超聲波細胞破碎儀的工作原理主要基于以下幾個方面：
- 電能轉換為聲能：儀器中的超聲波發生器產生高頻電信號，換能器將這種電能轉換為聲能，以超聲波的形式傳播。
- 超聲生物效應：
- 空化效應：超聲波在液體介質中傳播時，會使液體中的微小氣泡迅速形成并炸裂，產生強烈的局部沖擊波和高速射流。這些微小氣泡的聚爆會產生機械剪切壓力和騷亂，形成高強度的剪切力和高頻交變水壓，足以破壞細胞壁和細胞膜，使細胞內容物得以釋放。同時，空化泡破裂時還會產生瞬時高溫（約5000℃）、高壓（可達500×104Pa），可使水蒸氣熱解離產生·OH自由基和·H原子，它們引起的氧化還原反應可導致多聚物降解、酶失活、脂質過氧化和細胞殺傷。
- 機械效應：是超聲的原發效應，超聲波在傳播過程中介質質點交替地壓縮與伸張構成了壓力變化，引起細胞結構損傷，同時，由于超聲波在液體中的劇烈擾動，粒子會產生大的加速度，使它們相互碰撞或與裝置壁碰撞而破碎。
- 熱效應：超聲在介質中傳播時，摩擦力阻礙了由超聲引起的分子震動，使部分能量轉化為局部高熱（42-43℃），從而影響細胞的代謝和功能。
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