脉冲电场作用下细胞膜可控电穿孔技术研究

为实现脉冲电场作用下细胞膜可控电穿孔技术,利用THU-PEF4(自制高压脉冲电源)系统,采用碘化丙啶PI和Sybr GreenⅠ对小球藻进行了荧光染色试验,在激光共聚焦显微镜下定性研究等效脉冲能量密度和电场强度对小球藻细胞穿孔率的影响;结合流式细胞仪对小球藻穿孔细胞进行计数分析,定量研究等效脉冲能量密度和电场强度对小球藻细胞穿孔率的影响规律。实验发现:在激光共聚焦显微镜下,小球藻细胞膜电穿孔率随场强和等效脉冲注入能量的增加而增加;230 kJ/L的脉冲注入能量密度下,2.5~4 MV/m场强区间内,电场强度每提升0.4~0.5 MV/m,小球藻细胞发生不可逆电穿孔的比例提升约15%;4 MV/m场强下,当注入能量230 k J/L时,小球藻细胞膜穿孔率89%;小球藻细胞的穿孔比例在一定范围内随电场强度基本呈线性关系,随等效脉冲注入能量密度的增加呈现先增加后趋于平缓的趋势。因此,可以通过控制电场强度和等效脉冲注入能量密度来实现脉冲电场作用下细胞膜可控电穿孔技术。     

方波脉冲电场杀灭微藻的实验研究

循环冷却水中的微藻繁殖会造成微生物污垢滋生,可采用电磁脉冲进行灭藻。为此,首先提出了一种基于Marx发生器和H桥固态调制器的高压脉冲源拓扑,并研制了一台多参数可调高压脉冲发生器,输出的方波脉冲的脉冲频率为1~1 000 s-1,脉冲电压0~6 k V,脉宽1~5μs,最大瞬时输出电流为12 A。同时,针对电场强度、脉宽、频率和处理时间这4个参量设计了正交实验方案,开展脉冲电场对蛋白核小球藻和铜绿微囊藻的灭藻实验。结果表明,脉冲电场处理对微藻生长具有显著抑制作用,且电场强度为抑制实验微藻生长的最重要因素,提高电场强度可以显著增强对微藻生长的抑制效果。此外,正交设计方案有助于以少量实验频次推测获得最佳的电磁脉冲处理参数,实验证实此脉冲源的最佳电参数组合分别为5 k V、5μs、800 Hz、5 min和5 k V、5μs、800 Hz、10 min,对应的藻细胞密度下降率分别为86.2%和94.1%。     

方波脉冲电场杀灭微藻的实验研究EI北大核心CSCD

循环冷却水中的微藻繁殖会造成微生物污垢滋生,可采用电磁脉冲进行灭藻。为此,首先提出了一种基于Marx发生器和H桥固态调制器的高压脉冲源拓扑,并研制了一台多参数可调高压脉冲发生器,输出的方波脉冲的脉冲频率为1~1 000 s-1,脉冲电压0~6 k V,脉宽1~5μs,最大瞬时输出电流为12 A。同时,针对电场强度、脉宽、频率和处理时间这4个参量设计了正交实验方案,开展脉冲电场对蛋白核小球藻和铜绿微囊藻的灭藻实验。结果表明,脉冲电场处理对微藻生长具有显著抑制作用,且电场强度为抑制实验微藻生长的最重要因素,提高电场强度可以显著增强对微藻生长的抑制效果。此外,正交设计方案有助于以少量实验频次推测获得最佳的电磁脉冲处理参数,实验证实此脉冲源的最佳电参数组合分别为5 k V、5μs、800 Hz、5 min和5 k V、5μs、800 Hz、10 min,对应的藻细胞密度下降率分别为86.2%和94.1%。     

高强度皮秒脉冲电场抑制HUVEC迁移、增殖及小管形成的实验研究

目前,国内外关于皮秒脉冲电场(picosecond pulsed electric field,ps PEF)治疗肿瘤的研究多集中于ps PEF对肿瘤的杀伤效应,对肿瘤所赖以生存的血管生成的研究鲜有提及。为此,采用脉冲宽度为800 ps,重复频率为3 Hz,脉冲个数为2 000,电场强度分别为20 MV/m、30 MV/m,40 MV/m的皮秒脉冲电场处理人脐静脉内皮细胞(human umbilical vein endothelial cells,HUVEC),利用划痕实验、Transwell小室法、cell counting kit-8(CCK-8)法及体外小管形成实验,初步探究了ps PEF对血管生成的影响。实验结果表明:ps PEF可以有效降低HUVEC的迁移率和增殖率,且存在明显的剂量依赖关系,细胞迁移抑制率、细胞增殖抑制率均随ps PEF的增强而逐渐增大,其中细胞增殖抑制率在脉冲处理12 h后达峰值,细胞迁移和增殖抑制率最大可达73.68%,95.54%(40 MV/m);ps PEF可抑制HUVEC小管的形成,ps PEF场强越大,脉冲处理后小管形成抑制率越高,最高可达95.83%(40MV/m)。实验结果初步验证了高强度ps PEF对血管生成的抑制效果。     

陡前沿方波对金黄色葡萄球菌的杀灭效果

为研究方波脉冲前沿陡度对高压脉冲电场技术(PEF)杀菌效果的影响,通过实验研究了前沿陡化的方波脉冲对金黄色葡萄球菌的杀灭效果。考察并比较了在不同电场强度、等效处理时间、电导率条件下,陡前沿方波和普通方波的杀菌效果。结果表明,脉冲电场的杀菌效果随着电场强度、溶液电导率、等效处理时间的增大而增强,且方波脉冲的上升时间对金葡菌的杀灭效果具有显著影响。上升时间为200 ns的脉冲电场处理后的细菌残存率比上升时间为2μs的脉冲电场的残存率大,且前者的温升比后者小。当杀菌效果相同时,陡前沿方波脉冲所需的等效处理时间比普通方波脉冲更短。此外,陡前沿方波脉冲杀菌效果的提升并非通过改变细胞形貌结构来实现,而是直接作用于细胞内部。     

极低频高压脉冲电场对玉米种子萌发影响的频率差异

为了研究极低频高压脉冲电场对作物种子萌发影响的频率差异,采用电场强度为100 kV/m、脉冲宽度为80 ms、脉冲频率为0.2~15 Hz的高压脉冲电场处理了萌发玉米种子。对萌发种子形态指标和鲜质量的测量结果发现,经过极低频高压脉冲电场处理的萌发玉米种子芽长、根长和种子鲜质量均明显优于对照组,其中,脉冲频率为0.2 Hz和1 Hz的脉冲电场影响最大。研究还发现,随着脉冲频率的增加,高压脉冲电场对萌发种子鲜质量的影响逐渐减少,表明极低频高压脉冲电场对玉米种子萌发的影响具有频率差异。通过生物超弱发光检测技术对萌发玉米种子自发发光和外界光诱导的延迟发光的测量和分析发现,萌发玉米种子的自发发光和延迟发光对极低频高压脉冲电场的反应也具有频率差异性,0.2 Hz和1 Hz脉冲电场对种子自发发光和延迟发光的影响最为显著,提示不同脉冲频率的极低频高压脉冲电场对萌发玉米种子的DNA合成反应和细胞代谢的影响有所不同。脉冲电场和种子细胞电场的耦合共振可能是产生频率差异的原因。     

脉冲电场处理电厂冷却水系统微生物的研究

用脉冲电场处理冷却水系统中的微生物是切实可行的。该法不同于向水中添加杀生剂的方法 ,其基本原理是用脉冲电场处理冷却水 ,使水中的微生物在流过冷却设备时暂时失去活动能力 ,不发生沉积。由实验可知 ,对单脉冲电场来说 ,微生物的抑制时间由脉冲持续时间和脉冲电场幅值或能量密度决定。用重复频率的脉冲处理冷却水中的微生物可在较小的电场强度下获得与较大电场强度单脉冲电场相同的效果。在使用时 ,对处理池中的电极施加脉冲电场 ,可通过改变电极间距改变施加的场强值。     

微秒级脉冲电场下剩余污泥中微生物细胞的破解特性

为破解城市剩余污泥中的微生物细胞膜,提高污泥的厌氧消化效能。采用μs级脉冲电场对污泥试样进行处理,通过光学显微镜观察微生物细胞经脉冲电场处理后的性状变化,基于分光度法测量污泥试样的溶解性化学需氧量,分析脉冲电场参数和环境温度等因素对微生物细胞内有机成分释放程度的影响。结果表明:当脉冲电场幅值从0.588 MV/m增大至1.470 MV/m时,微生物细胞内有机成分渗出指数K提高约40倍;当温度从20℃升高至60℃时,K提高约60倍;而当脉冲电场重复频率从1 Hz增大至100 Hz时,K降低38.5%。其主要原因为,脉冲电场作用下微生物细胞膜的电穿孔现象引发了细胞内有机成分的释放,脉冲电场参数和环境温度的改变导致细胞膜电穿孔的微观物理过程发生变化,从而影响了有机成分的渗出程度。     

高频纳秒脉冲串对皮肤癌细胞的杀伤效果实验研究

为了克服目前脉冲电场治疗肿瘤所存在的不足,研究了高频ns脉冲串对人体黑色素瘤细胞A375即皮肤癌细胞的杀伤效应,通过改变电场强度、脉冲宽度、脉冲串内重复频率、脉冲串内脉冲个数等参数,分析了不同参数的高频ns脉冲串作用时细胞凋亡率和细胞坏死率的规律。研究结果表明：细胞坏死率随着脉冲串内重复频率的升高而增加,细胞凋亡率则是随着脉冲串内重复频率的升高而降低,因而在借鉴调制技术时,脉冲串内重复频率不宜太高;脉冲串内高电平持续时间相同时,脉冲宽度较大的脉冲所引起的细胞凋亡率和细胞坏死率比脉冲宽度较小的脉冲高,并且其细胞凋亡率之差随着电场强度的增加而减小,细胞坏死率之差随着电场强度的增加而呈现先增大后减小的趋势,因此在电场强度较高时,为了更好地平衡ns效应和μs效应,可以适当降低脉冲宽度并同时增加脉冲串内脉冲个数;另外,细胞悬液阻抗比可以作为反映细胞坏死率的参数,细胞坏死率与细胞悬液阻抗比降低率成正比。这些研究结果为后续高频ns脉冲串的类似应用提供了参考。     

PEF中脉冲上升沿对金黄色葡萄球菌杀菌的影响

方波脉冲因能量集中、能量利用率高、杀菌效果好而被认为是PEF技术的最优选择。但关于其上升时间对杀菌效果影响的研究和报道都比较少。为此,研究了在脉冲电场(PEF)技术中,高压方波脉冲的上升前沿对金黄色葡萄球菌杀菌效果的影响。通过实验分别比较了在上升时间为2μs和200ns的高压方波脉冲作用下,3种不同电导率(1.5、2.0、2.5mS/cm)的苹果汁在有效处理时间75μs、电场强度分别为25、30、35kV/cm下对金葡菌的杀灭效果。实验结果表明:在处理时间和脉冲电场强度等其它因素都相同的条件下,陡前沿的方波脉冲电场比上升时间长的方波脉冲电场对金葡菌的杀灭效果更好,平均能提高0.5个对数;处理后的温升也要低1～6°C。     

交联聚乙烯直流电缆料高温空间电荷行为特性

为研究进口交联聚乙烯(XLPE)直流电缆料高温空间电荷行为,开展了XLPE试样脱气前后的直流电导、介电和高温下空间电荷稳态暂态过程试验。结果表明:未脱气XLPE的电导电流和介质损耗均大于脱气XLPE;在-30 MV/m下脱气前后XLPE内部均为负极性电荷积聚,且在30℃和70℃下电场畸变率不超过25%;70℃、-100 MV/m下极化初始2 s的快速测量发现,脱气XLPE出现正空间电荷包的快速迁移,而-150 MV/m下则出现了负空间电荷包的注入与迁移,正、负空间电荷包的运动过程均遵循负微分迁移率。分析认为:脱气处理降低了XLPE交联副产物的含量,减少了离子电离,从而减小了低频区的电导率;在-30 k V/mm时,试样内部积聚的少量负电荷主要由交联副产物及杂质电离所产生,随着场强的提高,开始出现由电极注入的正电荷且杂质离子产生的速率要高于正电荷的注入速率;70℃、-150 MV/m下极化初始阶段,正电荷快速迁移至阴极附近,致使阴极附近电场严重畸变(畸变率最大达61.5%),导致阴极大量注入负电荷并在试样内部形成负空间电荷包。     

皮秒脉冲电场抑制肿瘤生长的初步研究

皮秒脉冲电场(picosecond pulsed electric field,ps PEF)可以一定程度上抑制Hela细胞生长,然而其能否有效杀伤在体肿瘤组织目前尚不得而知。为此,采用脉宽800 ps,重复频率3 Hz,脉冲个数2 000,50、60、70 k V/cm不同场强的皮秒脉冲电场处理裸鼠皮下宫颈癌组织,通过组织学观察、Western Blotting检测人体抑癌基因P53蛋白表达及抑瘤效应和生存时间观察,初步探讨了ps PEF对在体肿瘤的体内效应。实验结果表明:ps PEF对肿瘤组织有一定杀伤效果,且存在明显剂量依赖正相关关系;P53的表达随皮秒脉冲电场强度的增加逐渐增强,脉冲处理后表达水平最高可以提升74.70%(70 k V/cm),初步推测ps PEF通过上调P53表达促进肿瘤细胞凋亡,从而达到抑制肿瘤生长的目的;ps PEF对在体宫颈癌肿瘤的生长有一定抑制作用,但远期抑制效果不明显。与此同时,ps PEF处理肿瘤组织的过程中,裸鼠生命体征平稳,50 k V/cm组裸鼠无抽搐现象,60 k V/cm、70 k V/cm组裸鼠四肢出现肌肉收缩,初步证实了皮秒脉冲电场的安全性,为实现皮秒脉冲靶向聚焦消融肿瘤奠定了基础。     

脉冲电场中西瓜汁杀菌钝酶效果分析

利用脉冲高压电源对反应器中的西瓜汁施加脉冲电场处理 ,测定了电场强度为 2 0、30、4 0 k V/cm和不同处理时间情况下西瓜汁的细菌含量和酶的活性 ,试验发现 ,脉冲电压对于西瓜汁的杀菌效果比较明显 ,试验 30 s后平均细菌数下降到 2 .5 %～ 10 % ;同时 ,脉冲电场对酶的活性有一定影响 ,但是不确定效果是正面或者负面     

微/纳秒脉冲电场靶向不同尺寸肿瘤细胞内外膜电穿孔效应研究

为深入研究细胞物理特性对微/纳秒脉冲电场诱导的电穿孔效应差异,以三种不同细胞大小及两种不同细胞核大小的肿瘤细胞为研究对象,基于其细胞几何特征建立1:1五层介电及电穿孔数值模型,并观察其在微/纳秒脉冲电场作用下细胞内外膜的荧光消散情况,对微/纳秒脉冲电场诱导细胞内外膜电穿孔效应进行对比分析,研究微/纳秒脉冲电场靶向作用于不同几何尺寸细胞的敏感性差异机理。结果表明,在90个脉冲宽度为100μs、电场强度为1.5kV/cm的微秒脉冲作用下,细胞尺寸越大,细胞外膜穿孔区域、孔密度和荧光消散程度也越大,即诱导的细胞膜电穿孔效果更强。在80个脉冲宽度为400ns、电场强度为15kV/cm的纳秒脉冲作用下,细胞核尺寸越大,其细胞核膜的穿孔区域、孔密度和荧光消散程度也越大,即诱导的细胞核膜电穿孔效果更强。因此,微/纳秒脉冲电场对肿瘤细胞的作用靶区及尺寸大小具有明显的选择性。该研究可为消融不同肿瘤所需的脉冲电场参数提供数据参考与理论支撑。     

基于测量脉冲反馈信号的组织电穿孔动态过程分析

为深入研究脉冲电场与生物组织的相互作用机制,通过在脉冲处理全过程施加低压测量脉冲的方式,探究了组织电穿孔过程的动态变化,分析了组织的电容效应、电穿孔过程中的形成与释放。研究结果表明：生物组织作为电阻电容性负载,在脉冲电场作用下发生复杂电穿孔形式（可逆电穿孔、不可逆电穿孔）,脉冲参数大小可调控所诱导发生的电穿孔形式,在传统脉冲（脉冲宽度为100μs,重复频率为1 Hz,电场强度为100~1 000 V/cm）作用下,随着脉冲个数增加,电穿孔程度增加,组织由可逆电穿孔向不可逆电穿孔形式转变;同时,脉冲期间电穿孔的释放主要发生在ms级时间内,1 s时间后以不可逆电穿孔占主导形式。综上所述,通过测量脉冲反馈信号的分析进一步了解了脉冲与生物组织或细胞的相互作用机制,建议通过此反馈信号来建立电穿孔效果实时评估体系,结合实际的电场分布、热场分布以及电穿孔消融阈值,从而更加准确地模拟脉冲电场作用下的处理效果,为进一步深入了解脉冲电场作用下组织的生物电效应,推进脉冲电场的应用提供理论依据。     

直流GIL表层功能梯度绝缘子参数设计与电场优化

为调控直流稳态与极性反转工况下直流气体绝缘输电线路（HVDC GIL）绝缘子的沿面电场分布，分别设计了稳态梯度（ST-SFGM）绝缘子与极反梯度（PR-SFGM）绝缘子。迭代优化后的SFGM绝缘子涂层电导率恒定，厚度沿r坐标方向减小。电场仿真结果表明，直流稳态工况下均匀绝缘子的最大电场出现在高压三结合点附近，强度为4.25 kV/mm。ST-SFGM绝缘子与PR-SFGM绝缘子的直流电场分布较为均匀，最大电场强度分别下降54.6%与62.1%。极性反转工况下，均匀绝缘子与ST-SFGM绝缘子的电场畸变加剧，最大电场强度分别提升1.09和3.44倍，而PR-SFGM绝缘子的最大电场强度则基本保持不变。     

纳米TiO_2对油纸绝缘介质直流空间电荷特性的影响

为了改善油纸绝缘中空间电荷的积聚和消散特性,在绝缘纸的制备过程中掺杂了纳米TiO2,利用电声脉冲法(PEA)对浸油后绝缘纸中空间电荷的积聚与消散特性、以及其内部电场分布进行了测试和分析。结果表明,在电场强度为10 MV/m和30 MV/m的电场作用下,添加了纳米TiO2的样品阳极附近均没有出现负空间电荷的积聚,这可能是因为纳米TiO2的加入提高了阴极向油纸注入电荷的起始电压,引入了陷阱,进而减慢了电子的运动速率。因此在绝缘纸中加入纳米TiO2能够有效改善油纸绝缘中空间电荷的积聚和消散特性,显著降低绝缘纸内部的电场强度畸变率。     

高压直流电场下UHV换流变压器用油电导率的对比研究

变压器油作为换流变压器的主要绝缘材料,其电导率的大小直接影响到设备直流电场和直流极性反转电场绝缘设计。在高压直流电场下对国内UHV换流变压器用油典型样品的电导率进行对比研究。结果表明：油间隙为5～15 mm,电场强度为2~6 kV/mm时,变压器油的电导率与油间隙没有明显的相关性,只受电场强度的影响,随着电场强度的增加,油的电导率增大;90℃下的电导率比30℃下的电导率高1个数量级;当介质损耗因数相近时,烃组成中CA值越高,变压器油的电导率越大;当烃组成相近时,介质损耗因数越高,变压器油的电导率越大。     

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。     

基于微带传输线的生物溶液处理用纳秒脉冲电场发生器研制

研究纳秒脉冲电场生物学效应需要相应的高压纳秒脉冲发生器。为此,基于微带传输线与固态开关技术,通过波传播过程分析阐释了Blumlein型微带传输线方波的形成原理;采用CST微波实验室仿真分析了微带传输线充电过程中的电场分布;制作了小型化的纳秒脉冲发生器样机,并搭建测试系统对其进行了性能测试。结果表明,在电转杯负载端得到的纳秒脉冲电压幅值在0~2 k V内可调(即对间隙距离为1 mm的电转杯负载,电场强度在0~20 k V/cm内可调),脉宽为100 ns,上升沿约为20 ns,重复频率在0~1 k Hz内可调。