基于植物电位波动的极低频脉冲电场对绿豆幼苗生长的影响

为了解决电场生物学效应重复性不好的问题,研究了极低频脉冲电场的生物学效应。结果发现,强度为100kV/m、频率为0.2Hz的极低频脉冲电场处理明显促进了萌发绿豆的芽长和根长生长。对绿豆幼苗超弱光子辐射的研究表明,在绿豆幼苗生长过程中自发发光呈现阶跃式增长,延迟发光积分强度逐渐升高,脉冲电场作用使得自发发光和延迟发光积分强度都有明显的提高,表明极低频脉冲电场促进了绿豆幼苗生长过程中的DNA合成反应和代谢强度,脉冲电场与植物自身电位波动的耦合共振可能是上述极低频脉冲电场生物学效应的成因。     

极低频高压脉冲电场对绿豆萌发过程中水分吸收的影响及其机理

为研究极低频高压脉冲电场(ELF-PEF)对作物种子萌发过程中水分吸收的影响及其机理,测量了ELF-PEF(电场强度为1 k V/cm、频率为1 Hz、脉宽为80 ms)作用下,萌发绿豆的吸水率、细胞膜相对透性、超氧阴离子自由基()的产生速率及三磷酸腺苷(ATP)含量的变化规律。结果表明:绿豆萌发过程中,吸水率呈现出萌发初期快速吸水、萌发中期缓慢吸水和萌发后期快速吸水的阶段性变化规律;ELF-PEF能够显著提高萌发初期和萌发后期的吸水率,但对萌发中期的吸水率影响不大。分析表明:在绿豆吸涨初期,ELF-PEF通过可逆电穿孔效应增大了细胞膜相对透性,使种子吸水率增大;在萌发中期,ELF-PEF加速了种子的呼吸代谢,产生速率和ATP含量均显著增大;ELF-PEF对萌发后期的细胞膜相对透性影响不大,推测其可能是通过激活细胞膜上的水通道蛋白来促进绿豆萌发后期的吸水作用。     

基于玉米幼苗电位波动的脉冲电场生物学效应

为了获取显著的电场生物学效应,通过小波降噪和功率谱分析研究了玉米幼苗本征电位波动的基本特征。研究发现,玉米幼苗本征电位波动的功率谱主要分布在1Hz以内,重心频率为0.2Hz。采用电场强度为100kV/m、频率为0.2Hz的极低频脉冲电场处理萌发玉米种子,在萌发第5d时玉米种子的质量、芽长和根长分别比对照组增加17.55%、60.13%和28.50%。分析萌发种子超弱发光的变化时发现,在萌发第5d时,处理组玉米种子的自发发光和延迟发光积分强度分别比对照组增加了68.84%和33.93%,表明0.2Hz脉冲电场加速了玉米萌发过程中DNA合成反应和细胞代谢。脉冲电场与植物电位的耦合共振可能是极低频脉冲电场具有显著生物学效应的原因。     

高强脉冲电场处理对木瓜蛋白酶的影响

用高强脉冲电场处理木瓜蛋白酶,研究了电场强度、脉冲数目、温度、剪切效应等因素对酶活性的影响。结果表明:高强脉冲电场可致木瓜蛋白酶失活,且失活率与电场强度和脉冲数目呈正比。还原剂、温度和不同流速产生的剪切效应对酶活的影响很小。由此推论酶的失活并非活性部位半胱氨酸的氧化、电化学反应等外部因素引起而是酶的结构或活性部位的构象等内部因素在脉冲电场作用下变化的结果。     

高压方波脉冲电场对微生物的致死作用

研究了高压方波脉冲电场对食品中常见的腐败菌枯草芽孢杆菌 ,灰绿青霉的致死作用 ,比较了几种微生物的灭活效果 ,并以酿酒酵母为材料 ,初步探讨了杀菌机理。研究表明 :微生物的致死率随电场强度、脉宽、脉冲个数的增加而增大 ,同一灭菌条件 ,酵母菌 >大肠杆菌 >枯草芽孢杆菌 >灰绿青霉。电场作用后死亡酵母细胞表面出现凹陷 ,局部有孔洞产生。     

新型高压脉冲电场灭菌电源的研制

为了满足高压脉冲电场灭菌的要求,提出一种采用固态开关与半桥式Marx发生器结合的新型高压脉冲电场灭菌电源。此电源通过对经典Marx电路结构进行改进,解决了经典Marx电路直流充电电源与高压端的隔离问题,而且具有良好的电压钳位功能和负载适应能力。分析了半桥式Marx电路在阻性、容性、感性负载下的工作过程以及放电过程中固态开关未正常工作时电压钳位效果,此电源由可调直流电源、5级半桥式Marx发生器和控制保护电路三部分组成,使用现场可编程门阵列(FPGA)作为控制器产生控制信号,使用光纤隔离的方式为主回路提供控制信号。电源可输出电压幅值10 kV,每秒最大脉冲数1 000,脉冲上升时间300 ns,最大脉宽20μs的高压方波脉冲,并且重复电压幅值、频率,脉宽可调,能够满足高压脉冲灭菌实验的需求。     

脉冲重复频率对微秒脉冲滑动放电特性影响的实验研究

脉冲滑动放电能够在大气压下产生高能量、高电子密度的低温等离子体,在废水处理、点火助燃、甲烷转化等领域具有广泛的应用前景。为了研究重复频率微秒脉冲电源对滑动放电特性的影响,采用自主研制的重复频率微秒脉冲电源,通过改变电源的脉冲重复频率进行了实验研究。结果表明在大气压空气中滑动放电产生的火花通道能够顺着气流的方向沿刀型电极刃面向上滑动,最大高度和长度可以达到29 mm和43 mm,各火花通道彼此分散。进一步分析脉冲重复频率对滑动放电的影响规律可知,高频时(500~1 500 Hz),随着脉冲重复频率的增大,火花放电通道逐渐向上发展,发生火花放电的最高位置逐渐向刀型电极的刀尖处靠拢。滑动放电的击穿电压逐渐减小,工作电压逐渐分散。这与驻留粒子的记忆效应和电极间隙的变化有关。低频时(1~300 Hz),由于气流的作用,电极间隙内驻留的粒子较少,其记忆效应对滑动放电的影响较弱,火花通道不能沿刀型电极刃面向上滑动。     

高压脉冲电场冲击波法的液体杀菌实验研究

为研究高压脉冲电场冲击波对液体食品杀菌以实现不破坏食品的营养结构与原有风味的食品杀菌保鲜技术,阐述了在常温条件下产生高压脉冲电场冲击波的方法及其杀菌机理,介绍了以黄酒为试验原料的杀菌实验结果以及脉冲电压幅值、电容容量和放电次数对杀菌效率的影响规律。结果表明,该法在常温条件下注入能量>12 J/mL时,能使菌落总数降低2个数量级,可杀死黄酒中>97%的细菌,而对山渣汁营养成分(维生素和氨基酸等)几乎无破坏作用。     

脉冲电场上升沿对细胞跨膜电位的影响分析

分析了电场生物效应实验和实用中脉冲电场上升沿的形成并基于经典球形单细胞模型推导出计及上升沿的脉冲电场所诱导的细胞跨膜电位的计算解析式。研究发现:脉冲电场上升沿与细胞跨膜电位峰值、波形密切相关,减少脉冲电场发生电路的电感来增大脉冲电场所诱导跨膜电位的峰值可提高电穿孔的效率。     

高压脉冲电场处理过程中样品特性对处理室电气击穿规律的影响

为研究高压脉冲电场(PEF)食品非热处理过程中处理室内部电气击穿问题,用蒸馏水和Na Cl水溶液为样品,重点研究了在平板、同场2种不同类型的处理室电气击穿过程中,当样品电导率分别为97、211、299μS/cm以及溶氧密度分别为7.19、8.84、9.80 mg/L时处理室内部的放电情况。研究结果表明:处理室内产生气泡的面积和数量决定了处理室放电情况;随着液体电导率增加和空气含量(溶氧密度)增大,处理室内部发生电气击穿的几率均有所提高。为减少PEF长期工作时的放电活动,建议保持处理室平均电场强度40 kV/cm,同时在PEF处理单元前加入脱气装置。     

强脉冲电场对细胞膜通透性及其DNA的影响

为探讨脉冲电场(PEF)致死微生物的机理,研究了不同场强与处理时间对悬浮在温度为30°C,电导率σ为340μS/cm的NaCl溶液中大肠杆菌的灭菌效果。紫外分光光度计分析PEF处理前后核酸与蛋白质的溢出情况的结果显示,电场强度为30 kV/cm,处理时间266 ms时,大肠杆菌全部杀灭。经PEF处理后的大肠杆菌液中的核酸与蛋白质相对于未处理的大肠杆菌液有明显提高,说明用PEF处理提高了细胞膜的通透性。采用ERIC-PCR技术比较脉冲电场处理前后大肠杆菌的DNA指纹图谱变化的结果表明:强PEF(场强≥20kV/cm)导致大肠杆菌的DNA链损伤与降解,在指纹图谱上表现为DNA大分子条带的缺失与小分子量条带的增加。     

脉冲电场对脂肪氧化酶活性及构象的影响

为了解脉冲电场的钝酶机理,研究了高压脉冲电场处理对脂肪氧化酶(LOX)活性的影响。用圆二色谱和荧光分析法考察处理前后LOX构象变化的结果表明:PEF处理能够有效灭活LOX,且随着电场强度和处理时间的增加,灭活效果增加。CD光谱结果表明,PEF处理后LOX蛋白中α-螺旋的含量降低,而β-折叠含量增加,LOX二级构象发生变化。PEF处理后LOX的荧光发射增强,LOX的三级构象发生变化。     

高压方波脉冲波形参数对局部放电的影响

研究了变频电机定子用绝缘绞线对在方波脉冲下的局部放电行为。对不同频率及不同电压上升时间下局部放电的放电次数、平均放电量及放电的相位分布进行了研究和分析。结果表明,随频率的升高及电压上升时间的缩短,累积空间电荷形成的反向电场增强,局部放电行为加剧,从而导致绝缘的老化更为严重;随频率的升高,初始电子延迟会使单个周期内放电次数减少,而相同时间间隔内局部放电次数会有所增加;在不同电压上升时间下,放电次数的增加量不与电压上升率的变化成正比,而取决于单次放电时间td。     

基于IGBT的频率叠加型高压脉冲电源的研究

针对高压脉冲电源的高压高频以及脉宽的特殊需求,采用频率叠加理论提出了一种基于绝缘栅双极晶体管IGBT(insulated gate bipolar transistor)的频率叠加型高压脉冲电源。该脉冲电源通过对传统高压脉冲电源的改进,解决受IGBT和二级管模块的开关频率限制而脉冲电源无法同时实现高压、高频问题。通过对理论的分析以及使用Matlab/Simulink软件进行仿真验证,仿真结果表明改进后的高压脉冲电源能实现IGBT开关频率为20 kHz而负载频率为40 kHz。最后,为进一步验证所提脉冲电源拓扑结构的可行性,搭建低压实验样机,并使用现场可编程逻辑门阵列FPGA(field programmable gate array)产生相对独立的控制信号。     

脉冲电场对细胞杀伤效果及其原理的研究

使用两种不同上升沿的脉冲电场(1μs和100 ns)电击悬浮HL-60细胞,观察脉冲强度、数目、电击后恢复时间等参数的变化对细胞死亡率和细胞形态的影响.实验表明,脉冲强度、数目的增加导致死亡率也增加.电击后,100 ns脉冲作用的细胞的死亡率比1μs的增加得更快.本文还进一步讨论不同上升沿电场在作用机理上的差异.     

脉冲电场灭菌用固态高压开关的研制

针对脉冲电场灭菌技术对开关性能的特殊要求,提出了利用IGBT串联构成高压、大容量固态开关的技术。设计并实际制造出了可供高压脉冲电场灭菌用额定电压10 k V的固态高压开关。该开关采用8个1 700 V、400 A的IGBT串联,以栅极动态RCD为基本均压方式,以FPGA为主控单元,产生8路相对独立的基准控制脉冲,其脉宽、周期、延时均可调节,且以25 ns为步进调节。通过调节各路驱动信号的相对延时,使各单元分压均匀,消除过压影响,从而在负载端得到较为理想的方波脉冲。采用光纤隔离,使隔离电压不受限制。实验结果表明,该装置性能良好,可以满足脉冲电场灭菌的实际需求。     

实际指数脉冲电场对细胞跨膜电位的影响

为了进一步增大细胞跨膜电位峰值,提高脉冲电场电穿孔效率,基于相关文献中球形单细胞多层介电模型的细胞跨膜电位计算方法,分析了实际RC指数衰减脉冲上升沿时间对细胞跨膜电位的影响。通过Matlab软件对细胞跨膜电位的传递函数频率响应进行了仿真分析,结果表明:不同频段的电场对细胞跨膜电位的影响不同。建立了一种改进的RC指数衰减脉冲模型,并进行了仿真计算,结果表明:脉冲电场上升沿时间对细胞跨膜电位有很大影响:上升沿时间越小,频率响应就越高,减小上升沿时间可以提高细胞跨膜电位峰值。仿真结论对改进脉冲电场发生电路的结构和参数设计,以增大细胞跨膜电位峰值并提高电穿孔效率提供了理论依据。     

基于AT89C51的低频高压脉冲电源的研究

随着现代电力电子技术的不断进步,各种高精度的电子设备不断涌现,而这些设备的正常运行,都离不开电源系统的有效支持.介绍了一种利用AT89C51芯片来控制高频PWM调制工作时间的方法,改变逆变电路工作状态,最终使系统输出脉冲波形.经仿真实验证明.其输出的脉冲电压幅度连续可调,脉宽和频率也均可由用户在规定范围内调整,是一种稳定可靠的可调高压脉冲电源.     

陡脉冲电场对肝癌细胞线粒体跨膜电位的影响

为研究陡脉冲电场的凋亡效应,以人肝癌细胞为实验对象,采用激光共聚焦扫描显微镜观察陡脉冲电场作用下细胞内线粒体跨膜电位的实时变化。实验结果表明,陡脉冲电场能使线粒体跨膜电位下降,较高的电压峰值、较窄的脉冲宽度(600 V/100 ns)比较低的电压峰值、较宽的脉冲宽度(200V/1.6μs)能使线粒体跨膜电位更快地下降,并且在停止施加陡脉冲电场后线粒体跨膜电位仍然在不断下降,进而有可能使线粒体跨膜电位崩溃,从而诱导肝癌细胞凋亡,为陡脉冲杀伤肿瘤细胞提供了理论依据。