CN101669416A - 利用等离子体处理植物种子的方法及实现该方法的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用等离子体处理植物种子的方法和实现该方法的装置。本发明所述等离子体是由大气压介质阻挡放电生成的冷等离子体，所述冷等离子体是在空气中产生的，工作气压为大气压，用于介质阻挡放电的电源为高频高压电源，频率范围50Hz～20kHz，电压范围1kV～10kV，等离子体处理植物种子的时间5～120秒。实现本发明种子处理方法的装置包括种子处理腔、在种子处理腔内产生等离子体的等离子体发生器和可控制种子在种子处理腔内停留时间的传输装置。本发明利用大气压等离子体对植物种子处理操作不是DNA重组，不涉及植物种子的结构基因变异，不会产生危害，只是属于使植物种子变性，使其优点更加突出。

Description

利用等离子体处理植物种子的方法及实现该方法的装置

技术领域

本发明涉及一种利用等离子体处理植物种子的方法，通过用等离子体对植物种子进行处理，刺激种子生长发育，以改善植物品质、提高作物产值。本发明还涉及一种实现上述等离子体处理植物种子方法的装置。

背景技术

应用物理方法处理农作物种子而使其高产、优质的技术已被越来越多地应用于农业生产中，并取得了喜人的经济效益。利用各种物理因素，如射线、电场、磁场等处理农作物种子，刺激其生长发育，达到改善品质、提高产量的目的，以减少化肥和农药的使用量，避免环境污染，正成为世界各国研究的重要领域。目前研究较多的物理处理种子技术，存在着装置复杂、成本昂贵、效率较低等问题，在实际的农业生产中较难推广和普及。因此有必要探索一种更为便捷的、迅速有效的物理处理技术，以适应实际生产的需要。近年来太空育种技术逐渐兴起，将植物种子放置到人造卫星上，经卫星在外太空运转数日返回地面后，就可得到优良品种。人造卫星所处的外层空间除了真空环境外，就是电离层即等离子体环境，故可认为等离子体是植物种子改性的主要原因。关于等离子体种子处理技术的研究刚刚兴起，目前报道较多的等离子体处理种子的设备应用的是低气压真空等离子体环境，例如中国专利CN02109181.1公开的一种低温等离子体种子处理机，采用真空腔内感应射频等离子体对种子进行处理。再如中国专利CN200610086182.4公开的冷等离子体种子处理仪，采用真空腔内容性射频等离子体对种子进行处理。上述两种种子处理方法的共同点是必须在真空环境下产生等离子体，而抽真空使得装置复杂，技术难度高，成本相对较高，而且在流水作业的过程中，真空度以及等离子体的稳定性都难以控制，因而限制了此类方法的使用和推广。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种成本较低、便于推广使用的等离子体处理植物种子的方法。本发明另一个要解决的技术问题是提供一种成本较低、结构简单、便于操作、便于推广使用的等离子体处理植物种子的装置。

为解决上述技术问题，本发明利用等离子体处理植物种子的方法为：所述等离子体是由大气压介质阻挡放电生成的冷等离子体，所述冷等离子体是在空气中产生的，工作气压为大气压，用于介质阻挡放电的电源为高频高压电源，频率范围为50Hz～20kHz，电压范围为1kV～10kV，等离子体处理植物种子的时间为5～120秒。

作为本发明植物种子处理方法的一种改进，用于介质阻挡放电的高频高压电源的频率范围为2kHz～4kHz，电压范围为2kV～6kV，等离子体处理植物种子的时间为20～60秒。

作为本发明植物种子处理方法的进一步改进，等离子体处理植物种子是连续进行的，对于处理种子的时间超过60秒的情况，优选采用间断处理方式。

为解决上述技术问题，实现本发明等离子体处理植物种子方法的植物种子处理装置包括种子处理腔、用于在种子处理腔内产生等离子体的等离子体发生器以及设置在种子处理腔内停留时间的传输装置，该等离子体发生器是由大气压介质阻挡放电生成的冷等离子体，该冷等离子体是在空气中生成的，工作气压为大气压，用于介质阻挡放电的电源为高频高压电源，频率范围为50Hz～20kHz，电压范围为1kV～10kV。

作为本发明植物种子处理装置的一种改进，用于介质阻挡放电的高频高压电源的工作频率范围为2kHz～4kHz，电压范围为2kV～6kV。

作为本发明植物种子处理装置的进一步改进，该装置还包括一个能够对等离子体发生器的高频高压电源的输出频率和电压进行控制以及对种子在处理腔内时间进行控制的控制柜。

作为本发明植物种子处理装置的更进一步的改进，等离子体发生器安置于种子处理腔内，等离子体发生器包括上平板电极、下平板电极和绝缘介质板，绝缘介质板覆盖于下平板电极上，上平板电极和下平板电极分别接高频高压电源的两极，高频高压电源与控制柜连接，高频高压电源的参数由控制柜调节。

作为本发明植物种子处理装置的又一种改进，所述可控制种子在种子处理腔内停留时间的传输装置为运转速度可调节的传送带，传送带紧贴绝缘介质板滑行，传送带的速度由控制柜调节。

作为本发明植物种子处理装置的另一种改进，所述可控制种子在种子处理腔内停留时间的传输装置为与水平面成5°～60°夹角的斜面，斜面与水平面的夹角在5°～60°范围连续可调，夹角大小由控制柜调节。

作为本发明植物种子处理装置的再一种改进，所述种子处理腔包括种子进入口、种子收集口)和腔体，种子处理腔和大气环境是相通的。

在本发明等离子体处理植物种子的方法和装置中，由于利用等离子体中的活性粒子和射线，刺激种子活力提高，促进种子萌发，提高种子抗逆能力，提高农作物的产量和品质。

由于等离子体是在空气环境下产生的，不需要抽真空，植物种子在不需要密封的等离子体中传输是十分方便的。这种处理方法简单易行、操作成本低，适合于流水作业，可以处理多种种子，适用范围广，改变了以前和现行的方法对植物种子处理时，成本太高、耗时太长、装置复杂、目标性较差等缺点。另外，这种利用等离子体对植物种子进行处理的方法，不是DNA重组，不是细胞融合，不涉及植物种子的结构基因变异，不会产生危害。只是属于激活了种子内部的活性物质，使种子萌发更快、生长势更强。因此该处理方法优点更加突出，使蔬菜、作物产量、品质提高，花卉花期加长、色泽更加鲜艳等。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明

图1水平传输方式的等离子体种子处理装置示意图

图2倾斜传输方式的等离子体种子处理装置示意图

具体实施方式

本发明植物种子处理方法的实施方式为：用于植物种子处理的系统包括种子进入口、等离子体发生器、种子收集口和能够控制种子在等离子体环境中处理时间的传输装置。等离子体发生器包括上电极、下电极、绝缘介质和高频高压电源，绝缘介质处于上、下电极之间，绝缘介质板距离上、下电极的具体距离不固定，该等离子体发生器直接处于空气环境下。植物种子从种子进入口进入等离子体发生器的上下电极之间，打开高频高压电源，调节放电频率与电压值，频率范围为50Hz～20kHz，电压范围为1kV～10kV。先设定一个合适的频率，比如3kHz，逐渐升高电压，当电压达到一定值时，所产生的高频电场激发电极之间的空气分子，产生等离子体，该等离子体为空气冷等离子体。当产生等离子体以后，可以调节电源频率到一个与系统最佳匹配置，此时等离子体状态稳定。如果需要改变等离子体状态，可以调节电压值。植物种子处于等离子体中，被等离子体中的离子、电子、射线、束流作用，一定时间后，取出植物种子，完成一次处理。处理植物种子的时间范围是5～120秒，在处理时间较长的情况下，比如超过60秒，可采用间断处理的方式，即将一次处理后的种子收集后再次送入处理腔。

作为对于上述等离子体处理植物种子方法的一种改进，该植物种子处理方法的优选方案是：放电频率为2k～3kHz，放电电压为3k～8kV，处理时间为20～60秒。如前所述，对于不同的设备，根据电极面积以及电极间距离的不同，其最佳放电频率均不同，但对于单一设备，其频率值是固定的。在此频率下，能耗最低，出于节能的目的一般应选取此频率作为工作频率。在确定了放电频率后，输入电压达到某一阀值便会产生等离子体，随后放电电压越高，放电越剧烈。

实现本发明种子处理方法的一种大气压等离子体处理种子的装置示意图如图1所示。该等离子体植物种子处理装置包括：1种子处理腔，2等离子体发生器，3传送装置和5控制柜。种子处理腔1包括腔体11、种子进入口12和种子收集口13，为保证空气在种子处理腔内流通流畅，种子处理腔不密封；等离子体发生器2安置于种子处理腔1内，等离子体发生器包括上平板电极21、下平板电极22和绝缘介质板23，绝缘介质板23覆盖于下平板电极22上，上平板电极和下平板电极分别接高频高压电源24的两极，高频高压电源24通过导线控制柜5连接，高频高压电源的参数由控制柜5调节；传输装置3为运转速度可调节的传送带31，传送带紧贴绝缘介质板23滑行，传送带31由旋转电机33带动，旋转电机33的转速由控制柜5调节。种子经种子进入口12进入种子处理腔1，在控制柜5控制下通过传送带31经过等离子体发生器2，在上平板电极21和绝缘介质板23之间的等离子体区内，利用大气压等离子体中的活性粒子和辐射线实现对植物种子的改性，处理后植物种子由传送带31传送至种子收集口13。

作为植物种子处理的关键部分，等离子体发生器除可以采用平板结构电极外，还可以有圆柱结构、扇形结构等结构电极。所述绝缘介质板，可以具有与电极结构相适配的任意外形，也可以采用绝缘液体作为介质层。

上述等离子体种子处理装置的另一种种子传输方式示意图如图2所示。种子经种子进入口11进入种子处理腔1，在控制柜5控制下通过升降架43调节倾斜床41的倾角，植物种子经过等离子体发生器2，在上平板电极21和绝缘介质板23之间的等离子体区，利用大气压等离子体中的活性粒子和辐射线实现对植物种子的改性，处理后植物种子由倾斜床41传送至种子收集口13。

上述图1和图2中等离子体种子处理装置的绝缘介质板23厚度要控制在0.5～10mm，并且绝缘介质板23最好与下平板电极22紧密接触。

上述图1和图2中等离子体种子处理装置的上平板电极21、下平板电极22和绝缘介质板23为平行放置。下平板电极22固定，上平板电极21高度可以上下调节。

上述图1中等离子体种子处理装置的传送带31紧贴绝缘介质板23滑行，其速度由控制柜调节步进电机来控制。植物种子随传送带31经过绝缘介质板23和上平板电极21之间。

上述等离子体种子处理装置所产生的等离子体为丝状或辉光等离子体，等离子体的束斑、强度、密集度等由上平板电极21、下平板电极22之间的距离以及高频高压电源24的功率和频率决定。

植物种子在上述等离子体中的处理时间一般为5～120秒，为了提高处理均匀性，在必要的情况下，植物种子经种子收集口13接收后，可以倒入种子进入口11进行二次处理。

本发明装置一般以空气作为工作气体，在需要的情况下，可以通过种子进入口11向上平板电极21和下平板电极22之间吹入其他气体作为工作气体。

作为对于上述等离子体处理植物种子方法的进一步改进，实现该方法可以采用图1或者图2所示的装置。从操作简便及精确控制的角度考虑，优选方案为图1所示装置；但如果考虑降低设备成本，节约资金的角度考虑，可以选用图2所示装置。

实施例：

分别采用6组不同的参数处理黄瓜、小白菜、生菜和小麦干种子。黄瓜种子、小白菜和小麦种子在图1装置中处理，生菜种子在图2装置中处理。其中装置1中的最佳放电频率为2600Hz，装置2中的最佳放电频率为3100Hz。以未经任何处理的种子作对照参考(以下简写为CK)。装置1中的处理时间由传送带的转速来控制，装置2中的处理时间由倾斜角来控制，其中120秒(s)和80秒(s)处理时间为两次处理。具体参数见表1。所谓最佳频率是指在该频率下，可以产生等离子体的电压阀值为最低。当频率偏离最佳频率时，所需的电压升高。例如在10000Hz时，在电压7600V才开始产生等离子体；而在15000Hz时，所需电压为8100V；在50Hz时，10kV电压只能产生比较微弱的等离子体。

处理过的种子经浸种吸胀5h后置于铺有两层滤纸的培养皿内，加入8ml蒸馏水，黄瓜种子每皿50粒，小白菜种子和生菜种子每皿100粒，每个处理重复3次。将培养皿放到RXZ268c型人工气候箱内避光培养，黄瓜温度28℃、小白菜和生菜温度20℃，每日补充适量蒸馏水。第2天统计不同处理种子的发芽势，第4天统计发芽率。最后将萌发了的幼苗85℃烘干，称量苗干重，计算发芽指数和活力指数。

表1.对植物种子的处理参数列表

实施例1：对黄瓜种子发芽势和发芽率及发芽指数和活力指数的影响

由表2可知：不同参数的等离子体处理对黄瓜种子的萌发有明显的促进作用，其中所有处理种子的发芽势均高于CK。最佳频率时，在给出的电压范围，随着电压的升高，发芽势逐渐增高，比CK提高了21.18％～38.24％，8200V处理处理种子发芽势略有下降，但仍比CK高18.83％。对比2和4处理结果，从处理的时间来看，60秒的处理效果较好。

除采用20kHz的处理外，其余各处理的黄瓜种子发芽率都有所增加，比CK提高1.82％～8.82％。究其原因，20kHz放电等离子体出现不均匀现象，局部放电剧烈，造成一定种子烧蚀现象。

不同参数的等离子体处理黄瓜种子的发芽指数和活力指数均有所提高。各处理发芽指数和活力指数随电压变化的总趋势与发芽率、发芽势的总趋势基本一致，随着电压的升高，发芽指数逐渐增高，高频处理的发芽指数略低于其它处理，但仍比CK提高20.11％和1.45％，各处理与CK相比差异极显著。不同参数等离子体处理种子的活力指数分别比CK提高6.11％～104.72％，其中5900V、30秒处理与CK相比差异显著。各处理对黄瓜种子萌发的促进效果十分明显。

表2.不同参数等离子体处理对黄瓜种子萌发的影响

实施例2：对小麦种子发芽势和发芽率及发芽指数和活力指数的影响

由表3可知：不同参数的等离子体处理对小麦种子的萌发同样具有明显的促进作用，除20kHz的情况外，所有处理种子的发芽势均高于CK。在3000Hz频率下，给出的电压范围内，随着电压的升高，发芽势逐渐增高，比CK提高了1.07％～30.84％，8200V处理处理种子发芽势略有下降，但仍比CK高15.71％。对比2和4处理结果，提高工作频率，对处理结果影响不大。在1500Hz，6000V时，放电比较微弱，故处理时间调整为120秒，从处理效果看，比未处理有所提高，但不如3000Hz情况下处理效果好。

表3.不同参数等离子体处理对小麦种子萌发的影响

与黄瓜处理情况类似，除采用20kHz的处理外，其余各处理的小麦种子发芽率都有所增加，其中3000Hz，4000V时发芽率增幅最大。

不同参数的等离子体处理小麦种子的发芽指数和活力指数均有所提高。各处理发芽指数和活力指数随电压变化的总趋势与发芽率、发芽势的总趋势基本一致，随着电压的升高，发芽指数逐渐增高，各处理与CK相比差异极显著。其中3000Hz，6000V、40秒处理效果最理想。各处理对小麦种子萌发的促进效果十分明显。

实施例3：对小白菜种子发芽势和发芽率及发芽指数和活力指数的影响

由表4可知：等离子体处理对小白菜种子的萌发产生一定的影响，但不同参数的处理效果有所不同。其中，20秒、3600V和5900V处理对种子萌发有促进作用，种子的发芽势、发芽率与CK相比均有所提高。两个处理的发芽势分别比CK高4.56％和5.11％，发芽率比CK高5.22％和3.91％。而更高电压处理或者改变频率处理，种子的两项指标值均低于对照，发芽势下降3.26％～11.04％，发芽率下降1.30％～10.00％。所有改变频率的处理效果都不是太理想，究其原因可能是小白菜种子对等离子体环境反应比较敏感，在不同的等离子体环境下，种子感受到的离子种类、能量及运动规律都是不同的。

不同参数的等离子体处理对小白菜种子发芽指数和活力指数的影响与发芽势、发芽率的变化趋势大致相同。对比不同电压处理，小白菜种子的发芽指数和活力指数分别比CK提高5.31％～9.71％和4.89％～9.24％。而改变频率，二指标值都有所下降。

表4.不同参数等离子体处理对小白菜种子萌发的影响

实施例4：对生菜种子发芽势和发芽率及发芽指数和活力指数的影响

由表5可知：等离子体处理对生菜种子的萌发产生一定的影响，但不同参数的处理效果有所不同。其中，10秒、2200V和4500V处理对种子萌发有促进作用，种子的发芽势、发芽率都比对照高，但差异未达显著水平。而更高电压处理或者改变频率处理，种子的两项指标值均低于对照，生菜和小白菜的变化趋势一致，即低剂量的等离子体处理对种子发芽有一定的促进作用，而高剂量的处理则显著抑制了种子的萌发，且电压太高、处理时间太长则抑制效果明显。

不同参数的等离子体处理对生菜种子发芽指数和活力指数的影响与发芽势、发芽率的变化趋势大致相同。对比不同电压处理，生菜种子的发芽指数和活力指数分别比CK提高1.28％～2.48％和0.78％～1.56％。而改变频率，二指标值都有所下降同样。

表5.不同参数等离子体处理对生菜种子萌发的影响

为了进一步考查等离子体处理后种子的整个生长周期的改性效果，我们对部分种子进行温室大棚栽培试验。根据前面试验的经验我们选取较优化的处理参数进行试验。即选用图1所示设备进行种子处理，放电频率为2600Hz，放电电压为3000～8000V，处理时间为20～60秒。

实施例5：对甜椒种子处理后栽培试验

对甜椒种子的处理实验参数为：放电频率2600Hz，放电电压5500V，处理时间为30秒和60秒2组实验。栽培试验结果为：处理后种子发芽率和出苗率均高于未处理种子，出苗率提高分别为约5％和8％；在2组处理后种子中均出现，甜椒果实个大、色泽鲜艳、单株产量偏高的现象，相信经过优选育种能够培养出高产、优质的甜椒新品种。

实施例6：对鸡冠花种子处理后栽培试验

选用普通鸡冠花种子，对鸡冠花种子的处理实验参数为：放电频率2600Hz，放电电压5000V，处理时间为40秒。栽培试验结果为：处理后种子出苗率提高分别为约3％；在处理后种子中出现，少数花期明显变长，花冠直径偏大的现象，其比例约在10％左右，相信经过优选育种能够培养出优质的鸡冠花新品种。

综上，大气压等离子体对蔬菜、花卉、粮食等植物种子的生长发育促进效果明显，不仅对作物的发芽、育苗阶段有明显的效果，而且对作物的后期生长也有明显的促进效果，达到高产、优化作物品质的目的。虽然不同参数处理效果有好有坏，但通过系列实验便可以摸索出规律，制定出高效处理植物种子的工艺参数。

Claims (11)

1.一种利用等离子体处理植物种子的方法，其特征在于：所述等离子体是由大气压介质阻挡放电生成的冷等离子体，所述冷等离子体是在空气中产生的，工作气压为大气压，用于介质阻挡放电的电源为高频高压电源，频率范围为50Hz～20kHz，电压范围为1kV～10kV，等离子体处理植物种子的时间为5～120秒。

2.根据权利要求1所述的利用等离子体处理植物种子的方法，其特征在于：所述用于介质阻挡放电的高频高压电源的工作频率范围为2kHz～4kHz，电压范围为2kV～6kV，等离子体处理植物种子的时间为20～60秒。

3.根据权利要求1或2所述的利用等离子体处理植物种子的方法，其特征在于：所述等离子体处理种子是连续进行的。

4.根据权利要求1或2所述的利用等离子体处理植物种子的方法，其特征在于：所述等离子体处理种子时间超过60秒时，可采用间断处理方式。

5.一种实现权利要求1所述利用等离子体处理植物种子方法的植物种子处理装置，所述装置包括种子处理腔(1)、用于在种子处理腔内产生等离子体的等离子体发生器(2)，其特征在于：该等离子体发生器(2)是由大气压介质阻挡放电生成的冷等离子体，该冷等离子体是在空气中生成的，工作气压为大气压，用于介质阻挡放电的电源为高频高压电源，频率范围为50Hz～20kHz，电压范围为1kV～10kV；在该种子处理腔内还设置了可控制种子在种子处理腔内停留时间的传输装置(3，4)。

6.根据权力要求5所述的植物种子处理装置，其特征在于：所述用于介质阻挡放电的高频高压电源的工作频率范围为2kHz～4kHz，电压范围为2kV～6kV。

7.根据权利要求5或6所述植物种子处理装置，其特征在于：该装置还包括一个能够对等离子体发生器的高频高压电源的输出频率和电压进行控制以及对种子在处理腔内时间进行控制的控制柜(5)。

8.根据权利要求7所述植物种子处理装置，其特征在于：所述等离子体发生器安置于种子处理腔内，所述等离子体发生器包括上平板电极(21)、下平板电极(22)和绝缘介质板(23)，所述绝缘介质板覆盖于下平板电极上，所述上平板电极和下平板电极分别接高频高压电源(24)的两极，所述高频高压电源与控制柜连接，所述高频高压电源的参数由控制柜调节。

9.根据权利要求7所述植物种子处理装置，其特征在于：所述可控制种子在种子处理腔内停留时间的传输装置(3)为运转速度可调节的传送带(31)，所述传送带紧贴绝缘介质板滑行，传送带的速度由控制柜调节。

10.根据权利要求7所述植物种子处理装置，其特征在于：所述可控制种子在种子处理腔内停留时间的传输装置(4)为与水平面成5°～60°夹角的斜面，所述斜面与水平面的夹角在5°～60°范围连续可调，夹角大小由控制柜调节。

11.根据权利要求5或6所述植物种子处理装置，其特征在于：所述种子处理腔包括种子进入口(12)、种子收集口(13)和腔体(11)，所述的种子处理腔和大气环境是相通的。

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