentes terão taxas de dispersão significativamente diferentes.

Enquanto a quantidade de energia liberada e a duração da sonicação resultam em uma quantidade de energia despejada na amostra, amostras de diferentes volumes e concentração de partículas irão responder diferentemente a mesma quantidade de energia recebida.

Em geral, processar um líquido em baixa intensidade por um longo período terá o mesmo resultado que processar em alta intensidade por um período curto. Entretanto, deve-se observar o aumento da temperatura, conforme explicado anteriormente.

Sonicar amostras com alta concentração de sólidos por um longo período resulta no aumento da frequência de colisão das partículas, causando assim uma redução no tamanho das mesmas por abrasão e quebra.

Os resultados do processamento ultrassônico são dependentes tanto do nível de energia quanto das propriedades físico químicas da amostra.

Ao invés de utilizar alta energia, é melhor selecionar uma baixa amplitude para produzir resultados satisfatórios. Assim como sub processamento pode causar sinterização e re aglomeração do material.

Quando são avaliados os tamanhos de partícula, deve-se lembrar que quando processamos materiais quebradiços a intenção é dispersar e não quebrar as partículas.

Somente após processar a amostra, variando tanto a intensidade como a duração, e realizando testes frequentes de tamanho de partícula (a cada 20 segundos por exemplo) e após análise microscópica, é que se poderá definir claramente os parâmetros de processamento otimizados.

Diâmetros das Sonda e Micro sondas ultrassônicas

Considerando processadores ultrassônicos com potências similares, as micro sondas vibram em amplitudes maiores do que sondas com diâmetros maiores. Entretanto, as microssondas são menos robustas mecanicamente e estão limitadas a uma potência máxima que podem ser utilizadas.

Utilizar microssondas em amplitudes muito altas levará a mesma a gerar tensões de cisalhamento tão elevadas na liga de titânio que poderá gerar fratura/quebra da sonda.

Portanto não utilize microssondas em equipamentos de maior potência com amplitudes acima de 40%, sob o risco de quebra das mesmas

Lembrando que as microsondas são recomendadas para processar volumes de amostras pequenos, como por exemplo 10 ml.

Geometria do frasco da amostra

A forma com que a energia ultrassônica é distribuída na amostra é altamente influenciada pela geometria do frasco que a contém. Quando possível, é recomendado utilizar frascos com menor diâmetro, desde que a sonda possa ser inserida no mesmo sem tocar na parede.

Utilizando um frasco com diâmetro menor aumenta a altura do líquido e maximiza a superfície de contato da sonda x líquido exposta às ondas acústicas.

Profundidade de imersão da sonda na amostra

Considerando que a maior concentração de energia está logo abaixo da ponta da sonda do processador ultrassônico, é imperativo que a amostra fique o mais perto possível da mesma, onde o espaço entre a sonda e a parede do frasco da amostra seja o menor possível, fazendo com que a energia seja reduzida rapidamente tanto radialmente quanto axialmente quando a distância da amostra para a ponta da sonda aumenta.

Os líquidos são mais facilmente processados porque as moléculas se movem facilmente e repetidamente abaixo da sonda; materiais sólidos tem a tendência de serem repelidos pelas ondas ultrassônicas e devem ser processados em frascos grandes o suficiente para acomodar a sonda, mas pequenos o bastante para restringir o movimento da mesma.

E como otimizar o processo….

Para resultados otimizados, como processamento de líquidos com alto teor de particulados/sólidos, é recomendado que a amostra seja misturada com um agitador mecânico em baixa velocidade.

Para processamento de amostras em pequenos volumes, são recomendados tubos cônicos (tubo Falcon). Apesar de tubos plásticos funcionarem bem, recomenda-se a utilização de tubos em vidro ou de aço inox devido aos melhores resultados.

A sonda não deve tocar nem no fundo do frasco nem suas paredes. Permitir que a sonda toque no frasco irá reduzir a potência disponível, gerando a migração de partículas cinzas de vidro para a amostra.

Mesmo que as partículas de vidro não afetem negativamente a composição química da amostra, será formada uma fina camada cinza durante a centrifugação.

Se a sonda precisar ter contato com uma amostra sólida, utilize tubos padrões de centrifugação com 20 mm de diâmetro (3/4”) , confeccionados em aço inox e com profundidade de 70 mm (3”) aproximadamente. Não utilize tubo de vidro!

As microsondas nunca devem entrar em contato com outro material que não seja líquido, porque o stress gerado no ponto de contato com uma superfície dura pode fraturar a sonda.

Apesar de sondas com maiores diâmetros não fraturarem em contato com o vidro do frasco por exemplo, o próprio frasco poderá fraturar.

Imersão da sonda

A profundidade de imersão da sonda adequada deve ser aproximadamente a metade da distância do fundo a superfície da amostra. As sondas não devem ser posicionadas a menos de 1” (13 mm) do fundo do frasco, sob o risco de quebra do mesmo, e para otimização do processamento.

Formação de aerosol e es puma

Quando fazemos o processamento ultrassônico de uma amostra, sempre posicione a sonda abaixo da superfície de forma a inibir a formação de aerossóis e espuma. A formação de espuma durante a sonicação reduz significativamente o processo de cavitação e, portanto, a eficiência do processamento.

Sonicar com potências reduzidas sem espuma é muito mais eficiente do que processar com altas energias e com formação de espuma.Reduzindo a potência e aumentando o tempo de sonicação, e reduzindo a temperatura da amostra, usualmente previne a formação de aerossóis e espuma. Nunca utilize nenhum agende ante espuma ou surfactante.

Se a sonda do processador ultrassônico não estiver suficientemente submersa no líquido, poderá haver agitação da superfície e consequentemente nebulização da amostra, o que pode ser um risco adicional para os usuários.

A formação de aerosóis também é percebida pela diferença no som do processamento, na flutuação das leituras de potências e na inspeção visual da região próxima a sonda.Se a formação de aerossol estiver ocorrendo, a sonda deve ser imersa mais profundamente na amostra.

Se forem utilizados surfactantes, o líquido espumará durante a sonicação, interferindo no “despejo” de energia no líquido. Portanto, trabalhar com o modo pulso ON, com um longo período de pausa (OFF) irá inibir a formação de espuma e seus efeitos negativos.

A sonicação deve ser interrompida assim que houver formação de espuma, e pode ser continuada assim que a mesma for dissipada.

6 – Aplicações para um processador ultrassônico

São muitas as aplicações para os processadores ultrassônicos, tais como Transesterificação de biodiesel, Micro encapsulamento, Micro moagem, Produção de Nano partículas, Preparação de amostras, Nanotecnologia e Caracterização de materiais

Entretanto, iremos listar as algumas delas, assim como apresentar referências a trabalhos científicos onde os equipamentos Sonics Vibra-Cell foram utilizados.

Gostaríamos de chamar a atenção sobre duas das principais aplicações atuais: Disruptura de células (rompimento da parede celular) e produção de nano compostos / nano partículas.

Atenção: Biovera e a Sonics não podem endossar ou certificar os resultados apresentados.

Caso deseje que seu trabalho seja listado nas aplicações abaixo, favor enviar e-mail para comercial@biovera.com.br com seus dados e link para o “paper”.

1 – Nanotecnologia

• Síntese e Caracterização mecânica de compostos de carbono e Epoxy reforçados com nanopartícula de SiC (Synthesis & Mechanical Characterization of Carbon/Epoxy Composites Reinforced with SiC Nano Particles)

 http://www.nsti.org/publications/Nanotech/2004/pdf/B3-81.pdf

Nathaniel Chisholm, Hassan Mahfuz1,Vijaya Rangari, Reneé Rodgers, and Shaik Jeelani; Tuskegee Center for Advanced Materials (T-CAM); Tuskegee University, Tuskegee, Alabama 36088. U.S.A

• Preparação e caracterização de nanopartículas poliméricas Eudragit RS carregadas com cetoprofeno para liberação controlada (Preparation and characterization of ketoprofen loaded eudragit RS polymeric nanoparticles for controlled release)

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2043-6262/3/4/045015/pdf

Nguyen Tuan Anh, Nguyen T Chi, T Khai Tran, T P Tuyen Dao, N T Nhan Le, Dang Mau Chien1 and Nguyen To Hoai

2 – Preparação de amostras

• Caracterização da estrutura e função da membrana de Escherichia coli durante o cultivo em lote (Characterisation of the Escherichia coli membrane structure and function during fedbatch cultivation)

https://microbialcellfactories.biomedcentral.com/track/pdf/10.1186/1475-2859-3-9

Atefeh Shokri and Gen Larsson

3 – Lise celular (Disruptura da parede celular)

• Estudo do estresse celular induzido por química por espectroscopia de impedância eletroquímica não faradaica usando biochip capacitivo de Escherichia coli (Probing chemical induced cellular stress by non-Faradaic electrochemical impedance spectroscopy using Escherichia coli capacitive biochip)

 http://www.rsc.org/suppdata/AN/c1/c1an15202e/c1an15202e.pdf

Anjum Qureshi, Yasar Gurbuz, and Javed H. Niazi

•  Análise transcricional comparativa de células de Bacillus subtilis que superproduzem proteínas secretadas, lipoproteínas ou proteínas de membrana (Comparative transcriptional analysis of Bacillus subtilis cells overproducing either secreted proteins, lipoproteins or membrane proteins)

 https://microbialcellfactories.biomedcentral.com/track/pdf/10.1186/1475-2859-11-66

Bogumiła C Marciniak, Hein Trip, Patricia J van-der Veek and Oscar P Kuipers

4 – Imunoprecipitação de cromatina (chromatin immunoprecipitation – ChIP Assay)

• Estudo do estresse celular induzido por química por espectroscopia de impedância eletroquímica não faradaica usando biochip capacitivo de Escherichia coli (Probing chemical induced cellular stress by non-Faradaic electrochemical impedance spectroscopy using Escherichia coli capacitive biochip

http://www.rsc.org/suppdata/AN/c1/c1an15202e/c1an15202e.pdf

Anjum Qureshi, Yasar Gurbuz, and Javed H. Niazi

• Imunoprecipitação de cromatina para materiais vegetais (Chromatin immunoprecipitation for Plant materials

https://agris-knowledgebase.org/NSF2010Project/Protocols/Chromatin-IP.pdf

by Kengo Morohashi (morohashi.1@osu.edu)

5 – Extração

• Análise transcricional comparativa de células de Bacillus subtilis (hay bacillus ou grass bacillus) que superproduzem proteínas secretadas, lipoproteínas ou proteínas de membrana (Comparative transcriptional analysis of Bacillus subtilis cells overproducing either secreted proteins, lipoproteins or membrane proteins)

https://microbialcellfactories.biomedcentral.com/track/pdf/10.1186/1475-2859-11-66

Bogumiła C Marciniak, Hein Trip, Patricia J van-der Veek and Oscar P Kuipers

• Efeito protetor do glutaraldeído na extração de Substâncias poliméricas extracelulares de Biofilmes (EPS – Extracellular polymeric substances) (The protective effect of glutaraldehyde in the extraction of EPS from biofilms)

https://www.academia.edu/1167110/The_protective_effect_of_Glutaraldehyde_in_the_extraction_of_EPS_from_biofilms

Joana Azeredo, Mariana Henriques, Sanna Sillankorvaand Rosário Oliveira

7 – Vantagens de um  processador ultrassônico sobre um banho de ultrassom

Muitos clientes perguntam sobre as diferenças e vantagens de um sonicador de ponteira sobre um banho ultrassôncio em suas aplicações.

Basicamente, a diferença é que em um banho ultrasônico temos uma grande área e volume de líquido para dissipar a energia ultrassônica pequena, enquanto em um processador ultrassônico, temos uma pequena área e volume de amostra e uma grande quantidade de energia ultrassônica.

Comparem a relação da potência de um sonicador com o diâmetro de uma sonda em e a potência do banho de ultrassom com a área disponível.

Teremos uma relação W/cm2 MUITO maior em um processador ultrassônico e portanto uma aplicação muito mais eficiente da energia ultrassônica, exigindo portanto tempos muito menores de processamento.

8 – Vantagens do processador Ultrassônico Sonics Vibra-Cell sobre os concorrentes

Os processadores ultrassônicos da Sonics Vibra-Cell possuem a mais alta tecnologia do mercado mundial. Portanto, oferecemos diferenciais únicos, tais como:

• Garantia única no mercado mundial de 3 anos conta defeitos de fabricação, coberta no Brasil pela Biovera.
• Assistência técnica autorizada, com peças de reposição originais no Brasil, garantindo rápida manutenção e preços justos
• Eletrônica avançada, promovendo assim amplitude constante independente do tipo de amostra. Portanto, seu experimento/aplicação pode ser repetido inúmeras vezes, sempre com o mesmo resultado. Chamamos esta função única no mercado mundial de Auto tuning !
• Proteção contra sobre carga, minimizando danos ao equipamento em caso de problemas
• Controle e monitoramento ON LINE da energia dissipada na amostra
• Modelos com ampla faixa de trabalho, de poucos microlitros até 50 litros

Além das características acima, temos em nosso portfólio diversos acessórios para aplicações específicas, como por exemplo células de fluxo contínuo (para scale up e produção); sondas com diversas micro sondas para processamento simultâneo de amostras; adaptadores para processamento sem contato da sonda com a amostra; etc

9 – Como escolher seu processador ultrassônico / Sonicador de ponteira

Existem sempre muitas dúvidas sobre como escolher o modelo adequado de processador ultrassônico para uma aplicação. Sabemos que as vezes limitações financeiras fazem nossa escolha também mudar, mas inicialmente trataremos apenas de questões técnicas que orientem esta decisão.

A Sonics Vibra-Cell possui modelos com diferentes capacidades de processamento e potência, ou seja, volumes diferentes de amostras, portanto podemos seguir os passos abaixo para a correta escolha do equipamento.

1- Qual é o volume MÁXIMO de amostra que será processado / sonicado?

Colocamos em negrito o termo MÁXIMO, pois é ele quem vai definir o maior volume que será processado. Esta capacidade é definida inicialmente pelo controlador do sonicador de ponteira e em um segundo momento pela sonda.

A Sonics possui modelos com capacidades diferentes, como por exemplo:

1. Até 150 ml: Processador Ultrassônico Sonics Vibra-Cell VCX 130
2. Até 1 L: Processador Ultrassônico Sonics Vibra-Cell VC 505 , VCX 500 ou VCX 750
3. Acima de 1 L: Temos os modelos VCX 1500 (até 20 litros) ou o VCX 2500 (até 50 litros)

Sobre os modelos listados no item b). acima, precisamos avaliar a necessidade de uma potência maior (500 ou 750 W), basicamente em função da dificuldade de processar uma amostra (viscosidade, parece celular com difícil lise, etc) assim como a necessidade de monitoramento da temperatura, existente nos modelos VCX 500 e VCX 750.

Estes modelos com “X” (exceto o VCX 130) têm a função de monitorar a temperatura da amostra. O usuário define no controlador a temperatura máxima que sua amostra pode chegar (impedindo degradação da mesma ou perda de solvente). Coloca dentro da amostra o sensor de temperatura que é conectado ao controlador, e o equipamento irá parar automaticamente o processamento quando esta temperatura for atingida. Quando a temperatura for reduzida, o processamento retornar automaticamente a ocorrer.

Após a escolha do modelo adequado, passamos ao segundo passo: a escolha da sonda ou micro sonda correta.

2 – Escolha da Sonda ou micro sonda

A escolha da micro sonda leva em consideração os volumes de trabalhos, que serão limitador pela capacidade do controlador do sonicador de ponteira, ou seja, sua potência.

Já vimos que a capacidade de processamento de uma sonda ou microssonda é relacionada com seu diâmetro. Portanto, também precisamos avaliar o frasco onde a amostra será processada … uma sonda de 25 mm de diâmetro não será capaz de entrar em um tubo tipo eppendorf de 2 ml. Portanto, esta analogia é muito importante também para que o uso seja adequado.

Se o modelo escolhido foi o VCX 130, temos basicamente 4 modelos de micro sondas, conforme abaixo:

Se o modelo escolhido foi o VC 505, o VCX 500 ou o VCX 750, temos os modelos abaixo de sondas:

Nesta tabela da Imagem 15, temos sondas sólidas e sondas com as ponteiras substituíveis. Portanto lembramos um ponto já falado anteriormente: Não recomendamos aos clientes a utilização de sondas com ponteiras substituíveis !

Processando grandes volumes

Para os processadores VCX 1500 (até 20 litros) ou o VCX 2500 (até 50 litros), os mesmos já vêm acompanhados de sondas específicas. O único comentário adicional sobre estes dois modelos, é que recomenda-se a utilização em conjunto com um agitador mecânico de hélice, como o IKA RW 20, melhorando assim a condição de processamento, devido ao grande volume de amostra dentro do “frasco”.

Por final, se ainda persistem dúvidas sobre a escolha do equipamento adequado ou outras dúvidas,  consultem nossos especialistas treinados na fábrica da Sonics nos Estados Unidos.

Se você quer contribuir para melhorar este texto, Saiba tudo sobre processador ultrassônico / sonicador de ponteira, fazer alguma correção ou até mesmo compartilhar seu trabalho desenvolvido com nosso equipamento, entre em contato conosco que teremos a maior satisfação em receber seus comentários.