专利名称：一种在物体内产生高压脉冲感应电流的方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高压脉冲感应电流产生的方法及设备。
技术背景
高压(或称高强度)脉冲电场(Pulsed Electric Fields, PEF)已在食品加工、医疗和污染物处理等多个领域得到应用。
以食品加工为例，高压脉冲感应PEF处理是一种新型的非热食品杀菌技术，它是以较高的电场强度(10-50kV/cm)、较短的脉冲宽度(0-100 μ s )和较高的脉冲频率 (0-2000ΗΖ)对液体、半固体食品进行处理，并且可以组成连续杀菌和无菌灌装的生产线。 其杀菌原理是通过外部电场与微生物细胞膜直接作用，从而破坏细胞膜的结构，形成“电穿孔”而导致微生物灭活。电穿孔现象是指细胞暴露在高压脉冲感应PEF作用下出现的细胞膜失稳并在细胞膜上形成小孔的现象。由于细胞质膜通透性大幅增加，细胞内的渗透压高于细胞外，最终导致细胞膜的破损。微生物细胞膜由镶嵌蛋白质的磷脂双分子层构成，它有一定的电荷，具有一定的通透性，也有一定的强度。膜的内外表面间具有一定的电势差， 当细胞膜上外加一个电场时，这个电场将使膜内外的电势差增大。由于细胞膜两表面堆积的异号电荷相互吸引，引起膜的挤压；当电场强度增大到一个临界值时，细胞膜的通透性剧增，出现许多小孔，使膜的强度降低；进一步的作用使细胞膜产生不可修复的大穿孔，使细胞组织破裂、崩溃，导致微生物失活。
高压脉冲感应PEF杀菌实验的指示微生物包括枯草芽抱杆菌、德氏乳杆菌、单核细胞增生李斯特氏菌、荧光假单孢菌、啤酒酵母、金黄色葡萄球菌、嗜热链球菌、大肠杆菌、 大肠杆菌0157、霉菌和酵母等，研究结果表明，高压脉冲电场PEF处理对这些微生物的营养体细胞均有较好的杀灭作用，影响高压脉冲感应PEF杀菌的因素有很多，它们严重影响着杀菌效果，基本上分为(1)加工因素电场强度、处理时间、脉冲频率、脉冲宽度、脉冲形状、样品流速和初始温度。(2)产品因素产品成分、导电性、离子强度、ρΗ、水分活度和黏度。 (3)微生物特征因素微生物种类、生长条件和生长时期。
目前的高压脉冲感应PEF技术具有下列缺点(1)脉冲电场会影响蛋白质基团间的静电相互作用和带电基团的定位，扰乱蛋白质氨基酸残基间的电场分布和静电相互作用，导致电荷分离，从而影响蛋白质的结构(二级和三级)。(2)电极周围的电化学反应会对包括蛋白质在内的食品组分产生一定的影响。(3)由于电化学反应会引起电极腐蚀，电极中的铁、铬、镍、锰等金属物质会释放到食品中。(4)电极电化学反应的产物，例如一些自由基、活性氯、活性氧等很可能引发脂质由单重态氧、自由基和其他氧化性物质引发氧化反应(链式反应)，产生一系列复杂的氧化产物。(5)高压脉冲感应PEF对食品碳水化合物组分和维生素的影响较大。(6)高压脉冲感应PEF技术的最大局限是只能用于液态食品(如牛奶和果汁)，半固态食品效果较差，固态食品基本上无法运用。主要原因是电极和加工食品不能良好接触，固态食品内部的非均勻结构和导电性差异也影响灭菌效果。
高压脉冲感应PEF系统设备主要包括五部分电源装置、脉冲发生装置(包括电容和控制开关)、样品处理室、冷却系统和温度测定系统。
高压脉冲感应PEF应用于医学领域主要集中在肿瘤细胞的电穿孔 (electroporation, EP)。通过癌细胞膜的穿孔，克服膜对治疗药物的屏障作用，改善药物疗效，减小肿瘤对药物的耐药性，是近年来出现的肿瘤治疗新技术，还可望用于肿瘤的基因治疗。这种方法采用的电场强度不低于600V/cm，使细胞产生可逆性穿孔，不能真正杀死癌细胞。如果提高电场强度，可能在杀死癌细胞的同时殃及周围正常细胞。美国Genetronics 公司生产的Medpulser电穿孔治疗仪采用方波电脉冲，有6枚针状电极插入肿瘤，产生不低于780V/cm的均勻电场。这种技术的局限性表现在电场范围的控制上，过大会伤及正常细胞，过小则不能对癌细胞完全杀灭。即使处于电极之间的癌变组织，电场的均勻性也难以达到。此外，电极需插入人体，属于创伤性治疗手段。
高压脉冲感应PEF还可应用于液态食物中有害物质(如有机磷)的降解或污水中污染物的分解净化。但任然不能应用于固态物质的处理。
利用高压脉冲电场灭菌是近年来国外较活跃的研究领域，已有较多专利公开。国内主要专利申请来自各大专院校。发明专利(01130064)涉及的装置主要由高压脉冲电发生装置、参数测量、显示及调控装置、屏蔽及自动保护装置和高压脉冲电场处理室组成。将待灭菌物质通过高压脉冲电磁场时，微生物在极短时间内受强电磁场力作用，其细胞结构由于细胞膜之间的电位差而被破坏，导致细胞膜不可逆穿孔极化。发明专利(20031011拟99) 公开了一种脉冲电场用于烟草杀虫灭菌的方法。该方法通过脉冲幅度为1 O 1 5 K ν / c m的低频冲击脉冲作用放置在电极之间的烟叶，一定时间后即可杀灭虫菌。单向正脉冲或单向负脉冲，或双向脉冲均可。但该发明没有说明如何让电极与烟叶保持均勻接触的方法，而这一点在生产工艺中至关重要。发明专利(200410011305)涉及一种用于食品、饮品高压脉冲电场处理的装置，由分别与可控高压脉冲电源两极相联接的两个电极组成，是两个径向尺寸不同、而截面形状相同的空心管，呈同轴状套装一起，端口通过绝缘体隔离环将两个空心管电极隔离开，并固定封闭，在该两个空心管电极间形成的环状间隙即为承载处理物料的容腔，在外层极板上设有与该容腔相通的物料进、出口。发明专利(200410077405)公开了一种预极化脉冲电场灭菌方法，即在高压脉冲电场灭菌之前，先将物料在静电场中进行预极化处理，所述静电场场强为100 lOOOV/cm ；预极化脉冲电场灭菌设备包括贮料罐、泵、真空脱气装置、高压脉冲电发生器、电脉冲处理室和与直流电源连接的电极。发明专利(200510041039)公开了一种采用高压脉冲电场杀菌技术的无糖茶饮料生产方法，先将茶叶于热水中浸提，茶汤经筛网过滤后迅速冷却，离心去沉淀；茶汤经微滤膜进一步过滤后，再经高压脉冲电场灭菌。处理后的茶饮料中茶多酚含量、风味物质含量及色差均无明显变化，将其低温储藏9个月后，安全性和感观品质仍良好。发明专利(200710008847) 涉及一种非热力果蔬浓缩汁杀菌抑酶加工方法，即利用高压脉冲电场杀菌技术，同时结合冷冻浓缩工艺来制取果蔬浓缩汁，加工处理步骤是①在常温下，使果蔬汁流经电场强度> 1 O k ν / c m，脉冲数彡1 O个，脉冲宽度彡2 μ s 1 O O μ s的高压脉冲电场进行灭菌处理，并部分钝化果蔬汁中的酶；②将处理后的果蔬汁在O ！以下的温度冷冻浓缩， 抑制果蔬汁中酶的活性，使整个处理过程在较低温度下进行，从而在实现杀菌抑酶的同时， 解决因热力方法所导致的果汁品质下降问题。发明专利(20071044498)涉及一种液体食品用高压脉冲电场杀菌处理装置。它的脉冲信号发生电路的脉冲信号输出端和脉冲发生电路的控制信号输入端连接，脉冲发生电路的两个脉冲信号输出端与放电电路的两个脉冲控制信号输入端连接，放电电路的电压信号输入端和升压电路的电压信号输出端连接，灭菌电容的两个极板分别与放电电路的放电信号输出端和电源地连接；处理室为密封长方体空间，灭菌电容的两个极板分别固定在处理室内两个面积最大的相对内壁上，两个极板充满其所固定的内壁，在与电极板垂直的处理室的侧壁上，开有一个进料口。它可以应用到液体食品灭菌领域。
美国从1987年到2002年间批准了 200多个有关高压脉冲感应PEF处理食品的专利。比如Durm和Pearlman (1987)的专利(延长液态食品货架期的装置和方法)，M0rshuis (2002)的专利(利用脉冲电场保藏食物的方法和仪器)，RcAbinS (2001)的专利(使用低电压脉冲电能来降低在电导性介质中的微生物数量的过程和仪器)和Lelieveld和Volanschi (2001)的专利(食品保藏的方法和仪器)等。
在非食品处理方面，中国实用新型专利(2003249380 )涉及用高压脉冲电场杀灭液体中有生物(如病毒、细菌、藻类等微生物)的一种高压旋转脉冲电场杀藻灭菌机，其特征在于灭菌机由至少两个高压电场柱、一个高压开关和一个同轴动态水处理空腔构成，同轴动态水处理空腔为轴线部位放置有导线的圆筒形形状，导线为阳极，圆筒形外套为阴极，阳极与阴极之间的空腔为高压电场灭菌处，导线与高压开关一端联接，圆筒形外套与高压电埸柱一端联接，高压开关与高压电场柱另一端联接；每一个高压电场柱由底部的变压器组和上部的电容器和二极管群组成；多磁路叠加产生高压电的变压器组由2-70个变压器进行同相位叠加组成，存储电荷的电容器和二极管群由50-10000个串联连接而成。发明专利 (2008102M305)涉及一种降低豆奶中有机磷农药残留的方法，将含有有机磷农药残留的豆奶经蠕动泵流入预处理室，采用抽真空的方法对豆奶进行脱气、预冷，设定高压脉冲电场参数，开启蠕动泵，将豆奶泵入高压脉冲电场处理室，对豆奶进行处理，使豆奶中有机磷农药浓度得到显著下降。发明专利(200810003740)揭示了一种生物污泥高效脱水的方法，处理后的污泥含水量低于5 O %。经过自身酶催化处理后的生物污泥在电压为2 5 kV / c m- 1 2 O k V / c m、频率为1000Hz— 10000Hz高压脉冲电场和作为穿孔剂的浓硫酸或三氧化硫的协同作用下，污泥中微生物细胞结构被破坏。从破碎的细胞中释放出来的蛋白质、核酸和其它生物大分子物质被新产生的硫酸钙和阴或阳离子型聚丙烯酰胺凝聚脱水形成结构致密的大块污泥凝聚体，后者被投入压榨脱水机械脱去游离的水分。 美国专利(Held和Chauhan (2002)的专利提出一种使用高电压分子破坏废活性污泥的方法。
英国斯坦顿有限公司公开了一条发明专利(200680026027 )具有一定特性的电场已经显示出在阻止癌细胞(以及其它迅速分裂细胞)的生长过程中是有效的。但是，当癌症位于身体表面下的目标区域内时，传送所述有益电场到所述目标区域很困难的。通过在身体表面和所述目标区域之间放置生物相容场导、在场导的每一个侧放置电极、以及在所述电极之间施加具有适当频率和振幅的交流电压，可将有益场导引到所述目标区域。在替换实施例中，所述电极之一被直接放置在场导上面。显然，这种方法任然需要将电极和场导插入人体，电极之间的均勻性问题任然存在。发明专利(1993102036)涉及一种配合药物治疗癌症的辅助电疗装置。通过调压，升压、倍压整流得到高压低直流电(场)，经继电器产生间歇性电流(场)，接复合电极板，使复合电极板的绝缘材料极化，产生一种安全并能使人体深部肿癌组织断续存在的均勻静电场。从而干扰癌细胞生长，引导药物聚集在肿癌组织内，发挥配合药物治疗癌症的辅助作用。该方法采用的是低压非脉冲电场，电场干扰癌细胞的机理不清楚。故疗效存疑。发明内容
高压脉冲电场的建立必需满足几个条件(1)高电场强度(大多数微生物灭活的最低临界强度范围是4-14kv/cm); (2)必须是直流或极低频交流电场(S卩加于细胞膜表面的电场最好保持一个方向，如果来回高速变化，不能使膜穿孔)；(3)具有脉冲特性；(4)需一定的处理时间；(5)电场的建立需要在被处理物中设置一正一负至少两个电极。
如前所述，电极的使用会带来一系列问题。
本发明提供一种在物体内产生高压脉冲感应电流的方法及设备，目的就是满足前面4个条件而取消电极条件，使该技术相比于现有的高压脉冲技术具有更大的优越性，本发明能以非接触方式在待处理的物体内产生高压脉冲感应电流。
由于本发明提出的技术采用了特别的感应电场方式，故称为高压脉冲感应电场技术(Pulsed Induction Electric Field)，简称PIEF。高压脉冲感应电场技术PIEF的产生来自高压脉冲感应发生器(PIEF发生器)。PIEF发生器负责提供高压脉冲的波形、持续时间和所需强度。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种在物体内产生高压脉冲感应电流的方法，包括下列步骤(1)电源产生所要求强度的直流高压；(2)利用一个或成组的电容来贮存电能；(3)通过脉冲成形网络以规定的波形和波宽释放高压脉冲；(4)高压脉冲使感应线圈组产生脉冲形式的磁感应通量变化；(5) 磁感应通量的变化在感应线圈组附近的空间激发产生脉冲形式的高强度感应电场；(6)放置于感应电场中待处理的物体内部产生脉冲形式的高强度感应电动势；(7)感应电动势在待处理的物体形成脉冲形式的直流高强度感应电流，该方法能以非接触方式在待处理的物体内产生高压脉冲感应电流。
所述方法，在感应线圈和/或待处理的物体内部或外部适当位置添加能增强感应线圈组磁感应通量且本身电阻率很大以至于涡流效应很小的物质或结构件，使穿过该待处理的物体的磁感应强度提高，但不会在添加的物质或结构件内部产生显著的涡流。
所述方法，在待处理的物体内部添加导电率高的物质，以提高待处理的物体内部产生的感应电流强度。
所述方法，在待处理的物体内部添加的电导率高的物质，包括金属粉、盐末、电解质、高导电率液体以及他们的混合物。
所述方法，待处理的物体的形态可以是固态、液态或气态；从类别看，可以是活体生物组织、非生物体、金属、陶瓷、高分子材料、食物，药物或日常用品；从运动状态看，可以固定不动进行处理，也可以呈流动或移动状态，不间断地进行处理。
所述方法，增强磁感应强度的导磁材料包括铁基合金和铁氧体；或增强磁感应强度的导磁材料可以是闭环状的变压器铁芯，也可以制成其它结构件，也可以制成微粒状；导磁材料可以放置于感应线圈之中，也可以放置在感应线圈之外；可以放置在待处理的物体之外，也可以放置在待处理的物体内部。
所述方法，让导磁材料结构件伸入待处理的物体凹陷中，使通过该待处理的物体内部的磁力路径和磁力线密度以及磁感应强度均增大；或让导磁材料结构件放入在原本闭合的导磁材料结构件上的一个或多个缺口中，使密集的磁力线穿过待处理的物体，在其内部产生很强的脉冲感应电流。
所述方法，待处理的物体为可能被微生物或/和有毒物污染的食物、药物或日常用品，待处理的物体表面或内部产生的感应电流用于微生物的灭活和有毒物质的分解；或待处理的物体为人体或生物体病变组织，病变组织内部或皮肤表层产生的可控强度脉冲感应电流用于促进组织内部或皮肤表层细胞通透性的增加，通透性的增加可以通过细胞膜的可逆或不可逆穿孔来实现；或待处理的物体为肿瘤组织，细胞膜的可逆穿孔用于促进药物进入肿瘤细胞内部，细胞膜的不可逆穿孔或破坏则用于直接杀灭肿瘤细胞。
所述方法，其特征在于通过向病变组织注入或输入药物，同时或者仅仅注射或输入含有高导磁率材质微粒的生理盐水或其他高电导率液体，使病变组织中的磁力线密度高于周围正常组织，使得病变细胞承受的脉冲感应电流比周围正常细胞大；或细胞膜的可逆穿孔用于促进外部基因向细胞内的转移；或细胞通透性的增加用于促进血液中葡萄糖进入细胞；皮肤表层细胞或组织通透性的增加用于促进药物从皮肤进入人体；或在组织内部或表面或皮肤外表层加入含高导磁率材质微粒的液体，包括含葡萄糖包裹的铁氧体纳米微粒的生理盐水或其他混合后的液体。
一种在物体内产生高压脉冲感应电流的设备，它至少包括一个能产生所要求强度的直流高压电源；一个或多个能贮存电能的电容组成脉冲成形网络；至少一个充放电开关；至少一个或一组感应线圈；当脉冲成形网络以规定的波形和波宽释放高压脉冲后，高压脉冲使感应线圈组产生脉冲形式的磁感应通量变化，磁感应通量的变化在感应线圈组附近的空间激发产生脉冲形式的高强度感应电场，放置于感应电场中待处理的物体内部产生脉冲形式的高强度感应电动势，感应电动势在待处理的物体内部以非接触方式形成脉冲形式的直流高强度感应电流，该设备能以非接触方式在待处理的物体内产生高压脉冲感应电流。
本发明与现有高压脉冲感应PEF的不同之处在于(1)不需要电极即可产生可控的高强度脉冲电流；(2)待处理的物体只要能导电且处于感应线圈组产生的空间感应电场内，即可在内部产生所需的高强度脉冲电流；(3)在待处理的物体内部或外部添加能增强感应线圈组的磁感应通量(磁通量)的物质，可以增强感应电动势在物体内部形成的脉冲形式感应电流；达到提高杀灭微生物或癌细胞效果的目的。
本发明可应用于食品加工、食品加工、医疗和污染物处理。
图1单指数衰减型高压脉冲感应电流的电路示意图。
图2双极指数衰减型高压脉冲感应电流的电路示意图。
图3高磁导率，低涡流效应结构件与待处理的物体相对位置实施例一的示意图。
图4高磁导率，低涡流效应结构件与待处理的物体相对位置实施例二的示意图。
图5高磁导率，低涡流效应结构件与待处理的物体相对位置实施例三的示意图。8
图6高磁导率，低涡流效应结构件与待处理的物体相对位置实施例四的示意图。
图7高磁导率，低涡流效应结构件与待处理的物体相对位置实施例五的示意图。
图8高磁导率，低涡流效应结构件与待处理的物体相对位置实施例六的示意图。
图9高磁导率，低涡流效应结构件与待处理的物体相对位置实施例七的示意图。
图10水果表面处理生产线的示意图。
图11灭菌保鲜箱的结构示意图。
图12癌变组织体外治疗原理示意图。
具体实施方式
本发明涉及一种产生单向直流高压脉冲感应电的方法和设备直流高压脉冲感应发生器(PIEF发生器)。PIEF发生器负责提供高压脉冲的波形、持续时间和所需强度。设备的正常工作包括下列过程(1)电源产生所要求强度的直流高压；(2)利用一个或成组的电容来贮存电能；(3)通过脉冲成形网络以规定的波形和波宽释放高压脉冲；(4)高压脉冲使感应线圈组产生脉冲形式的磁感应通量变化；(5)磁感应通量的变化在感应线圈组附近的空间激发产生脉冲形式的高强度感应电场；(6)放置于感应电场中待处理的导电物体内部产生脉冲形式的高强度感应电动势；(7)感应电动势在导电物体内部形成脉冲形式的高强度感应电流。(8)如果在感应线圈和/或导电物体内部或外部适当位置添加能增强感应线圈组磁感应通量且本身电阻率很大或涡流效应很小的物质或结构件，能够使穿过导电物体的磁通量增量提高，而且不会在添加物质或材料内部产生明显的涡流而耗能；(9)如果在待处理的物体内部添加导电率高的物质，能够提高处理物内部产生的感应电流的强度，从而提高杀灭处理物表面或内部存在的微生物，癌细胞以及分解有毒物质的效率。
图1是可产生单指数衰减型高压脉冲感应电流的电路示意图。图中1是直流高压电源，可以产生不低于数千伏特的直流高压，Rl是充电电阻，Cl是用于充放电的电容器，4 是传输线电阻，5是开关电阻，6是感应线圈电阻，7是感应线圈，8是感应线圈产生的单向磁力线，9是放置于感应线圈附近的导电物体，10是在导电物体内部产生的单向感应电流，11 是充放电开关，又称为电闸。电闸11以高压脉冲方式通过脉冲成形网络释放电能，它必须能够控制存在于电容器3中的高电压和作用于成形网络中的高电流。市场上有两类高功率电闸，即ON电闸和0N/0FF电闸。后者具有随意开关的功能。
图2是可产生双极指数衰减型高压脉冲感应电流的电路示意图。图中1是直流高压电源，Rl、R2和R3是充电电阻；Cl、C2和C3是用于充放电的电容器，4是传输线电阻，5 是开关电阻，11是充放电开关，6是感应线圈电阻，7是感应线圈，16是高磁导率结构件，可以引导感应线圈产生的磁力线方向，增加磁力线密度，9是放置于高磁导率结构件外围的导电物体，10是在导电物体内部产生的单向感应电流。
既能增强感应线圈组磁感应通量(磁通量)，本身又不会产生很强涡流效应的物质或材料有很多，选择原则是磁导率高和电阻率大。纯铁磁导率高(10000)，但电阻率低 (ΙΟπιΩ. cm)，在感应线圈产生的交变磁场中，能产生很强的涡流，所以电磁率用铁锅很合适。铝为顺磁质物质，磁化率很小，相对磁导率稍大于1。铜为反磁质物质，相对磁导率小于 1。均不能增强感应线圈的磁感应通量，即使能增强，本身也会产生很强涡流效应。锰-锌 (Mn-Zn)铁氧体的最大磁导率μ rmax达2500，电阻率达2Χ106(πιΩ . cm)，所以是理想的选择。作为变压器材质的硅钢(4. 00%Si)，虽然磁导率μ rmax达7000，但电阻率只有45-70 (m Ω · cm)，所以需要制成薄片后，形成叠层结构，层与层之间绝缘，使涡流效应因局限于单片薄层内而变得很小。本发明中将采用这类物质，材料或结构件来增强感应线圈和待处理的物体内部的磁感应通量。另一方面，这些物质，材料或结构件放置的位置也十分重要。其设计原则是尽可能提高穿过待处理的物体内部的磁力线密度。
图3-图9显示的是7种实施例的示意图。图中7是感应线圈；16是高磁导率，高电阻率材料或高磁导率，低涡流效应的结构件；17是待处理的物体；虚线代表磁力线。实施例一参见图3所示，设计方案中，待处理的物体放置于条状导磁材料结构件16的一端，从结构件该端发出的磁力线中，仅有部分穿过待处理的物体的下部，且磁力线密度低，磁感应强度小。因而处理效果较差。实施例二参见图4所示，设计方案与实施例一设计方案不同之处在于待处理的物体中加入或嵌入了额外的导磁材料18，使进入待处理的物体中磁感应线延长，密度增加，以提高处理效果。实施例三参见图5所示，设计方案是实施例二设计方案的变化形式，即让导磁材料结构件伸入待处理的物体特别设计的凹陷中，使通过该物体内部的磁力路径和磁力线密度以及磁感应强度均增大。实施例四参见图6所示，设计方案是在原本闭合的导磁材料结构件(如闭环状的变压器铁芯)上开一个(或多个)缺口，将待处理的物体放入缺口中，使密集的磁力线穿过物体，在其内部产生很强的单向脉冲感应电流。实施例五参见图7所示，设计方案与实施例四设计方案不同之处在于将大量导磁材料的微粒设法注入待处理的物体内部某一区域19，使穿过该区域的磁力线密度进一步增大，该区域内的微生物或癌细胞将承受更大的单线脉冲感应电流。实施例六参见图8所示，设计方案的设计适合于扁平状的待处理的物体，感应线圈7设计为盘状，类似于家用电磁炉中的线圈。导磁材料结构件放置于线圈下面(或上面)，可为整体盘状或由多个放射状排列的条形结构件组成。待处理的物体放于线圈上面(或下面)，磁力线能穿过物体内的较大面积，产生分布较均勻的感应电流。实施例七参见图9所示，设计方案是将感应线圈和导磁材料结构件放置于待处理的物体中心，让结构件发出的磁力线能在处理物体内穿行较长距离，沿途产生连续的感应电流。
本发明中，待处理的物体的形态可以是固态，液态或气态。从类别看，可以是活体生物组织或非生物体，可以是金属，陶瓷或高分子材料，可以是食物，药物，日常用品等等。 从运动状态看，可以固定不动进行处理，也可以呈流动或移动状态，不间断的进行处理。
本发明中，增强磁感应强度的导磁材料可以制成各种结构件，也可以制成微粒状 (如纳米尺寸的粉末)。导磁材料可以放置于感应线圈之中(即让线圈缠绕导磁材料结构件)， 也可以放置在感应线圈之外；可以防放置在待处理的物体之外，也可以放置在待处理的物体内部。
本发明中，可通过增加待处理的物体内部材质电导率的措施来增强处理物内部的感应电流。包括在处理物内部添加电导率高的物质，包括金属粉，盐末，电解质等。
图10为一条水果表面处理生产线的示意图。放置于传输带20上的水果21以一定速度穿过导磁材料结构件16的缺口，结构件缺口处的密集磁力线将穿过水果，使水果表面的微生物由于高强度的感应电流导致细胞膜穿孔而灭活。同时水果表面附着的残留农药 (如有机磷)也会被部分分解，达到一举两得的目的。
图11显示的是这种灭菌保鲜箱的结构示意图。图中1是直流高压电源，可以产生不低于数千伏特的直流高压，22是提供高压脉冲直流电的发生器，7是感应线圈，16是具有高导磁率和低涡流效应的结构件，23是待处理食物。M是盛装食品的容器。一般要求用铝， 高分子或陶瓷等顺磁材质制成。如果容器是很浅的盘，而食物装得很满。用铁质材料也可以。
图12为治疗乳腺癌组织的原理示意图。图中7是感应线圈J6是具有高导磁率， 低涡流效应的治疗器，当感应线圈通入直流脉冲电时。治疗器上产生基本封闭的磁路。但其缺口处有漏磁。预先用超声或CT方法确定乳癌位置和大小，除了向癌组织中注射药物外，还需注射含高导磁率材质微粒的生理盐水或溶剂，也可以二者一起注射。如果是服用药物，则只注射后者。然后让乳房嵌入治疗器缺口，使缺口两端发出的磁力线能穿过乳癌组织25。由于高磁导率微粒对磁力线的聚集作用，使癌组织中的磁力线密度远高于周围正常组织，又由于生理盐水的高导电率，使得癌细胞承受的单向脉冲感应电流比周围正常细胞大得多。所以癌细胞膜的穿孔率远大于正常细胞，药物能进入其中，起到高效的杀灭作用。 一个临床实验例子是将铁氧体纳米粒子用葡萄糖分子包裹，在水中溶解后注入患鼠肿瘤部位，使癌细胞完全被磁场封闭。一方面，采用本发明技术，使被磁性微粒包围的肿瘤细胞的膜穿孔而死亡。另一方面，在脉冲电场持续作用下，铁氧体纳米粒子能被加热到45°C或更高，使肿瘤细胞承受高温而加速死亡。由于周围的正常组织中不存在磁性微粒，故丝毫不受伤害。
初步实验显示了良好的结果。采用图1所示电路图，用220V交流电源，通过变压后得到25K的高压，再转换为直流，充放电电容可承受30K高压。感应线圈采用图8设计方案里的螺旋盘状线圈形式，线圈用线为多股漆包铜线胶合而成，需要耐30K以上高压。其导磁材料和线圈线均可用家用电磁炉中拆下的部件改制。在线圈中心上方放置牛奶盒。其中牛奶为巴氏消毒奶，常温下(20°C)保质期不超过3天。作为对照，在线圈外一定距离放置同样的牛奶盒。电容充电满负荷后，即开始瞬间放电，产生近似单指数衰减性的脉冲电流，使导磁材料中产生相应磁脉冲，磁力线穿过牛奶盒，使牛奶中产生瞬间单向感应电流，该脉冲电流使得牛奶中的微生物细胞膜出现不可逆穿孔而死亡。电容放完电后将自动重新充电， 然后再放电，充放电之间时间间隔约1.5秒。
实验表明，接受处理2小时的牛奶比没有处理的牛奶在室温下的保质期能够延长一倍以上。实验进一步显示，如果在接受处理的牛奶中放入铁氧体材料，能够显著延长保质期。
本发明可广泛应用于多个领域，具体实例如下一.食品加工高压脉冲感应PEF 技术已经大规模应用于液态或部分半流动态食品加工生产线上的微生物灭活。但目前为止，尚不能用于固态，半固态和粉状食物的加工处理。本发明提出的高压脉冲感应电场PIEF 技术能够用于所有形态食品加工生产线的微生物灭活。图10为一条水果表面处理生产线的示意图。放置于传输带20上的水果21以一定速度穿过导磁材料结构件16的缺口，结构件缺口处的密集磁力线将穿过水果，使水果表面的微生物由于高强度的感应电流导致细胞膜穿孔而灭活。同时水果表面附着的残留农药(如有机磷)也会被部分分解，达到一举两得的目的。
二.食品灭菌保鲜本发明提出的高压脉冲感应电场PIEF技术还可用于食品的保鲜和即时灭菌处理。由于不需加热，所以用于生冷即食食物(如日本寿司，生蚝海鲜)的消毒灭菌很合适。据此技术设计的灭菌保鲜箱可以替代常规冰箱或冷冻箱，其优势明显灭菌不分种类(冰箱不能抑制李斯特菌等不惧冷的微生物)，能消除因为冰箱中微生物没有灭活造成的食品亚硝酸盐增加，能深入食品内部彻底灭菌，省电节能，噪音小，不用氟利昂，不需保温材料，成本低等。但不能提供冷饮和冻冰，不适于保存常温下易融化食物。图11显示的是这种灭菌保鲜箱的结构示意图。图中1是直流高压电源，可以产生不低于数千伏特的直流高压，22是提供高压脉冲直流电的发生器，7是感应线圈，16是具有高导磁率和低涡流效应的结构件，23是待处理食物。M是盛装食品的容器。一般要求用铝，高分子或陶瓷等顺磁材质制成。如果容器是很浅的盘，而食物装得很满。用铁质材料也可以。
三.肿瘤细胞体外电穿孔电穿孔(EP)或可逆性电击穿(REB)是近年来发展起来的一项肿瘤治疗技术。它采用插入病变区域的电极针发射高压脉冲电流，使肿瘤细胞膜出现微孔或通透性激增的电穿孔，让抗癌药物能克服细胞膜屏障，直接进入细胞内部杀灭癌细胞，达到增强药物效果，减小用药量和副作用，克服耐药性的目的。这种方法需要将电极插入人体，治疗过程简单，效果确实，费用少。本发明提出的高压脉冲感应电场PIEF技术可以在体外进行类似的治疗。且不需插入电极。图12为治疗乳腺癌组织的原理示意图。图中 7是感应线圈二6是具有高导磁率，低涡流效应的治疗器，当感应线圈通入直流脉冲电时。 治疗器上产生基本封闭的磁路。但其缺口处有漏磁。预先用超声或CT方法确定乳癌位置和大小，除了向癌组织中注射药物外，还需注射含高导磁率材质微粒的生理盐水或溶剂，也可以二者一起注射。如果是服用药物，则只注射后者。然后让乳房嵌入治疗器缺口，使缺口两端发出的磁力线能穿过乳癌组织25。由于高磁导率微粒对磁力线的聚集作用，使癌组织中的磁力线密度远高于周围正常组织，又由于生理盐水的高导电率，使得癌细胞承受的单向脉冲感应电流比周围正常细胞大得多。所以癌细胞膜的穿孔率远大于正常细胞，药物能进入其中，起到高效的杀灭作用。一个临床实验例子是将铁氧体纳米粒子用葡萄糖分子包裹，在水中溶解后注入患鼠肿瘤部位，使癌细胞完全被磁场封闭。一方面，采用本发明技术， 使被磁性微粒包围的肿瘤细胞的膜穿孔而死亡。另一方面，在脉冲电场持续作用下，铁氧体纳米粒子能被加热到45°C或更高，使肿瘤细胞承受高温而加速死亡。由于周围的正常组织中不存在磁性微粒，故丝毫不受伤害。
四.脉冲电基因疗法基因疗法是近年来迅速发展的新技术。它通过对人体遗传物质进行修正，补充或改造达到治疗疾病的目的。其中基因转移技术是关键。脉冲电基因疗法的实质是细胞在高压脉冲电作用下，细胞膜出现孔洞，目的基因在电场作用下发生变形和运动，能够穿过即使较小的孔洞，进入细胞中。一旦膜上的孔洞形成，随后的基因在弱电场下也较容易发生转移。由于膜穿孔后，细胞内依然保持有完整的骨架系统，细胞依旧能保持活性，可以使进入的目的基因有效表达。本发明技术可以在体外完成病变组织的细胞膜穿孔，并让基因转移进入病变细胞内，因而具有无创治疗的优点。
五.癌症的无创治疗如果加大脉冲强度和作用时间，优化感应电流参数，采用上述方法和设备，就可在不用抗癌药物的情况下，使癌细胞膜产生不可逆的穿孔而死亡。癌变组织周围的正常细胞却不受影响，或影响很小。达到癌症的体外无创治疗。近年来，人们在临床实验中采用磁性奈米微粒作为药物载体，服用后，在外加磁场引导下，到达病变部位， 然后药物释放，杀死癌细胞。本发明技术可以在药物作用的同时，对癌细胞进一步打击，提高治疗效果。12
六.糖尿病非药物治疗当血液中葡萄糖浓度升高时，至少有两方面的作用因素使得机体代谢率提高。一是葡萄糖浓度升高使得扩散过程加速，组织细胞易于获得葡萄糖， 其利用葡萄糖的代谢过程将加速并产生额外的热，而热能是最低形式的能。这是物理作用为主的因素。二是胰岛素的迅速分泌，促使各组织细胞的膜通透性增加，葡萄糖进入细胞内，产生氧化发热，这是生化作用为主的因素。如果胰岛素分泌减少或发生胰岛素抵抗，只有在药物帮助下，血液中的葡萄糖才能够大量进入细胞。将本发明设备放置于皮肤表面，在较大范围的组织内部产生可控强度脉冲直流感应电，能够使大量细胞的膜产生微小的可逆性穿孔，让血中葡萄糖能迅速进入细胞内被利用。从而及时降低血糖，是完全无创的全身治疗，是目前为止，不靠药物就能降低血糖的唯一方法。
七.经皮给药新方法“经皮给药”是一个古老的给药方式。现代的经皮给药已经远远突破了传统的界限，其发展反映了控释给药和靶向给药的最新成就，它应用于治疗皮肤局部或全身疾病(如心血管疾病，神经系统疾病)，比其他剂型具有更加安全、有效、稳定和病人适应性好的优点。但由于皮肤对大多数药物的渗透性很低，只有少部分药物适用于经皮给药。药物透过皮肤最主要的屏障是皮肤的角质层(stratum corneum)，大部分透皮给药研究的是促进药物透过皮肤角质层的各种技术方法，包括各种透皮促进剂， 离子电渗(iontophoresis)、电至文孑L法(electroporation)、超声促渗(phonorphoresis, sononphoresis)和激光导入法等。本发明技术提供了一种新的思路。采用放置于皮肤表面的导磁材料结构件，在皮肤角质层中产生的可控强度脉冲感应电，能够迅速击穿细胞间脂质。由于该脂质在皮肤屏障作用中起主要作用，所以皮肤屏障立即解除，预先放置皮肤表面的药物就能大量进入体内。如果药物是高导电率的电解质或溶液，还能够起到增加感应电流强度的作用。
权利要求
1.一种在物体内产生高压脉冲感应电流的方法，包括下列步骤(1)电源产生所要求强度的直流高压；(2)利用一个或成组的电容来贮存电能；(3)通过脉冲成形网络以规定的波形和波宽释放高压脉冲；(4)高压脉冲使感应线圈组产生脉冲形式的磁感应通量变化；(5)磁感应通量的变化在感应线圈组附近的空间激发产生脉冲形式的高强度感应电场；(6)放置于感应电场中待处理的物体内部产生脉冲形式的高强度感应电动势；(7)感应电动势在待处理的物体形成脉冲形式的直流高强度感应电流，该方法能以非接触方式在待处理的物体内产生高压脉冲感应电流。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于在感应线圈和/或待处理的物体内部或外部适当位置添加能增强感应线圈组磁感应通量且本身电阻率很大以至于涡流效应很小的物质或结构件，使穿过该待处理的物体的磁感应强度提高，但不会在添加的物质或结构件内部产生显著的涡流。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于在待处理的物体内部添加导电率高的物质， 以提高待处理的物体内部产生的感应电流强度。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于在待处理的物体内部添加的电导率高的物质，包括金属粉、盐末、电解质、高导电率液体以及他们的混合物。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于待处理的物体的形态可以是固态、液态或气态；从类别看，可以是活体生物组织、非生物体、金属、陶瓷、高分子材料、食物，药物或日常用品；从运动状态看，可以固定不动进行处理，也可以呈流动或移动状态，不间断地进行处理。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于增强磁感应强度的导磁材料包括铁基合金和铁氧体；或增强磁感应强度的导磁材料可以是闭环状的变压器铁芯，也可以制成其它结构件，也可以制成微粒状；导磁材料可以放置于感应线圈之中，也可以放置在感应线圈之外；可以放置在待处理的物体之外，也可以放置在待处理的物体内部。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于让导磁材料结构件伸入待处理的物体凹陷中，使通过该待处理的物体内部的磁力路径和磁力线密度以及磁感应强度均增大；或让导磁材料结构件放入在原本闭合的导磁材料结构件上的一个或多个缺口中，使密集的磁力线穿过待处理的物体，在其内部产生很强的脉冲感应电流。
8.如权利要求1或5所述的方法，其特征在于待处理的物体为可能被微生物或/和有毒物污染的食物、药物或日常用品，待处理的物体表面或内部产生的感应电流用于微生物的灭活和有毒物质的分解；或待处理的物体为人体或生物体病变组织，病变组织内部或皮肤表层产生的可控强度脉冲感应电流用于促进组织内部或皮肤表层细胞通透性的增加， 通透性的增加可以通过细胞膜的可逆或不可逆穿孔来实现；或待处理的物体为肿瘤组织， 细胞膜的可逆穿孔用于促进药物进入肿瘤细胞内部，细胞膜的不可逆穿孔或破坏则用于直接杀灭肿瘤细胞。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于通过向病变组织注入或输入药物，同时或者仅仅注射或输入含有高导磁率材质微粒的生理盐水或其他高电导率液体，使病变组织中的磁力线密度高于周围正常组织，使得病变细胞承受的脉冲感应电流比周围正常细胞大；或细胞膜的可逆穿孔用于促进外部基因向细胞内的转移；或细胞通透性的增加用于促进血液中葡萄糖进入细胞；皮肤表层细胞或组织通透性的增加用于促进药物从皮肤进入人体；或在组织内部或表面或皮肤外表层加入含高导磁率材质微粒的液体，包括含葡萄糖包裹的铁氧体纳米微粒的生理盐水或其他混合后的液体。
10. 一种在物体内产生高压脉冲感应电流的设备，它至少包括一个能产生所要求强度的直流高压电源；一个或多个能贮存电能的电容组成脉冲成形网络；至少一个充放电开关；至少一个或一组感应线圈；当脉冲成形网络以规定的波形和波宽释放高压脉冲后，高压脉冲使感应线圈组产生脉冲形式的磁感应通量变化，磁感应通量的变化在感应线圈组附近的空间激发产生脉冲形式的高强度感应电场，放置于感应电场中待处理的物体内部产生脉冲形式的高强度感应电动势，感应电动势在待处理的物体内部以非接触方式形成脉冲形式的直流高强度感应电流，该设备能以非接触方式在待处理的物体内产生高压脉冲感应电流。
全文摘要
一种在物体内产生高压脉冲感应电流的方法和设备，该设备至少包括一个能产生所要求强度的直流高压电源；一个或多个能贮存电能的电容组成脉冲成形网络；至少一个充放电开关；至少一个或一组感应线圈；当脉冲成形网络以规定的波形和波宽释放高压脉冲后，高压脉冲使感应线圈组产生脉冲形式的磁感应通量变化，磁感应通量的变化在感应线圈组附近的空间激发产生脉冲形式的高强度感应电场，放置于感应电场中待处理的物体内部产生脉冲形式的高强度感应电动势，感应电动势在物体内部以非接触方式形成脉冲形式的直流高强度感应电流。
文档编号C12N13/00GK102512756SQ20111040073
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月6日 优先权日2011年12月6日
发明者何宗彦 申请人:何宗彦