谢亚龙下课笑死我了:静电电晕的基本原理及其在生物加工中的应用

静电   电晕的基本原理

及其在生物加工中的应用

目      录

一、前言-----------------------------------------------------------------------------------------------------1

二、静电的几个基本概念--------------------------------------------------------------------------------1

2.1电荷、电量与库仑定律-------------------------------------------------------------------------1

2.2电场与电场强度----------------------------------------------------------------------------------2

2.3电位与电位差-------------------------------------------------------------------------------------2

2.4静电电容-------------------------------------------------------------------------------------------3

2.5静电感应与电介质的极化----------------------------------------------------------------------3

2.6极性分子与非极性分子的极化----------------------------------------------------------------3

2.7非均匀电场与梯度力----------------------------------------------------------------------------4

2.8静电力引起的附着与凝聚----------------------------------------------------------------------4

三、静电电晕及其物理过程------------------------------------------------------------------------------5

3.1静电电晕--------------------------------------------------------------------------------------------5

3.2静电电晕的物理过程-----------------------------------------------------------------------------5

四、低温等离子体------------------------------------------------------------------------------------------6

五、静电场致化学反应------------------------------------------------------------------------------------7

5.1电晕、低温等离子体诱发的化学反应--------------------------------------------------------7

5.2在溶液中静电诱发的化学反应-----------------------------------------------------------------7

5.3静电在酒及食醋陈酿过程中引发的化学反应-----------------------------------------------8

六、静电场的生物学效应----------------------------------------------------------------------------------8

七、静电、电晕在生物加工中的应用-------------------------------------------------------------------9

7.1中药材在空气条件下的高压静电灭菌---------------------------------------------------------9

7.2电晕、低温等离子体对生物物质与生物材料的活化与改性-----------------------------10

7.3栅控电晕下制作驻极体在生物与医学中的应用--------------------------------------------12

7.4静电场在组织培养中的应用--------------------------------------------------------------------14

7.5细胞的静电操作与分离--------------------------------------------------------------------------15

7.6静电诱导细胞融合及遗传基因的导入--------------------------------------------------------15

静电  电晕的基本原理及其在生物加工中的应用

一、前言

静电  电晕技术在环保除尘、脱硫、轻化工中的植绒、喷涂、提高纤维的的上染率，在

材料工程中对细微结构的修饰与改性以及在电信、军工中防静电灾害等方面已获得了广泛应用。近年来，静电 电晕在促进种子萌发、幼苗及作物的生长、促进（或抑制）酶的活性、食品保鲜、白酒与食醋的陈化、细胞分离、融合以及基因导入等生物化学与生物加工中也开展了广泛研究，并且在许多方面也开始获得了应用。

由于静电  电晕技术具有低温、常压、无毒，运行成本低廉、易操作等特点，具有高度的可控性和有效性，所以这一技术越来越受到科技与工和界的重视。面对现代分子生物学、遗传工程的发展以及我国中医药的现代化，对静电 电晕在这些方面的研究与应用也展现了非常乐观的前景。但是只有深入掌握静电 电晕的基本原理，对其在生化中作用的机制有深刻的理解，才能使静电 电晕技术在生化与生物加工等方面的应用中能更好地发挥作用。

现将有关的基本概念与原理作一简单介绍。

二、静电的几个基本概念

2.1电荷、电量与库仑定律

人们最早将摩擦带电并吸引细小物体等电现象的根源性实体称之为电荷，并且一切电现

象都是由电荷的存在和运动产生的。电荷这个概念，实际上包含着电量的意思。电量可以由电荷与电荷间的相互作用，即两个电荷的引力或斥力的大小来决定。这种力的大小，在真空中可以由所谓的库仑定律来决定：

                F=K                             (2.1)

其中F为静电力大小，单位：牛顿；r为两个点电荷间的距离，单位：米；q1、q2为两个点电荷的电量，单位：库仑。若采用m.Kg.s的国际单位制，（2.1）式中的常数K=1/4πε₀，ε₀为真空的介电常数，并且有ε₀=8.854×10^-12库仑²牛顿^-1米^-2。

当电荷处于非真空的均匀物质中，则静电力为

           F= ·                        (2.2)

其中ε_s是均匀物质的相对介电常数。

2.2电场与电场强度

通常将电荷周围有电力作用的空间称之为电场。将单位正电荷置于电场中某一点时，所受力的大小称为该点的电场强度，这个力的方向就是电场强度的方向。由（2.2）式可知，在真空中与电量为q的点电荷相距为r处的电场强度E为：

          E= ·                         (2.3)

将具有任意电量q'的带电体置于上述电场中，作用于此带电体上的静电力（库仑力）为：

           F= q'E                                    (2.4)

当空间存在很多的点电荷时，电场强度可由各个电场矢量的合矢量求得。

可以想象在电场中存在这样的曲线，这些曲线上任一点的切线方向都和该点的电场方

向一致，这种曲线称为电力线，该电场的方向叫做电力线方向。电力线一定是从正电荷出发终止于负电荷，电力线决不能交叉。

    2.3  电位与电位差

使单位正电荷从一个基准点到另外某一点，逆着电场而移动时，外部必须作的功就是该点的电位。由（2.4）式可得：

W=∫dW= -∫Eds= -∫E_sds                （2.5）

所谓A、B两点的电位差是用A点与B点的电位之差来定义的，即如图2-1所示。位于O点的电荷q所产生的电场中，将单位电荷逆着电场E从A点（OA=a）移到B点（OB=b）所作的功：                                                  A            B

W=- ds=-q  =q( - )     （2.6）       a        b

                                                      q  O

此值给出了A、B两点的电位差。电位与电位差的单位为伏特（V）。由（2.5）或（2.6）式可知，电场强度的单位可记为：伏特/米（V/m）。

如果移动的不是单位正电荷而是移动的电量为Q，并且是在有电位差为V的两点间逆着电场而移动，则此时外界所作的功为：

W=Q·V                       （2.7）

在国际单位中，当移动1库仑的电荷，电位差为1伏特，外界所作的功正好是1焦耳。

2.4 静电电容

使绝缘导体带电，该导体就具有电位。此时，如果导体和其周围的情况不变，则导体的电荷和其电位之间就有某种固定关系。事实上，电荷与电位的比值经常是一定的，并且这个比值表示该绝缘导体的蓄电能力，称这一比值为绝缘导体的静电电容，记为：

C=Q/V                    （2.8）

如果是两个绝缘导体，分别给予+Q、-Q电荷，若在它们之间能够获得电位差V，则两个绝缘导体之间的电容仍由（2.8）式给出。

静电电容的国际单位为法拉，1法拉是1库仑电荷引起1伏特的电位差的静电电容。

2.5静电感应及电介质的极化

静电感应    当不带电的导体靠近带电体时，则导体表面上带有电荷称为静电感应带电，但导体表面上的电荷异号等量，其中与带电体靠近一侧所带电荷与带电体的电荷异号，远离一侧所带电荷与带电体的电荷相同。

电介质的极化    电介质就是绝缘介质，即不导电的物质。在静电场中，电介质两面出现正负电荷，称之为电介质的极化，出现的电荷称之为极化电荷。虽然电介质上的极化电荷与导体上的感应电荷一样，都使外电场的电场强度减弱，但是感应电荷是重新分布的结果，而极化电荷是束缚电荷的微小位移所造成的。

2.6极性分子与非极性分子的极化

当外电场不存在时，中性分子的正负电荷的“重心”是重合的，这类分子叫做非极性分子；若正负电荷“重心”不重合，则叫做极性分子，亦称偶极子。正负电荷之间的距离（亦称之键长或两原子核之间距离）d与电荷q之积称为电矩或偶极矩：

= q                   (2.9)

该矢量方向由负电荷指向正电荷。

H₂、N₂、CCI₄等分子是非极性分子，在没有电场时，整个分子没有电矩，或P=0。如加上外电场，在电场力作用下，每一分子的正负电荷“重心”错开，形成了一电偶极子，分子电偶极矩的方向沿外电场方向。这种在外电场作用下产生的电偶极矩称为感生极矩。非极性分子在外电场作用下形成电偶极子，称之为非极性分子的位移极化。

对于有一定极性的极性分子，在没有外电场时，虽然每一分子都具有固定的电矩，但是由于分子不规则的热运动，则所有分子的固有电矩的矢量和为零（ΣP _i=0）。若加上外电

场，则每个分子的电矩P_i都受到外电场的力矩的作用，尽管还存在分子的热运动，但毕竟使分子电矩方向都有转向外电场的趋向，从而使ΣP_i≠0，这就是极性分子在外电场作用下的取向极化，于是在垂直于电场方向的两个端面上，便产生了末被抵消的束缚电荷。因此，可以说电介质的极化机制是极性分子的取向极化与非极性分子的位移极化。

2.7       非均匀电场与梯度力

物体在均匀电场作用下，极化力表现为回转力矩，如图2.2所示。设外电场为E，极化

电荷产生的偶极矩为P，则极化力矩T为：                           +Q

           = ×         （2.9）          图2-2      E        -   -

                                                             +       +

                                                            -Q

当物体在 作用下取向完毕，电场能量变至最小，达到平衡 =0。

P  w  

F=2πa³ε₀ε₁ ( )▽│E│²   (2.10)

其中ε₁、ε₂为粒子和周围介质的相对介电常数，a为粒子的半径

2.8 静电力引起的附着与凝聚

库仑力引起的附着与凝聚                          图2-3

带电物体以库仑力对存在其周围的相反极性带电的轻小物体进行吸引而附着其上。对于大量带有正负电荷的粉体，它们以集合体状态相互以库仑力吸引，表现出明显粘着性（如图2-4所示）。这样内部含有正、负双极性电荷粒子的集合体状态称为双极性内部带电。双极性内部带电的微粒集合体有附着于其它物体的倾向而形成凝聚体。

进一步分析表明，粒子越细微，且粒子间距增大（即粒子浓度减少）

时，粒子间接近速度下降。为了提高凝聚速度，可以使流动形式剧烈的涡动，

利用交变电场或用超声波辐射来制造使粒子有充分接近的机会。此外，当粒       图2-4

子的半径相差悬殊时，即γ=  (a₁/a₂)²显著加大时，则可以明显改善凝聚速度。所以，可以将带异性电荷的大粒子混入微细的带电粒子当中，再辅以涡动、交变电场和超声，就可以进一步提高凝聚效果。

对于同极性粒子则因库仑力排斥而分散。粒子越靠近，则斥力迅速增大，从而阻止了

浮游粒子间的碰撞凝聚，起到稳定地保持分散相的作用，并且能使凝聚较松散的粒子分裂为基元粒子，在空间均匀地弥散，这称为静电分散。然而实际上同极性的带电粒子不是安定的分散相，因为与其自身空间电荷电场的相互作用，它得持续膨胀，达到分散空间的边界壁而附着、堆积。

梯度力引起的附着

当带电体或者外加电压的电极与其周围形成显著的非均匀电场时，即使轻小物体不带电，它们也会因梯度力而被吸引向电场强的方向，附着于该带电体或电极的表面而堆积起来。利用梯度力和梯度力引起的附着，可以捕集分散于液体中的悬浊粒子，也可以作为分离微生物、分离细胞的手段。

三、静电电晕及其物理过程

3.1 静电电晕

当静电场的导体电极上有曲率较大的尖端而又远离其它导体时，由于尖端附近的电场较

强，使气体电离，引起气体导电并发光，其周围往往隐隐地笼罩一层光晕，称为电晕或电晕层，尖端放电称之电晕放电。例如在针对平板电极，或线对平板（或圆筒）电极系统中，从针电极或线电极发生的放电就是典型的电晕放电。发生这种放电时，在针电极或线电极附近的空气将发生电离。产生大量离子，这些离子在电场作用下向对向电极运动。

    3.2静电电晕的物理过程

静电电晕的发生必须借助于外电场，才能使空气中的电子先被加速到很高的速度，并

且有相当大的动能。当这些高速电子撞击到中性气体分子时，就能将其外层电子释放出来，从而产生更多的电子与正离子。产生电子与正离子的这种雪崩过程，主要受气体的电离电位和放电极附近的电场强度所支配。为了引发电晕电子，必须具有足够的能量，使之在碰撞时能从原子或分子中释放出电子。此能量将随气体的种类而异，一般电离电位在10 ~ 25伏特

之间，例如氢、氮、氧分别为15.4伏、15.5伏、12.2伏。在常温常压条件下，极间的电子浓度约为10⁶~10⁸个/cm³。

皮克（Peek）对起晕电场强度进行了广泛的研究，并得出了空气中起晕电场强度的半经验公式为：

Ec=3×10⁶m(δ+3.0  )伏/米               (3.1)

式中a为电晕线半径（米）；m为极线粗糙系数，δ为相对空气密度=（T₀/T）（P/P₀）；Ec为起晕电场强度（伏/米）；P为空气压力（大气压）；T为空气温度（K）；T₀=298K；P₀=1大气压。

对于线管式结构电晕系统，从电晕线起到圆管电极内表面上，对上式进行积分，可以

得出起晕电压值为：

Vc=3×10⁶am(δ+3.0   )Inb/a         (3.2)

式中b为圆管电极半径（米）。

（3.2）式表明，起晕电压随极线半径的增加而增加。当极线直径减少时，靠近它表面的电场强度相应增加。极线直径非常大时，（3.2）式第二项可以忽略，由此可以计算出，在大气压和常温空气中，当m值取0.5~0.9时，粗大而光滑的极线起晕电场均为3万伏/厘米，而一般较细极线或极线为芒刺形时，其起晕场强约为2万伏/厘米，所以静电电晕技术常称之为高压静电技术。

四、低温等离子体

在辉光放电、弧光放电中，气体处于高度电离状态，并且其中正离子和负离子形成的空

间电荷密度大体相等，使得某空间的气体呈电中性。1929年朗缪尔给处于这种状态的物质取名为“Plasma”，中文译为等离子体或等离子区。等离子体远不是放电管中所特有的，实际上，它广泛存在于自然界的其它领域之中，如火焰、雷电、核武器爆炸中都会形成等离子体，地球大气上层的电离层也是等离子体，至于地球以外宇宙中，等离子体更是物质存在的主要形式。

由静电电晕技术也可产生等离子体。当电晕线上加上微秒级高压脉冲时，可产生比普通

电晕放电更加强烈的放电过程，将其称为脉冲流柱电晕放电，简称为流柱放电，在放电空间产生5~20ev的高能电子，这些高能电子与空气中的气体分子、粒子相互之间发生非弹性碰撞，经过电离、激发、分解过程产生新的电子、正离子、负离子、激发态粒子、亚稳态粒子和光子等，即得到等离子体。其中电子、正负离子、亚稳态粒子和光子的能量分别为0~20、

0 ~ 2、0 ~ 20和3 ~ 40ev。空间中电子的浓度为10 ¹⁰ ~10 ¹²个/cm³，离子的浓度为5×10⁷个/cm³。流柱的发展速度（亦称流柱头速度）约为5×10 ⁷ ~ 4×10 ⁸cm/s，比一般电晕情况下的电子迁移速度（10 ⁷ cm/s）约大10倍左右。由于这是在大气压、常温条件下产生的等离子体，所以称作低温等离子体。

通过静电电晕产生低温等离子体的关键设备是高压脉冲电源。它可以利用直流高压电压、球形间隙及脉冲形成电容、电阻等元件所组成，可产生微秒级的高压脉冲。直流高压40~60KV，脉冲幅值为40~100KV，脉冲周期为100μs，脉冲宽度为10μs。

五、静电场致化学反应

5.1 电晕、低温等离子体诱发的化学反应

经电晕或低温等离子体处理的聚合物或生物材料，由于电晕或低温等离子体区域内，有

高速粒子流，粒子的能量一般在几到几十电子伏特，而生物大分子或聚合物的典型化学键能也恰好在这个范围内，因此当电晕或低温等离子体中的粒子轰击高分子聚合物的表面时，就会将其自身的能量传递给高分子的表面，诱发表面化学键断裂、发生降解、产生自由基，从而引发一系列化学反应。例如塑料的降解、改性以及对羊毛纤维鳞片的剥离、刻蚀等。

当电晕或低温等离子体在放电过程中，电火花使部分氧电离生成臭氧。臭氧是强氧化

剂，可使高分子表面生成臭氧化物，臭氧化物可分解生成羰基化合物、过氧化物及烯烃等，臭氧又与烯烃再生成环状结构的臭氧化物等。

电晕或低温等离子体引起高分子表面氧化同时还可引入极化基团，从而起到化学修饰

的作用。电晕放电处理某些聚合物时，由于可在表面产生氢键，进而可产生能烯醇化的羰基。

例如：

R’’H      hν         R’’H               R’’H

R—C—C—R’’        R—C—C—R’’      R—C—C—R’’+ HO•

H  H       O₂           OH  H               O• H

5.2在溶液中静电诱发的化学反应

溶液在高压静电作用下，静电场向溶液分子提供能量，使溶液中极性分子进一步极化，氢键断裂再聚合提高了缔合度、降低化学反应的活化能，从而诱导化学反映的发生或促进了化学反应。具体表现为：

1)        高压静电改变了水的物化性质，这主要表现为水的密度、PH、表面张力、导电率

及介电常数等的变化；

2)        高压静电对极性分子的作用，水溶液中的极性分子趋于沿电场方向定向排列，进一

步极化，使偶极矩增大，部分分子间的缔合作用受到破坏而重新组合，形成更大、更稳定的缔合群；

3)        高压静电对离子及带电颗粒的作用。由于库仑力和洛伦兹力的作用，静电场可影响

水中带电离子的胶体颗粒，从而影响它们的成核与凝聚，影响水中杂质的结晶状态；

4)        活性氧自由基的作用。高压静电使溶液中产生活性氧自由基，包括超氧阴离子自由

基O₂ˉ、羟基自由基•OH、过氧化氢H₂O₂等，使高压静电处理的水具有抑菌或杀菌作用，同时强化了水中二价铁离子的作用，使其具有良好防垢、除垢能力。

5.3 静电在酒及食醋陈酿过程中引发的化学反应

高压静电场在酒及食醋陈酿过程中可引发

氧化反应  RCH₂OH －→ RCHO+H₂O    RCHO －→  RCOOH

酯化反应  RCOOH+R’OH －→ RCOOR’+ H₂O

缩合反应  2R’OH+RCHO －→ RCH（OR’）+ H₂O

可见，利用高压静电，可使杂醇、醛等最后形成酯，可使辛辣、刺口的酒及食醋增加香

气，同时由于极化，形成醇、水新的缔合而使酒及食醋变得绵软。

六、静电场的生物学效应

静电生物学效应涉及组织培养、种子萌发、幼苗生长、作物产量、果蔬保鲜、微生物发酵、食品消毒等。静电场引发的生物学效应的机制与膜系统、酶系统、自由基、染色体、细胞分裂、无机离子、光合作用、呼吸代谢以及生理结构等相关。

静电场的生物学效应除上述因素相关外，作为生物体的细胞行为，则是静电场引起了细胞的极化，改变了细胞表面电荷的分布，从而引起Ca²⁺ 和激素分子分布的差异，导致了静电场对生物整体、完整植株、器官、离体细胞、原生质的分裂生长以及愈伤组织的形成、增殖等均有明显的影响。例如电场强度在一定数值情况下，可增加膜电位、增加膜的通透性、ATP合成加快、增强了膜对转运物质的吸收能力、提高代谢水平、促进细胞有丝分裂等。

静电场所以有明显的生物学效应，是因为生物就是在具有一定数值静电场强度的地球表面上起源、进化以及长期生存的结果，它们已经适应了这一静电场的环境，对于某种数值的静电场已构成了生物正常生存的必备条件。

外加静电场对生物的正效应

当生物受到外加静电场作用时，只有当电场强度达到一定数值时，才会引起被作用生物的正效应，这个数值便是生物正效应的阈值，这个数值还与处理时间有关。一般来说，被处理的时间越长，数值就较低些。高压静电场对生物的正效应中一般认为是电场给生物提供了能量、提高了酶的活性、提高了细胞膜的通透性，从而提高了生物体内的生化反应速率，加强了生物的新陈代谢等。

外加静电场对生物的负效应

一定强度的外加静电场能够抑制或杀死微生物，如金黄葡萄球菌在空气中的存活率随电压升高而下降，电压＞15KV，存活率开始下降；电压达到25KV，存活率迅速下降；电压达到35KV，存活率为零。同样，一定强度的静电场可以抑制植物的呼吸强度和新陈代谢，降低酶的活性，此时对果蔬进行处理可大大延长保藏期。静电场对生物的负效应对生物本身可能有不利的一面，但人们正是利用这一负效应进行消毒、灭菌以及对果蔬或其它食品进行保鲜。

七、静电、电晕在生物加工中的应用

我国在七十年代末、八十年代初在中子高压电源基础上研制并生产了小型、实用的高压静电源，这为我国静电研究与应用起到非常重要的推动作用。

八十年代初，我国就开始利用静电电晕技术在火电厂、水泥厂等高粉尘作业环境中进行静电除尘，九十年代在静电除尘的基础了又开展了静电脱硫等研究与应用。可以说，静电电晕技术对我国环保事业做出了很大贡献。此外，八十年代我国在静电喷涂、静电植绒、织物、纤维的改性、油的净化、细微粒子的分离、防止静电灾害以及空气负离子发生器在临床中的应用等诸多方面也都开展了广泛的研究与应用。

应值得提出的是，在我国静电研究与应用的初期，就已经在生化及生物加工领域中开展了许多工作，其中高压静电场促进种子萌发、幼苗生长、作物的增产；高压静电对蔬菜、水果以及其它食品的保鲜；高压静电对白酒、食醋的陈化等方面均收到明显的效果并对其机理开展了研究。下面仅对生化与生物加工领域中的其它应用做如下简单介绍。

7.1电晕、低温等离子体对生物物质与生物材料的活化与改性

这里将生物材料特指为离体的生物物质。

所谓活性，通常意义下是指物质参与化学反应有较低的反应活化能，即有较高的反应速

率或较高的转化效率。所谓生物材料的活化，通常是指人为地利用物理、化学以及其它技术手段来提高或改变生物物质及生物材料的活性的方法及工艺。

生物物质（材料）的活性是很复杂的问题，并且有着不同的含义，下面仅作简略的说明。

第一种生物物质的活性是指作为原生命体一部分的物质的活性，所以可称之为原生活性。这种活性在机体的一系列生命活动过程中，以最低的反应能耗，最大的反应速率完成相应的生化反应，使机体从局部到整体都具有高度的专一性、高度的协调性与合目的性，即高度的有序性。这种活性与有序性是由机体中的蛋白质、酶、糖聚体、核酸等生物大分子与不同的金属（或类金属）离子配位结合，组成复杂、稳定的结构而表现出的特殊功能。这种活性是生命体在正常生理状态下的生物物质，在生物化学意义上的活性。

其次，生物物质的活性是指离体后的，又作为食物或药物而进入人体（或其它机体）中被消化、吸收过程中所具有的活性。这种活性表现为这些生物材料在人体内有很好的亲合性，有较高的溶解度、较高的利用率，易于转化为人体所需要的基本物质成分和能量。因此，这种活性主要指在转化时的生化反应有较低的反应能耗和较高的反应速率，所以，可称之为转化活性。这种活性也是生命体在正常生理状态下生化意义上的活性。这种活性与第一种物质的原生活性相似之处在于，原生命体中具有活性的物质，当其作为食物或药物等生物材料被另一机体消化、吸收时，作为原有物质活性的成分与结构，可以使其在另一机体中被有效地吸收、转化，亦即表现出较高的转化活性。但是，这毕竟是两种概念下的活性。因此，原生命体中的活性物质，有时在被另种机体消化、吸收过程中，并不一定都具有较高的转化活性。例如有些大分子量物质及其复杂、稳定的高级结构往往难以充分地进行生化反应，这时就表现为较小的转化活性。

生物物质第三种活性是指离体后的生物材料所具有能产生自发性生化反应的活性，但尚未进入人体的生物材料的活性。此时材料虽然具有活性物质所具有的物质成分与结构，但已不再参与维持生命的生化反应，但是还有某些活性物质在继续发生自发的生化反应，最典型的就是离体后，酶的自溶反应导致生物物质的水解、化学键的断裂。而与此同时，又往往有微生物参与下发生的生化反应，从而导致生物物质活性下降、结构的有序性下降，进一步导致生物的腐败和分解。

第四种含义下的生物活性是生命体的生存环境中的物理因素或化学等其它因素发生明显变化时，使某些生物物质的活性比正常状态有所激发、增强，或降低、抑制，或被灭活。这种改变了的活性可导致机体的生长、发育以致遗传特性的改变。虽然这种活性表现在机体所发生的生化反应中，但是它是非正常生理状态下的活性。人们利用物理场进行消毒、灭菌，对某些疾病进行治疗，对某些植物种子进行萌发、促进生长、改变基因特性培育新品种、对果蔬、花卉进行保鲜等等，都是通过改变机体的生存条件，进而改变生物物质的活性的结果。

第五种含义下的活性是指生物材料经过加工、炮制、处理后所具有的活性。这种活性

的获得可以是使1）大分子量的生物物质的适当降解；2）使原有的复杂生物结构变得相对简单、低级；3）使其分子可接入某种活性官能团，所谓接枝及分子修饰；4）使其稳定的电子分布状态变成不太稳定或受激状态，或改变其电学性质（如介电常数等）；5）或者经过水合，可获得更多的可交换的电荷；6）与其它离子（特别是过渡金属离子）重新配位结合形成活化中心；7）或者是因力学等作用而增大了比表面积、即增加其原子裸露面，并且使表面出现更多的缺陷密度、产生了应变能的积累等力学弛豫而导致自由能增加从而提高了化学

势、获得持久的活化，即后活化；8）增加了亲水基团，提高了吸附、溶解、交换等能力。显然，这种活性是物理或一般化学含义下的活性，也只有这种活性的改变与提高是可以通过人的主观能动作用，借助于各种技术手段，根据实际需要来改变、提高生物材料的活性，其目的是为了使其在机体内充分、有效地完成生化反应。应该说，对生物材料的活化，是对生物进行加工的主要目的之一。

由于电晕、低温等离子体可对高分子聚合物及生物材料具有断裂、降解、剥离、刻蚀、接枝、表面化学修饰与改性等作用，所以可利用电晕、低温等离子体对生物材料进行活化处理，以改善生物材料的亲水性、透气性、溶解度、特别是血溶性。例如在空气条件下对中草药进行处理，在不改变药性的前提下，由于可改变其微细结构，可使其提高浸出率和溶解度等，这已为红外光谱及其它实验所证实。再如对羊毛等动物纤维可在空气或溶液中，可导致细微鳞片的脱落，从而可使其织物的缩水等性能得到明显改善。

电晕、低温等离子体技术，具有操作简单、易行、无污染、运行成本低廉，在很多情况下是在空气中进行，因此可节水、省能源，此外该技术设备投资少、效果明显。目前国内外利用电晕、低温等离子体无论对合成的高分子材料的强度、粘合性能的改性，还是对生物材料的活化，都是在刚刚起步，因此，这一活化与改性的方法是非常值得重视和推广的一项新技术。

7.2中药材在空气条件下的高压静电灭菌

暴露于空气中的中草药原料药含菌量高，远不符合国家和国际药检的标准。目前中草药在空气条件下的灭菌多采用高温高压法、化学法、放射性照射法等。高温高压法灭菌易破坏中药的有效成分、降低药效；化学法及放射性照射法，则存在有残毒、改变中药成分及处理成本高等缺点。利用高压静电对中草药在空气条件下进行灭菌，则有效果明显、操作简单、成本低廉等优点。

高压控制电源序源

图7-1

图7-1为高压静电灭菌的原理图。待灭菌处理的中草药放置在电极系统中的有机玻璃罩内。两极间距可调，接地电极可采用铝板，上面的电极可采用钢制的星形线或芒刺。其中，高压电源可以是正、负高压，也可以是正、负脉冲高压，也可以是50H_Z的交流高压。

实践表明，在直流正负高压情况下，两极间距为4.1cm，电压为35KV时，表皮葡萄球菌的存活率为零。同时静电高压也可杀灭金黄葡萄菌、大肠杆菌、枯草杆菌、黑色变种芽胞等。对于静电高压灭菌的研究结果可得出如下结论：

1）  电晕放电可有效地杀灭条件致病菌。

2）  影响灭菌效果的主要因素是电场强度和处理时间。

3）  在电极因素中，芒刺—板电极效果最好。

4）  灭菌的机理：与臭氧可灭菌有关；与放电引起的冲击波（机械力杀菌）有关；与电离作用、化学键断裂导致细菌死亡有关；与放电电流破坏了细菌细胞膜的脂质区而导致细菌的死亡有关。

7.3栅控电晕下制作驻极体及驻极体在生物与医药学中的应用

所谓驻极体（Electret）是指能持久带有静电或持久保持电极化并在其内部及周围空间形成电场的物体。

所谓驻极是指获得驻极体效应的人工处理操作。

虽然1922年就发现了驻极体，但直到60年代制成聚合物驻极体后，驻极与驻极体的研究才受到人们的重视，驻极体的应用才得到快速发展。

驻极体有许多用途，如用于传声器、耳机、扬声器、加速度计、高压电源等。用聚丙烯薄膜或聚丙烯无纺布制成的驻极体广泛用于医疗与空气过滤。   2

           3

物体以BOPP膜为例，膜厚10μm，电晕针尖端到栅网   4

距离4.0cm，栅网到膜的距离0.5cm，栅网孔0.08cm。   5

驻极电压26KV，栅网电压6KV，驻极时间5min，则可

以得到面电荷密度1~6×10^-9法拉/cm²，

场强为1~15×10⁴伏特/cm的驻极体。                  1法拉第电笼  2电晕针  3栅网

                                                   4待驻极的物体  5金属平台

驻极体在医疗上的应用

二十世纪60年代，一些科学家就发现了很多重要的生物高分子的蛋白质、骨胶原、DNA、RNA等以及肌肉、筋、腱、血管等组织都具有驻极体效应。

由电生理学知，在生物组织活性区域处，其电位比其它区域为负，特别是病灶周围或受到创伤的组织周围与正常组织间有明显的电位差，例如哺乳动物的创伤皮肤和正常皮肤间的电位梯度高达200mv/mm，因此，创伤的愈合必然与生物电介质的电荷、电位等相关。如机体创伤的应激反应造成创伤组织精氨酸减少，导致创伤部位富集负电荷，所以当机体补充精氨酸以至带有正电荷的壳聚糖便可促使创伤愈合。大量临床结果，外界电场也可促进创伤愈合，例如利用负电极或带有负电荷的带电体，可使创伤部位的电介质极化或使其感应出一定的正电荷，使创伤部位富集的负电荷得到一定中和，从而加速创伤的愈合。

Inone和Fukada首先用驻极体包裹折断的兔股骨，促进骨痂的形成与生长等实验表明，只要驻极体膜保持适量的负电荷，与损伤部位紧密贴合就可治愈各种急性或慢性软组织损伤、加速骨折愈合等。我国自83年以来，在北京、上海的临床表明：

1）  驻极体膜对软组织损伤等疾患有确实的治疗效果；

2）  用驻极体膜进行治疗简单、方便、适用，未发现任何副作用；

3）  作为治疗用的驻极体膜要有足量的负电荷，其面电荷密度不低于3×10^-8法拉/m²。

生物驻极体在基础医学中的应用

近年来对生物驻极体效应及生物驻极体的研究越来越引起人们的关注，这不仅因为生物

驻极体及其效应对揭示生命现象有着积极的意义，而且有着潜在的临床应用价值。

所谓生物驻极体（Bioelectret）应是在外电场或其它外部作用下，使其具有持久保持极

化或静电状态的生物组织或生命物质。所以，作为电介质的生物物质或组织的电生理行为，尤其是在外电场作用下的电生理行为，都可以看作是某种生物驻极体的效应。

    我国科学家利用驻极体技术对脂质体包封的血红蛋白及其体外流变性能进行了研究。他们用驻极技术制备了四种不同带电性能的脂质包封血红蛋白，通过热释电流对这四种生物驻极体进行了测试，其中一组驻极体在体外血栓成形实验中，形成的血栓最小，抗聚集能力强。可见，利用驻极技术对脂质体包封血红蛋白的表面电性能进行合理地改进，就能改变红细胞

及血液的流变性能，有效地抑制体外血栓成形。

由此人们会自然地想到，除血红蛋白外，尚有许多生物组织及生命物质具有驻极体效应。这些组织和物质的驻极体以及它们在生理和病理学上的意义与作用，为人们展现了一个十分广阔的研究空间，有待人们去发现、去探索。

驻极体对植物种子萌发及幼苗生长的影响

静电生物效应是目前静电领域中最活跃的课题之一。近年有关静电处理植物种子的研究取得了一系列成果，但是这些工作都是在高压静电装置中通过电晕对植物种子进行处理。

由于植物种子中的蛋白质、酶、多糖、多核物质以及它们与无机离子形成的配体等，都是带有一定的电介质，也是具有驻极体效应的物质，因此，外电场或其它带电体就会通过极化、感应而影响、改变这些物质表面的电性能，从而可影响到种子的发育。

由人工方法制成的驻极体，在其周围形成的静电场能否对植物种子的萌发产生影响，甚至是产生促进种子萌发和幼苗生长的积极效果，这是一个新颖和诱人的设想。

我们的工作是用双拉伸聚丙烯薄膜（BOPP）在常温、大气压中的栅控电晕下制成的驻极体，将其直接覆盖在小麦种子上面处理一定时间，然后观察小麦种子的萌发及其幼苗的生长。实验结果表明，发芽率、发芽势、发芽指数及幼苗平均株高比对照组分别提高了15.2%、18.2%、15.2%、25.5%。

虽然实验是初步的，但是仍可发现驻极体对小麦种子的萌发及幼苗的生长有明显的影响和促进作用。这一实验的重要意义在于用驻极体处理种子具有安全、方便、易行、节能、无污染、成本低、便于推广应用等优点。这一工作展示了驻极体在农林等方面的研究与应用有非常广阔的领域，这都有待于人们不断地去研究、开发。

7.4静电场在组织培养中的应用

组织培养作为生物工程的一种基本手段，现在已取得快速发展，特别是将静电技术引入到组织培养工作中，就会产生更直接、更明显的效果。

我国科技工作者在常规组培方法诱导苜蓿叶片、茎段外植体产生的愈伤组织中，以1.5KV ~ 0.5KV/cm的高压静电场处理该外植体，发现可显著促进外植体愈伤组织的发展和形成，不但在诱导愈伤组织产生的时间上比对照组提前，并且在诱导率及形成的愈伤组织质量上（色泽、疏松程度、生长状况等）均比对照组提高。

在继代培养中，经过适当的场强和场向的静电场处理，可显著促进愈伤组织的分裂增殖。实验表明负高压电场、场强较低时有明显效果。

在将愈伤组织转入分化培养基中诱导分化中，静电场处理明显促进分化，愈伤组织形成的芽点多而早。此外，实验表明，负高压静电场处理使根的生长比芽的生长快，而正高压场强的静电场，则促进分化效果不太明显，甚至过高会使发芽率受阻或畸形，不能再生植株。

在胚状体发生中，高场强的静电场（短时间处理）对悬浮细胞系中的胚性细胞分化为体细胞胚有促进作用。总之，静电场对组织培养过程的各阶段的影响是显著的、复杂的。场向、场强、处理时间等因素的不同，可导致处理效果的不同。

7.5细胞的静电操作与分离

对于处于混悬液中的细胞进行静电操作，可利用电泳法分离带有电性的细胞或粒子，而

无电性的中性粒子的分离则需要介电泳（或行波）方法        荷电粒子电力线移动

进行分离。所谓介电泳是指置于非均匀电场中的中性粒

子，因感应或极化而产生的粒子的移动现象。在均匀电

场中具有电荷的粒子受到电场力的作用而沿电力线方向                     中性粒子被拉

运动。对中性粒子来说，尽管其因静电感应而产生出等   中性粒子产生         向电场处，产

量的正负电荷，但由于电场的均匀性，不能形成运动     极化但不移动        生介电泳。

方向的合力，故其不能运动，如图a所示。但是在图b的   （a）             （b）

非均匀电场情况下，由于电场的非均匀性，作用于中性粒子上被感应出的正负电荷上的作用力不相等，从而一般来说，粒子将移向电场强的方向。这种现象在交流电场中更清楚地表现出来。若粒子可当作半径为a的球，粒子以及媒质为绝缘物，各自的相对介电常数为ε₁、ε₂时，介电泳力为

F=2πa³ε₀ε₁( )            （7.1）

但是，该式不能用于介电泳的细胞操作，这是由于无论怎样小心地调制细胞悬浊液，它们也不能被看作为完全的绝缘体，况且细胞本身也不是绝缘体。在这时，还必须考虑因导电电流引起的电荷移动，因而必须利用如下的关系：

F=2πa³Re            （7.2）

这里Ki=ε_iε₀-jб_i/ω，б_i为导电率，ω为外加电压的角频率，i=1或2，j= , 表示复数共轭，Re表示实部。

介电泳可以作为引起细菌那样小的细胞直到卵细胞那样大所有细胞运动的手段。

7.6静电诱导细胞融合及遗传基因的导入

细胞融合，作为新生物育种技术和遗传基因操作一样都是当代最热门的技术。

细胞融合程序大体分为三步骤：

1）  将用于融合的细胞（Ⅰ）（Ⅱ）分别以原生质体混合；

2）  将原生质体混悬在聚乙烯甘油脂PEG（约40%）和CaCl₂(50mM)的混合液中，使原生

质体融合。这时原生质彼此之间发生随机的膜融合，细胞（Ⅰ）（Ⅱ）的融合也以一定的几率发生。在膜融合的细胞中存在着从细胞质融合向核融合发展的细胞，从而形成融合体（Ⅲ）；

3）  将已进行融合操作的细胞全部散布在琼脂培养中，使细胞壁再生，这时从散布细胞

中得到融合体（Ⅲ）的群体的几率极低（仅为10^-6～10^-8），从而使挑选融合体的工作，一般都相当困难。由此产生了开发静电诱导融合新技术的想法。

将细胞内外隔开的结构是细胞膜。可以认为细胞膜是具有类脂化合物偶电层的一种流动

性晶体，对微生物、动物、植物都具有共同的构造。对植物和微生物，细胞膜的外侧覆盖着由纤维素或甲壳质构成的细胞壁。故在实验时，应先通过酶处理预先除去植物或微生物的细胞壁，这样的裸细胞即为原生质。由于膜分子的磷酸基、细胞的整体是带负电的电介质。与细胞膜中含有的蛋白质的电位相对应，细胞具有各种不同的表面电位（ζ）。对若干植物原生质ζ电位测量结果，大体在-10～-30mv范围。

静电诱导细胞融合的一例如图所示。              (a)    (b)    (c)   (d)

大体为两个过程，一是两个细胞彼此之间

排列密着的细胞，二是其接点处的膜彼此融            ——   ——   ——  ——

合的过程。在该例中是通过使某种细胞与癌细胞融合以取得抗原的过程。通常抗原体的增殖速度很慢，通过使其与有害的癌细胞融合，可以得到增殖速度快的抗原生产株，从而能大量生产抗原。通常利用要求特殊营养性的变异植株作为癌细胞。用蛋白分解酶对其和抗原生产细胞表面进行处理，悬浊于非电解质中，通过反复清洗，离心操作，使其电阻率达到介电泳所要求的10⁴[Ω、cm]以上水平。将其置于两条平行电极之间，加上400[V/cm]、1[MHZ]左右的高频电压，则因介电泳，形成上图（a）的珠串。随后，将电压提高到700V/cm左右，使细胞强烈地密集，进一步加上7KV/cm，50μs左右的脉冲电压，则在细胞的接触点处，细胞膜破裂、产生相邻细胞的融合。上图给出细胞融合随时间变化的过程，由（a）→（d）大约需要2min。将这样融合的细胞在不满足原来癌细胞营养性的培养基上培养，由此即可增殖的植株中选择出生产所期望的抗体的植株。

当两个细胞接触时，加上电压脉冲，膜产生部分击穿，一般地，细胞膜的击穿大约需要1V的电位差。在细胞膜自动恢复时与邻近细胞融合，这样，加于细胞上的生理性应力仅局部存在于接触点附近，故融合后的生存率较高。

另一个例子为烟草叶片的原生质与萝卜根部的原生质等量混合在CaCl₂与甘露醇溶液中，用泵导入到液流容器式电极内。由于操作是在无菌环境中连续进行，因而可在融合率、感染率、生存率上均获得极好的效果，使双核杂种融合原生质的形成率约为总细胞量的10%，形成速度为1×10⁵个/min。

实际上，细胞融合成功的例子还较少，至今还只限于生物分类上相近种类细胞之间的融合，例如将马铃薯细胞和番茄细胞融合为番茄马铃薯；葡萄酒酵母和酒精酵母细胞融合，从而酿造成二者之间味道的酒等情况。而远隔种类细胞之间的融合成功的例证几乎没有报告。

遗传基因导入中的静电技术

遗传基因导入中的传统技术，首先是从具有目标遗传基因的生物中抽出DNA，以限制酵素按一定的分子量加以粉碎，用连接酵素把DNA片断连结在称为质体的媒介（DNA的搭载物）上操作杂种DNA。这是一项十分烦杂的技术操作，尤其是用于切断和连结DNA的酵素的精制十分困难、价格昂贵。目前正在进行有关利用电脉冲切断DNA的研究。有报告说，若DNA上连续加约7KV/cm的脉冲，那么分子量就会逐渐减少。如果能控制DNA的切断，就有可能用电脉冲来代替酵素法。

在基因导入技术中，第二步便是将宿主微生物制成原生质体，并在聚乙烯甘油脂（PEG）的共存下把DNA导入原生质中。与细胞融合技术相类似，利用高压静电脉冲，开发了导入遗传基因的静电技术。它的本质仍是利用静电场对细胞膜的击穿现象，故广义上称为细胞穿孔或电穿孔。细胞穿孔原理如右图（a）（b）所示。                            磷脂层

细胞膜具有固有的弹性系数、电容。在其上加上                                  （a）

静电场时，由于能量变换、细胞膜被压缩，磷脂

偶电层的结构被压坏，电场超过临界值时，引起

膜的击穿，膜上产生细孔，在临界电场强度附近                                   （b）

孔马上会进行修复，但达到过电压（电场强度）时    （1）    （2）   （3）   （4）

膜将产生非可逆性的破坏，细胞死亡。故膜击穿的最小电压称为临界电压。如前所述，一般来说，其临界值与膜的种类无关，大体上在1V左右。通常膜的内侧具有负的膜电位，由于迭加上脉冲电压，首先将从阳极一侧开孔，孔的大小及数目与脉冲波形、脉冲宽度、电场强度有关，而其修复速度则与温度有很大关系。遗传基因的导入和细胞的电融合，本质上是在相同的电气条件下诱发的，因此在装置结构上，只要搭载有细胞融合用的交流电源，就可以用于这两方面的目的。

遗传基因导入的一个例子是将原生质以2×10⁵个/ml的浓度悬浊于含有100μm、MgCl₂的0.5M甘露醇溶液当中,以1~10μg/ml的浓度加入核酸分子。将该试料以流量50~100μl/s连续送入电极间隙0.5mm的流量容器形电极内，以100ms的间隔连续加上场强0.5~1KV/cm的矩形波直流脉冲。由此，例如以100μl/s的流量通过试料室容量100μL/s的电极内的细胞，平均加上了十次脉冲。在向烟叶及豇豆叶原生质导入TMV（烟嵌病毒）时，感染率、生存率均在95%以上，形成感染细胞的速度为1×10⁶个/min。向细胞内导入DNA与此完全相同