空孔氣泡運動方程式

2.3 維他命 C 定量法

本研究使用在維他命 C 定量技術，乃採用兼具有移動相與固定相，並 依分配率不同而檢測其濃度的高效能液相層析法（HPLC- High-Performance Liquid Chromatography）。高效能液相層析法的前身乃為層析法，故在此做 一介紹。

層析法是利用不同物質理化性質的差異而建立起來的技術。所有的層 析系統都由兩種相所組成，一是固定相，它或者是固體物質或者是固定於 固體物質上的成分；另一是流動相，即可以流動的物質，如水和各種溶媒。

當待分離的混合物隨溶媒（流動相）通過固定相時，由於各組成成分的理 化性質存在差異，與兩相發生相互作用（吸附、溶解、結合等）的能力不 同，在兩相中的分配（含量對比）不同，而且隨溶媒向前移動，各組成成 分不斷地在兩相中進行再分配。與固定相相互作用力越弱的組成成分，隨 流動相移動時受到的阻滯作用小，向前移動的速度快。反之，與固定相相 互作用越強的組成成分，向前移動速度越慢。分部收集流出液，可得到樣 品中所含的各單一組成成分，從而達到將各組分離的目的。

層析法是根據物質的理化性質不同而建立的分離分析方法。根據層析 峰的位置及峰高或峰面積，可以進行定性及定量。層析法與光學、電學或 電化學儀器配合使用，可檢測出層析後各組份的濃度或質量，同時繪出層 析圖。利用層析儀與電腦處理數據，可使操作及資料處理自動化，大大縮

短分析時間。由於層析法具有解析度高、靈敏度高、選擇性好、速度快等 特點，因此適用於雜質多、含量少的複雜樣品分析，尤其適用於生物樣品 的分離分析。近年來，已成為生物化學及分子生物學常用的分析方法。在 醫藥衛生、環境化學、高分子材料、石油化工等方面也得到了廣泛的應用。

本研究所採用之高效液相層析法是近二十年來發展起來的一項新穎快 速的分離技術。它是在傳統液相層析法基礎上，引進了氣相層析的理論具 有氣相層析的全部優點。由於 HPLC 分離能力強、測定靈敏度高，可在室 溫下進行，應用範圍極廣，無論是極性還是非極性，小分子還是大分子，

熱穩定還是不穩定的化合物均可用此法測定，但在不同的檢測條件下，所 使用的設備也不盡相同。高效液相層析法的基本概念和分離理論，與經典 的液相色譜法及氣相色譜法一致，因而其塔板理論及動力學理論等都可用 於高效能液相層析法。而基本型的高效液相層析儀包括輸液系統、層析柱 與檢測系統三部分。流動相用一高壓泵輸入。這種高壓泵應滿足以下條件：

1. 流量恒定，無脈動，並有較大的調節範圍。

2. 能抗溶劑腐蝕。

3. 有較高的輸出壓力。

梯度洗脫裝置必須具備兩台高壓泵，一台輸送強溶劑，一台輸送弱溶 劑，兩泵運轉速度用電腦控制，並可按照一定的要求改變流動相的組成，

以改善分離效果。一般用微量注射器直接進樣，也可採用六通閥門進樣。

高效液相層析儀中所用的檢測器最多應用的是紫外吸收檢測，靈敏度可達 10^-9克的精度。此外尚有其他如螢光檢測器、示差析光檢測器、電化學檢測 器等。而經過檢測後的結果，維他命 C 溶液的濃度將會以 mV 為縱軸單位 之數位式資料儲存於電腦中。

接著依例調製確定濃度的維他命 C 後，依濃度的低至高送進高效能液 相層析儀分析，可將分別所量測之 mV 值繪出一直線，一般稱為檢量線，

依據所繪出之直線可知道在不同 mV 值所代表的維他命 C 濃度，如此一來 即可知導入的濃度多寡了。

η ρ , R

R 0

γ

P T

) t ( p

σ

LIQUID

(INCOMPRESSIBLE)

圖 2.1 不可壓縮液體的氣泡運動模型[29]

第三章 實驗方法與步驟

3.1 實驗目的

使用與人皮組織特性相近的豬皮組織，以離體（in vitro）方式進行實 驗 。 從 金相顯微鏡量測 有液體覆蓋之 豬 皮 所 附 著之 氣 泡 大 小 ，佐 以 Rayleigh-Plesset 的振動理論，模擬試體在超音波照射聲場中可能產生的共 振現象，以空孔效應作為超音波導入之主要機制，推算相關之空孔振動頻 率。由於空孔效應發生時，會產生震波及微噴射流，造成附近材料之表面 塑性變形或破裂。在適當的能量下，豬皮組織表面的塑性變形能使得藥物 透過角質層，而進入體內。本超音波導入法之實驗，將探討不同參數下，

包括頻率、聲強與照射能量的均勻性的改變與導入效率的關連性。

在市面常見的超音波導入應用中，經常利用高頻率進行超音波激發，

並以超音波機械效應與熱效應作為導入之機制。但以此機制為出發點所研 發之導入效果上，並無法將超音波導入之效果完全呈現。為了重新定義超 音波導入的機制，本研究從空孔效應的角度切入，經由計算所得之超音波 共振頻率相較於時下超音波導入技術所用之頻率，更為低頻。相對於高頻 超音波而言，以低頻超音波引致空孔效應，所需的超音波聲強更低。

由於在過去的文獻中，若是針對高強度超音波生物效應中的空孔效應 與熱效應所作的研究，其結果大都會對於生物體的細胞組織中造成負面的

影響。有鑑於此，在本論文的實驗設定中，必須將空孔效應所發生的最低 強度視為上限門檻值，同時嚴格控制熱效應的發生。其目的在於避開超音 波照射對生物體所產生破壞效應。期望在這樣的實驗設定下，能得到最佳 化的超音波導入結果。綜合上述，若能再結合活體（in vivo）研究，並配 合生物觀察技術，當有助於發展出更完備的超音波導入技術。

除了探究頻率上的變化與機制關係外，本研究也引入均勻照射聲場下 的超音波導入方式。若能將導入聲場在能量上的分佈變成均勻照射，如此 一來在執行導入時，可搭配大面積之裝置，將均勻之超音波聲場激發在欲 導入之部分，將可使得導入效果更為均勻。

3.2 實驗方法

本研究乃以工程的角度切入問題點，點出影響空孔振動的主要因素－

頻率，以為研究之重點；此外，聲強的大小也直接影響空孔的形成及皮膚 的損害與否。因此如何藉由控制頻率與聲強的方式，掌握超音波對於皮膚 導入之機制，將是實驗過程可能遭遇的核心問題。

3.2.1 頻率計算

本研究係利用 Rayleigh-Plesset 所發表的不可壓縮液體中內部空孔振動 的運動數學模式，量測豬皮組織上所附著之氣泡大小，以計算氣泡的共振 頻率，再施予皮膚共振頻率與非共振頻率的超音波照射，做為實驗組，配 合未照射超音波的控制組來提供比較。實驗過程中，超音波探頭置於改良 式的 Franz 擴散池的上槽，於上槽的維他命 C 溶液，透過受到空孔效應而 產生改變的豬皮組織，而被導入至下槽。接著比對超音波經皮膚導入與無 導入之通透率差異。本實驗所設定的每組頻率為重複五次（n=5）。

3.2.2 聲強選用

在進行完不同頻率的導入後，再以調變聲強的方式，分別選擇二組不 同聲強，以進行豬皮組織通透性的實驗。藉以釐清聲強對於超音波導入法 的影響，並且評估超音波導入所需的門檻能量為何。

由於頻率越低，達到空孔效應所需的門檻聲強也會隨之降低[35]，如圖

3.1 所示。本研究以鋁箔做為觀察空孔效應產生的依據，選擇以 20 kHz 的 頻率下，聲強為 1.9 mW/cm²與 13.6 mW/cm²，前者為未達可引致空孔效應 門檻能量，後者則為大於門檻能量，以此兩者做為激發聲強。

3.2.3 豬皮組織波速變化之量測

由於超音波診斷技術的基本原理，是利用超音波在不同介質上傳遞 時，所產生傳輸特性的差異，來提供診斷影像。這些差異從波的角度來觀 察，即一物體結構發生改變之後，其波速將會隨之而變。以此思路為出發 點，倘若經過超音波照射之後的豬皮產生了結構上的改變，其波速會異於 正常豬皮組織。故於導入實驗前後，量測豬皮聲速之變化，觀察導入量與 豬皮波速變化的關係。

量測豬皮組織聲速之架設如圖 3.2 所示，以兩片壓克力板，夾住一片 豬皮組織，在夾住的同時，會以固定重量負載於壓克力板上。此舉之目的 是由於使用解剖刀割取豬皮組織時，會有部分的結締組織附著於豬皮組織 上，造成豬皮組織的面並非一均勻平面。為了使壓克力板平貼於豬皮組織 上，故施一均勻且適當的重量於壓克力板上。而在夾持豬皮組織的過程中，

為了之後能順利的擷取超音波訊號，以便於示波器上分析，故於壓克力板 與豬皮組織間，均滴入適量的水以作為耦合之用。所得之訊號於示波器上，

利用距離與時間的關係，求得相關之豬皮組織波速。

3.2.4 超音波探頭聲場的設定

前，仍需先評估該探頭之聲場是否穩定。如圖 3.4 所示，本研究利用水下 麥克風在量測水域內，在與探頭相同的高度下量測探頭所激發之波場。架 設與探頭量測之圖。如圖 3.5 所示，在距離 15~16 mm 處所測得之聲強為 最大之處，故進行高頻超音波導入部分，將探頭置音波熱療機 15 mm 處進 行實驗。

在進行低頻超音波導入時，為了評估在同一距離下，高低頻率對於導 入之影響，故於低頻超音波導入實驗時，探頭也是距離猪皮組織 15 mm。

但在低頻超音波導入時，20 kHz 的頻率在水中之波長為 75 mm，大於探頭 與猪皮組織間的距離，故可推測猪皮組織所受之聲場為混雜的近場。然而

但在低頻超音波導入時，20 kHz 的頻率在水中之波長為 75 mm，大於探頭 與猪皮組織間的距離，故可推測猪皮組織所受之聲場為混雜的近場。然而