Ultraschall Zellaufschluss und Lyse

Die Haupteinsatzgebiete von Ultraschall-Homogenisatoren sind die Probenvorbereitung und –herstellung. Dazu zählen insbesondere das Homogenisieren,  Emulgieren und Suspendieren verschiedenster Substanzen, sowie das Beschleunigen chemischer Reaktionen, der Zellaufschluss und die Extraktion von Zellinhaltsstoffen. Bestimmte Stoffe können je nach Einstellung des Ultraschall-Homogenisators gezielt zerstört werden, langwierige Aufbereitungsprozesse lassen sich verkürzen, die Ausbeute von vielen Reaktionen wird erhöht. Der Vergleich mit anderen mechanischen Aufbereitungsgeräten im Labor wie Kugelmühlen, Rotor-/ Stator- oder Spalt- Homogenisatoren zeigt, dass Ultraschall-Homogenisatoren mit höherer Effizienz arbeiten und insbesondere reproduzierbare Ergebnisse ermöglichen. 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 auch geringste Probenmengen schnell, kostengünstig und reproduzierbar aufbereitet werden sollen.

Aufschluss von Zellen und Mikroorganismen Ultraschall Lyse

In modernen Laboren werden Ultraschall-Homogenisatoren dazu eingesetzt Zellwände aufzubrechen, und an die Zellinhalte, wie z. B. die Proteine zu gelangen, ohne diese zu schädigen. Die gesamte in die Zellsuspension eingetragene Energie wird letztendlich durch Reibung in Wärme umgesetzt. Um thermische Schädigungen der Zellinhalte zu vermeiden, wird zyklisch mit Zeitunterbrechungen beschallt und / oder die Probe während der Beschallung in einem Kühlgefäß gekühlt. Besonders vorteilhaft ist die gleichmäßige Beschallung von Mikroorganismen in Rosettenzellen aufgrund der bauartbedingten ständigen Zirkulation beim Eintrag von Ultraschallenergie. Im Eisbad platziert, kann der Inhalt wegen der vergrößerten Glasfläche besonders wirksam gekühlt werden.

Die Zerstörung von Zellmembranen hängt stark von der Elastizität der Zellen ab. Man kann Zellbestandteile wie Mitochondrien oder Zytoplasma fraktioniert aufschließen, indem man die eingetragene Ultraschallenergie und damit die Extraktionsleistung variiert. Bei besonders resistenten Bakterien (z.B. Streptokokken), Pilzen, Sporen, Hefen oder Gewebeproben ist eine direkte Zerstörung mit sehr hohen Ultraschall-Amplituden über Mikrospitzen möglich, da mit Mikrospitzen ein sehr großer Energieeintrag in kleinste Probenmengen erreicht werden kann.

Bei der Beschallung von Mikrolitermengen in Reaktionscups erweist sich die Leistungsregelung als besonders effektiv, da verhindert wird, dass die Lösung aufgrund zu hoher Leistung aus dem Gefäß spritzt und wertvolles Probenmaterialverloren geht. Sollen Zellen mit labilen Zellwänden aufgeschlossen werden, ist nur wenig Leistung oder eine geringe Amplitude nötig. Um große Mengen kontinuierlich aufzuschließen, werden spezielle Durchflussgefäße aus Glas oder Edelstahl mit kleinem Beschallungsraum eingesetzt, damit jedes Teilchen einer Suspension mit gleicher Intensität behandelt wird. Thermische Schädigungen von Zellinhaltsstoffen können ausgeschlossen werden, wenn das Gefäß zusätzlich mit einem Kühlmantel ausgestattet ist. Zur Vermeidung einer Kontamination durch Fremdpartikel – zum Beispiel Erosionspartikel der Sonotrode -, ist eine indirekte Beschallung in Beschallungsbechern oder Becherresonatoren vorzuziehen. Mit dieser Methode wird eine gleichmäßige Intensität und Kühlung erreicht.

 Anwendungen aus Biochemie und Medizin:

Aufbruch von Gewebekulturen

Subzelluläre Komponenten und Viren werden ohne Zerstörung aufgeschlossen.

Vaterschaftstests

Schnelle Gewinnung stromafreien Hämolysates aus dem EDTA-Blut des Putativvaters für die Begutachtung der Vaterschaft (Reduzierung der Vorbereitungszeit um ca. 30 min).

Urologie

Biochemische Membrananalytik an Bestandteilen von Spermatozoen.

Genforschung

Extraktion von DNA aus Humanmaterial.

Liposomenherstellung

Desintegration von MLV (Multilamellare Liposomen) mit Hilfe von Ultraschall (20 kHz) ist die vorherrschende Methode zur Gewinnung von SLV (Unilamellare Liposomen).

Aufbereitung von Pockenschutzviren

Herstellung einer gleichmäßig verteilten Infektionslösung.

Dispergieren

Mit Ultraschallenergie können Feststoffpartikel oder auch Flüssigkeiten in einen anderen Träger dispergiert werden. Insbesondere bei der Herstellung von Prüffarben und -lacken oder beim Polieren von kleinen Körperoberflächen finden nanoskalige Pulver wie Titandioxid oder pyrogene Kieselsäure aufgrund ihrer großen spezifischen Oberfläche und dem damit wachsenden Reaktionspotential zunehmend Verwendung. Diese Stoffe besitzen darüber hinaus die negative Tendenz zu agglomerieren, wodurch sich Fließ- und Benetzungsverhalten verschlechtern. Die gebildeten Agglomerate werden mittels eines Ultraschall-Homogenisators zerstört und die Dispersion gegen eine Reagglomeration dauerhaft stabilisiert.

Bei der Partikelgrößenanalyse hat das Dispergieren für den Messvorgang eine große Bedeutung. Die Partikel sind im Messprozess nur so gut erkennbar, wie sie als detektierbares Messsignal in der Messzone erscheinen. So führen nicht dispergierte Agglomerate zu erheblichen Fehlmessungen. Mit Hilfe von Ultraschall werden die Partikel feinst verteilt und somit für eine anschließende Messung präpariert.

Beim Emulgieren mit Ultraschall werden zwei miteinander nicht mischbare Flüssigkeiten wie Öl und Wasser zu einer quasi homogenen Emulsion verarbeitet. Im Vergleich zu konventionellen Methoden mit Rotoren ist es mit Hilfe von Ultraschall möglich, feinstdisperse Emulsionen mit sehr kleiner Tröpfchengröße und sehr hoher Stabilität herzustellen. Es kommt weder zu einer Klümpchen- oder Traubenbildung der Tröpfchen noch sedimentieren diese. Mit herkömmlichen Methoden wie Rotoren oder Rührern kommt es bei langsamem Rühren oft zum Abtrennen der Flüssigkeit und ein zu schnelles Rühren führt zu unerwünschten Lufteinschlüssen. Sehr häufig werden Ultraschall-Homogenisatoren in Apotheken für die qualitativ hochwertige Kleinproduktion von Salben eingesetzt..

Industriell mit Ultraschall homogenisierte  Emulsionen begegnen uns in vielfältiger Form in zahlreichen Produkten des täglichen Lebens, zum Beispiel in Kosmetika oder Lotionen.

Homogenisieren

Die technischen Einsatzmöglichkeiten der Ultraschall-Homogenisation reichen von der Farben- und Lackherstellung über die Homogenisierung von Abwasser- und Bodenproben für Analysezwecke bis zur Probenvorbereitung für Korngrößenanalysen. Insbesondere Industrieabwasser wird ständig auf Anteile von Schwermetallen, Fetten oder Ölen in Umweltlaboren untersucht, um im Fall von Konzentrationsüberschreitungen sofort Maßnahmen auszulösen. Für repräsentative Analysenergebnisse ist es hierzu erforderlich, die Abwasserproben in einen homogenen Zustand zu versetzen. Dies geschieht durch Ultraschall-Homogenisation innerhalb sehr kurzer Zeit und mit hoher Zuverlässigkeit.

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 Homogenisierverfahren alternativ zur Elution eingesetzt.

Im Landwirtschaftsbau werden Ultraschall-Homogenisatoren, bei der Probenvorbereitung zur anschließenden Bestimmung des THC-Gehaltes in Hanf sowie auch bei der Bestimmung von PAK-Konzentrationen in pflanzlichen Lebensmitteln, zum Beispiel Erdbeeren, in Abhängigkeit von der Bodenbelastung, eingesetzt.

Bei der Qualitätskontrolle von Lebensmittel kommen Ultraschall-Homogenisatoren sehr häufig zum Einsatz. Zur Einhaltung der Grenzwerte muss der Nitratgehalt von Käse im Labor bestimmt werden. Die bisherige Methode über Xylenolmethanol-Destillation und anschließender photometrischer Bestimmung ist toxikologisch äußerst bedenklich und besonders zeitaufwendig. Zur quantitativen Bestimmung des Nitratgehaltes wird der Käse daher alternativ  mechanisch vorzerkleinert. Anschließend erfolgt eine besonders intensive und feine Homogenisierung mit Ultraschall in einer Rosettenzelle innerhalb kürzester Zeit. Die erzielbare Teilchengröße liegt dabei unter 1 µm und die sich anschließende Filtration zum quantitativen Auswaschen von Ionen wird erheblich erleichtert, da keine Konglomeratbildung mehr stattfinden kann.

Ultraschall Homogenisator HD 4100