生物微波知識點

　　生物微波篇一：脈沖微波生物效應(yīng)的研究

　　脈沖微波生物效應(yīng)的研究

　　1、高功率微波（HighPowerMicrowave,HPM）是一項新興的技術(shù)，具有峰值功率極高，而平均功率相對較低的特點，其在民事與軍事方面的應(yīng)用尚在不斷的發(fā)展中，而在軍事領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用更是受到了特別的重視。美國國會聯(lián)合經(jīng)濟委員會（JointEconomicCommittee）于1997年6月和1998年2月分別舉行了兩次有關(guān)HPM武器與美國經(jīng)濟關(guān)系問題的聽證會（1），由此反映出了當前該技術(shù)在國民經(jīng)濟和國防安全方面的重要性。隨著HPM技術(shù)的廣泛應(yīng)用，關(guān)于其對環(huán)境及人類健康有無影響及其如何防護的問題急需解決，而目前有關(guān)HPM生物效應(yīng)研究的公開報道較少。一方面由于HPM峰值功率極高，而平均功率則較低，因此其對生物體作用的機制與低功率微波可能有所區(qū)別；另一方面微波的生物學(xué)效應(yīng)與微波的頻率、峰值功率密度和平均功率密度等有密切關(guān)系，因此有必要對高功率微波的生物學(xué)效應(yīng)進行深入的研究，制定相應(yīng)的衛(wèi)生防護標準。本文采用國產(chǎn)高功率微波源，初步探討高功率微波脈沖輻射的生物學(xué)效應(yīng)。

　　2．材料與方法

　　2．1微波源采用國產(chǎn)新研制的高功率微波源(G瓦級，X波段)進行實驗觀察。

　　2．2動物分組健康Sprague-Dawley大鼠6只和昆明種小白鼠35只（雌雄不拘）（由第四軍醫(yī)大學(xué)實驗動物中心提供）用于實驗。其中小白鼠按體重隨機分為兩組：痛閾反應(yīng)組（15只），游泳耐力組（20只）。后者再隨機配對分為兩組:實驗組和對照組，每組10只。

　　2．3實驗方法先將動物置于自制的塑料裝置內(nèi)后，再將動物面向微波發(fā)射裝置放置。然后給予峰值功率密度55kW/cm2，平均功率密度688mW/cm2的脈沖微波作用,共100次脈沖，微波脈寬25ns，重復(fù)頻率50Hz，占空比1.25/106。微波輻照前、微波輻照后即刻測小白鼠的痛閾反應(yīng)，2小時后測游泳耐力，6小時后測大鼠視覺誘發(fā)電位（F-VEP）和視網(wǎng)膜電圖變化(ERG)。

　　小鼠痛閾采用熱板實驗方法進行，即將小鼠放在熱板上（55℃±

　　0.5℃），用秒表開始計時，當小鼠開始添后足時即刻停止計時，記錄時間，作為小鼠痛閾反應(yīng)時間。采用自身前后對照的方法進行實驗觀察，配對t檢驗方法進行顯著性檢驗。

　　小鼠游泳耐力參照文獻上方法進行，即將實驗組和對照組的小鼠尾部束一2g的重物（保險絲）后放入深20cm的容器內(nèi)(水溫20℃±0.5℃)游泳，開始計時。當小鼠頭部沉入水中10秒中不能浮出水面時即為體力耗竭，即刻計時，作為小鼠游泳時間。小鼠游泳時間越長，耐力越好。實驗中注意避免小鼠扶在容器壁上進行休息。實驗結(jié)果采用團體t檢驗進行統(tǒng)計分析。

　　大鼠視覺電生理檢查按本實驗室已建立的方法進行[3]，采用自身前后對照的方法進行觀察。

　　3．結(jié)果

　　微波輻照數(shù)秒鐘內(nèi)，多數(shù)小鼠呈驚呆狀，有的停止隨意走動，反應(yīng)遲鈍，當移動塑料裝置時才恢復(fù)反應(yīng)。有的則煩躁不安，毛發(fā)豎立。大鼠因在固定裝置內(nèi)不能隨意運動，故僅能觀察到豎發(fā)現(xiàn)象。微波輻照后小鼠痛閾反應(yīng)時間明顯延長（P<0.05）。對小鼠游泳耐力、痛閾和對大鼠視覺電生理功能的影響見下表。微波對小鼠和大鼠形態(tài)學(xué)的影響尚在觀察中。

　　表1微波脈沖輻照對小鼠痛閾值的影響(s)(x±SD)

　　n

　　15

　　*P<0.05

　　表2微波脈沖輻照對小鼠游泳時間的影響(min)(x±SD)

　　n

　　10對照組4.925?2.419

　　實驗組3.983?1.577微波輻照前15.30?5.0微波輻照后21.?13.42*

　　表2微波脈沖輻照對大鼠ERG、F－VEP波幅值的影響(μV)(x±SD)

　　ERGa波

　　ERGb波

　　FVEPP1波

　　n右眼6629.66

　　4．討論

　　微波對健康的影響已有大量的文獻報道，回顧性調(diào)查資料以及大量的實驗觀察均證實微波對機體健康確有危害作用。大量的關(guān)于微波生物學(xué)效應(yīng)的研究主要側(cè)重于尋找可導(dǎo)致機體組織和功能明顯損傷的閾值。因此相關(guān)研究多采用高強度微波源，長時間、反復(fù)進行暴露，從而導(dǎo)致組織形態(tài)學(xué)出現(xiàn)明顯改變。研究結(jié)論多比較明確，即微波的生物學(xué)效應(yīng)是由于熱效應(yīng)引起的。近年來低強度微波輻射對機體影響日益引起人們的重視，相關(guān)研究比較多，但尚無明確的結(jié)論。而關(guān)于高功率微波生物學(xué)效應(yīng)的研究則公開文獻報道很少。文獻及我們實驗室前期實驗觀察到微波的生物學(xué)效應(yīng)與微波的頻率、強度（平均功率密度）和作用時間密切相關(guān)。同樣頻率和強度的微波作用不同時間，可引起不同的生物學(xué)效應(yīng)。我們特別注意到當短時間微波輻射尚不能引起動物體溫的改變和敏感器官形態(tài)和功能改變時，離體細胞膜離子通道功能已經(jīng)發(fā)生明顯改變。進一步的觀察還發(fā)現(xiàn)，高功率微波脈沖輻射可以使培養(yǎng)的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞增殖能力等發(fā)生改變。但是目前關(guān)于高功率微波脈沖輻射是否會引起生物學(xué)效應(yīng)尚無定論。

　　在前期實驗觀察的基礎(chǔ)上，我們采用我國新研制的高功率微波源，觀察了高功率脈沖微波輻射的生物學(xué)效應(yīng)。本實驗微波輻射的特點是峰值功率高（55kW/cm2）、平均功率相對低（688mW/cm2）、共進行了100次脈沖輻射，累計作用時間短(2s)。該實驗條件是今后工作可能實際應(yīng)用的，因此本實驗具有一定的實用背景。在短時間高功率脈沖微波作用下，動物的行為發(fā)生了明顯改變，表現(xiàn)為短時間反應(yīng)遲鈍，痛閾12.0±2.316.832.710.9±5.013.6±3.711.1±4.225.9±4.1109.4±左眼右眼左眼33.0±19101.1±34.230.4±3.531.6±7.5109.4±98.4±微波輻照前微波輻照后

　　值明顯降低,小鼠的游泳耐力時間較對照組延長（未達到顯著性差異），但大鼠視覺電生理學(xué)未見顯著性改變。初步實驗結(jié)果表明,高功率脈沖微波暴露可以對動物產(chǎn)生一定的急性生物學(xué)效應(yīng),由于暴露的時間短，吸收功率低，而機體溫度的調(diào)節(jié)變化需要的時間相對較長，因此動物的生物學(xué)效應(yīng)可能與神經(jīng)系統(tǒng)的應(yīng)激反應(yīng)有關(guān)。這種生物學(xué)效應(yīng)可能是可逆的，因此在微波暴露6小時后大鼠的視網(wǎng)膜功能和視神經(jīng)傳導(dǎo)功能與實驗前已無明顯的改變。實驗結(jié)果提示我們即便是極短時間的高功率微波暴露，同樣是有危險的。文獻上關(guān)于高功率脈沖微波的生物學(xué)效應(yīng)研究結(jié)果多是陰性，可能與所采用的實驗條件和觀察指標有關(guān)。本實驗結(jié)果與我室前期采用離體細胞的研究結(jié)果是一致的，因此我們認為應(yīng)當加強對高功率微波，特別是今后國防或國民經(jīng)濟建設(shè)中可能應(yīng)用的微波輻射條件下的生物學(xué)效應(yīng)進行研究，進一步明確高功率微波的生物學(xué)效應(yīng)及其可能機制，從而為高功率微波的應(yīng)用和防護提供根據(jù)。

　　生物微波篇二：微波加熱

　　1緒論

　　微波與無線電波、電視信號、雷達通訊、紅外線、可見光等一樣，都屬于電磁波，不同之處在于這種電磁波的波長在1mm~1m之間，與其它電磁波相比，其波長是很短的，所以稱之為微波。微波技術(shù)首先應(yīng)用于通訊、廣播、電視技術(shù)中。1945年，美國雷神公司的培西?史賓賽在偶然的機會發(fā)現(xiàn)可以利用微波來烹飪食物，從此便拉開了利用微波的熱效應(yīng)對材料進行加熱的序幕。直到60年代末，微波加熱在食品工業(yè)、橡膠工業(yè)首次獲得成功。從此，微波能作為一種新興能源，在加熱、烘干、食品加工、殺蟲滅菌、生物醫(yī)學(xué)等方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。

　　1.1微波加熱介紹

　　微波加熱與普通方式加熱相比，屬于兩種截然不同的加熱方式。通常一般的加熱器用電、煤氣、木炭火進行加熱，它是在被加熱材料的外部產(chǎn)生熱，然后再通過傳導(dǎo)材料對內(nèi)部加熱，這樣不僅加熱速度慢，而且受熱不夠均勻，熱效率也比較低。而微波加熱的基本工作原理是：介質(zhì)材料由極性分子和非極性分子組成，在電磁場作用下，這些極性分子從原來的隨機分布狀態(tài)轉(zhuǎn)向依照電場的極性排列取向。而在高頻電磁波作用下，這些分子取向按交變電磁場的變化而變化，這一過程致使分子的運動和相互磨擦從而產(chǎn)生熱量。此時交變電磁場的場能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)內(nèi)的熱動能，使介質(zhì)溫度不斷升高。這就決定了微波加熱具有加熱均勻、速度快、熱效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好，可以進行選擇性加熱、容易實現(xiàn)自動控制等優(yōu)點�？梢钥闯雠c傳統(tǒng)的加熱技術(shù)相比，微波加熱技術(shù)無疑具有極大的吸引力和廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景，并將逐步取代傳統(tǒng)的加熱技術(shù)。

　　微波加熱設(shè)備一般由微波功率源、應(yīng)用器、波導(dǎo)元件、饋能結(jié)構(gòu)、傳感和控制五部分組成，其中產(chǎn)生微波的微波功率源是微波技術(shù)設(shè)備的心臟。微波功率源性能的好壞往往決定著整體設(shè)備的性能，所以提高微波功率源的性能在微波技術(shù)設(shè)備性能提升中具有很大作用。然而，在實際應(yīng)用時，往往會出現(xiàn)輸出功率及頻率都不夠穩(wěn)定的情況，從客觀方面的因素來看，有微波功率源的制造工藝問題，有微波管本身設(shè)計中存在問題或微波管理論的限制等；從主觀方面的因素來看，有的是控制算法不妥，有的是系統(tǒng)設(shè)計有缺陷或是負載情況復(fù)雜導(dǎo)致微波管工作狀態(tài)不穩(wěn)定等�？傊�，微波技術(shù)作為在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的新技術(shù)還是有許多不成熟、需要改進的地方。只有充分彌補微波技術(shù)設(shè)備的不足之處，微波技術(shù)才能在工業(yè)應(yīng)用中走得更深更廣。

　　雖然家用微波爐方面的溫度控制研究對工業(yè)行業(yè)的微波加熱器有一定的借鑒意義，但需要注意的是家用微波爐在工作之前，都需要由用戶確定事物的類型和數(shù)量，并預(yù)置工作時間。在這種操作方式下，操作人員需要根據(jù)加熱材料的介電特性、數(shù)量等有關(guān)因數(shù)去手動設(shè)定微波功率和工作時間。這樣不僅操作顯得麻煩，而且工作功率和工作時間的設(shè)定也要在實踐中針對不同材料加以摸索才能掌握。另外，微波爐的功率調(diào)整是脈動性質(zhì)的，如果將這一功率調(diào)整方案應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域?qū)�會帶來嚴重的電網(wǎng)污染和大量的電能浪費，與國家建設(shè)節(jié)約型社會的方針是格格不入的。因此，在這樣的一個背景下研究和實現(xiàn)工業(yè)微波加熱溫度的智能控制就顯得尤為迫切和重要，提高工業(yè)用微波功率源輸出功率的穩(wěn)定度已成為微波技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中能更加廣泛應(yīng)用所迫切需要解決的問題之一。

　　1.2微波加熱的現(xiàn)狀

　　20世紀60年代以后，微波作為一種新型能源在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用，拓成了一個分支技術(shù)。如化學(xué)研究中的應(yīng)用，有催化領(lǐng)域，有機合成，合成某些射性藥劑以及干燥等方面；在醫(yī)療方面，各種微波治療儀的成功研制與應(yīng)用，顯示出微波醫(yī)學(xué)具有不可估量的潛在生命力；基于微波的材料處理方面的技術(shù)發(fā)也是日新月異，如陶瓷燒結(jié)，木材干燥，微波染色等等。盡管微波作為一種新型能源在上述領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，由于強電磁場的存，在微波場下的溫度測量依然是個技術(shù)難題。而溫度顯然是個重要的參數(shù)，如波誘導(dǎo)催化反應(yīng)機理以及微波催化劑作用機理的研究不是很深入，主要原因就是微波場中的溫度無法準確測量。因此，微波場中溫度測量技術(shù)的發(fā)展將進一步動微波在其它工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。由于溫度參數(shù)在微波熱處理中的重要性，人們經(jīng)在各類微波爐，微波反應(yīng)釜，微波治療儀等很多存在微波場的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了對度的檢測。這些溫度檢測檢測技術(shù)中有常規(guī)的如熱電偶溫度傳感器，也有熱敏晶體管及集成電路溫度傳感器。然而在微波場中，由于強電磁場存在，金屬材料作的測溫探頭及導(dǎo)線在高頻電磁場下產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于趨膚效應(yīng)和渦流效應(yīng)得自身溫度升高，對測量造成嚴重干擾，使得溫度顯示值產(chǎn)生很大的誤差或者無法進行穩(wěn)定的溫度測量。

　　經(jīng)過20年的發(fā)展，微波加熱技術(shù)的重要的技術(shù)難關(guān)突破后，將微波能大規(guī)模運用與各個工業(yè)，醫(yī)療，科研等領(lǐng)域中，取代傳統(tǒng)的加熱方式是大勢所趨，這自然而然的'要求有準確可靠的微波加熱溫度控制系統(tǒng)的出現(xiàn)。雖然家用微波爐面的溫度控制研究對通用行業(yè)的加熱器有一定的借鑒意義，但需要注意的是家微波爐在工作之前，都需要由用戶確定事物的類型和數(shù)量，并預(yù)置工作時間。能查到的相關(guān)資料中，大多數(shù)溫度控制主要還處于手動控制狀態(tài)，在這種操作方式下，操作人員需要根據(jù)加熱材料的介電特性，數(shù)量等有關(guān)因數(shù)去手動設(shè)定微功率和工作時間。這樣不僅操作顯得麻煩，而且工作功率和工作時間的設(shè)定也在實踐中針對不同材料加以摸索才能掌握�？販匦Ч�差，精度和可靠性都較低，加熱過程容易出現(xiàn)過熱，或著不能達到即定的加熱效果。針對這種情況，設(shè)計一種PLC控制的溫度自動控制的微波加熱系統(tǒng)。

　　雖然微波技術(shù)在工業(yè)加熱中的應(yīng)用并沒有其在通訊領(lǐng)域中應(yīng)用的那么廣泛，也沒有占有太多市場份額，還不能完全取代一些傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，但微波技術(shù)作為一個新興的科技產(chǎn)業(yè)，已顯示出了它在工業(yè)應(yīng)用中的強勁優(yōu)勢和潛力，具體體現(xiàn)在以下幾個方面。

　　1.2.1控制器的發(fā)展

　　就國內(nèi)一些工業(yè)用微波設(shè)備來看，控制部分多用PLC來實現(xiàn)。相比較而言，在工業(yè)控制領(lǐng)域PLC的優(yōu)秀性能是顯而易見的，可靠性高、抗干擾能力強、功能強大、編程簡單。但是PLC的價格過高，考慮到成本很多設(shè)備也選擇單片機來實現(xiàn)控制功能。參考文獻就將凌陽SPCE061A單片機用在了微波加熱設(shè)備中，取得了較好的效果。但是，目前的發(fā)展趨勢是用以32位的ARM系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單片機系統(tǒng)，工業(yè)級的ARM芯片組合一些外圍元器件，如電源管理芯片，看門狗芯片，A/D芯片等，可使嵌入式控制系統(tǒng)的整體性能能達到微波功率應(yīng)用控制系統(tǒng)的要求。參考文獻[5]就采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STR730F芯片設(shè)計了一套微波磁控管控制系統(tǒng)，無論處理精度和運算速度都比單片機系統(tǒng)要快得多。

　　1.2.2磁控管陽極電源的改進

　　目前，大多數(shù)微波磁控管電源采用普通的工頻電源，經(jīng)變壓器升壓，整流和簡單濾波得到直流高壓，這種方法體積大、效率低、紋波大，電感和電容工作在高壓狀態(tài)，價格比較高。

　　2微波加熱器整體結(jié)構(gòu)

　　2.1磁控管控制系統(tǒng)主結(jié)構(gòu)分析

　　磁控管是一種諧振型正交場振蕩器，是微波技術(shù)中的一種高功率微波源，以松下2M210-M1磁控管為例進行分析，其電源系統(tǒng)如圖2.1所示。

　　磁控管發(fā)射微波時陰極需得到3.3V的燈絲電壓，陽極相對陰極具備4200V高壓而形成強電場。這樣陰極得到燈絲電壓向外發(fā)射電子。在電場作用下，電子從陰極飛向陽極。在磁控管中還存在磁場，方向與電場方向垂直，在磁場和電場共同作用下，電子延螺旋軌跡作輪擺式運動。同時，在陽極諧振腔內(nèi)還存在高頻電場，在高頻電場作用下，電子繞陰極軸心旋轉(zhuǎn)，當旋轉(zhuǎn)速度與高頻電場同步時，電子的直流能量交給高頻電場，維持高頻振蕩。這些高頻能量以微波的形式輸出，用于各種工業(yè)用途。

　　圖2.1微波爐電源控制系統(tǒng)

　　由上述分析可知，磁控管發(fā)出微波必須具備加熱燈絲、陽極直流高壓、激勵恒定磁場三個主要的工作條件。因此，磁控管電源也必須根據(jù)不同的要求分別進行設(shè)計。

　　2.1.1燈絲電源的設(shè)計

　　磁控管陰極的工作原理其實與真空電子管的陰極工作相似，都是向外發(fā)射電子。所以磁控管正常工作的一個必要的過程就是給陰極燈絲預(yù)熱。磁控管的燈絲電源都采用交流形式供電，由調(diào)壓變壓器和燈絲變壓器提供3.3V的燈絲電壓。為防止高頻能量從燈絲電路中泄漏出來，一般需在燈絲電路中加一高頻濾波電路，它由扼流線圈和電容組成。

　　2.1.2勵磁電源設(shè)計

　　連續(xù)波磁控管工作需要穩(wěn)定的磁場，所以需提供一組勵磁電源，依據(jù)調(diào)壓試驗測定這組勵磁電源的電壓為60V直流電壓。這組電源由單相變壓器輸出的220V50Hz交流電變壓后，經(jīng)整流得到。另外，磁控管不能在無磁場的情況下啟動。因此，必須再接通高電壓前，先接通磁場電路，并保證有足夠的磁感應(yīng)強度值，待片刻，再逐步減少勵磁電流獲得磁控管所需的輸出功率。

　　2.1.3陽極直流高壓電源

　　根據(jù)課題所研究磁控管參數(shù)，陽極電壓峰值為4.2kV，具體的調(diào)壓方式有很多種，包括半波倍壓整流、全波倍壓整流、電子調(diào)壓裝置、開關(guān)電源等，這些在論文的后續(xù)研究中會陸續(xù)提到。

　　在電源與磁控管的具體接線時，磁控管陽極接電源正極接地，陰極接電源負極，在陰極上產(chǎn)生一個負高壓，這樣做是因為陽極在磁控管的外圍，而陰極被包裹在陽極中央，若陽極

　　帶4.2kV的直流高壓，必定對系統(tǒng)的安全性是一個很大的威脅，所以電壓差不變的情況下陽極接地，在陰極上產(chǎn)生4.2kV的負高壓。

　　2.2微波爐電路原理圖

　　磁控管

　　圖2.2微波爐電路原理圖

　　微波爐的工作原理如圖2.2所示。

　　可編程序控制技術(shù)

　　3.1PLC的定義及特點

　　3.1.1PLC的定義

　　可編程序控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計，它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作命令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。

　　可編程序控制器及其有關(guān)的外部設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則而設(shè)計。

　　3.1.2PLC的特點

　　PLC是綜合繼電器接觸器控制的優(yōu)點及計算機靈活、方便的優(yōu)點而設(shè)計制造和發(fā)展的，這就使PLC具有許多其他控制器所無法相比的特點。

　　1）可靠性高，抗干擾能力強

　　2）通用性強，使用方便

　　3）采用模塊化結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)組合靈活方便

　　4）編程語言簡單、易學(xué)，便于掌握

　　5）系統(tǒng)設(shè)計周期短

　　6）對生產(chǎn)工藝改變適應(yīng)性強

　　7）安裝簡單、調(diào)試方便、維護工作量小

　　3.2PLC的應(yīng)用和發(fā)展前景

　　3.2.1PLC的應(yīng)用

　　PLC是以微處理器為核心，綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置，它具有可靠性高、體積小、功能強、程序設(shè)計簡單、靈活通用、維護方便等一系列的優(yōu)點，因而在冶金、能源、化工、交通、電力等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱（PLC、機器人和CAD/CAM）之一。

　　3.2.2PLC的發(fā)展前景

　　為了適應(yīng)市場的各方面的需求，各生產(chǎn)廠家對PLC不斷進行改進，推出功能更強、結(jié)構(gòu)更完善的新產(chǎn)品。這些新產(chǎn)品總體來說，朝兩個方向發(fā)展：一個是向超小型、專用化和低價格的方向發(fā)展，以進行單機控制；另一個是向大型、高速、多功能和分布式全自動網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，以適應(yīng)現(xiàn)代化的大型工廠、企業(yè)自動化的需要。

　　3.3PLC的基本組成及工作原理

　　3.3.1PLC的基本組成

　　生物微波篇三：微波破壁技術(shù)

　　簡介：細胞破壁方法有多種，這里提及的微波法破壁顯著區(qū)別于傳統(tǒng)的粉碎破壁方法。所謂微波破壁就是生物樣品吸收微波導(dǎo)致發(fā)熱膨脹而產(chǎn)生破壁的手段。

　　微波

　　微波是指頻率為300MHz-300GHz的電磁波，是無線電波中一個有限頻帶的簡稱，即波長在1米（不含1米）到1毫米之間的電磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波的統(tǒng)稱。微波頻率比一般的無線電波頻率高，通常也稱為“超高頻電磁波”。微波作為一種電磁波也具有波粒二象性。微波的基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個特性。對于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對于水和食物等就會吸收微波而使自身發(fā)熱。微波萃取是利用電磁場的作用使固體或半固體物質(zhì)中的某些有機物成分與基體有效的分離，并能保持分析對象的原本化合物狀態(tài)的一種分離方法。

　　破壁

　　微波破壁的機理可從以下3個方面來分析：①微波輻射過程是高頻電磁波穿透萃取介質(zhì)到達物料內(nèi)部的微管束和腺胞系統(tǒng)的過程。由于吸收了微波能，細胞內(nèi)部的溫度將迅速上升，從而使細胞內(nèi)部的壓力超過細胞壁膨脹所能承受的能力，結(jié)果細胞破裂，其內(nèi)的有效成分自由流出，并在較低的溫度下溶解于萃取介質(zhì)中。通過進一步的過濾和分離，即可獲得所需的萃取物。②微波所產(chǎn)生的電磁場可加速被萃取組分的分子由固體內(nèi)部向固液界面擴散的速率。例如，以水作溶劑時，在微波場的作用下，水分子由高速轉(zhuǎn)動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，這是一種高能量的不穩(wěn)定狀態(tài)。此時水分子或者汽化以加強萃取組分的驅(qū)動力，或者釋放出自身多余的能量回到基態(tài)，所釋放出的能量將傳遞給其他物質(zhì)的分子，以加速其熱運動，從而縮短萃取組分的分子由固體內(nèi)部擴散至固液界面的時間，結(jié)果使萃取速率提高數(shù)倍，并能降低萃取溫度，最大限度地保證萃取物的質(zhì)量。③由于微波的頻率與分子轉(zhuǎn)動的頻率相關(guān)連，因此微波能是一種由離子遷移和偶極子轉(zhuǎn)動而引起分子運動的非離子化輻射能，當它作用于分子時，可促進分子的轉(zhuǎn)動運動，若分子具有一定的極性，即可在微波場的作用下產(chǎn)生瞬時極化，并以24．5億次/s的速度作極性變換運動，從而產(chǎn)生鍵的振動、撕裂和粒子間的摩擦和碰撞，并迅速生成大量的熱能，促使細胞破裂，使細胞液溢出并擴散至溶劑中。在微波萃取中，吸收微波能力的差異可使基體物質(zhì)的某些區(qū)域或萃取體系中的某些組分被選擇性加熱，從而使被萃取物質(zhì)從基體或體系中分離，進入到具有較小介電常數(shù)、微波吸收能力相對較差的萃取溶劑中。

　　微波破壁應(yīng)用

　　特點

　　微波破壁方法主要應(yīng)用于微波萃取。微波具有波動性、高頻性、熱特性和非熱特性四大特點，這決定了微波萃取具有以下特點：1試劑用量少，節(jié)能，污染小。2加熱均勻，且熱效率較高。傳統(tǒng)熱萃取是以熱傳導(dǎo)、熱輻射等方式自外向內(nèi)傳遞熱量，而微波萃取是一種“體加熱”過程，即內(nèi)外同時加熱，因而加熱均勻，熱效率較高。微波萃取時沒有高溫熱源，因而可消除溫度梯度，且加熱速度快，物料的受熱時間短，因而有利于熱敏性物質(zhì)的萃取。3微波萃取不存在熱慣性，因而過程易于控制。4微波萃取無需干燥等預(yù)處理，簡化了工藝，減少了投資。5微波萃取的處理批量較大，萃取效率高，省時。與傳統(tǒng)的溶劑提取法相比，可節(jié)省50%~90%的時間。6微波萃取的選擇性較好。由于微波可對萃取物質(zhì)中的不同組分進行選擇性加熱，因而可使目標組分與基體直接分離開來，從而可提高萃取效率和產(chǎn)品純度。7微波萃取的結(jié)果不受物質(zhì)含水量的影響，回收率較高�；�于以上特點，微波萃取常被譽為“綠色提取工藝”。

　　萃取儀器

　　1.智能化專家系統(tǒng):內(nèi)存100種國際通用標準應(yīng)用方法,用戶也可以編輯、存儲、修改和刪除特定樣品的應(yīng)用方法。2.安全泄壓方式:非金屬聚合材料防爆膜和自動泄壓雙重安全機制專利設(shè)計,確保操作安全性和樣品完整性(保證元素回收率)。3.多重主動安全控制:專利的非脈沖自動微波能量控制,精確的溫/壓實時監(jiān)控,全罐溫/壓監(jiān)控,功頻匹配設(shè)計和微波場諧振均衡技術(shù)等確保對反應(yīng)過程精確控制。4.多重被動安全保障:專利的高安全宇航復(fù)合纖維耐壓外套(垂直定向防爆設(shè)計),全自動安全感應(yīng)門以及在任何異常情況下自動切斷微波源等多重安全機制,確保安全。5.批處理量大:(已有大量客戶實際應(yīng)用)高壓容器最多可達40個樣品/批,且所有樣品獨立密閉,確保無交叉污染和樣品損失。應(yīng)用

　　在天然中的應(yīng)用：如從植物中提取茜素在環(huán)境分析中的應(yīng)用：如對土壤，沉積物和水中各種污染物的萃取在化學(xué)分析中的應(yīng)用：在石油化工中，微波萃取用于對聚合物及其添加物進行過程監(jiān)控和質(zhì)量控制。

　　微波破壁歷史

　　1986年，匈牙利學(xué)者GanzlerK首先提出利用微波進行萃取的方法。在微波萃取過程中，高頻電磁波穿透萃取介質(zhì)，到達被萃取物料的內(nèi)部，微波能迅速轉(zhuǎn)化為熱能而使細胞內(nèi)部的溫度快速上升。當細胞內(nèi)部的壓力超過細胞的承受能力時,細胞就會破裂,有效成分即從胞內(nèi)流出，并在較低的溫度下溶解于萃取介質(zhì)，再通過進一步過濾分離，即可獲得被萃取組分。

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