生物微波知識點
生物微波篇一：脈沖微波生物效應的研究
脈沖微波生物效應的研究
1、高功率微波（HighPowerMicrowave,HPM）是一項新興的技術，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用尚在不斷的發展中，而在軍事領域內的應用更是受到了特別的重視。美國國會聯合經濟委員會（JointEconomicCommittee）于1997年6月和1998年2月分別舉行了兩次有關HPM武器與美國經濟關系問題的聽證會（1），由此反映出了當前該技術在國民經濟和國防安全方面的重要性。隨著HPM技術的廣泛應用，關于其對環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HPM生物效應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別；另一方面微波的生物學效應與微波的頻率、峰值功率密度和平均功率密度等有密切關系，因此有必要對高功率微波的生物學效應進行深入的研究，制定相應的衛生防護標準。本文采用國產高功率微波源，初步探討高功率微波脈沖輻射的生物學效應。
2．材料與方法
2．1微波源采用國產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）（由第四軍醫大學實驗動物中心提供）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后，再將動物面向微波發射裝置放置。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，2小時后測游泳耐力，6小時后測大鼠視覺誘發電位（F-VEP）和視網膜電圖變化(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(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。實驗結果采用團體t檢驗進行統計分析。
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．結果
微波輻照數秒鐘內，多數小鼠呈驚呆狀，有的停止隨意走動，反應遲鈍，當移動塑料裝置時才恢復反應。有的則煩躁不安，毛發豎立。大鼠因在固定裝置內不能隨意運動，故僅能觀察到豎發現象。微波輻照后小鼠痛閾反應時間明顯延長（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學的影響尚在觀察中。
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。大量的關于微波生物學效應的研究主要側重于尋找可導致機體組織和功能明顯損傷的閾值。因此相關研究多采用高強度微波源，長時間、反復進行暴露，從而導致組織形態學出現明顯改變。研究結論多比較明確，即微波的生物學效應是由于熱效應引起的。近年來低強度微波輻射對機體影響日益引起人們的重視，相關研究比較多，但尚無明確的結論。而關于高功率微波生物學效應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效應與微波的頻率、強度（平均功率密度）和作用時間密切相關。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效應。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和功能改變時，離體細胞膜離子通道功能已經發生明顯改變。進一步的觀察還發現，高功率微波脈沖輻射可以使培養的視網膜神經節細胞增殖能力等發生改變。但是目前關于高功率微波脈沖輻射是否會引起生物學效應尚無定論。
在前期實驗觀察的基礎上，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效應。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，動物的行為發生了明顯改變，表現為短時間反應遲鈍，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未見顯著性改變。初步實驗結果表明,高功率脈沖微波暴露可以對動物產生一定的急性生物學效應,由于暴露的時間短，吸收功率低，而機體溫度的調節變化需要的時間相對較長，因此動物的生物學效應可能與神經系統的應激反應有關。這種生物學效應可能是可逆的，因此在微波暴露6小時后大鼠的視網膜功能和視神經傳導功能與實驗前已無明顯的改變。實驗結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。文獻上關于高功率脈沖微波的生物學效應研究結果多是陰性，可能與所采用的實驗條件和觀察指標有關。本實驗結果與我室前期采用離體細胞的研究結果是一致的，因此我們認為應當加強對高功率微波，特別是今后國防或國民經濟建設中可能應用的微波輻射條件下的生物學效應進行研究，進一步明確高功率微波的生物學效應及其可能機制，從而為高功率微波的應用和防護提供根據。
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。微波技術首先應用于通訊、廣播、電視技術中。1945年，美國雷神公司的培西?史賓賽在偶然的機會發現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、橡膠工業首次獲得成功。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、生物醫學等方面得到越來越廣泛的應用。
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生熱，然后再通過傳導材料對內部加熱，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轉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生熱量。此時交變電磁場的場能轉化為介質內的熱動能，使介質溫度不斷升高。這就決定了微波加熱具有加熱均勻、速度快、熱效率高、產品質量好，可以進行選擇性加熱、容易實現自動控制等優點。可以看出與傳統的加熱技術相比，微波加熱技術無疑具有極大的吸引力和廣闊的工業應用前景，并將逐步取代傳統的加熱技術。
微波加熱設備一般由微波功率源、應用器、波導元件、饋能結構、傳感和控制五部分組成，其中產生微波的微波功率源是微波技術設備的心臟。微波功率源性能的好壞往往決定著整體設備的性能，所以提高微波功率源的性能在微波技術設備性能提升中具有很大作用。然而，在實際應用時，往往會出現輸出功率及頻率都不夠穩定的情況，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，有的是系統設計有缺陷或是負載情況復雜導致微波管工作狀態不穩定等。總之，微波技術作為在工業生產中應用的新技術還是有許多不成熟、需要改進的地方。只有充分彌補微波技術設備的不足之處，微波技術才能在工業應用中走得更深更廣。
雖然家用微波爐方面的溫度控制研究對工業行業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量，并預置工作時間。在這種操作方式下，操作人員需要根據加熱材料的介電特性、數量等有關因數去手動設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，微波爐的功率調整是脈動性質的，如果將這一功率調整方案應用在工業領域將會帶來嚴重的電網污染和大量的電能浪費，與國家建設節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工業微波加熱溫度的智能控制就顯得尤為迫切和重要，提高工業用微波功率源輸出功率的穩定度已成為微波技術在工業生產中能更加廣泛應用所迫切需要解決的問題之一。
1.2微波加熱的現狀
20世紀60年代以后，微波作為一種新型能源在工業上得到了廣泛的應用，拓成了一個分支技術。如化學研究中的應用，有催化領域，有機合成，合成某些射性藥劑以及干燥等方面；在醫療方面，各種微波治療儀的成功研制與應用，顯示出微波醫學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發也是日新月異，如陶瓷燒結，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域中得到廣泛應用，由于強電磁場的存，在微波場下的溫度測量依然是個技術難題。而溫度顯然是個重要的參數，如波誘導催化反應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的發展將進一步動微波在其它工業領域的應用。由于溫度參數在微波熱處理中的重要性，人們經在各類微波爐，微波反應釜，微波治療儀等很多存在微波場的領域實現了對度的檢測。這些溫度檢測檢測技術中有常規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線在高頻電磁場下產生感應電流，由于趨膚效應和渦流效應得自身溫度升高，對測量造成嚴重干擾，使得溫度顯示值產生很大的誤差或者無法進行穩定的溫度測量。
經過20年的發展，微波加熱技術的重要的技術難關突破后，將微波能大規模運用與各個工業，醫療，科研等領域中，取代傳統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的出現。雖然家用微波爐面的溫度控制研究對通用行業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量，并預置工作時間。能查到的相關資料中，大多數溫度控制主要還處于手動控制狀態，在這種操作方式下，操作人員需要根據加熱材料的介電特性，數量等有關因數去手動設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定也在實踐中針對不同材料加以摸索才能掌握。控溫效果差，精度和可靠性都較低，加熱過程容易出現過熱，或著不能達到即定的加熱效果。針對這種情況，設計一種PLC控制的溫度自動控制的微波加熱系統。
雖然微波技術在工業加熱中的應用并沒有其在通訊領域中應用的那么廣泛，也沒有占有太多市場份額，還不能完全取代一些傳統的工業生產技術，但微波技術作為一個新興的科技產業，已顯示出了它在工業應用中的強勁優勢和潛力，具體體現在以下幾個方面。
1.2.1控制器的發展
就國內一些工業用微波設備來看，控制部分多用PLC來實現。相比較而言，在工業控制領域PLC的優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，考慮到成本很多設備也選擇單片機來實現控制功能。參考文獻就將凌陽SPCE061A單片機用在了微波加熱設備中，取得了較好的效果。但是，目前的發展趨勢是用以32位的ARM系統代替傳統的單片機系統，工業級的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的整體性能能達到微波功率應用控制系統的要求。參考文獻[5]就采用意法半導體公司生產的STR730F芯片設計了一套微波磁控管控制系統，無論處理精度和運算速度都比單片機系統要快得多。
1.2.2磁控管陽極電源的改進
目前，大多數微波磁控管電源采用普通的工頻電源，經變壓器升壓，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，價格比較高。
2微波加熱器整體結構
2.1磁控管控制系統主結構分析
磁控管是一種諧振型正交場振蕩器，是微波技術中的一種高功率微波源，以松下2M210-M1磁控管為例進行分析，其電源系統如圖2.1所示。
磁控管發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，在陽極諧振腔內還存在高頻電場，在高頻電場作用下，電子繞陰極軸心旋轉，當旋轉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，用于各種工業用途。
圖2.1微波爐電源控制系統
由上述分析可知，磁控管發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不同的要求分別進行設計。
2.1.1燈絲電源的設計
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熱。磁控管的燈絲電源都采用交流形式供電，由調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勵磁電源設計
連續波磁控管工作需要穩定的磁場，所以需提供一組勵磁電源，依據調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
根據課題所研究磁控管參數，陽極電壓峰值為4.2kV，具體的調壓方式有很多種，包括半波倍壓整流、全波倍壓整流、電子調壓裝置、開關電源等，這些在論文的后續研究中會陸續提到。
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
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字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計，它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作命令，并通過數字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。
可編程序控制器及其有關的外部設備，都應按易于與工業控制系統聯成一個整體，易于擴充其功能的原則而設計。
3.1.2PLC的特點
PLC是綜合繼電器接觸器控制的優點及計算機靈活、方便的優點而設計制造和發展的，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）采用模塊化結構，使系統組合靈活方便
4）編程語言簡單、易學，便于掌握
5）系統設計周期短
6）對生產工藝改變適應性強
7）安裝簡單、調試方便、維護工作量小
3.2PLC的應用和發展前景
3.2.1PLC的應用
PLC是以微處理器為核心，綜合了計算機技術、自動控制技術和通信技術發展起來的一種通用的工業自動控制裝置，它具有可靠性高、體積小、功能強、程序設計簡單、靈活通用、維護方便等一系列的優點，因而在冶金、能源、化工、交通、電力等領域中有著廣泛的應用，成為現代工業控制的三大支柱（PLC、機器人和CAD/CAM）之一。
3.2.2PLC的發展前景
為了適應市場的各方面的需求，各生產廠家對PLC不斷進行改進，推出功能更強、結構更完善的新產品。這些新產品總體來說，朝兩個方向發展：一個是向超小型、專用化和低價格的方向發展，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絡化方向發展，以適應現代化的大型工廠、企業自動化的需要。
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
簡介：細胞破壁方法有多種，這里提及的微波法破壁顯著區別于傳統的粉碎破壁方法。所謂微波破壁就是生物樣品吸收微波導致發熱膨脹而產生破壁的手段。
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。微波的基本性質通常呈現為穿透、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熱。微波萃取是利用電磁場的作用使固體或半固體物質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到達物料內部的微管束和腺胞系統的過程。由于吸收了微波能，細胞內部的溫度將迅速上升，從而使細胞內部的壓力超過細胞壁膨脹所能承受的能力，結果細胞破裂，其內的有效成分自由流出，并在較低的溫度下溶解于萃取介質中。通過進一步的過濾和分離，即可獲得所需的萃取物。②微波所產生的電磁場可加速被萃取組分的分子由固體內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，水分子由高速轉動狀態轉變為激發態，這是一種高能量的不穩定狀態。此時水分子或者汽化以加強萃取組分的驅動力，或者釋放出自身多余的能量回到基態，所釋放出的能量將傳遞給其他物質的分子，以加速其熱運動，從而縮短萃取組分的分子由固體內部擴散至固液界面的時間，結果使萃取速率提高數倍，并能降低萃取溫度，最大限度地保證萃取物的質量。③由于微波的頻率與分子轉動的頻率相關連，因此微波能是一種由離子遷移和偶極子轉動而引起分子運動的非離子化輻射能，當它作用于分子時，可促進分子的轉動運動，若分子具有一定的極性，即可在微波場的作用下產生瞬時極化，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的某些區域或萃取體系中的某些組分被選擇性加熱，從而使被萃取物質從基體或體系中分離，進入到具有較小介電常數、微波吸收能力相對較差的萃取溶劑中。
微波破壁應用
特點
微波破壁方法主要應用于微波萃取。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，節能，污染小。2加熱均勻，且熱效率較高。傳統熱萃取是以熱傳導、熱輻射等方式自外向內傳遞熱量，而微波萃取是一種“體加熱”過程，即內外同時加熱，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。與傳統的溶劑提取法相比，可節省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品純度。7微波萃取的結果不受物質含水量的影響，回收率較高。基于以上特點，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:內存100種國際通用標準應用方法,用戶也可以編輯、存儲、修改和刪除特定樣品的應用方法。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/壓實時監控,全罐溫/壓監控,功頻匹配設計和微波場諧振均衡技術等確保對反應過程精確控制。4.多重被動安全保障:專利的高安全宇航復合纖維耐壓外套(垂直定向防爆設計),全自動安全感應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。應用
在天然中的應用：如從植物中提取茜素在環境分析中的應用：如對土壤，沉積物和水中各種污染物的萃取在化學分析中的應用：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控和質量控制。
微波破壁歷史
1986年，匈牙利學者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，到達被萃取物料的內部，微波能迅速轉化為熱能而使細胞內部的溫度快速上升。當細胞內部的壓力超過細胞的承受能力時,細胞就會破裂,有效成分即從胞內流出，并在較低的溫度下溶解于萃取介質，再通過進一步過濾分離，即可獲得被萃取組分。
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