电磁衰减微生物材料的制备和光谱特性研究

摘要

电磁衰减技术，就是利用介质对电磁波产生衰减作用的一种技术。具有电磁衰减作用介质主要有膨胀石墨、铁粉、铜粉等无机材料，广泛应用于航天、医药、食品等各大领域。这些衰减材料类型固定、衰减对象单一、衰减波段窄、持续时间短、环境危害较大。随着经济和社会的发展，需要进一步开发新的电磁衰减材料，满足各种需求。为此，我们提出了一种全新的理念——将生物材料应用于电磁衰减领域。生物材料之所以具有电磁衰减作用，是由其成分和结构对电磁波具有吸收和散射作用引起的。自然界生物具有种类多样、成分丰富、结构复杂、制备方便、环境友好等特点，且具有有效的电磁衰减功能。本论文主要围绕材料的选择、制备、测试以及衰减性能提高几个方面研究电磁衰减微生物制备和光谱特性。
　　首先，利用傅里叶红外光谱进行静态测试，研究了七种不同微生物材料的吸收光谱，对引起不同谱带吸收作用的成分进行了分析。其次，采用了镜面反射法测定七种微生物材料在红外波段的反射谱，利用Kramers-Kronig(K-K)关系，计算了4000-400 cm-1(2.5-25μm)波段的复折射率。然后根据Mie散射理论，计算出了质量消光系数。这七种材料在红外波段处复折射率m的实部n满足n≥1，虚部满足k≥0，符合物质与光相互作用关系，说明这种测定方法的准确性。在3-5μm波段，虫生真菌Bb3088孢子和虫生真菌Ma2677孢子的质量消光系数分别达到0.8968 m2/g和1.0589 m2/g，在8-14μm波段，这两种真菌孢子的质量消光系数分别为0.7137 m2/g和0.7203 m2/g，说明这两种微生物材料衰减性能良好。所以，我们选择虫生真菌Bb3088孢子和虫生真菌Ma2677孢子，作为生物电磁衰减物。
　　目前的发酵条件下，虫生真菌Bb3088孢子和虫生真菌Ma2677孢子的产量都比较低。为了满足需要，本研究对发酵过程中的培养基和培养条件进行了优化，以提高孢子的产量。在优化后的培养基和培养条件下，虫生真菌Bb3088和虫生真菌Ma2677的孢子产量达到11.2 mg/g和24.5 mg/g，比优化前分别提高了72.3％和52.2％。固体发酵产生孢子以后，孢子、菌丝以及培养基混合在一起，难以分离。为了得到高纯度的孢子，对孢子的收集方式进行了研究，采用双气旋法作为最优的孢子收集方法。并对影响孢子产量的三个因素进行响应面优化。这三个因素分别是:基质高度与装料桶高度比、收集时间、物料干燥时间。得到最优的基质高度与装料桶高度比(A)、收集时间(B)、物料干燥时间(C)分别为18％、4 min和44 h。在优化状态下，虫生真菌Bb3088最大的估计值为20.9 mg/g，比优化前提高了221.5％。利用双气旋装置，采用最优的收集参数，对虫生真菌Ma2677孢子进行验证收集，得到最大的孢子产量为42.2 mg/g，比优化前总共提高了162.1％。为了验证双气旋法收集孢子的纯净度，对虫生真菌Bb3088和虫生真菌Ma2677的孢子形态进行了宏观和微观的观察，发现所收集到的虫生真菌Bb3088和虫生真菌Ma2677孢子粉直观表现类似细腻的滑石粉状粉末，不含菌丝和杂质，非常的纯净。这说明双气旋法是一种分离性能较好的孢子方法。
　　静态测试只考虑到微生物的成分对电磁衰减的影响，为了全面研究微生物材料对电磁波的吸收和散射作用，进行了动态烟幕箱测试。测试的波段丰要有可见光波段、中红外和远红外波段，测试项目内容有烟幕透过率、质量消光系数、有效遮蔽时间。结果发现，虫生真菌Bb3088孢子在可见光波段和中红外波段，透过率≤15％，质量消光系数≥1g/m2，有效遮蔽时间≥60s，具有非常好的消光性能。虫生真菌Bb3088孢子可作为可见光和中红外两个波段的良好的电磁衰减物。虫生真菌Ma2677孢子，在中红外波段时，透过率≤15％，质量消光系数≥1 g/m2，有效遮蔽时间≥60s，消光性能良好，可作为中红外波段的较好的电磁衰减物。
　　经过静态测试和烟幕箱测试，最终确定虫生真菌Bb3088和虫生真菌Ma2677孢子具有非常好的电磁衰减性能，其优良的衰减特性是由成分和形态共同决定的。为了进一步提高这两种真菌孢子的衰减能力，通过液质联用方法，对静态测试和大型烟幕箱测试确定得出的具有较好电磁衰减作用的虫生真菌Bb3088和虫生真菌Ma2677孢子的成分进行了分析。对孢子中含量较高的两种酯类卵磷脂和麦角甾醇对电磁衰减效应进行研究。结果发现，虫生真菌Bb3088孢子中以1∶1的比例加入麦角甾醇后和卵磷脂后，相应谱带的吸收峰分别增加了19％和11％。当在虫生真菌Ma2677孢子中以1∶1的比例加入麦角甾醇和卵磷脂后，相应谱带的吸收峰增加了22％和14％。因此，可以通过诱变、分子改造、条件优化等方法，使微生物样品中特定组分含量增加，达到增强特定波段电磁衰减作用的目的。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 电磁衰减技术研究进展

1．1．1 传统的电磁衰减材料的研究现状

1．1．2 新型电磁衰减材料的特点

1．1．3 生物电磁衰减材料的选择和衰减机理

1．1．4 生物电磁衰减材料的制备

1．1．5 生物电磁衰减物的收集方法和保存

1．1．6 生物电磁衰减材料性能研究

1．2 虫生真菌研究进展

1．2．1 虫生真菌的研究历史

1．2．2 虫生真菌的主要类群

1．2．3 虫生真菌形态和孢子的形成

1．3 生物光谱研究进展

1．3．1 红外光谱技术发展历史

1．3．2 红外光谱技术的应用

1．3．3 红外光谱技术在微生物电磁衰减性能测定方面的应用

1．4 本论文的背景和意义

1．5 本论文的研究内容

第2章 微生物电磁衰减特性静态测试和品种筛选

2．1 材料与方法

2．1．1 材料

2．1．2 方法

2．2 理论基础和计算方法

2．2．1 复折射率的理论基础和计算方法

2．2．2 质量消光系数的理论基础和计算方法

2．3 结果与分析

2．3．1 微生物材料的傅里叶红外吸收特征

2．3．2 微生物材料的复折射率的计算

2．3．3 微生物材料质量消光系数的计算

2．4 本章小结

第3章 虫生真菌Bb3088和虫生真菌Ma2677培养基与培养条件的优化和高孢粉的收集

3．1 材料与方法

3．1．1 材料

3．1．2 方法

3．1．3 孢子产量和数目的计算

3．1．4 响应面设计(Box—Behnken design)优化双气旋装置的孢子收集的效率

3．2 结果与分析

3．2．1 培养基和培养条件的优化

3．2．3 三种孢子收集方法对孢子产量的影响

3．2．4 双气旋法收集孢子的原理

3．2．5 响应面法(Response Surface Methodology，RSM)优化双气旋分离器孢子收集参数

3．2．6 响应面图和等高线

3．2．7 双气旋法获得的的虫生真菌Bb3088孢子纯度的观察

3．2．8 孢子存活率的测定

3．3 本章小结

第4章 虫生真菌Bb3088和虫生真菌Ma2677孢子电磁衰减特性的动态烟幕箱测试

4．1 材料与方法

4．1．1 材料

4．1．2 方法

4．2 理论基础

4．2．1 烟幕箱测试系统组成

4．2．2 烟幕喷洒装置

4．2．3 红外透过率测试系统

4．2．4 可见光透过率测试分系统

4．2．5 浓度测试系统

4．3 计算方法

4．3．1 红外波段电磁衰减性能测试

4．3．2 可见光波段电磁衰减性能测试

4．4 结果与分析

4．4．1 虫生真菌Bb3088孢子在可见光波段的消光性能分析

4．4．2 虫生真菌Bb3088孢子在中红外和远红外波段的消光性能分析

4．4．3 虫生真菌Ma2677孢子在可见光波段的消光性能分析

4．4．4 虫生真菌Ma2677孢子在中红外和远红外波段的消光性能分析

4．4．5 虫生真菌Bb3088孢子和虫生真菌Ma2677孢子电磁衰减特性的机理分析

4．5 本章小结

第5章 虫生真菌Bb3088和虫生真菌Ma2677孢子成分的提取和电磁衰减特性增强初探

5．1 材料与方法

5．1．1 材料

5．1．2 方法

5．2 结果与分析

5．2．1 虫生真菌Bb3088和虫生真菌Ma2677孢子成分的分析

5．2．2 虫生真菌Bb3088和虫生真菌Ma2677孢子电磁衰减特性增强分析

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

附录