CN109937874B - 等离子体植物诱变装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及等离子体植物诱变装置，其包括植物处理部分、检测与控制部分。植物处理部分包括可移动工作台、等离子体发生器和冷却模块，等离子体发生器连接氦气源和射频电源模块，可移动工作台包括横向导轨、可移动布置在导轨上的滑台和驱动滑台的步进电机。检测和控制部分包括：位置传感器、气体流量控制器、功率传感器、温度传感器、操作面板和控制器，控制器的输入端连接操作面板、位置传感器、气体流量控制器、功率传感器和温度传感器，控制器的输出端连接步进电机和等离子体发生器，且该控制器基于处理参数，各传感器的信号控制可移动工作台的移动和等离子体发生器的发射使得所述等离子体发生器在植物诱变过程中发射温度稳定的等离子体射流。

Description

等离子体植物诱变装置及其方法

技术领域

本发明属于等离子体技术处理设备领域，特别涉及一种等离子体植物诱变装置及诱变植物种子的方法。

背景技术

在植物诱变育种领域目前常见的诱变技术有辐射诱变育种、化学诱变育种和航天诱变育种等。辐射诱变育种是指人为地利用物理诱变源，诱变作物产生突变，通过突变体的选择和鉴定，直接或间接地育成可供生产利用的新品种，应用最多的射线是γ射线和X射线，该技术的主要缺点是诱发突变的方向难以控制，有利突变频率低，难以在一次突变辐射后代中，出现多种性状均理想的突变体；化学诱变育种是通过烷化剂、亚硝基化合物、碱基类似物等化学剂与核苷酸中的磷酸、嘌呤、嘧啶等分子直接反应来诱发突变，该技术的主要缺点是对操作者本身危害性很大；航天诱变育种通过返回式卫星将植物材料搭载在太空中，此时植物材料处于一个微重力、宇宙高能粒子、宇宙射线及高真空的复杂环境之中，通过这些综合性因素造成作物本身染色体产生缺失、重复、易位、倒置等基因突变，该技术的主要缺点是无法明确诱变有效成分、突变成本过高而且时效性无法保证等。

等离子体种子激活处理及其应用由俄罗斯最先开始，俄罗斯国家物理研究所最先研制出等离子体种子处理设备，用于蔬菜种子处理，改善出苗和增加产量。美国、加拿大等研究采用等离子体对作物种子进行消毒灭菌，减少作物病害的发生。乌克兰、以色列、韩国、日本也已开始等离子体处理种子的研究和应用。在国内，山西省农业科学院旱地农业研究中心自1997年起开展等离子体种子处理技术的研究，证实了等离子体种子激活的增产效果和应用前景。随后，吉林农科院及其他一些研究单位也相继开展了等离子体处理各类种子的生物学效应与农学效应研究。试验结果表明，等离子体种子激活处理对各种作物发芽、出苗及生长均有明显刺激作用，发芽率、发芽势提高5～18％，根系发达，发病率降低，抗旱能力增强，粮食作物增产10～40％，蔬菜增产15～50％。

离子体是与物质的固态、液态和气态并存的物质第四态，是以大量自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，宏观上呈电中性。研究表明，等离子体中大量存在的活性粒子能够作用于不同的植物，并引起多种目标性状的改进，在生物技术领域具有良好的应用前景。等离子体技术作为一种诱变育种新技术，克服了常规育种周期长、进程慢、难以获得高效变异品种的缺点。

专利文献1于2003年公开了一种冷等离子体种子处理设备，包括真空装置以及设置在真空装置内的放电装置和传输装置，以氩氢(体积比1：3)混合气体作为工作气体在低真空状态下进行辉光放电，即可能够产生使生物大分子能量得到跃迁的冷等离子体，所产生的活性粒子能量达到1～20ev。该专利通过控制气体真空度、放电功率、电离时间来处理不同的种子，最终促进种子生理活性增强通过控制气体真空度、放电功率、电离时间来处理不同的种子，最终促进种子生理活性增强，但该专利需要在真空的环境下进行处理，操作不方便，并且利用空气与氦气的混合气体产生的活性粒子能量较低，无法有效处理植物。

专利文献2于2016年公开了一种大型颗粒种子等离子体激活处理装置，包括真空容器(1)，所述的真空容器(1)上连接有间歇性向真空容器(1)内送入种子的落料罐(2)，真空容器(1)内相距种子下落处设有一对呈水平状上下放置、用于对种子进行放电激活处理的电极(3)，所述电极(3)之间夹设有接收落料罐(2)所落下种子并向电极(3)方向传送种子的传送带(4)。该专利采用落料罐间歇性向真空容器内加入种子，由传送带传送至电极处，在一定真空度下通过电极的辉光放电，对植物进行等离子体激活处理，但该专利需要在真空的环境下进行处理，操作不方便，并且利用空气与氦气的混合气体产生的活性粒子能量较低，无法有效处理植物。

专利文献3于2017年公开了一种具有控温装置的射频等离子体种子处理设备，包括仓室组合、传送装置、调压装置、射频装置、控温装置，仓室组合包括进料仓(1)、进料电动真空蝶阀(2)、分料器(3)、处理仓(6)、出料电动真空蝶阀(12)、出料仓(13)、落料斗(14)；传送装置包括带张紧装置的带张紧装置的从动胶辊(4)、驱动电机(15)、主动胶辊(16)、传送带(17)；调压装置包括处理仓抽气口(7)、电磁充气阀(8)、真空波纹管(9)、真空泵(10)、第一气体转子流量计(20)、第二气体转子流量计(21)、电阻真空计(22)、电阻硅管(29)、驱动电机接线口(30)、射频电源接线口(31)、真空观察窗(32)、处理仓仓门(33)、第一电磁阀(34)、第二电磁阀(35)；射频装置包括射频匹配器(18)、射频电源(19)、触摸显示屏(23)、上电极板(24)、上绝缘板(25)、下电极板(26)；控温装置包括空调压缩机(11)、盘管(27)、温度传感器(28)。该专利能够实现连续作业，减少操作时间，降低工作气体的使用量；应用降温装置，温度稳定，但该专利需要在真空的环境下进行处理，且产生的活性粒子能量较低，无法有效处理植物。

专利文献4为2010年公开的涉及利用等离子体处理植物种子的方法及实现该方法的装置。专利文献4中涉及的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，由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。实现该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在种子处理腔内停留时间的传输装置。

虽然上述专利文献中均涉及了用于植物，尤其是植物种子诱变的等离子体处理设备，但是由于植物的种子或者花粉等不同于微生物，其较微生物本身的体积较大，而且在诱变处理的过程中常常是针对大量的种子或花粉同时进行诱变，因此，需要一种能够在较大的面积范围内放射出稳定的等离子体射流的等离子体装置，从而实现对于大量种子稳定的诱变。

因此，有必要提供一种无需真空环境，可在大气压下产生在大面积范围内稳定的用于植物诱变的等离子体植物诱变装置及其相应的等离子体植物诱变方法。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：中国专利申请公开CN103039151A号

专利文献2：中国专利申请公开CN105723861A号

专利文献3：中国发明专利公开CN206149777U号

专利文献4：中国专利申请公开CN101669416A号

发明内容

本发明人等为了达成上述目的而进行了深入研究，具体而言，本发明提供一种冷等离子体植物诱变装置，以及使用该装置进行诱变的方法。本发明主要涉及以下部分：

1.一种冷等离子体植物诱变装置，其包括植物处理部分(11)、检测与控制部分(13)，其中，

植物处理部分(11)包括：

可移动工作台(14)、等离子体发生器(8)以及冷却模块(12)，其中，

所述等离子体发生器(8)连接用于向等离子体发生器(8)输入氦气的氦气源(15)和射频电源模块(16)；可移动工作台(14)包括横向导轨(5)、可移动布置在所述导轨(5)上的滑台(6)和驱动所述滑台(6)的步进电机(23)；

检测与控制部分(13)包括：

设于所述可移动工作台(14)的位置传感器(17)、用于控制所述氦气源(15)流量的气体流量控制器(18)、检测射频电源模块(16)功率的功率传感器(19)、用于检测冷却模块温度的温度传感器(25)、用于设置处理参数的操作面板(21)和控制器(22)；

所述控制器(22)基于设置的处理参数，以及位置传感器(17)、气体流量控制器(18)、功率传感器(19)和温度传感器(25)的信号控制可移动工作台(14)的移动和等离子体发生器(8)的发射使得所述等离子体发生器(8)在植物诱变过程中发射温度稳定的等离子体射流。

2.根据项1所述的冷等离子体植物诱变装置，其中，等离子体发生器(8)发射温度稳定的等离子体射流为在距离等离子体发射器(8)以下2mm处检测不同位置的发射的等离子体射流温度时，多个测定点的平均温度为36～42℃，优选平均温度为37～41℃，进一步优选平均温度为38～40℃，并且36个测定点的温度的标准偏差在4℃以下，优选标准偏差在3℃以下，进一步优选标准偏差在2℃以下。

3.根据项1或2所述的冷等离子体植物诱变装置，其中，所述控制器(22)的输入端连接操作面板(21)、位置传感器(17)、气体流量控制器(18)、功率传感器(19)和温度传感器(25)，控制器(22)的输出端连接步进电机(23)和等离子体发生器(8)。

4.根据项1～3中任一项所述的冷等离子体植物诱变装置，其中，所述壳体(1)包括用于操作植物诱变的操作室(2)和用于封闭所述操作室(2)的操作室门(3)，所述操作室门(3)设有用于观察植物诱变的窗口(4)，所述植物处理部分(11)、检测与控制部分(13)设置在壳体(1)内，所述壳体(1)表面设有氦气源接头(10)和/或电源接头。

5.根据项1～4中任一项所述的冷等离子体植物诱变装置，其中，所述壳体(1)为塑料壳体。

6.根据项1～5中任一项所述的冷等离子体植物诱变装置，其中，所述滑台(6)设有纵向可移动的工作面(24)和用于将植物固定在所述工作面(24)的夹具(7)，所述操作室门(3)经由液压杆连接所述操作室(2)以向上可调节地开启所述操作室(2)。

7.根据项1～6中任一项所述的冷等离子体植物诱变装置，其中，所述操作面板(21)包括设有壳体表面的用于设置处理参数的触摸屏(9)，所述氦气源为纯度在99％以上的氦气，氦气流量为0～30SLM，优选为10～30SLM，射频电源模块(16)的功率为0～500W，优选为120～400W。

8.根据项1～7中任一项所述的冷等离子体植物诱变装置，其中，所述等离子体发生器(8)为平板型结构。

9.一种利用项1～8中任一项所述的等离子体植物诱变装置的冷等离子植物诱变方法，其包括以下步骤：

在第一步骤(S1)中，将待处理植物放置在可移动工作台(14)，在操作面板(21)上设置处理参数；

在第二步骤(S2)中，控制器基于位置传感器(17)移动所述待处理植物到预定位置，控制器(22)基于所述处理参数以及位置传感器(17)、气体流量控制器(18)、功率传感器(19)和温度传感器(25)的信号控制等离子体发生器(8)的发射使得所述等离子体发生器(8)在植物诱变过程中发射温度稳定的等离子体射流；

在第三步骤(S3)中，待处理植物处理完成后，控制器(22)基于位置传感器(17)复位所述可移动工作台(14)，循环重复第一步骤至第三步骤。

10.根据项9所述的冷等离子体植物诱变方法，其特征在于：在第一步骤(S1)中，连接氦气源(15)和电源，开启操作室门(3)，将待处理植物放置在位于操作室(2)一侧的可移动工作台(14)，关闭操作室门(3)，将待处理植物固定在夹具(7)上，在触摸屏(9)上设置处理参数，其中，氦气流量为0～30SLM，射频电源模块的功率为0～500W，植物诱变处理时间为0～7200s；

在第二步骤(S2)中，等离子体发生器(8)发射温度稳定的等离子体射流为在距离等离子体发射器(8)以下2mm处检测不同位置的发射的等离子体射流温度时，多个测定点的平均温度为36～42℃，优选平均温度为37～41℃，进一步优选平均温度为38～40℃，并且36个测定点的温度的标准偏差在4℃以下，优选标准偏差在3℃以下，进一步优选标准偏差在2℃以下；

在第三步骤中，复位所述可移动工作台(14)后，将处理完成的植物取下，更换新的植物重复(S3)第一步骤至第三步骤直到所有的植物全部处理完毕，排出多余的氦气，关闭电源。

本发明的技术效果如下：

根据本发明的等离子体植物诱变装置，使用氦气源作为输入等离子体发生器中，通过控制器基于所述处理参数以及气体流量控制器、功率传感器、温度传感器以及位置传感器的信号控制等离子体发生器的发射使得所述等离子体发生器在植物诱变过程中发射稳定温度的等离子体射流，从而有效地激发植物种子的突变，实现高效地对植物进行诱变育种。由于本发明免除了真空设备、在大气压下进行操作，减少了冷等离子体植物诱变装置的部件且操作方便。

根据本发明的冷等离子体植物诱变装置，本发明的冷等离子体植物诱变装置提供了操作室进一步提高处理植物的效率和安全性。根据本发明的等离子体植物诱变装置，可以处理大量的植物。由于本发明的等离子体植物诱变装置可以在较大范围内发射稳定的等离子体射流，因此可以确保对多个种子实现稳定的诱变。

附图说明

图1为本发明等离子体植物诱变装置的一实施方式的整体结构示意图。

图2为本发明等离子体植物诱变装置的一实施方式的立体图。

图3为本发明等离子体植物诱变装置的另一实施方式的侧视图。

图4为本发明的利用等离子体植物诱变装置的植物诱变方法的步骤示意图。

图5为示出本发明的等离子体植物诱变装置发出稳定的等离子体射流的示意图。

图6示出了实施例2中诱变的种子在7天后的出苗情况。

符号说明：

1 壳体；

2 操作室；

3 操作室门；

4 窗口；

5 导轨；

6 滑台；

7 夹具；

8 等离子体发生器；

9 触摸屏；

10 氦气源接头；

11 植物处理部分；

12 冷却模块；

13 检测与控制部分；

14 可移动工作台；

15 氦气源；

16 射频电源模块；

17 位置传感器；

18 气体流量控制器；

19 功率传感器；

21 操作面板；

22 控制器；

23 步进电机；

24 工作面；

25 温度传感器

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

具体而言，如图1所示本发明的冷等离子体植物诱变装置，其用于在常压室温条件下通过等离子体技术对生物育种植物进行诱变育种，冷等离子体植物诱变装置包括植物处理部分11、检测与控制部分13。

植物处理部分11，其包括可移动工作台14、等离子体发生器8和冷却模块12，其中，所述等离子体发生器8连接用于输入等离子体发生器8的氦气源15和射频电源模块16，所述可移动工作台14包括横向导轨5、可移动布置在所述导轨5上的滑台6和驱动所述滑台6的步进电机23。

检测与控制部分13，其包括设在所述可移动工作台14的位置传感器17、用于控制所述氦气源15流量的气体流量控制器18、检测射频电源模块16功率的功率传感器19、用于检测冷却模块温度的温度传感器25、用于设置处理参数的操作面板21和用于控制等离子体植物诱变的控制器22，所述控制器22基于所述处理参数以及位置传感器17、气体流量控制器18、功率传感器19以及温度传感器25的信号控制可移动工作台14的移动和等离子体发生器8的发射使得所述等离子体发生器8在植物诱变过程中稳定发射等离子体射流。

等离子体发生器(8)发射温度稳定的等离子体射流为在距离等离子体发射器(8)以下2mm处检测不同位置的发射的等离子体射流温度时，多个测定点的平均温度为36～42℃，优选平均温度为37～41℃，进一步优选平均温度为38～40℃，并且36个测定点的温度的标准偏差在4℃以下，优选标准偏差在3℃以下，进一步优选标准偏差在2℃以下。

距离等离子体发射器(8)以下2mm是指在等离子体发射器(8)发生器的下方，其滑台(6)的工作平面(24)的上方，距离等离子体发生器(8)2mm的位置。通常用于诱变的种子就放置在等离子体发生器(8)下方2mm处的位置，控制该点的温度，可以确保照射种子的等离子体射流的稳定性。

在此本领域可以理解，虽然在本发明的说明书中确定检测距离等离子体发射器(8)以下2mm位置的等离子体发射器发射的射流的温度。但该距离仅仅是为了方便检测或确定检测的基础，可以在工作平面上方，等离子体发射器的下方的任意位置进行检测。例如，也可以是距离等离子体发射器(8)以下1～5mm等任意位置。但在本发明中，为了明确检测基础确定了每次检测均是距离等离子体发生器2mm的位置，以说明照射在大量种子上的等离子体射流的温度是稳定在一定范围内的，从而可以实现对大量种子的稳定的育种。

在不同位置的等离子体射流的平均温度是指在上述等离子体发生器(8)下方2mm处随机选取一定数量的测定点，对其温度进行检测，然后求出其平均值以及标准偏差。在本发明下述的实施例中给出了一个例子，在实施例中，选取了等离子体发生器下方的36个点，如图5所示进行检测。当然，本领域技术人员可以理解，不必然是36个点，也可以是任意数量的点，当然检测越多位置，得到的结果越有代表性。

在一个实施例中，控制器22基于所述处理参数以及气体流量控制器18、功率传感器19、温度传感器25等的信号控制等离子体发生器8的发射。

本发明的冷等离子体植物诱变装置的控制器22通过控制氦气源15输出的氦气气体流量和流速，调整射频电源模块16的功率，使得等离子体发生器8在植物诱变过程中稳定发射等离子体射流，控制器22调整氦气气体流量和流速和射频电源模块16的功率，使得等离子体射流的离子能量符合要求，进一步地，控制器22可进行自学习获得优化的处理参数设置。本发明的冷等离子体植物诱变装置由于免除了真空设备、在大气压下进行操作，减少了冷等离子体植物诱变装置的部件且操作方便，本发明有效地激发突变，实现高效地对植物进行诱变育种。

本发明的贡献之一是本发明的等离子体射流的离子能量能够稳定发射，而现有技术的等离子体射流的离子能量不稳定，不利于诱变育种。

如图2和图3所示，在本发明的冷等离子体植物诱变装置的一实施方式中，所述植物处理部分11、检测与控制部分13设置在壳体1内，所述壳体1表面设有氦气源接头10和/或电源接头，所述壳体1包括用于操作植物诱变的操作室2和用于封闭所述操作室2的操作室门3，所述操作室门3设有用于观察植物诱变的窗口4。

在本发明的冷等离子体植物诱变装置的一实施方式中，所述滑台6设有纵向可移动的工作面24、和用于将植物固定在所述工作面24的夹具7，所述控制器22基于位置传感器17信号控制步进电机23实现工作面24的定位。

在本发明的冷等离子体植物诱变装置的一实施方式中，所述操作室门3经由液压杆连接所述操作室2以向上可调节地开启所述操作室2，所述可移动工作台14设有用于复位所述滑台6的复位装置和用于输入植物的输入单元。

在本发明的冷等离子体植物诱变装置的一实施方式中，所述氦气源为纯度在99％以上的氦气，操作面板21包括设有客体表面的用于设置处理参数的触摸屏9，氦气流量为0～30SLM，射频电源模块16的功率为0～500W，植物诱变处理时间为0～7200s。

在本发明的冷等离子体植物诱变装置的一实施方式中，所述射频电源模块16包括射频电源和对射频电源进行匹配的匹配器，所述射频电源经由匹配器与等离子体发生器8连接，所述等离子体发生器8为同轴型结构或平板型结构。

在本发明一个具体的实施方式中，射频电源模块16包括射频电源和对射频电源进行匹配的匹配器。射频电源通过匹配器与等离子体发生器8连接，射频电源将射频源传递给匹配器，经匹配器匹配后将该射频源的射频能量传递给等离子体发生器8，从而将氦气气体转化为等离子体状态的能量(即等离子体射流)。在射频电源和匹配器之间存在发送和收集反馈信号的信号线，匹配器和等离子体发生器8之间通过射频线连接，通过该射频线匹配器可以收集关于等离子体发生器8物理性质的信息，且匹配器可以通过信号线反馈给射频电源该物质性质的信息。当离子体发生器8的物理性质发生改变，此时通过控制器22改变其匹配的数值，并将该信号反馈给射频电源，从而射频电源会根据反馈的信号进行调整发射的射频。由于在本实施方式中，能够调节射频电源模块16可以保持等离子体发生器稳定地接收来自射频电源的射频源，并稳定发射等离子体射流。此外，或者调节氦气源15的气体流量参数以使得等离子体发生器8在植物诱变过程中稳定发射等离子体射流。通过将射频电源和匹配器模块化处理，可以大大地减少整个射频电源模块16的体积，与现有的等离子体诱变育种射频电源模块相比体积减少1/2。

在本发明的冷等离子体植物诱变装置的一实施方式中，等离子体发生器8是同轴型结构的等离子体发生器，同轴型结构的等离子体发生器采用的是同轴型裸露金属用来产生等离子体射流。同轴电极的出口端形成喷嘴，喷嘴的截面积可以是为直径8～20mm的圆形截面。由于同轴电极用于喷射等离子体射流的喷嘴截面积较小，但其可以实现集中稳定地喷射，因此通常通过同轴电极产生的等离子体射流适用于处理面积、体积较小的植物。

在本发明的等离子体植物诱变装置的另一实施方式中，等离子体发生器8采用平板型结构的等离子体发生器。该平板型等离子体发生器包括上盖板、射频电极、下盖板、地电极、以及底板，射频电极与上述射频电源连接，地电极与射频电源地线连接，上盖板覆盖于射频电极上，射频电极设有突起的平行板条，地电极上设有与射频电极的板条相匹配的窄槽，射频电极的平行板条可以穿过下隔板的窄槽，平行穿插于地电极的窄槽之间；在射频电极的平行板条和地电极的窄槽之间形成等离子体放电室，射频电极、地电极内部设有冷却水通道。

在本发明的等离子体植物诱变装置的另一实施方式中，平板型等离子体发生器8还包括匀流系统，即包括匀流室以及匀流膜，上述匀流室以及匀流膜设置在上盖板和正电极之间中。氦气从侧面进入等离子体发生器8，当氦气进入等离子体发生器8内部后直接进入匀流系统，该匀流膜可以采用高分子材料制作，例如环保聚酯材料等，匀流室为在上盖板与正电极之间的通过匀流膜隔开的空腔。优选包括第一匀流膜和第一匀流室、第二匀流膜和第二匀流室，气体通过第一匀流膜和第一匀流室、然后再通过第二匀流膜和第二匀流室。通过上述匀流系统的氦气会随后进入射频电极。

通过经过匀流系统使气体均匀垂直向下达到层流状态，从而不会形成乱流状态，不会以乱流状态进入射频电极。通过设置上述匀流系统，可以大大增加进入等离子体发生器8的气体流量，从而可以激发出更多等离子体射流，增加等离子体浓度，节省氦气源。

在本发明的冷等离子体植物诱变装置的另一实施方式中，该壳体的材料为铝板或Q235普通碳钢等。

在本发明的冷等离子体植物诱变装置的另一实施方式中，该壳体的材料为塑料，可以大大减轻装置整体的重量。

在本发明的一实施方式中，冷等离子体植物诱变装置设有风冷系统，包括依次连接的外置的水泵、水箱、换热器，等离子体发生器8的两端分别与水泵和散热器相连，形成循环。

在本发明的另一实施方式中，冷等离子体植物诱变装置设有水冷系统，包括与等离子体发生器8连接的外置冷却水循环机。此时，外置冷却水循环机通过如下方式与壳体1连接：壳体1上有进水、出水2个接口，外置冷却水循环机的出水口连接在壳体1的进水口上，然后进入到壳体1内部连接到等离子体发生器8的进水口，然后从等离子体发生器8出水口连接到壳体1的出水口上，最后进入到冷却机的进水口形成循环。

在本发明的实施方式中，优选使用水冷系统作为冷却系统。冷却水从发生器负极(地电极)上面的冷却水进口进入经过封闭循环水道从发生器正极(射频电极)上面的冷取水出口流出，在负极(地电极)与正极(射频电极)之间采用管道连接，形成能冷却两电极板的闭环冷却系统。通过采用这样的冷却系统，提高了冷却效率，降低了射流温度；结构优化，增加美观度，并且保证正负电极冷却效果一致并且；减少故障发生率，提高了设备稳定性。

本发明所述装置可以确保等离子体高效、快捷的对大量植物种子进行处理，从而在植物领域有良好的应用价值。

在本发明的一实施方式中，所述操作面板上设置有离子能量显示屏、气体流量设定按钮、气体流量显示屏、处理时间设定按钮、步进电机控制按钮、以及照明灯按钮，所述控制器22为可编程逻辑控制器，所述可编程逻辑控制器通过串行电缆或现场总线与操作面板连接。

本发明的气体流量控制器18与等离子体发生器8相连。

本发明中的一具体的实施方式中，温度传感器25用于检测冷却模块中的温度，并将温度信息反馈给控制器以进行温度集中控制和实时监控。

检测与控制部分13包括操作面板21和控制器22，在一个实施方式中，控制器22连接步进电机23，射频电源模块16、气体流量控制器18、照明系统、冷却系统和操作面板21。控制器22优选为可编程逻辑控制器，该可编程逻辑控制器通过串行电缆或现场总线与操作面板21连接。

操作面板21和控制器22是双向的关系，操作面板21可以给控制器22发送信号，也可以收集从控制器22过来的信号。所有的传感器向控制器反馈检测信号，即传感器将信号传给控制器，然后控制器22指向步进电机23、氦气源15、射频电源模块16，该反馈过程如图1所示。通过人机界面和控制器之间进行信息交互，人机界面发送控制指令给控制器，进行而视频、冷却系统、气量、工作台运动进行控制，现场设备同时将传感器信息传送至人机界面；以实现人机界面对现场信号实时控制，监控，形成全闭环系统。

如上所述，控制器基于位置传感器移动所述待处理的植物到预定位置，控制器基于所述处理参数以及位置传感器、气体流量控制器、功率传感器和温度传感器的信号控制等离子体发生器的发射使得所述等离子体发生器在植物诱变过程中发射温度稳定的等离子体射流。

具体来说，在开始样品处理后：(1)控制器控制步进电机旋转，带动滑台进行移动，当触碰到位置传感器后停止移动，待处理植物到达预定位置，此时位置传感器反馈给控制器一个信号；(2)控制器接收到位置传感器信号后，开始读取触摸屏上设定的气量、功率和温度传感器模拟量输入信号，并且将这些信号转化为模拟量输出信号传输给气体流量控制器、功率传感器和温度传感器；(4)气体流量控制器、功率传感器和温度传感器接收到输出信号后控制作用到等离子体发生器上的气体、功率和冷却水温度参数大小，使得所述等离子体发生器在植物诱变过程中发射温度稳定的等离子体射流。同时，气体流量控制器、功率传感器和温度传感器会实时输出模拟量反馈信号到控制器，控制器实时监控这些反馈信号，当出现异常问题后可以及时停止放电，放置损坏零部件；(5)控制器还可以产生输出模拟量信号到触摸屏进行气量、功率和温度的实时显示。

操作面板21设置于壳体1外表面，即壳体1的外壁上设置有供操作人员调控控制器22的操作面板21，操作面板21上可以设置有离子能量显示屏、气体流量设定按钮、气体流量显示屏、处理时间设定按钮、照明灯按钮、参数设置显示按钮和设备说明按钮，还设置有消毒装置控制按钮、步进电机控制按钮等。该操作面板21整体优选为液晶触摸屏，即可以理解为是液晶触摸屏上具有“当前日期时间”显示屏、“气体流量显示及设定”屏、“处理时间”屏、“照明灯”屏等等。通过气体流量显示及设定屏能够实时监测等离子体发生系统的供气流量，并对其进行控制。当需要设定供气体流量时，用手指点击操作面板21中的气体流量设定按钮，系统自动弹出“数字设置界面”，在数值输入完毕后，点击确定键，确认输入值。随后，控制器21将调节气体流量至新的设定值，并通过气量显示屏显示。如果上述流量设定值超过给定范围，设定值将不能设定，设定输入框一直显示为0。

在本发明的所述的冷等离子体植物诱变装置的优选实施例中，所述控制器22是通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路ASIC，现场可编程门阵列FPGA、模拟电路或数字电路，所述控制器22包括存储器，所述存储器包括一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器EEPROM。例如，控制器22可以存储机器自学习获得的优选处理参数数据。

本发明所述装置的操作面板可实现对气体流量、处理时间的设置以及对照明灯、消毒装置的控制，以及对步进电机等的控制，实现植物的连续自动化处理、监测和控制功能。该装置的人机互动界面功能完善、操作方法简易，可以将氦气气体激发，产生等离子体，用于生物植物的诱变处理，在生物技术领域有良好的应用前景。

图4示出了本发明一个实施例的使用冷等离子体植物诱变装置的冷等离子体植物诱变方法的步骤示意图，冷等离子体植物诱变方法包括，在第一步骤S1中，将待处理植物放置在可移动工作台14，在操作面板21上设置处理参数。

在第二步骤S2中，控制器22基于位置传感器17移动所述待处理植物到预定位置，控制器22基于所述处理参数以及位置传感器17、气体流量控制器18、功率传感器19和温度传感器25的信号控制等离子体发生器8的发射使得所述等离子体发生器在植物诱变过程中发射温度稳定的等离子体射流。

在第三步骤S3中，待处理植物处理完成后，控制器22基于位置传感器17复位所述可移动工作台14，循环重复第一步骤至第三步骤。

在本发明的一实施方式中，在第一步骤S1中，连接氦气源15和电源，开启操作室门3，将待处理的植物放置在位于操作室2一侧的可移动工作台14，关闭操作室门3，将待处理植物固定在夹具7上，在触摸屏9上设置处理参数，其中，氦气流量为0～30SLM，射频电源模块的功率为0～500W，植物诱变处理时间为0～7200s。优选地，氦气流量选择15SLM，射频电源模块的功率设置范围0～500W，根据实际需求优先选择200、300和400W三档位。

在第二步骤S2中，控制器22基于位置传感器17移动所述待处理植物到预定位置，控制器22基于所述处理参数以及位置传感器17、气体流量控制器18、功率传感器19和温度传感器25的信号控制等离子体发生器8的发射使得所述等离子体发生器在植物诱变过程中发射在距离等离子体发射器(8)以下2mm处检测多个不同位置的发射的等离子体射流温度时，多个测定点的平均温度为36～42℃，优选平均温度为37～41℃，进一步优选平均温度为38～40℃，并且多个测定点的温度的标准偏差在4℃以下，优选标准偏差在3℃以下，进一步优选标准偏差在2℃以下。

在第三步骤中，复位所述可移动工作台14后，将处理完成的植物取下，更换新的植物重复S3第一步骤至第三步骤直到所有的植物全部处理完毕，排出多余的氦气，关闭电源。

本方法跟传统的植物诱变育种技术相比，提高了操作人员安全、处理方便、剂量可精确控制、诱变有效成分清晰，无需在真空环境下进行处理，操作方便。此外由于本发明的装置可以发射出温度稳定的大量的等离子体射流，因此可以对大量的植物，尤其是植物种子进行诱变。

实施例

以下参考实施例，对本发明的等离子体诱变育种装置进一步进行说明。

实施例1

启动等离子体植物诱变装置，开始运行，通入纯度为99.999％氦气，气量为15slm，控制冷却模块中冷却水的温度为10℃。待等离子体装置的等离子体发生器发射5分钟射流之后，利用温度计，在等离子体发射器以下2mm处，按照图5所示的方式，在36个位点检测等离子体射流的温度，对应于图中从上到下，从左到右的点的温度，显示在下表1中。

图5示出的等离子体发生器的长度为79mm，宽度为58mm，按照图5所示的方式把发生器分成36个区域，分别测其中心点的温度。

表1

对36个检测点的温度取平均值，其平均值为：39.6℃，标准偏差为1.9℃。

进一步运行该装置30min，采用与上述相同的方法，利用温度计，在等离子体发射器以下2mm处，按照图5所示的方式，在36个位点检测等离子体射流的温度，对应于图中从上到下，从左到右的点的温度，显示在下表2中。

表2

36.4℃	39.8℃	40.3℃	40.2℃	40.1℃	36.5℃
						36.8℃	39.7℃	40.9℃	41.3℃	40.6℃	37.8℃
37.9℃	41.2℃	42.4℃	42.2℃	41.1℃	38.4℃
						37.6℃	41.6℃	42.3℃	42.3℃	41.3℃	38.2℃
37.3℃	40.1℃	41.3℃	41.8℃	40.9℃	37.4℃
						36.5℃	39.8℃	40.7℃	40.6℃	40.5℃	36.6℃

对36个检测点的温度取平均值，其平均值为39.7℃，标准偏差为1.9℃。

根据上述实验结果可以看出，本发明的等离子体发生器在运行的整个过程中，可以始终保持等离子体发生器在大面积范围内可以发射出温度稳定的射流，从而可以确保对大量植物种子的稳定的诱变。

实施例2

在实施例2中，利用图2所示的等离子体诱变育种装置处理拟南芥种子。

具体步骤如下：

(1)选取拟南芥种子，利用10％次氯酸钠对其进行表面灭菌处理；

(2)将拟南芥种子分为5份(每份200粒种子，重复3次)，启动等离子体植物诱变装置，将每份的50粒种子放在滑台的工作平面上，5份种子处理条件分别为①CK组为不进行处理的对照组；②射频电源的功率为200W，处理时间为5min(200W，5min组)；③射频电源的功率为300W，处理时间为5min(300W，5min组)；④射频电源的功率为400W，处理时间为5min(400W、5min组)；⑤射频电源的功率为400W，处理时间为10min(400W、10min组)，除了上述条件之外，通入氦气的纯度为99.999％，气体流量为15SLM，冷却水温度稳定控制在10℃，除此之外，在诱变过程中检测到的距离等离子体发射器2mm位置处的等离子体射流温度始终在43℃以下。

(3)将上述5份种子进行培养，统计不同处理时间下的拟南芥发芽率、幼苗根长、幼苗鲜重、及其他生长特征。

实验结果：

3天后，观察出苗状态，统计出苗数(即出苗的种子占每组200个种子中的比例)，结果如表3所示。

表3

诱变条件	CK	200W，5min	300W，5min	400W，5min	400W，10min
						3天	91.33％	88.67％	86％	90.67％	88.67％

冷等离子体照射后，出苗较未处理的减少。

7天观察幼苗的生长情况，图6示出其观察结果。

在图6中从左到右5栏分别CK，200W、5min组，300W、5min组，400W、5min组，400W、10min组的结果。

从图6中可以看出，随着处理时间的延长，主根的长度也随之增长。等离子体对植物种子进行照射，可以有效引起植物生长状态的改变。可以看出利用本发明的等离子体诱变装置，可以同时对200个种子进行稳定的诱变。

工业实用性

本发明的冷等离子体植物诱变装置和方法可以在等离子处理领域制造并使用。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (11)

1.一种冷等离子体植物诱变装置，其包括植物处理部分(11)、检测与控制部分(13)，其中，

植物处理部分(11)包括：

可移动工作台(14)、等离子体发生器(8)以及冷却模块(12)，其中，

所述等离子体发生器(8)连接用于向等离子体发生器(8)输入氦气的氦气源(15)和射频电源模块(16)；可移动工作台(14)包括横向导轨(5)、可移动布置在所述导轨(5)上的滑台(6)和驱动所述滑台(6)的步进电机(23)；

检测与控制部分(13)包括：

设于所述可移动工作台(14)的位置传感器(17)、用于控制所述氦气源(15)流量的气体流量控制器(18)、检测射频电源模块(16)功率的功率传感器(19)、用于检测冷却模块温度的温度传感器(25)、用于设置处理参数的操作面板(21)和控制器(22)；

所述控制器(22)基于设置的处理参数，以及位置传感器(17)、气体流量控制器(18)、功率传感器(19)和温度传感器(25)的信号控制可移动工作台(14)的移动和等离子体发生器(8)的发射使得所述等离子体发生器(8)在植物诱变过程中发射温度稳定的等离子体射流；

等离子体发生器(8)发射温度稳定的等离子体射流为在距离等离子体发射器(8)以下2mm处检测不同位置的发射的等离子体射流温度时，多个测定点的平均温度为36～42℃，并且36个测定点的温度的标准偏差在4℃以下；

所述操作面板(21)包括设有壳体表面的用于设置处理参数的触摸屏(9)，所述氦气源为纯度在99％以上的氦气，氦气流量为15～30SLM，射频电源模块(16)的功率为200～400W；

所述等离子体发生器(8)为平板型结构；

所述控制器(22)的输入端连接操作面板(21)、位置传感器(17)、气体流量控制器(18)、功率传感器(19)和温度传感器(25)，控制器(22)的输出端连接步进电机(23)和等离子体发生器(8)；

所述壳体(1)包括用于操作植物诱变的操作室(2)和用于封闭所述操作室(2)的操作室门(3)，所述操作室门(3)设有用于观察植物诱变的窗口(4)，所述植物处理部分(11)、检测与控制部分(13)设置在壳体(1)内，所述壳体(1)表面设有氦气源接头(10)和/或电源接头；

所述滑台(6)设有纵向可移动的工作面和用于将植物固定在所述工作面的夹具(7)，所述操作室门(3)经由液压杆连接所述操作室(2)以向上可调节地开启所述操作室(2)。

2.根据权利要求1所述的冷等离子体植物诱变装置，其中，多个测定点的平均温度为37～41℃。

3.根据权利要求1所述的冷等离子体植物诱变装置，其中，多个测定点的平均温度为38～40℃。

4.根据权利要求1所述的冷等离子体植物诱变装置，其中，36个测定点的温度的标准偏差在3℃以下。

5.根据权利要求1所述的冷等离子体植物诱变装置，其中，36个测定点的温度的标准偏差在2℃以下。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的冷等离子体植物诱变装置，其中，所述壳体(1)为塑料壳体。

7.一种利用权利要求1～6中任一项所述的等离子体植物诱变装置的冷等离子植物诱变方法，其包括以下步骤：

在第一步骤(S1)中，连接氦气源(15)和电源，开启操作室门(3)，将待处理植物固定在夹具(7)上，然后将夹具(7)放置在位于操作室(2)一侧的可移动工作台(14)，关闭操作室门(3)，在触摸屏(9)上设置处理参数，其中，氦气流量为15～30SLM，射频电源模块的功率为200～400W，植物诱变处理时间为5～10min；

在第二步骤(S2)中，控制器基于位置传感器(17)移动所述待处理植物到预定位置，控制器(22)基于所述处理参数以及位置传感器(17)、气体流量控制器(18)、功率传感器(19)和温度传感器(25)的信号控制等离子体发生器(8)的发射使得所述等离子体发生器(8)在植物诱变过程中发射温度稳定的等离子体射流；等离子体发生器(8)发射温度稳定的等离子体射流为在距离等离子体发射器(8)以下2mm处检测不同位置的发射的等离子体射流温度时，多个测定点的平均温度为36～42℃，并且36个测定点的温度的标准偏差在4℃以下；

在第三步骤(S3)中，待处理植物处理完成后，控制器(22)基于位置传感器(17)复位所述可移动工作台(14)，将处理完成的植物取下，更换新的植物重复(S3)第一步骤至第三步骤直到所有的植物全部处理完毕，排出多余的氦气，关闭电源。

8.根据权利要求7所述的冷等离子体植物诱变方法，其中，多个测定点的平均温度为37～41℃。

9.根据权利要求7所述的冷等离子体植物诱变方法，其中，多个测定点的平均温度为38～40℃。

10.根据权利要求7所述的冷等离子体植物诱变方法，其中，36个测定点的温度的标准偏差在3℃以下。

11.根据权利要求7所述的冷等离子体植物诱变方法，其中，36个测定点的温度的标准偏差在2℃以下。

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