文摘

plasma-activated水(爪子),作为一种新型环境友好型非热处理技术,吸引了广泛关注的应用在农业、食品和生物医学领域。本文利用介质阻挡放电array-plate针(针array-plate DBD)设备激活去离子水和爪子简单而有效地做好准备。发现活性氧和氮物种的浓度(罗恩)生成的过程中针array-plate DBD又大又多样。尤其是在600 - 770 nm波长范围的光谱强度更强。,离子风更可能与去离子水进行交互。爪子参数的变化与治疗时间和UV / Vis光谱测量在不同电压和needle-dielectric板的距离。结果表明,放电电压增加或减少needle-dielectric板距离罗恩的浓度增加,离子风速度,水蒸发,电导率的爪子和减少博士UV / Vis光谱结果表明,延长治疗时间导致的总吸光度和浓度增加H2O2 ,一个新的吸收峰出现在210 nm UV / Vis光谱。当波长大于210海里,我们新的高峰和颜色增强。的种子黄芪adsurgens幕被放电等离子体处理、爪子和等离子体和爪子。发现高电压和长期激活爪子能显著提高种子和萌发后幼苗的ROS水平为3天,导致氧化应激损伤。种子的成活率低于半数致死量。本文提供了一个可行的设备设计治疗大量活化水效率高,这是重要的爪子和诱变育种中的应用答:adsurgens棺罩。

1。介绍

近年来,低温等离子体的应用吸引了兴趣。由于地球上含量高的水和一些食物和生物也含有大量的水,放电等离子体的应用研究在农业、食品和生物医学领域主要涉及等离子体和水之间的相互作用。因此,等离子体设备应开发和设计。界面物理化学过程应该管制,激活的水应由等离子体研究。等离子体放电会产生大量的活性氧和氮物种(罗恩)通过等离子体放电在水中或水面,和罗恩之间的物理化学相互作用和水进行获取plasma-activated水(爪子)。爪子有活性成分含量高的特点,良好的均匀性和流动性,低pH值,指功能水(1,有广泛的应用,没有二次污染。

爪子被广泛用于许多领域,如医学、农业和生物学(2- - - - - -7]。爪子可以灭活SARS-CoV-2 [2)和豌豆的生长有积极影响,小麦和小扁豆幼苗(8- - - - - -10]。爪子也能有效地杀死金黄色葡萄球菌(11),抑制增长尖孢镰刀菌AF93247,有效抑制腐败的青椒和保持其质量(12]。

现有等离子体设备用于准备爪子包括氦等离子体射流装置(13,14),网状电极介质阻挡放电(DBD)设备(15- - - - - -17],反应堆设备介质阻挡放电装置[8)、阴极(针)阳极(铜环)介质隔离的玻璃管放电系统(18],平面DBD [1],和同轴DBD [19]。这些放电等离子体设备的主要缺点是等离子体和水之间的接触面积小,氦气的高成本、低血浆浓度由氦等离子体射流,和不适合大规模处理。鉴于爪子的广泛应用,其需求增加。等离子体设备用一个简单的设计,明显的激活作用,成本低,适合大规模处理是急需的。

的针板电晕放电装置被广泛使用在促进种子萌发(20.,21,干燥22,23解冻),(24),和其他方面。为了提高等离子体活性粒子的浓度和突出水、电场的影响DBD结构和传统的针array-plate电晕放电结构相结合,和一根针array-plate DBD设备使用。高压电极针是多针阵列,接地电极铝板是4毫米厚PMMA介质板覆盖着。的覆盖介质板不容易分解,和一个大的可调电压范围,增加血浆浓度,和明显的效果。血浆浓度高于其他等离子体排放过程中激活水用一根针array-plate DBD设备。水被激活,水面产生振动的涟漪。这是有利于水的蒸发,增加等离子体和水之间的接触面积,增强激活能力。爪子再激活时间可能是诱变育种的意义黄芪adsurgens棺罩。

2。材料和方法

2.1。等离子体放电设置和诊断
2.1.1。针Array-Plate DBD设备

针array-plate DBD设备用于本研究(图1)。实验设备的电源是交流的频率是50赫兹,和电压连续可调从0 kV 50 kV。高压电源变压器;针的高压电极由数组长度为2厘米;针的直径是1.56(±0.02)毫米,和4厘米的水平和垂直间距。接地端是一个平面铝板覆盖PMMA介质板厚度为4毫米。whole-electrode系统关闭使用黑盒来创建一个相对封闭的实验环境中,这可能会让空气进入,有效降低放电等离子体的扩散速度与外界完全与水的互动。

2.1.2。等离子体诊断

单反相机(日本尼康D7000)被用来捕获的图像在不同条件下的放电条件。等离子体发射光谱在不同电压和needle-dielectric板距离进行了分析使用光谱仪(卡米拉AN-DOR 328 i)诊断等离子体中粒子的种类和浓度由针array-plate DBD(光谱仪焦距:328毫米;图像分辨率:0.44 - -0.31 nm连续可调;探测器类型:DH334T-16F-E3)。

2.2。实验方法
2.2.1。放电等离子体处理

去离子水(UPR-I-60L UPR纯水制造系统、四川)被允许站在空中12 h。因此,去离子水溶解气体的浓度是平衡与空气中确保溶解气体的浓度是恒定在实验(25]。去离子水(50 ml)收集从量筒和放入聚丙烯培养皿内直径14厘米。去离子水的质量是使用电子天平准确称重精度为0.0001 g。

首先,当针尖端之间的距离和介质板是恒定的电压变化,爪子指标随时间的变化进行了分析:针尖端之间的距离和介质板是4厘米;50毫升的去离子水涌入一个培养皿的内径14厘米;液面深度只有0.325厘米;和针尖端的距离水面是3.675厘米。使用15千伏,20 kV, 25 kV电压,六个平行与去离子水被放置在每个培养皿电压梯度,每隔十分钟一个培养皿中被测量;每个实验重复3次。

当电压是恒定的,针尖端的距离改变介质板,爪子指标随时间的变化进行了分析:20 kV电压决定,并针之间的距离和介质板3厘米、4厘米、5厘米,把去离子水;此时,从针尖端到水面的距离是2.675厘米,3.675厘米,4.675厘米,分别。六个平行与去离子水被放置在培养皿的梯度needle-dielectric板的距离,和一个培养皿中被测量出每10分钟;每个实验重复3次。

2.2.2。离子风

离子风速下针的尖端在不同实验条件下用热式风速计测量探测器(405 i, Ruice电子科技有限公司,广州,中国;一个示意图如图1)。每个实验重复10次独立和平均。

2.2.3。蒸发率

六爪菜治疗在相同的实验条件下,和一盘每10分钟。爪子后的治疗方法是准确称重和标志使用电子天平的精度0.0001 g。在不同条件下处理过的水的蒸发率是计算使用以下公式: 在哪里V蒸发率,米的爪子的质量,的质量是未经处理的去离子水,年代横截面积的培养皿,t处理时间。

2.2.4。pH值

重爪的一部分了,它的pH值是衡量使用酸度计(上海PHS-2F)精度为0.01。

2.2.5。导电性

爪子收集的一部分,其电导率测量使用电导仪dds - 307 A(上海)精度为0.1。

2.2.6款。UV / Vis光谱

水处理后30分钟内,爪子的UV / Vis光谱使用微紫外/ Vis分光光度计(NanoDrop能够漂浮而且映射C)。要测试的液体注入一个10毫米石英试管。光程长度是10毫米,吸光度190 - 850 nm波长范围的测量。

2.2.7。光谱分析

罗恩的浓度可以确定从光谱使用比尔-朗伯定律: 在哪里ε是化学物种的摩尔吸光系数在一定的波长λ,l的光学路径长度(10毫米),然后呢c是罗恩的浓度。

罗恩总浓度的爪子可以获得的积分吸光度面积在190 - 340纳米波长的UV / Vis光谱[26]。罗恩总浓度可以按照下列公式计算:

2.2.8。H浓度2O2, ,

生成针array-plate DBD等离子体,激活水通过扩散和离子风和水之间的相互作用。激活水含有H2O2, , ,和其他粒子。主要化学反应途径如图2

(1)浓度的H2O2。研究表明,只有H2O2有助于长寿的吸收光谱在250纳米粒子在爪子。因此,H2O2从总吸收吸收分离。H的浓度2O2在解决方案可以使用的吸光度计算爪子在250和255海里27]。

根据比尔-朗伯定律,H的浓度2O2可以使用吸光度值计算在250和255海里通过以下公式: 在哪里n(H2O2)是H的浓度2O2在解决方案; 在250和255海里的吸光度值,分别;和l的光学路径长度(10毫米)。H的浓度2O2计算使用以下方程:

(2)的浓度2。土壤和水 使用内容检测设备(Solarbio北京)。在酸性条件下, 与3-aminobenzene磺酸反应形成重氮的化合物,然后与N-1-naphthylethylenediamine盐酸盐反应形成紫色偶氮的化合物。观察一个特征吸收峰在540海里。的浓度 可以计算使用540 nm的吸收峰。

(3)的浓度3。刘等人研究了罗恩的浓度在爪子,发现230和235海里,爪子的吸光度测量使用UV / Vis分光光度计是H的总和2O2, , 浓度。的浓度 可以计算按照H的浓度2O2 通过使用下列方程(27]:

在哪里α,β,ε摩尔吸光系数系数,可以得到合适的单粒子的浓度和吸光度函数在指定的波长。的腹肌λ在向量是吸收波长λ

2.2.9。爪子和放电等离子体对种子的影响黄芪adsurgens笼罩在

的种子答:adsurgens笼罩在服用4厘米needle-dielectric板距离,25 kV电压,60分钟的治疗时间,爪子在相同条件下。等离子体处理25千伏的电压;needle-dielectric板的距离是4厘米;治疗时间是60分钟。种子处理爪子也在这些条件下获得的。所选的种子均匀的放置在培养皿中直径9厘米和50每道菜的种子。没有任何治疗,去离子水文化集团(对照组)标记为CK;放电等离子体处理后,去离子水文化集团是标记为等离子体;没有放电等离子体处理,爪子文化组标记为爪;coculture群放电等离子体和爪子是标记为等离子体+爪子。

所选的种子被放置在与三层滤纸的培养皿。每隔一天,去离子水添加到培养皿的CK和等离子体组,爪子是添加到爪子和等离子+爪子团体保持足够的水。种子被置于光孵化器的恒温24°C。种子发芽后,光线孵化器与100勒克斯光辐照,连续照明14 h,黑暗10 h。存活率是数6天后。种子存活率的公式如下:

在哪里年代存活率,N种子的总数,n6第六天是发芽的数量。

2.2.10。幼苗ROS含量测试

从同一处理幼苗,1.5 g是随机选择的第三和第六天接种,和冰浴后的ROS测量地面。底物用于测定20岁的时候,70 - dichlorodihydrofluorescein二醋酸盐。被测试的样品是反应与10毫米CM-H2DCFDA 25°C 30分钟在黑暗中根据先生的方法等。28]。样本被放置在一个96孔板在黑暗中包含100µL蒸馏水,然后放到一个标(SpectraMax I3、分子设备(MD)公司、美国)。530海里的激励强度与激发光激发探测到485海里。这是重复六次或更多。

3所示。结果

3.1。等离子体诊断
3.1.1。在不同条件下等离子体放电

在黑暗条件下,针array-plate DBD可以产生明显的紫色光(图3)。

3(一个)展示了等离子体放电模式4厘米needle-dielectric板间距时,电压变化。在图3(一个)等离子体放电现象在25千伏的电压是最明显,其次是在20千伏的电压,并在15千伏的电压弱。在15千伏,只有微弱的光可以看到。

3 (b)展示了等离子体发射图观察到20千伏的电压,needle-dielectric板间距是改变。3厘米的等离子体放电距离needle-dielectric板是最明显,其次是在needle-dielectric板4厘米的距离,和弱needle-dielectric板5厘米的距离。

等离子体放电电压和减少needle-dielectric板距离增加而增大。

3.1.2。离子风在不同条件下的变化

4(一个)显示离子风速在不同电压下的测量结果。离子风速增加线性增加电压。图4(b)显示了离子风速的测量结果在不同needle-dielectric板的距离。离子风速随needle-dielectric板距离增加而减小。

3.1.3。在不同条件下的等离子体发射光谱诊断

等离子体发射光谱图所示5。罗恩的浓度产生过程中针array-plate DBD很高,和各种存在。O(715.6和799.8海里),N(674.4和631.6海里),没有2(594.1海里),N+(426海里), (393.4海里), (337.3,357.3,和315.8海里),也没有γ(297海里)可以清楚地观察到发射光谱。40余年的N (3 p - 3)和O(40余年3 p - 3)光谱的波长范围显著增加600 - 900 nm,和峰高增加显著增加电压。

发射谱线的光谱强度的啊,没有2, ,N+, ,也没有γ在图6(一)随着电压的增加而增加,这些粒子线的光谱强度图6 (b)减少随着needle-dielectric板距离的增加。这个结果对应于图中观察到的现象3,从而证明了等离子体浓度的变化。

3.2。分析的爪子
3.2.1之上。蒸发率

4表明,在相同条件下,高电压和低needle-dielectric板距离导致高离子风速。此外,高电压和低needle-dielectric板距离导致快速蒸发率的水由于离子风的作用和高压电场(图7)。

3.2.2。爪子的pH值和电导率

最初的pH值和电导率µS /去离子水的6.54和2.93厘米,分别。爪子pH值降低,增加治疗时间,和下面的最小值可以3。10 ~ 30分钟后治疗,pH值大幅下降,30分钟后,pH值下降缓慢,往往是稳定的。当needle-dielectric板距离是4厘米,高电压导致低pH值的爪子。在恒定电压20 kV,爪子needle-dielectric板距离导致低pH值的减少(图8)。

治疗后大幅爪子电导率的增加,特别是随着电压。在needle-dielectric板4厘米的距离和25千伏的电压,导电率线性增加。获得最高的电导率是1400左右μS /厘米。在20千伏的电压,needle-dielectric板距离导致高导电性的变化爪子(图9)。

3.2.3。UV / Vis光谱的爪子

在needle-dielectric板4和5厘米的距离,电压(图1510 ())和20(图10 (e))kV,分别。这两个图片的UV / Vis光谱,即相同的轮廓和峰值位置,类似于那些通过哦et al。25和刘et al。27]。needle-dielectric板距离的4和3厘米,20千伏的电压(数字10 (b)10 (d)),治疗10分钟,UV / Vis光谱先前的研究中都是相同的。治疗20分钟后,一个新的峰值出现在UV / Vis光谱。这个时候,随着处理时间增加,从190年到210纳米波长的光谱曲线没有明显变化。然而,在波长超过210海里,一个新的峰红移和颜色增强观察与处理时间增加。在图10 (c)needle-dielectric板4厘米的距离,25千伏的电压,并增加治疗时间,红移和色彩增强的现象明显。

3.2.4。罗恩的总吸光度

11显示了爪子的总吸光度的变化在不同条件下获得的。随着治疗时间的增加,爪子的总吸光度增加。在恒定needle-dielectric板距离,电压的增加会增加总吸光度。在恒定电压,减少needle-dielectric板距离导致增加总吸光度。总吸光度的增加表明组件爪子的浓度增加。

3.2.5。H浓度2O2, ,

(1)浓度的H2O2。图12显示H的浓度2O2计算按照方程(4)- (6)。增加治疗时间导致增加H2O2浓度的爪子。在恒定needle-dielectric板距离,高电压导致高H2O2浓度。在恒定电压,一个小needle-dielectric板距离导致高H2O2浓度,浓度最高的是60 mg / L。

(2)的浓度 当水被激活needle-dielectric板距离的4厘米和15千伏电压和needle-dielectric板5厘米的距离和电压20 kV, 浓度增加而延长治疗时间。当水被激活在needle-dielectric板4和3厘米的距离和电压20 kV, 浓度先增加然后减少与增加治疗时间。在needle-dielectric板4厘米的距离,25 kV电压,和激活时间10分钟, 浓度达到1.22 mg / L和减少持续时间。最低的 浓度达到0.29 mg / L(图13)。

(3)的浓度 在图14, 集中展示了相同的变化模式H2O2浓度。的浓度 爪子增加而增加治疗时间,恒定needle-dielectric板距离,高电压高 浓度。在25千伏的电压 浓度为24.57 mg / L。在恒定,needle-dielectric板距离导致高 浓度。needle-dielectric板3厘米的距离, 浓度是最高的(达到135.65 mg / L)。

3.2.6。的生存黄芪adsurgens笼罩在种子

在图15,等离子体的存活率组略低于CK组,但两组之间没有显著差异。两组用爪子的存活率明显降低,达到半致死剂量,与CK组明显不同。等离子体的存活率+爪组下降最明显。之间没有显著差异爪组和等离子体+爪子,这表明两组的死亡率增加,存活率下降主要是由于爪子的效果。

3.2.7。ROS内容更改

如图16在治疗后,ROS内容在接种后第3天低于对照组;ROS在等离子体的内容+爪组高于其他群体;还有一个重要区别等离子+爪组和其他组。在接种后的第六天,每组的ROS含量低于第三天,ROS的内容在治疗组明显低于对照组。

4所示。讨论

在等离子体放电过程中,血浆浓度增加而增加电压和空气电离程度。此外,needle-dielectric板距离调整时,一个小needle-dielectric板距离和高电压导致血浆浓度高。图显示了一个高电压放电现象和一个小needle-dielectric板等离子体发射距离导致明显的现象。增加电压和减少needle-dielectric板距离导致线性增加离子风速。离子风指的是等离子体流动的空间和罗恩。除了罗恩的离子风溶解到水激活,罗恩的空间流动的过程中扮演着重要的角色针array-plate DBD激活的水。首先,离子风速的增加可以改善水的蒸发速度,然后爪子罗恩的浓度增加,从而提高活动效率的爪子。第二,治疗期间,离子风碰撞与水形成水表面波。考虑水的波动,许多罗恩溶解到水中,和水反应。与其他设备相比,产生的放电等离子体使水活跃的扩散和渗透,激活效果是显而易见的。

在等离子体发射光谱、等离子体生成的针array-plate DBD包含啊,没有2N2N+N2+,没有γ和其他粒子,这些粒子的浓度与放电电压的增加也会增加或减少needle-dielectric板距离;这个法律可以证明通过增加等离子体发射光谱的强度。O的氧化潜力为2.42 V, O是一种强的活性氧粒子氧化潜力和激活过程中起着重要的作用。光谱分析表明,所产生的等离子体发射光谱强度针array-plate DBD高于其他等离子体放电设备常用的近年来,例如,直流等离子体喷射系统研究了邓et al。29日)和反向放电系统研究了捷克et al。30.]。虽然大气压等离子体射流装置研究了陈等人有一个高强度的波长范围300 - 450海里;其强度的波长范围590 - 810海里远低于本文中所使用的实验方法;O含量低。因此,与其他等离子体排放相比,针array-plate DBD的优势大血浆浓度和丰富的等离子体类型。

随着电压和治疗时间,减少needle-dielectric板距离,降低pH值的爪子,增加电导率。的pH值和电导率的变化是由于治疗时间增加,血浆浓度和离子风速。爪子的UV / Vis光谱表明UV / Vis光谱基本上是一样通过先前的研究在needle-dielectric板距离4厘米和15千伏电压和needle-dielectric板的距离5厘米和20 kV电压。然而,随着放电电压,减少needle-dielectric板距离,和延长治疗时间,一个新的峰值出现在UV / Vis光谱。换句话说,高浓度的放电等离子体和长时间的治疗结果的发生化学变化的爪子和可能生产的新物质。后将出现一个新的峰值,增加治疗时间,UV / Vis光谱曲线从190年到210海里没有明显变化,接近巧合。然而,当波长大于210纳米,新的峰红移和色彩的增强是观察与延长处理时间。红移现象的产生是由于共轭效应和pH值的影响UV / Vis光谱,从而改变分子性质。根据比尔-朗伯定律,UV / Vis的总吸光度光谱可以通过积分吸光度地区从190年到340纳米波长。大总吸光度产生高浓度的罗恩爪子。

计算和比较表明,高电压和小needle-dielectric板距离导致高总吸光度,根据上述的结论。此外,罗恩的爪子准备针array-plate DBD放电高于设备用于先前的研究。H的浓度2O2 增加与增加电压,邻近needle-dielectric板的距离,和治疗时间。研究刘et al .,最大浓度的H2O2 分别可以达到2.2和9 mg / L, (27]。哦,et al .,研究氢的浓度2O2总是低于1毫克/升,最高浓度的 大约是0.5 mg / L (31日]。然而,我们使用实验设备的浓度可以达到5 mg / L水激活时的最低水平的10分钟,可以长期治疗后达到63 mg / L。的浓度 不同于那些H2O2 的变化趋势。UV / Vis光谱分析表明,在needle-dielectric板3和4厘米的距离,电压20 kV,治疗时间短,UV / Vis光谱爪子只显示峰值的波长203 nm。在这个时候,的浓度 随治疗时间的延长。治疗后超过20分钟,在UV / Vis光谱峰值变化,红移,和增强现象观察,的浓度 随治疗时间增加。当needle-dielectric板的距离是4厘米,电压是25 kV, UV / Vis光谱改变从10分钟的治疗,并随浓度增加治疗时间。这个结果可能是由于激活明显是由于高电压,关闭needle-dielectric板距离,和治疗时间长。当H2O2 达到一定浓度,生成的氧化还原反应发生 和H2o .因此,的浓度 减少。

人们普遍认为,放电等离子体处理的种子或爪子能促进植物的生长和萌发率,但没有显著差异在最后种子的成活率20.,21,32];因此,它是不可能使用放电等离子体诱变育种。尤其是对的种子答:adsurgens笼罩,因为有一个致密的表皮蜡层,放电等离子体很难穿透种子外套和达到胚胎;然而,放电等离子体蚀刻后,罗恩的爪子可以达到胚胎网站在种子萌发和生长过程中,发生一系列复杂的过程,可以实现诱变育种的目的。研究表明,生长的答:adsurgens幕显然是被爪子25 kV电压,needle-dielectric板4厘米的距离,和激活时间60分钟。爪子和放电等离子体的联合治疗有显著影响的种子,这减少了增长的活动答:adsurgens幕,导致经济增长缓慢。与此同时,的生存答:adsurgens笼罩在种子被爪子是不到致命的一半。研究表明,活性氧中扮演一个重要的角色在细胞增殖,分化和凋亡信号分子的作用。ROS是一个重要的标记连接的物理和生物的解释连接电磁因果链。等离子体和爪子处理后,细胞中活性氧生成矩阵进入细胞,与细胞中的大分子相互作用,从而改变细胞的代谢活动和遗传特征(33]。等离子体的协同作用下,爪子,植物被外界刺激,和大量的活性氧积累在植物在很短的时间内,这将打破ROS及其清除系统的平衡,即保护酶系统;它造成了严重的氧化应激损伤和幼苗的存活率降低。接种后很长一段时间,治疗组是由外部刺激,刺激和体内活性氧的积累造成的活动清除系统。等离子+爪子的ROS浓度显著降低接种后6天。的存活率和ROS浓度数据答:adsurgens幕显示,过高或过低ROS浓度会抑制种子发芽。放电等离子体的协同效应和爪子可以应用于诱变育种答:adsurgens棺罩。的诱变育种具有重要意义答:adsurgens棺罩。

5。结论

(1)等离子体产生的针array-plate DBD设备有一个很大的浓度和丰富的类型。增加电压和减少needle-dielectric板距离导致增加血浆浓度和离子风速。(2)增加离子风速可以加快水的蒸发和罗恩在爪子的浓度增加。在治疗过程中,离子风和水波纹在水面碰撞形式。许多罗恩是溶解在水中,与水的波动反应。这种激活效应更明显的放电等离子体直接作用在水激活它。(3)放电等离子体的浓度高,处理时间长导致的变化峰值在190 - 210海里UV / Vis光谱。和颜色增强在波长发生红移现象高于210海里,和化学反应发生在爪子。(4)放电等离子体的联合行动和爪子增加了死亡率种子和幼苗的ROS水平显著。它造成了严重的氧化应激损伤,存活率显著降低,达成以下致命剂量的一半。的诱变育种具有重要意义答:adsurgens棺罩。

数据可用性

数据可从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金(51767020和51767020号),内蒙古自治区科技计划项目(2020号gg0280)和内蒙古自治区自然科学基金(2019 ms06025和2020 ms01016号)。