适于宽带声共振溶解光谱法(BARDS)的设备和分析技术

摘要

提供了一种新的分析技术、设备和利用其检测物质的方法。分析测试物质的方法包括以下的步骤：(vii)从含有溶剂的容器诱发声发射并且测量所述发射；(viii)将已知量的测试物质溶解在溶剂中；测量溶解前后共振频率和吸收频率的变化以产生宽带声共振溶解发射曲线。

说明书

发明领域

本发明涉及分析技术和利用所述技术的设备。使用此技术有可能的应用包括定性分析、定量分析、粒度测定、多晶型分析、孔隙度测定法、混合物分析、异构体分析和外消旋混合物分析。

发明背景

声音涉及可被人耳感知的声音频率(20Hz和20kHz)。声学是对多种形式的物质中机械声波的行为的科学研究，所述物质例如，气体、液体和固体。类似任何的机械或能量波，移动的声波波前当遇到新的介质时可以折射或反射。声波在从空气或液体介质移动至玻璃介质时以与光在从空气或液体介质移动至玻璃介质时相同的折射方式折射。对于本发明有趣地和重要地是，不像光(其线性地移动)，声波球形地传播；因此在研究中检测装置相对于系统中声源的定位是相对不重要的，这是因为到达该检测装置的能量中包含的声学数据含有整个系统的所有数据。典型地，使用传声器来检测和记录声音曲线。

声化学，即声音的化学，通常是指使用声音，主要是超声(20kHz以上的声音)来触发化学反应，所述化学反应在正常环境条件下是难以实现的。简言之，BARDS技术是一种监测在溶质溶解期间溶解气体从溶液中游离和随后释出的新的直接方法。必须强调本文提出的平台，如果有的话，与声化学的关系也很小，在该平台中超声被有效地用来驱动反应或监测其进展。

在二十世纪三十年代对于溶质溶解在液体中的声学效应鲜有研究(W.Bragg等)。进一步研究由F.Crawford进行，并且其详细内容发表在其文中″The Hot Chocolate Effect(热巧克力效应)(1981)″和″Hot water，Fresh Beer and Salt(热水、新鲜啤酒和盐)(1985)″中。这些文章将该声学效应描述为是由玻璃的共振音调降低，紧接着音调升高延长所引起的。该效应与溶液中微气泡形成有关。这些气泡被认为是溶质的加入所产生的，溶质通过溶解迫使成比例的量的气体脱离溶液。

所谓的“热巧克力效应”是一种波动力学现象，其中当轻敲热液体的杯子时听到的音调在加入溶质粉末后升高¹。“热巧克力效应”适用于任何其中可溶解气体的液体。当轻敲含有液体的容器以共振并且引入溶质时，观察到声音在液体中的速率降低至无气泡液体的速率以下并且发出的声音的音调相应地减小。当由溶解的溶质释出的气泡漂浮在容器的顶部时，较小部分的容积降低声速并且因此音调升高，直至最终音调与其中大多数气泡已经漂浮在顶部的无气泡液体相对应。

Crawford假定首先均匀地分布在溶液中的气泡开始上升，并且形成充满气泡的液体层，当气泡通过表面离开液体相时该层的尺寸逐渐减小。音调的逐渐升高是由气泡层的减小引起的，或相反地由未受去溶剂化气体影响的液体的体积增加引起。这使声音由于较低的可压缩性而较快地通过透明层传播，由此产生较高音调的音符。最后所有产生的气体由于去溶剂化而从溶液中消失，并且容器的共振频率恢复至稳定状态。

当溶质在溶液中溶解时，溶解气体的溶解度下降。当气泡离开溶液时声速降低，频率(音调)相应地下降。Crawford注意到两个相反的参数控制此现象：质量密度″e″(惯性)和可压缩性″c″(弹性)。声音传播越慢，气体或液体的质量密度越大，例如，声音在氦中比在空气中传播得快。然而，介质的较大可压缩性也导致声速下降。

即使惯性有助于气体，弹性因素对波的速度(v)也具有较大的影响。因此，根据下列方程，固体中的声速＞液体中的声速＞气体中的声速：

$v=1/\sqrt{e.c}$方程1

其中v＝速率，e＝质量密度，和c＝液体的可压缩性。水溶液的质量密度为空气的800倍，基于惯性，与空气相比其赋予降低的声速。相比较，空气的可压缩性比水高15,000倍，因此空气传播声音慢4.3倍。在含有气泡的溶液中，两种因素组合显著地降低声速。这是因为溶液的质量密度较大，其也暂时具有气体的可压缩性。

该效应也在热液体中观察到，例如，当在高压下热水溶液中的空气离开溶液，其形成气泡。溶液中气泡形式的空气越多，当容纳水的容器被连续敲击以使该容器共振时发出的声音的音调越低。当使用冷水时观察不到该效应。这是因为溶解的空气仍然逗留在溶液中。

至今，尽管该现象已知一段时间，但还没有利用此效应开发出分析技术。

因此，需要提供能够采用宽带共振光谱法的新的、多用途的物质分析方法和执行所述分析的分析设备。

发明概述

根据本发明，如权利要求中所提出的那样，提供了一种分析测试物质的方法，包括以下步骤：

(i)从含有溶剂的容器诱发声发射并且测量所述发射；

(ii)将已知量的测试物质溶解在溶剂中；

(iii)测量溶解前后共振频率和吸收频率的变化以产生宽带声共振溶解发射曲线。

此新方法能够进行宽带声共振效应的光谱分析和形成新的平台分析技术的基础，该技术基于监测在多种化合物在水溶液中溶解期间容器的声学声音曲线和共振变化。更具体地，该技术基于观察的现象，即当将溶质加入至溶剂中时，含有溶液的容器的共振频率显著降低并且在该物质达到完全溶解点后逐渐地恢复至或接近于初始频率。

因此，本发明的方法和使用该方法的设备能够应用于科学光谱研究，但特别地用于化学和制药工业中。因此，本发明提供了一种设计来利用所述现象的强有力的技术和灵敏的设备。

有利地，本发明提供了一种分析设备，其是小型的、相对廉价的，从而提供并易于使用。更多的优点来自下面的事实，即本发明提供了一种设备，该设备能够测定粒度分布、区分多晶型物，和区分异构体以及分析化合物的混合物和它们在溶液中的比率。

适当地，容器可以是由任何共振材料制成。然而，在优选的实施方式中，该容器可以由玻璃构成。溶剂可以是任何液体。然而，优选采用水，因为有利地，水是无毒的、丰富的、廉价的并且能够溶解许多物质。同样也可以使用其他液体/物质的混合物或水溶液，这取决于要研究的测试物质的溶解性。

可以监测一种和多种单个的共振和吸收频率，然而在优选的实施方式中，优选监测和测量所有共振频率和吸收频率的变化。

适当地，溶剂可以使用或不使用前处理诸如脱气或超声作用。

在优选的实施方式中，溶剂包含溶解气体。适当地，该气体可以是空气或其他气体诸如氮、氦、氩、氖、氙或其他可溶解的气体。优选惰性气体，因为它们不与测试物质反应。在优选的实施方式中，空气是特别优选的，因为其容易获得，并且相对廉价地提供。值得注意的是溶剂不一定是完全气体饱和的，只要在相同的周围环境中溶剂溶液是平衡的。

在另一个优选的实施方式中，测试物质可以是固体颗粒物。然而，分析物不一定需要是可溶的(例如后面提出的二氧化硅数据)。适当地，测试物质粒子可以优选地处于约5-355微米的尺寸范围内。然而，预期该技术能在更大的粒度下良好地工作。事实上，所要求的是物质处于有助于溶解的粉末形式。在不同的优选实施方式中，测试样品可以处于液体状态。对于样品不要求具有特殊的粒度分布范围。

优选将所有样品从称量舟皿或样品传送工具一次性加入。这确保及时的溶解事件并有利于重复性。

适当地，溶解的测试物质的量应当足以产生声谱或改变标准品的声谱。换句话说，测试样品应当被充分浓缩以产生响应，或如果以小量引入，则足以改变充分表征的标准品诸如氯化钠的声谱。

在优选的实施方式中，该方法进一步包括将所述测试物质宽带声共振溶解发射曲线与已知的标准品的曲线比较的步骤。这可以通过比较基本声音曲线和/或泛音/谐波共振线的独特交叉点(cross-over point)来实现。

在具体方面，该方法可以用来区分，例如，含水种类和其混合物、物质粒度、异构体和/或差向异构体。

在相关的实施方式中，提供了一种用于测量测试物质的宽带声共振溶解发射响应的设备，包括

(i)溶解容器，在所述溶解容器中所述测试物质可以溶解在溶剂中；

(ii)用于从所述容器诱发声发射的装置；

(iii)用于测量在溶解事件过程中所述溶解容器的宽带声共振溶解发射响应的装置。

在优选的实施方式中，该设备进一步包括将所述声共振溶解发射响应从声学数据转换为绘图数据的装置。

适当地，该设备可以包括用于诱发容器声发射的装置。在优选的实施方式中，该装置包括搅拌棒。在优选的实施方式中，用于测量宽带声共振溶解发射响应的装置可以包括传声器换能器。然而，可以通过设置与玻璃连接的另一个换能器以提供宽带白噪声或传播容器的共振频率——将代替由磁性搅拌棒提供的共振频率的机械传播，对该系统作出修改。

优选地，用于测量宽带声共振溶解发射响应的装置可以可拆卸地安装在所述容器上，然而在具体的实施方式中，其可以位于容器旁边或可以与其密切接触。有利地，将传声器固定在容积线(volume line)以上传送更好的声谱并且该距离有助于重复性。

适当地，该容器可以包括玻璃或任何共振物质。对于共振物质，其是指这样的物质，其有在特定频率下以最大振幅振荡的趋势。所述频率已知为物质共振频率。在共振期间，小的力可以产生大的振幅振动。

在相关的方面，提供了一种校准用于宽带声共振溶解发射光谱法的宽带声共振溶解发射设备的方法，包括

(i)从含有溶剂的容器诱发声发射；

(ii)将至少一种已知量的测试物质溶解在溶解容器中以产生宽带声共振溶解发射，以及

(iii)测量当所述物质溶解时所述容器的所述宽带声共振溶解发射的变化，

其中所述响应指示溶解的所述物质的量。

在优选的实施方式中，可以对至少两种已知量的物质测量共振声溶解发射响应。

在特别优选的实施方式中，对至少三种不同的已知量的物质测量宽带声共振溶解发射响应。

在这些方法的任一个中，每个宽带共振声溶解发射响应可以针对溶解的测试物质的量作图以产生用于未知量的测试物质的定量分析的校准曲线。

在优选的实施方式中，溶剂是气体饱和的。然而，可以预期使用任何带有溶解气体的溶剂，例如，一定比率的水和乙酸乙酯(分别为70∶30)产生声音曲线。溶剂的含水量可以估算，例如，将乙腈加入水中将产生随乙腈的含水量变化的声谱。

适当地，气体可以是氩、氮、或氦或其他可溶解的气体。优选地应当使用惰性气体，因为任何惰性气体都不可能与测试物质反应。

适当地，测试物质可以是具有大约5-355微米尺寸范围的颗粒物。

在优选的实施方式中，溶解的测试物质的量可以处于适于诱发声音曲线的范围内。此量通常为克数量，但在泛酸(维生素B5)的情况下，可以低至10^-3M。

附图简要说明

参考附图从下面的描述中将更清楚地理解本发明，在附图中：

图1A：试验设备。传声器通过标准的插孔导线直接连接到PC声卡上。当溶解进行时可以实时地监测声谱。

图1B：玻璃杯和搅拌器定位的俯视图。玻璃杯不在搅拌器板的中央放置，使得当搅拌棒搅拌溶液时其敲击玻璃杯侧壁。传声器放置在搅拌棒位置的正对侧。金属棒固定在板上以防止搅拌棒使玻璃容器向前移动。

图2：碳酸钠溶解的声谱的图示。

图3：利用三种备选的气体选项的气体饱和曲线，与标准环境饱和空气曲线比较。

图4：环境空气饱和的蒸馏水与空气饱和的蒸馏水的比较。频率下降的程度随着溶液中多余气体的丰度而增加，但在100s后，达到稳定状态的返回途径是相似的。

图5：利用空气饱和的和超声处理的蒸馏水溶剂的1.37M氯化钠曲线，与氩饱和的溶液比较。在频率下降的程度和曲线的独特形状两方面，曲线十分相似。

图6：硫酸铜的声共振曲线与其温度、溶解氧和光吸收度读数的比较。

图7：图示声谱的定性能力的几种化合物的基本声音曲线。4g每种盐的声学比较。注意，溴化钾显示在此低浓度下没有向下的曲线，但达到稳定状态的返回途径相当长。这表明形成的气泡层从溶液中除去花费一定的时间期间。

图8：6g每种盐的声学比较。注意，溴化钾仍然显示没有向下的溶解曲线。

图9：8g每种盐的声学比较。溴化钾显示达到稳定状态的返回过程开始时稍低的起始值。

图10：对于100ml蒸馏水中的1.37M氯化钠的Datastudio温度曲线。

图11：与在100ml蒸馏水中溶解1.37M溴化钾相关的温度变化的Datastudio图形。

图12：与在100ml蒸馏水中溶解1.37M Na₂CO₃相关的温度变化的Datastudio图形。

图13：三种离子盐，氯化钠、溴化钾和碳酸钠的声学曲线比较。每种都可以从其独特的曲线中明显地鉴别出来。

图14：三种离子盐，氯化钠、溴化钾和碳酸钠的声学曲线比较，该曲线的频率适当部分的按比例放大绘图。注意每条曲线的明显不同的初次检测点。

图15：从以一式三份重复的声谱中所取的氯化钠的独特交叉点。氯化钠在1.37M浓度下的交叉分析(Crossover analysis)。

图16：溴化钾在100ml双蒸水中的1.37M浓度下的交叉分析。

图17：碳酸钠在100ml双蒸水中的1.37M浓度下的交叉分析。由于与研究的其他离子盐相比，碳酸钠的溶解谱较为复杂，因此观察到较多数量的交叉点。

图18：三种离子盐的交叉分析比较。注意，对于每种盐的数据点，时间范围和频率位置不同。

图19：三种离子盐的交叉分析比较。此图限于30和120秒之间的更可靠的区域。(溴化钾的阴影已经被去除以图示说明对于每种盐可用的成分支持数据点的数目)。注意每种盐具有至少4个可靠数据点可用于充分的指纹鉴定。

图20：粒度分布曲线比较。详细地显示5个观察到的分布带。注意在下降部分上频率最小值的深度随着粒度分布的减小而增加。

图21：氯化钠的粒度分布比较。注意在该曲线的频率最小值部分处达到最佳的分离。

图22：氯化钠的粒度分布曲线比较，去除了63-90分布。

图23：在100ml蒸馏水中的蔗糖(0.6M)的粒度分布比较。

图24：甘氨酸和其α(水重结晶的)和γ(AcOH重结晶的)多晶型物的声谱。

图25：甘氨酸的两种多晶型物的50∶50混合物。

图26：硫酸铜、五水硫酸铜和两种化合物的50∶50混合物的声谱。

图27：对五水硫酸铜和无水形式的水合效应比较研究。注意0.2M水合形式和无水形式两者的频率变化的总和与两种形式的50∶50混合物的频率变化相当。

图28：差向异构体—葡萄糖和甘露糖的声学曲线。还显示了两种差向异构体的50∶50混合物的曲线。

图29：在100ml dH₂O中的1.37、1、0.75、0.5和0.3M NaCl的比较图。

图30：在100ml dH₂O中的1.37M、1M、0.75M、0.5M、0.3M和0.1M NaH₂PO₄的比较图。

图31：在100ml dH₂O中的1.37、1、0.75、0.5、0.3、0.1和0.05M Na₂CO₃的比较图。

图32：监测金纳米粒子形成的反应中使用的声谱的比较，使用不同浓度的金盐和恒定浓度的氢硼化物，每种均一式三份地在100ml dH₂O中进行。注意，谱的密度随着金纳米粒子的形成增加而增加。

图33：金纳米粒子形成的声谱的比较，使用不同浓度的氢硼化物，每种一式三份地在100ml dH₂O中进行。

图34：使用1ml 0.1M NaBH₄和375μl 4％ HAuCl₄形成金的详细峰的比较。

图35：在存在或不存在β-环糊精的条件下，被NaBH₄还原的HAuCl₄的声谱的比较，所有声谱在100ml dH₂O中操作得到的并且来自三次结果的平均。结果指示在环糊精的存在下，形成的金纳米粒子尺寸受存在的环糊精的尺寸控制。

图36：胶体金形成的声谱的比较，比较存在或不存在β-环糊精的情况，实验一式三份地进行，每个均在100ml去离子水中。

图37：以5mM和10mM一式三份地在100ml dH₂O中操作的β-环糊精的声谱的比较。

图38：使用375μl 4％ w/v HAuCl₄、10mM β-环糊精和1000μl 0.1M NaBH₄一式三份地在100ml dH₂O中进行的金纳米粒子形成的声谱。指示该技术在监测反应应用中的有效性。在不存在环糊精时，观察不到响应。后一曲线指示与硼酸的反应导致形成金纳米粒子。应当注意在缺少氯化金时对氢硼化钠没有声学响应，且反之亦然。这表明该曲线纯粹是由发生的反应所导致的。此外，在微升的数量下可观察到效应。环糊精用来控制纳米粒子的尺寸。

图39：在无水乙醇中和5％ EtOH(w/w)中H₂O含量的声谱的比较。结果表明该技术足够灵敏，从而清楚地区分无水溶液和5％ w/wH₂O浓度的含有乙醇的水的溶液。

图40：在无水乙醇、3％ EtOH(w/w)和5％ EtOH(w/w)中H₂O含量的声谱的比较。

图41：在无水乙醇、1％ EtOH(w/w)、3％ EtOH(w/w)和5％ EtOH(w/w)中H₂O含量的声谱的比较。结果表明该技术足够灵敏从而清楚地区分无水乙醇和0、1％w/w、3％w/w和5％w/wH₂O浓度的含有乙醇的水的溶液。这意味着溶剂的含水量可以估算，例如，通过将乙腈加入水中将产生随CAN的含水量变化的声谱。

图42：在100ml dH₂O中的0.125M SiO₂样品的比较。这些结果表明该技术能够区分不同孔隙率的粒子。

发明详述

已经发现溶解声学曲线(图2)特征上与用来诱发该效应的溶质相关。已经发现溶解声学曲线是截然不同的，因此在分析上可以使用曲线差异。因此，已经建立了一种用于检验该效应和获得的溶解声学曲线的新方法，并且已经开发了用于分析性检验溶解过程的基本设备。所述方法和设备描述在本文中。该技术的范围已经进行研究以明确其分析的有效性和适用性。利用所述现象的系统被命名为“宽带声共振溶解光谱法(BARDS)”

在研究了在各种化合物溶解在水溶液期间容器的声学曲线和共振变化后开发了该技术。这些研究基于在化合物溶解在溶液期间得到的观察结果。这些观察结果表明溶解容器的共振频率的显著变化发现发生在溶解事件期间。

认为这些变化可以用来定性或定量地分析化合物。已经设计了原型分析系统来利用观察到的共振变化，并且所有迹象表明是这些变化可能形成新的分析技术的基础。围绕玻璃溶解容器构建了原型BARDS分光计。此设备图示在图1A和1B中，并且简单地由玻璃杯或其他共振物质和监测装置组成，在此情况下，接触式传声器放置在容器上，容器又放置在磁搅拌器上。

玻璃容器的稳定状态共振频率在每个实验开始时传播。这通过使磁性搅拌棒轻轻地敲击容器的内壁来实现。然后将溶质一次性加入并且在几分钟后恢复至稳定状态前可以看到共振频率的大幅度变化。具有最小的最小值的频率曲线用于比较声谱，并且被指定为基本曲线。

所有化合物的基本曲线已经发现是高度可再现的，并且明显不同，使得该技术具有明显的定性和定量能力。另外，已经发现其他频率曲线具有独特的交叉点(cross over point)，其对于每种化合物是唯一的并且用作该化合物的指纹。此使得该技术的定性能力更为突出。

迄今，已经发现该技术在分析上能用于一定范围的应用中。例如，该技术能够区分硫酸铜的水合物，并且还能够区分两者的混合比例。这证明该技术还可以用于使用校准法定量地测定两种化合物的混合物。

类似地，已经发现该技术能够进行粒度分布测量。使用许多化合物的研究已经显示，如图23中所示，在规定的时间间隔下能够分辨粒度分布。这些曲线看上去是重叠的；然而，在60-100秒的时间间隔下，这些曲线显著地不同，使得能够辨别粒度。这代表了该技术的一个显著的属性。

相同化合物的多晶型物表现不同的声音曲线。这是该技术的一个特殊的优点，因为可以追踪化合物从一种形式反转为另一种形式并且这是对于监测原料和终产物的稳定性研究的一个重要特征。

异构体和差向异构体也容易被该技术区分。在药物制备中这些差异是重要的。差向异构体之间或甚至差向异构体的混合物的差异是明显可辨别的；这代表了该技术的另一显著属性(图8)。

该方法和技术的范围的更多细节将在下面给出。

声共振设备

声学分光计的一种原型被开发和用来采集用于分析的数据。围绕溶解容器构建常规的分光计。该设备图示在图1A和1B中，并且由置于磁性搅拌器上的玻璃杯和接触式传声器组成。使用容易获得的软件来将声谱转变为溶解事件的图形表示。碳酸钠的典型溶解曲线显示在图2中。可以对该系统作出修改，通过设置与玻璃杯连接的另一个换能器以提供宽带白噪声或传播容器的共振频率。这将代替由磁性搅拌棒提供的共振频率的机械传播。

初步的声共振装置由玻璃容器组成。由Radionics批量供应的KB-26 Kingstste压电式换能器(物料编号231-2973)经胶带贴附在容器的外侧。换能器经导线直接连接至PC的声卡。玻璃杯置于Janke and Kunkle IKA Combimag磁性搅拌器上。PC安装有声音记录软件，该软件将声音数据转换为数字视觉信息。

然而，也可以采用加热装置，加热趋于在较长的时间内改变玻璃的共振频率。然而，有利地，加热有助于某些物质的溶解。例如，热量已经成功地用来溶解乳酸，当热量增加时最小值在较早的时间点处出现。

气体饱和研究设备

使用Datastudio溶解氧探针对所有DO测定进行气体饱和研究。将氩、氮和氧经Gibson Minipulse 3蠕动泵引入至溶液中，从而通过溶液使气体鼓泡。

粒度测定设备

通过使用置于Pascall摇筛机上的Endecott粒度筛进行粒度测定。

方法和方法学

盐样品手工研磨成细颗粒稠度从而有助于最佳的溶解。氯化钠用作标记化合物。1.37摩尔(8g)氯化钠生成最佳的频率曲线，并且此浓度应用于大多数参照化合物，仅当化合物饱和度相当低于此浓度时才改变。

通过将研磨的样品置于干燥器中获得水合的五水硫酸铜，在所述干燥器中已经通过与样品一起放置热水的烧杯而增加湿度。通过将研磨的样品在50℃下干燥并且保存在气密干燥的干燥器中而获得无水硫酸铜。

将研磨的蔗糖筛分，并且保留粒度在100-355μm范围内的粒子。

通过在500g负载的由平均10个单个筛组成的筛组上筛分40分钟获得可接受粒度分布的测试化合物。

网筛和每个筛之间粒度的产生显示在表1中。

表1：用于样品粒度测定的粒度网筛

  筛孔尺寸(μm)  相应的粒度范围(μm)  25  38  25-38  45  38-45  63  45-63  90  63-90  106  90-106  150  106-150  180  150-180  250  180-250  300  250-300  355  300-355

蒸馏水的气体饱和

使用通过水(600ml)鼓泡20分钟的氮、氩和氧获得蒸馏水的气体饱和，并且根据需要取等分试样。在空气饱和的情况下，Gibson Minipulse蠕动泵设置两根橡胶管，每根均连接至玻璃Pasteur吸液管并且另一端暴露于户外大气。蠕动泵的旋转被设置为最大，并且空气通过该溶液鼓泡30分钟，然后取等分试样用于溶解实验。

甘氨酸重结晶法

请参考下列出版物：

1.Impact of Molecular Speciation on Crystal Nucleation in Polymorphic Systems：The Conundrum of Glycine and Molecular′Self Poisoning′Christopher S.Towler，Roger J.Davey，*，Robert W.Lancaster，andChristopher J.PriceJ.AM.CHEM.SOC.2004，126，13347-13353

2.Synthese Von Polpetiden.XIII.Chloride der Aminosauren und Polypetide und ihre Verwendung zur synthese：Emil Fishcer，

3.Solvent Effect on Crystal Polymorphism：Why Addition of Methanol or Ethanol to Aqueous Solutions Induces the Precipitation of the Least Stable b Form of Glycine

4.Isabelle Weissbuch，* Vladimir Yu.Torbeev，Leslie Leiserowitz，* and Meir Lahav* Angew.Chem.2005，117，3290-3293.

用于采集声谱的通用实验步骤

玻璃杯的内部用蒸馏水清洗，同时确保玻璃杯的外部干燥，特别小心地防止水分影响传声器。传声器置于玻璃杯的外侧，在100ml体积水的上方5cm，并且离玻璃杯的顶部1.8cm。将传声器固定在该容积线上能传送较好的声谱，并且该距离有助于重复性。传声器和至玻璃杯的线接头用胶带固定。100ml蒸馏水准确地倒入至玻璃杯中，并且使用磁性搅拌器搅拌。在加入被分析化合物之前搅拌的溶液记录30秒以记录容器的共振频率(声谱本底)。被分析化合物的浓度是1.37M，其中考虑饱和度。将被分析化合物小心地从称量舟皿上一次性加入至搅拌溶液中，小心操作确保没有样品遗失在玻璃侧面。样品声谱记录总计800秒。原始数据以.wav文件格式存储。从这些文件中，声谱可以使用任何的媒体程序来进行声音重放。这容许使用鼠标箭头来选择数据点并以文本文件格式存储用于移至数据操作程序诸如Excel^TM或Sigmaplot^TM中。在曲线的初始频率最小值部分期间以5秒间隔，对于至稳定状态的初始返回部分以10秒间隔，对于稳定状态的窄倾斜部分以50秒间隔(通常超过300秒)选择数据点。

声谱曲线上各变量的结果

气体饱和研究

图3中的图显示了氯化钠的基本溶解曲线，其中该溶液用不同的气体饱和。所有三个实验利用不同于空气的气体，它们与环境空气饱和的曲线明显不同。最显著的不同是氮曲线，其具有延长的朝向稳定状态的返回部分。氧和氩实质上是相同的，在140秒后氧频率曲线消失，氩曲线比氮更早地达到最大返回点，然后频率再次缓慢地下降。频率曲线降低的原因可能是由于当气体离开时气体的再吸收。未返回至初始稳定状态归因于样品中吸水性/湿度的程度。尽管用于使用空气的不同组分气体来说明效应，但这些实验没有必要在更加控制的环境下重复。这是因为以下的事实，即，在用于加入溶质制备溶液所需的时间范围中气体可以快速地从大气中被再吸收。然而，可以从图中看出，饱和曲线产生比环境溶液更大的最小值(较低的频率)。存在有限量的气体，其可以从溶液中排出，并且当该溶液用气体饱和时这似乎是增加的。

曲线的最小值上的数据点(30秒和100秒之间)目前被认为是归类为最一致和最重要的信息点，并且如从误差棒所指示的，在各种情况下均是从三次重复的溶解所产生的，这些是高度可重复的。

图4显示在标准环境空气饱和的溶液上的氯化钠曲线(其取决于温度)和用空气完全饱和的水之间的显著差异。频率最小值的深度增加(差值为约1000Hz)表示了声学效应是如何依赖于溶液中的气体水平。

然而，图5将空气饱和的氯化钠曲线与超声水以及已经用氩饱和的水进行比较。这些曲线的相似性有点让人迷惑，因为超声处理的溶液应当在超声处理后是“不含气体的”。假定用于这些研究的方法是一致的，则声谱的相似性可能是相符合的。超声处理的溶液可以迅速地将气体再吸收进溶液中。溶液中松散结合的气体和分子结合(紧密结合)的气体的假设可以解释一些异常现象。这些结果需要进一步研究。

图6比较了使用透射分光计、热传感器、溶解氧在0.4M浓度下操作的五水硫酸铜的数据和声学数据。所有数据曲线同时达到其稳定状态(约110秒)，除了达到其最小值并开始朝向稳定状态开始返回的声学曲线。这表明了溶解结束时的点。在最小值时获得最大的光吸收，支持了此假设。在此点处，气体从溶液的离开超过了在成核点处气体的生成，并且声学曲线开始返回至稳定状态。此时间段是材料和温度依赖性的。

溶质的不同质量的影响

需要比较类似质量的3种离子盐以确认独特的曲线不仅仅是相同的浓度试验之间不同的质量造成的。使用4、6和8g的每种盐一式三份地进行试验并且进行比较。在图7-9中显示的结果显示在用于不同盐的相同质量之间不存在相关性。因此，对于未知样品，这赋予了分析上的优势，因为当加入相同的质量以溶解时化合物将得到截然不同的声谱。

温度影响

就曲线达到稳定状态所需的时间而言，温度影响的评价是重要的。除了氯化钠以外，大多数温度曲线在与声学曲线相同的时间范围内不能返回至环境温度。不管溶解事件是吸热的或放热的，均产生声学曲线。溶液的温度恢复至环境温度也不依赖于溶解事件。因此，仅温度不能解释所证明的声学效应，尤其是在氯化钠的情况下，与经历更显著的热变化的溴化钾相比，其吸热性温度变化不显著，然而两种盐在其声学曲线中均显示类似水平的频率变化。总体上，优选环境试验温度条件。事实上，对于CaSO₄已经观察到当温度降低至6摄氏度时频率最小值似乎更快地达到。这与硫酸钙的溶解行为结合在一起考虑，温度越高，其溶解度越低。

水合影响和假多晶型

通过使用五水硫酸铜和其无水形式，观察水合作用对声学曲线的影响，尤其是对为特别吸水的那些。研磨的无水硫酸铜被研磨成细稠度，生成无水和五水合物形式两者的混合物。一部分磨料在烘箱中在50℃下干燥直至获得白色的无水形式。使其在干燥器中平衡至室温。

另一部分磨料置于带有热水烧杯的空干燥器中。通过在环境温度下将干燥器中的气氛湿润至最大，获得深蓝色的五水合物形式。

当计算要用于这两种形式的试验中的质量时将水合水分子的分子质量计算在内是重要的。该试验在100ml双蒸水中的0.4M浓度下进行。在0.2M 50∶50比率的试验中，取0.2M的每种形式并且通过将预先称量的各种形式在干净的烧杯中搅拌而混合。

这两种形式称为“假多晶型物”，因为它们是同一化合物的不同晶形。由于水合水分子的可变性，它们在分子质量和组成方面不同。最有趣的是，注意到较小质量的无水化合物在声学曲线中产生最大的偏移。每种形式的0.4M曲线在其频率减小的程度方面和到达稳定状态所需的时间方面显著不同。完全溶解所需的时间也不同，水合形式在100秒时达到完全溶解，而无水形式在75秒时达到完全溶解。这可能是由于水合形式中的结晶水分子充当了溶解过程的屏障。两种形式的合并的50∶50混合物显示频率的最小值正好位于纯无水形式曲线和水合形式曲线之间，并且值得注意的是0.2M无水形式和0.2M水合形式的总和与合并的50∶50混合物相当。这表明在溶解期间每种组分产生其自身独特的响应。这表明未来对溶质混合物的数据采集的可能性。

总结

在声学溶解现象背后的理论概念是复杂的，并且需要严谨的研究。在标准溶解事件期间该系统内变化的变量的数目使得难以将原因指定为溶解期间出现的任何一个参数。也难以彼此相关地监测这些变量。

体积不能实时监测，尽管在溶解终点时可以容易地确定总增加量。然而，从以前的出版物(Yih Yuh等)中得知，体积直接影响玻璃容器的共振频率的音调。试验数据显示甚至体积的大量增加或减小，仅将基本频带从100ml时的标准8.3kHz推移很小的量。因此有可能体积对总体的声学现象的贡献是不显著的。

每种离子盐证明有独特的吸热或放热溶解曲线(图10-12)。在溴化钾和碳酸钠的情况下，显著的温度变化是明显的。这些温度变化在与相应的声学曲线相同的时间点处达到其最大值或最小值，证明温度变化与溶质的溶解成正比地被驱动。然而，在声学曲线中没有反映出温度值恢复至稳定状态所花费的长时间。这在图6中清楚地被证实，其中采用了四种监测溶解曲线的方法，即溶解氧监测、比色透射分光计(transmission spectroscopic)测定、声学共振和温度分布图。显然，溶解氧的增加和温度终点的减小(大约110秒)与达到其最小值的声学曲线相一致。同时在此点处吸收数据达到其最大值。所有数据表明在此点处溶解完成。因此此点后声学曲线中的增加(和其他参数的曲线中的增加/减小)必须由与溶解过程不直接相关的一些其他参数导致，即，在声学曲线的情况下气泡层的减少。如Crawford所解释的那样，当气体离开溶液时，溶液的可压缩性下降，因此溶液中的声速再次增加至其初始水平。

溶解氧试验确定性地显示在加入溶质时气体实际上正从溶液中离析，并且指出此是声学现象的主要原因。进行进一步的气体研究，其中蒸馏水介质用多种气体饱和，即氮和氩，从而显示当可利用的饱和气体不同于环境空气时气体排放的效应。这些显示当进行标准的氯化钠溶解时显著不同的声学曲线，仍然再次显示对溶液中气体性质的声学效应的可靠性。

溶解气体研究为改变可从此技术中获得的信息提供了更多的选择。溶液中气体的天然水平以天然存在的比率以不同的速率从溶液中排放，生成更多明显不同的曲线也是有可能的，尽管这需要进一步研究。这为处理获得溶解数据的环境提供了令人感兴趣的可能性。

通过比较相同质量的不同离子盐探究溶质质量的作用。进行此试验以消除额外的质量成为玻璃容器中发生的频率变化后面的驱动力的可能性，因为单独基于浓度的操作在试验期间将固有地生成不同的溶解质量。也将讨论浓度数据。

在氯化钠(8g)的1.37M值附近操作，对于氯化钠(NaCl)、溴化钾(KBr)和碳酸钠(Na₂CO₃)研究低于此值的两个2g区间。证明在相似质量的不同化合物的溶解之间没有直接的关系，并且十分清楚，溶质的浓度反而是引起声共振曲线的因素。这在溴化钾的曲线中看得最清楚。尽管与4g、6g和8g质量相对应的浓度太低而不能引起可分辨的曲线的向下的溶解驱动部分，但所有3个质量证明返回至稳定状态需要的时间范围与氯化钠曲线相似，可能暗示成比例的驰豫率，即，微气泡从溶液排出的恒定速率，尽管此需要进一步阐明。

声共振光谱法的定性能力

定性化合物鉴定结果

三种离子盐氯化钠、溴化钾和碳酸钠的多种化合物特异性曲线彼此比较地显示在图13中。声学曲线的重要特征是频率最小值，尤其是曲线的向下的溶解驱动部分，其是曲线的分析上区别部分。

图14强调所有三种盐的声谱的频率最小值，突出显示了这些化合物之间的独特差异。

从不同的曲线中可以看出，每种化合物可唯一地被鉴别，并且对于一定范围浓度的每种盐这仍然适用。

交叉分析结果

频带交叉法，利用指定化合物的声溶解谱内的所有数据，基本频率曲线和所有随后的泛音曲线。这些在声谱的多个点处彼此交叉，并且对于特定化合物是唯一的，并且随浓度变化。

图15显示在100ml双蒸水(double distilled water)中的1.37M氯化钠的交叉图谱。从此图中可以看出，数据点是十分稳定的，其中仅一个点是可变的，并且仅沿频率轴。

图16显示在100ml双蒸水中的1.37M溴化钾的交叉图谱。后面2个数据点显示与氯化钠中存在的数据点相比增加的可变性。

图17显示在100ml双蒸水中的1.37M碳酸钠的交叉图谱。在碳酸钠的原始谱中的复杂程度，不存在于其他两种盐的谱中，导致较大数量的交叉点。然而，这些交叉点的大多数位于各种频率曲线的驰豫部分，导致这些数据点中增加的可变性。

图18显示这些盐交叉图谱的比较；这些化合物的重叠很小，每种盐在频率和时间轴上均显示显著不同的交叉位置。这在图19中更为突出，在该图中，氯化钠交叉曲线的阴影部分已经被去除以显示在被研究的曲线的最可靠部分处的独特差异。

浓度数据提供在图29-31中，它们图示了测量不同浓度的三种不同化合物的声谱的效应。这些图图示了随浓度增加而最小值形成。最小浓度显示瞬时溶解。当浓度增加时，明显的最小值出现。其原因可能是由于未溶解物质上表面积的存在导致用于形成气泡的成核点的数目增加。最小值的偏差随着浓度增加是非线性的。有可能区分所有浓度。所有三种化合物达到它们最小的低于2KHz的最小值，其可能表明存在着在每个溶解事件中被排放的有限量气体。与两种其他化合物相比较，氯化钠在测量的每种浓度下返回至不同的稳定状态，其是由化合物中的水分导致的。对于所有浓度，磷酸二氢钠具有相似的返回斜率值，而对于测量的所有浓度，碳酸钠具有不同的返回斜率值。这可能表明两种化合物具有不同的气体释出机制。碳酸钠在不同的浓度下似乎产生不同尺寸的气泡，而磷酸二氢钠则没有。

讨论

通过使用每种化合物的基本频率曲线(例如，如图13中所示)和通过使用交叉点法(其得出每种化合物的独特指纹)两者，清楚地证明了前面所述的声共振系统的定性和定量能力。然后通过积累标准谱可以提供指纹文库。

仔细地观看图14中频率最小值的向下曲线，在三种盐(氯化钠、溴化钾和碳酸钠)的每一种的最小值之间存在着差别，表明对于每种盐的不同溶解速率。十分有可能的是，溶解过程的动力学数据可与单个化合物的溶解谱直接相区分；这需要进一步研究。有可能单个化合物吸取至溶液中的速率在化合物的声学曲线的区别形状中具有直接的作用。

就化合物鉴别而言，交叉分析法有可能是更可靠的，因为其利用了比单独利用基本曲线更多的化合物溶解谱内的独特标记。交叉法利用了谱内的泛音和共振带，以及基本共振带，注意是这些带在谱内相交时的频率和时间。这些点在谱内是可变的，随着溶解的时间量程进展它们的位置变得更加可变。一旦被记录，则这些点生成化合物的独特指纹，其可以容易地在其他化合物谱重叠用于比较(参见图18)。图19专注于谱的更可靠的频率最小值部分，其生成用于鉴定的最可靠的数据点，每种盐的至少四个数据点对于鉴定是高度可靠的和唯一的。与目前进行的人工记录各点相反，完全有可能建立能够自动地完成这个过程的计算机程序。

声共振系统的粒度测定能力

就进入反应中的原料和所述合成的生成产物而言，活性药物的粒度测定是各种工业主要关心的问题。化合物的粒度影响其溶解速率；摄取至人体内的药代动力学，并且关于活性成分随时间变化的稳定性，和对微生物降解的易感性，其也是重要因素。

化合物的粒度测定目前在实验室环境中通过使用昂贵的激光和光散射技术诸如Malvern^TM和Lasentech^TM来进行监测。BARDS提供了一种廉价的替代方法。

在粒度测定前，分析物被研磨，并且通过筛分梯度筛并用附带的搅拌装置振动。对每种粒度分布，回收部分的尺寸随着每种个别的磨料而变化。回收部分立即操作或保存在密闭容器中以避免吸收水分。

讨论

在图20-22中对于氯化钠证实了声共振系统区分不同粒度的相同化合物的能力。图20显示在试验中利用的5种粒度分布，然而这些分布之间的分离度在所有时间点处均无法辨别。然而，仅一个时间点需要作出区分。此外，分布越大，标准差越大，标准差可用于确定分布范围。图22显示38-45μm和106-150μm粒度分布，在大多数谱中分布的分离是明显的。当样品的粒度减小时，频率最小值的深度也减小。这可能是由于存在较多数目的用于生成微气泡的成核位点。由于较小粒度引起的较大表面积促进此过程。

也考察蔗糖的粒度分离。考察三种较大的粒度分布，106-150μm，180-250μm和300-355μm(参见图23和24)。

图23比较性地显示了这三种粒度分布，并且显然就它们的独特曲线形状和初始检测点两者而言，这些粒度分布是可分开的。图24去除了重叠的106-150μm曲线，清楚地证明了两种较大分布的分离度。当这些分布被清楚地确定并且是可分开的时，蔗糖显示与氯化钠相反的趋势。显示的粒度分布越小，频率最小值越浅，频率最小值深度随着粒度增加而减小。有可能这种趋势仅仅存在于特定化合物的粒度分布渐变群内。

尽管这些不一致的趋势，但十分清楚的是利用此技术，在微米尺度上的粒度测定是完全有可能的。目前获得纳米尺度样品物质是困难和昂贵的，并且同样内部制备也是困难和昂贵的，意味着现有装置分离纳米尺度粒子的能力仍未得到解决。毫无疑问，因为此装置的改进得到改善和进步，因此这些限制将显著地降低至最小程度。

晶体多晶型物的声共振测定

声共振光谱法已经发现具有确定相同化合物例如甘氨酸的不同晶体多晶型物的差异的能力。多晶型物是相同化学化合物的晶体，它们具有相同的分子量，具有不同的晶体结构，并且在一些情况下，具有不同的物理性质。这些不同的晶体结构一半使用光散射和X-线衍射技术来测定，这些设备的购买和维护是昂贵的。声共振系统在测定这些晶体差异方面的有效性表示在图24中。

多孔粒子的药物负载

该技术还发现能够监测二氧化硅微粒的药物负载。该分析基于使用的粒子如二氧化硅微粒的孔隙率。当孔隙容纳各种量的药物时，则根据孔隙率和药物负载能力观察到不同的声谱。

词“包含/包括”和词“具有/包括”当参照本发明在本文中使用时用来特指存在有所说的特征、整数、步骤或组分但不排出存在或加入其一种或多种其他的特征、整数、步骤、组分或群组。要理解的是，本发明的某些特征，为了清楚起见，在独立的实施方式的上下文中描述，其也可以在单个实施方式中组合提供。相反，本发明的各种特征，为简便起见，在单个实施方式的上下文中描述，它们也可以独立地提供或以任何适当的子组合提供。本发明不限于前面所述的实施方式，而是可以在结构和细节方面均可以进行改变。

参考文献：Crawford，F.S.，Am.J.Phys.50(5)，1982，″The Hot Chocolate Effect(热巧克力效应)″