生物微波知识点

　　生物微波篇一：脉冲微波生物效应的研究

生物微波知识点

　　脉冲微波生物效应的研究

　　1、高功率微波（HighPowerMicrowave,HPM）是一项新兴的技术，具有峰值功率极高，而平均功率相对较低的特点，其在民事与军事方面的应用尚在不断的发展中，而在军事领域内的应用更是受到了特别的重视。美国国会联合经济委员会（JointEconomicCommittee）于1997年6月和1998年2月分别举行了两次有关HPM武器与美国经济关系问题的听证会（1），由此反映出了当前该技术在国民经济和国防安全方面的重要性。随着HPM技术的广泛应用，关于其对环境及人类健康有无影响及其如何防护的问题急需解决，而目前有关HPM生物效应研究的公开报道较少。一方面由于HPM峰值功率极高，而平均功率则较低，因此其对生物体作用的机制与低功率微波可能有所区别；另一方面微波的生物学效应与微波的频率、峰值功率密度和平均功率密度等有密切关系，因此有必要对高功率微波的生物学效应进行深入的研究，制定相应的卫生防护标准。本文采用国产高功率微波源，初步探讨高功率微波脉冲辐射的生物学效应。

　　2．材料与方法

　　2．1微波源采用国产新研制的高功率微波源(G瓦级，X波段)进行实验观察。

　　2．2动物分组健康Sprague-Dawley大鼠6只和昆明种小白鼠35只（雌雄不拘）（由第四军医大学实验动物中心提供）用于实验。其中小白鼠按体重随机分为两组：痛阈反应组（15只），游泳耐力组（20只）。后者再随机配对分为两组:实验组和对照组，每组10只。

　　2．3实验方法先将动物置于自制的塑料装置内后，再将动物面向微波发射装置放置。然后给予峰值功率密度55kW/cm2，平均功率密度688mW/cm2的脉冲微波作用,共100次脉冲，微波脉宽25ns，重复频率50Hz，占空比1.25/106。微波辐照前、微波辐照后即刻测小白鼠的痛阈反应，2小时后测游泳耐力，6小时后测大鼠视觉诱发电位（F-VEP）和视网膜电图变化(ERG)。

　　小鼠痛阈采用热板实验方法进行，即将小鼠放在热板上（55℃±

　　0.5℃），用秒表开始计时，当小鼠开始添后足时即刻停止计时，记录时间，作为小鼠痛阈反应时间。采用自身前后对照的方法进行实验观察，配对t检验方法进行显著性检验。

　　小鼠游泳耐力参照文献上方法进行，即将实验组和对照组的小鼠尾部束一2g的重物（保险丝）后放入深20cm的容器内(水温20℃±0.5℃)游泳，开始计时。当小鼠头部沉入水中10秒中不能浮出水面时即为体力耗竭，即刻计时，作为小鼠游泳时间。小鼠游泳时间越长，耐力越好。实验中注意避免小鼠扶在容器壁上进行休息。实验结果采用团体t检验进行统计分析。

　　大鼠视觉电生理检查按本实验室已建立的方法进行[3]，采用自身前后对照的方法进行观察。

　　3．结果

　　微波辐照数秒钟内，多数小鼠呈惊呆状，有的停止随意走动，反应迟钝，当移动塑料装置时才恢复反应。有的则烦躁不安，毛发竖立。大鼠因在固定装置内不能随意运动，故仅能观察到竖发现象。微波辐照后小鼠痛阈反应时间明显延长（P<0.05）。对小鼠游泳耐力、痛阈和对大鼠视觉电生理功能的影响见下表。微波对小鼠和大鼠形态学的影响尚在观察中。

　　表1微波脉冲辐照对小鼠痛阈值的影响(s)(x±SD)

　　*P<0.05

　　表2微波脉冲辐照对小鼠游泳时间的影响(min)(x±SD)

　　10对照组4.925?2.419

　　实验组3.983?1.577微波辐照前15.30?5.0微波辐照后21.?13.42*

　　表2微波脉冲辐照对大鼠ERG、F－VEP波幅值的影响(μV)(x±SD)

　　ERGa波

　　ERGb波

　　FVEPP1波

　　n右眼6629.66

　　4．讨论

　　微波对健康的影响已有大量的文献报道，回顾性调查资料以及大量的实验观察均证实微波对机体健康确有危害作用。大量的关于微波生物学效应的研究主要侧重于寻找可导致机体组织和功能明显损伤的阈值。因此相关研究多采用高强度微波源，长时间、反复进行暴露，从而导致组织形态学出现明显改变。研究结论多比较明确，即微波的生物学效应是由于热效应引起的。近年来低强度微波辐射对机体影响日益引起人们的重视，相关研究比较多，但尚无明确的结论。而关于高功率微波生物学效应的研究则公开文献报道很少。文献及我们实验室前期实验观察到微波的生物学效应与微波的频率、强度（平均功率密度）和作用时间密切相关。同样频率和强度的微波作用不同时间，可引起不同的生物学效应。我们特别注意到当短时间微波辐射尚不能引起动物体温的改变和敏感器官形态和功能改变时，离体细胞膜离子通道功能已经发生明显改变。进一步的观察还发现，高功率微波脉冲辐射可以使培养的视网膜神经节细胞增殖能力等发生改变。但是目前关于高功率微波脉冲辐射是否会引起生物学效应尚无定论。

　　在前期实验观察的基础上，我们采用我国新研制的高功率微波源，观察了高功率脉冲微波辐射的生物学效应。本实验微波辐射的特点是峰值功率高（55kW/cm2）、平均功率相对低（688mW/cm2）、共进行了100次脉冲辐射，累计作用时间短(2s)。该实验条件是今后工作可能实际应用的，因此本实验具有一定的实用背景。在短时间高功率脉冲微波作用下，动物的行为发生了明显改变，表现为短时间反应迟钝，痛阈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±微波辐照前微波辐照后

　　值明显降低,小鼠的游泳耐力时间较对照组延长（未达到显著性差异），但大鼠视觉电生理学未见显著性改变。初步实验结果表明,高功率脉冲微波暴露可以对动物产生一定的急性生物学效应,由于暴露的时间短，吸收功率低，而机体温度的调节变化需要的时间相对较长，因此动物的生物学效应可能与神经系统的应激反应有关。这种生物学效应可能是可逆的，因此在微波暴露6小时后大鼠的视网膜功能和视神经传导功能与实验前已无明显的改变。实验结果提示我们即便是极短时间的高功率微波暴露，同样是有危险的。文献上关于高功率脉冲微波的生物学效应研究结果多是阴性，可能与所采用的实验条件和观察指标有关。本实验结果与我室前期采用离体细胞的研究结果是一致的，因此我们认为应当加强对高功率微波，特别是今后国防或国民经济建设中可能应用的微波辐射条件下的生物学效应进行研究，进一步明确高功率微波的生物学效应及其可能机制，从而为高功率微波的应用和防护提供根据。

　　生物微波篇二：微波加热

　　1绪论

　　微波与无线电波、电视信号、雷达通讯、红外线、可见光等一样，都属于电磁波，不同之处在于这种电磁波的波长在1mm~1m之间，与其它电磁波相比，其波长是很短的，所以称之为微波。微波技术首先应用于通讯、广播、电视技术中。1945年，美国雷神公司的培西?史宾赛在偶然的机会发现可以利用微波来烹饪食物，从此便拉开了利用微波的热效应对材料进行加热的序幕。直到60年代末，微波加热在食品工业、橡胶工业首次获得成功。从此，微波能作为一种新兴能源，在加热、烘干、食品加工、杀虫灭菌、生物医学等方面得到越来越广泛的应用。

　　1.1微波加热介绍

　　微波加热与普通方式加热相比，属于两种截然不同的加热方式。通常一般的加热器用电、煤气、木炭火进行加热，它是在被加热材料的外部产生热，然后再通过传导材料对内部加热，这样不仅加热速度慢，而且受热不够均匀，热效率也比较低。而微波加热的基本工作原理是：介质材料由极性分子和非极性分子组成，在电磁场作用下，这些极性分子从原来的随机分布状态转向依照电场的极性排列取向。而在高频电磁波作用下，这些分子取向按交变电磁场的变化而变化，这一过程致使分子的运动和相互磨擦从而产生热量。此时交变电磁场的场能转化为介质内的热动能，使介质温度不断升高。这就决定了微波加热具有加热均匀、速度快、热效率高、产品质量好，可以进行选择性加热、容易实现自动控制等优点。可以看出与传统的加热技术相比，微波加热技术无疑具有极大的吸引力和广阔的工业应用前景，并将逐步取代传统的加热技术。

　　微波加热设备一般由微波功率源、应用器、波导元件、馈能结构、传感和控制五部分组成，其中产生微波的微波功率源是微波技术设备的心脏。微波功率源性能的好坏往往决定着整体设备的性能，所以提高微波功率源的性能在微波技术设备性能提升中具有很大作用。然而，在实际应用时，往往会出现输出功率及频率都不够稳定的情况，从客观方面的因素来看，有微波功率源的制造工艺问题，有微波管本身设计中存在问题或微波管理论的限制等；从主观方面的因素来看，有的是控制算法不妥，有的是系统设计有缺陷或是负载情况复杂导致微波管工作状态不稳定等。总之，微波技术作为在工业生产中应用的新技术还是有许多不成熟、需要改进的地方。只有充分弥补微波技术设备的不足之处，微波技术才能在工业应用中走得更深更广。

　　虽然家用微波炉方面的温度控制研究对工业行业的微波加热器有一定的借鉴意义，但需要注意的是家用微波炉在工作之前，都需要由用户确定事物的类型和数量，并预置工作时间。在这种操作方式下，操作人员需要根据加热材料的介电特性、数量等有关因数去手动设定微波功率和工作时间。这样不仅操作显得麻烦，而且工作功率和工作时间的设定也要在实践中针对不同材料加以摸索才能掌握。另外，微波炉的功率调整是脉动性质的，如果将这一功率调整方案应用在工业领域将会带来严重的电网污染和大量的电能浪费，与国家建设节约型社会的方针是格格不入的。因此，在这样的一个背景下研究和实现工业微波加热温度的智能控制就显得尤为迫切和重要，提高工业用微波功率源输出功率的稳定度已成为微波技术在工业生产中能更加广泛应用所迫切需要解决的问题之一。

　　1.2微波加热的现状

　　20世纪60年代以后，微波作为一种新型能源在工业上得到了广泛的应用，拓成了一个分支技术。如化学研究中的应用，有催化领域，有机合成，合成某些射性药剂以及干燥等方面；在医疗方面，各种微波治疗仪的成功研制与应用，显示出微波医学具有不可估量的潜在生命力；基于微波的材料处理方面的技术发也是日新月异，如陶瓷烧结，木材干燥，微波染色等等。尽管微波作为一种新型能源在上述领域中得到广泛应用，由于强电磁场的存，在微波场下的温度测量依然是个技术难题。而温度显然是个重要的参数，如波诱导催化反应机理以及微波催化剂作用机理的研究不是很深入，主要原因就是微波场中的温度无法准确测量。因此，微波场中温度测量技术的发展将进一步动微波在其它工业领域的应用。由于温度参数在微波热处理中的重要性，人们经在各类微波炉，微波反应釜，微波治疗仪等很多存在微波场的领域实现了对度的检测。这些温度检测检测技术中有常规的如热电偶温度传感器，也有热敏晶体管及集成电路温度传感器。然而在微波场中，由于强电磁场存在，金属材料作的测温探头及导线在高频电磁场下产生感应电流，由于趋肤效应和涡流效应得自身温度升高，对测量造成严重干扰，使得温度显示值产生很大的误差或者无法进行稳定的温度测量。

　　经过20年的发展，微波加热技术的重要的技术难关突破后，将微波能大规模运用与各个工业，医疗，科研等领域中，取代传统的加热方式是大势所趋，这自然而然的'要求有准确可靠的微波加热温度控制系统的出现。虽然家用微波炉面的温度控制研究对通用行业的加热器有一定的借鉴意义，但需要注意的是家微波炉在工作之前，都需要由用户确定事物的类型和数量，并预置工作时间。能查到的相关资料中，大多数温度控制主要还处于手动控制状态，在这种操作方式下，操作人员需要根据加热材料的介电特性，数量等有关因数去手动设定微功率和工作时间。这样不仅操作显得麻烦，而且工作功率和工作时间的设定也在实践中针对不同材料加以摸索才能掌握。控温效果差，精度和可靠性都较低，加热过程容易出现过热，或着不能达到即定的加热效果。针对这种情况，设计一种PLC控制的温度自动控制的微波加热系统。

　　虽然微波技术在工业加热中的应用并没有其在通讯领域中应用的那么广泛，也没有占有太多市场份额，还不能完全取代一些传统的工业生产技术，但微波技术作为一个新兴的科技产业，已显示出了它在工业应用中的强劲优势和潜力，具体体现在以下几个方面。

　　1.2.1控制器的发展

　　就国内一些工业用微波设备来看，控制部分多用PLC来实现。相比较而言，在工业控制领域PLC的优秀性能是显而易见的，可靠性高、抗干扰能力强、功能强大、编程简单。但是PLC的价格过高，考虑到成本很多设备也选择单片机来实现控制功能。参考文献就将凌阳SPCE061A单片机用在了微波加热设备中，取得了较好的效果。但是，目前的发展趋势是用以32位的ARM系统代替传统的单片机系统，工业级的ARM芯片组合一些外围元器件，如电源管理芯片，看门狗芯片，A/D芯片等，可使嵌入式控制系统的整体性能能达到微波功率应用控制系统的要求。参考文献[5]就采用意法半导体公司生产的STR730F芯片设计了一套微波磁控管控制系统，无论处理精度和运算速度都比单片机系统要快得多。

　　1.2.2磁控管阳极电源的改进

　　目前，大多数微波磁控管电源采用普通的工频电源，经变压器升压，整流和简单滤波得到直流高压，这种方法体积大、效率低、纹波大，电感和电容工作在高压状态，价格比较高。

　　2微波加热器整体结构

　　2.1磁控管控制系统主结构分析

　　磁控管是一种谐振型正交场振荡器，是微波技术中的一种高功率微波源，以松下2M210-M1磁控管为例进行分析，其电源系统如图2.1所示。

　　磁控管发射微波时阴极需得到3.3V的灯丝电压，阳极相对阴极具备4200V高压而形成强电场。这样阴极得到灯丝电压向外发射电子。在电场作用下，电子从阴极飞向阳极。在磁控管中还存在磁场，方向与电场方向垂直，在磁场和电场共同作用下，电子延螺旋轨迹作轮摆式运动。同时，在阳极谐振腔内还存在高频电场，在高频电场作用下，电子绕阴极轴心旋转，当旋转速度与高频电场同步时，电子的直流能量交给高频电场，维持高频振荡。这些高频能量以微波的形式输出，用于各种工业用途。

　　图2.1微波炉电源控制系统

　　由上述分析可知，磁控管发出微波必须具备加热灯丝、阳极直流高压、激励恒定磁场三个主要的工作条件。因此，磁控管电源也必须根据不同的要求分别进行设计。

　　2.1.1灯丝电源的设计

　　磁控管阴极的工作原理其实与真空电子管的阴极工作相似，都是向外发射电子。所以磁控管正常工作的一个必要的过程就是给阴极灯丝预热。磁控管的灯丝电源都采用交流形式供电，由调压变压器和灯丝变压器提供3.3V的灯丝电压。为防止高频能量从灯丝电路中泄漏出来，一般需在灯丝电路中加一高频滤波电路，它由扼流线圈和电容组成。

　　2.1.2励磁电源设计

　　连续波磁控管工作需要稳定的磁场，所以需提供一组励磁电源，依据调压试验测定这组励磁电源的电压为60V直流电压。这组电源由单相变压器输出的220V50Hz交流电变压后，经整流得到。另外，磁控管不能在无磁场的情况下启动。因此，必须再接通高电压前，先接通磁场电路，并保证有足够的磁感应强度值，待片刻，再逐步减少励磁电流获得磁控管所需的输出功率。

　　2.1.3阳极直流高压电源

　　根据课题所研究磁控管参数，阳极电压峰值为4.2kV，具体的调压方式有很多种，包括半波倍压整流、全波倍压整流、电子调压装置、开关电源等，这些在论文的后续研究中会陆续提到。

　　在电源与磁控管的具体接线时，磁控管阳极接电源正极接地，阴极接电源负极，在阴极上产生一个负高压，这样做是因为阳极在磁控管的外围，而阴极被包裹在阳极中央，若阳极

　　带4.2kV的直流高压，必定对系统的安全性是一个很大的威胁，所以电压差不变的情况下阳极接地，在阴极上产生4.2kV的负高压。

　　2.2微波炉电路原理图

　　磁控管

　　图2.2微波炉电路原理图

　　微波炉的工作原理如图2.2所示。

　　可编程序控制技术

　　3.1PLC的定义及特点

　　3.1.1PLC的定义

　　可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

　　可编程序控制器及其有关的外部设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则而设计。

　　3.1.2PLC的特点

　　PLC是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活、方便的优点而设计制造和发展的，这就使PLC具有许多其他控制器所无法相比的特点。

　　1）可靠性高，抗干扰能力强

　　2）通用性强，使用方便

　　3）采用模块化结构，使系统组合灵活方便

　　4）编程语言简单、易学，便于掌握

　　5）系统设计周期短

　　6）对生产工艺改变适应性强

　　7）安装简单、调试方便、维护工作量小

　　3.2PLC的应用和发展前景

　　3.2.1PLC的应用

　　PLC是以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，它具有可靠性高、体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等一系列的优点，因而在冶金、能源、化工、交通、电力等领域中有着广泛的应用，成为现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。

　　3.2.2PLC的发展前景

　　为了适应市场的各方面的需求，各生产厂家对PLC不断进行改进，推出功能更强、结构更完善的新产品。这些新产品总体来说，朝两个方向发展：一个是向超小型、专用化和低价格的方向发展，以进行单机控制；另一个是向大型、高速、多功能和分布式全自动网络化方向发展，以适应现代化的大型工厂、企业自动化的需要。

　　3.3PLC的基本组成及工作原理

　　3.3.1PLC的基本组成

　　生物微波篇三：微波破壁技术

　　简介：细胞破壁方法有多种，这里提及的微波法破壁显著区别于传统的粉碎破壁方法。所谓微波破壁就是生物样品吸收微波导致发热膨胀而产生破壁的手段。

　　微波

　　微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1米（不含1米）到1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。微波萃取是利用电磁场的作用使固体或半固体物质中的某些有机物成分与基体有效的分离，并能保持分析对象的原本化合物状态的一种分离方法。

　　破壁

　　微波破壁的机理可从以下3个方面来分析：①微波辐射过程是高频电磁波穿透萃取介质到达物料内部的微管束和腺胞系统的过程。由于吸收了微波能，细胞内部的温度将迅速上升，从而使细胞内部的压力超过细胞壁膨胀所能承受的能力，结果细胞破裂，其内的有效成分自由流出，并在较低的温度下溶解于萃取介质中。通过进一步的过滤和分离，即可获得所需的萃取物。②微波所产生的电磁场可加速被萃取组分的分子由固体内部向固液界面扩散的速率。例如，以水作溶剂时，在微波场的作用下，水分子由高速转动状态转变为激发态，这是一种高能量的不稳定状态。此时水分子或者汽化以加强萃取组分的驱动力，或者释放出自身多余的能量回到基态，所释放出的能量将传递给其他物质的分子，以加速其热运动，从而缩短萃取组分的分子由固体内部扩散至固液界面的时间，结果使萃取速率提高数倍，并能降低萃取温度，最大限度地保证萃取物的质量。③由于微波的频率与分子转动的频率相关连，因此微波能是一种由离子迁移和偶极子转动而引起分子运动的非离子化辐射能，当它作用于分子时，可促进分子的转动运动，若分子具有一定的极性，即可在微波场的作用下产生瞬时极化，并以24．5亿次/s的速度作极性变换运动，从而产生键的振动、撕裂和粒子间的摩擦和碰撞，并迅速生成大量的热能，促使细胞破裂，使细胞液溢出并扩散至溶剂中。在微波萃取中，吸收微波能力的差异可使基体物质的某些区域或萃取体系中的某些组分被选择性加热，从而使被萃取物质从基体或体系中分离，进入到具有较小介电常数、微波吸收能力相对较差的萃取溶剂中。

　　微波破壁应用

　　特点

　　微波破壁方法主要应用于微波萃取。微波具有波动性、高频性、热特性和非热特性四大特点，这决定了微波萃取具有以下特点：1试剂用量少，节能，污染小。2加热均匀，且热效率较高。传统热萃取是以热传导、热辐射等方式自外向内传递热量，而微波萃取是一种“体加热”过程，即内外同时加热，因而加热均匀，热效率较高。微波萃取时没有高温热源，因而可消除温度梯度，且加热速度快，物料的受热时间短，因而有利于热敏性物质的萃取。3微波萃取不存在热惯性，因而过程易于控制。4微波萃取无需干燥等预处理，简化了工艺，减少了投资。5微波萃取的处理批量较大，萃取效率高，省时。与传统的溶剂提取法相比，可节省50%~90%的时间。6微波萃取的选择性较好。由于微波可对萃取物质中的不同组分进行选择性加热，因而可使目标组分与基体直接分离开来，从而可提高萃取效率和产品纯度。7微波萃取的结果不受物质含水量的影响，回收率较高。基于以上特点，微波萃取常被誉为“绿色提取工艺”。

　　萃取仪器

　　1.智能化专家系统:内存100种国际通用标准应用方法,用户也可以编辑、存储、修改和删除特定样品的应用方法。2.安全泄压方式:非金属聚合材料防爆膜和自动泄压双重安全机制专利设计,确保操作安全性和样品完整性(保证元素回收率)。3.多重主动安全控制:专利的非脉冲自动微波能量控制,精确的温/压实时监控,全罐温/压监控,功频匹配设计和微波场谐振均衡技术等确保对反应过程精确控制。4.多重被动安全保障:专利的高安全宇航复合纤维耐压外套(垂直定向防爆设计),全自动安全感应门以及在任何异常情况下自动切断微波源等多重安全机制,确保安全。5.批处理量大:(已有大量客户实际应用)高压容器最多可达40个样品/批,且所有样品独立密闭,确保无交叉污染和样品损失。应用

　　在天然中的应用：如从植物中提取茜素在环境分析中的应用：如对土壤，沉积物和水中各种污染物的萃取在化学分析中的应用：在石油化工中，微波萃取用于对聚合物及其添加物进行过程监控和质量控制。

　　微波破壁历史

　　1986年，匈牙利学者GanzlerK首先提出利用微波进行萃取的方法。在微波萃取过程中，高频电磁波穿透萃取介质，到达被萃取物料的内部，微波能迅速转化为热能而使细胞内部的温度快速上升。当细胞内部的压力超过细胞的承受能力时,细胞就会破裂,有效成分即从胞内流出，并在较低的温度下溶解于萃取介质，再通过进一步过滤分离，即可获得被萃取组分。

【生物微波知识点】相关文章：