El principio del calentamiento por microondas
El microondas es una onda electromagnética de alta frecuencia con un rango de frecuencia de aproximadamente 300 a 300 000 MHz (longitud de onda correspondiente de 100 a 0,1 cm) entre 300 MHz y 300 GHz. Tiene cuatro características básicas: volatilidad, alta frecuencia, características térmicas y características no térmicas. Como tipo de onda electromagnética, las microondas también tienen dualidad onda-partícula. La energía del cuanto de microondas es 1 99×l0 -25~ 1,99×10-22j. Su interacción con los tejidos biológicos se caracteriza principalmente por efectos térmicos y efectos no térmicos. Las microondas pueden penetrar en los tejidos biológicos y hacer que las cadenas laterales polares de las moléculas y proteínas dipolares oscilen a frecuencias extremadamente altas, provocando oscilaciones electromagnéticas de las moléculas y otros efectos, aumentando el movimiento de las moléculas y provocando la generación de calor. Las microondas también pueden actuar sobre los enlaces de hidrógeno, los enlaces hidrófobos y los de Van der Waals para redistribuirlos, cambiando así la conformación y actividad de las proteínas. Las características no térmicas de los organismos vivos: los efectos biológicos son una de las características importantes de las microondas. Se ha convertido en un aspecto importante de la investigación en medicina, citología y otros aspectos. Al mismo tiempo, también puede proporcionar una base teórica para la fisioterapia con microondas. o cirugía por microondas Como personas, la comprensión profunda de la tecnología de calentamiento por microondas ha atraído la atención de muchos trabajadores científicos y ha llevado a cabo investigaciones exhaustivas y profundas en algunos aspectos.
1.1 Características de las microondas
1.1.1 Calentamiento selectivo
La capacidad de una sustancia para absorber microondas está determinada principalmente por su factor de pérdida dieléctrica. Los materiales con un factor de pérdida dieléctrica grande tienen una gran capacidad para absorber microondas. Por el contrario, los materiales con un factor de pérdida dieléctrica pequeño tienen una capacidad débil para absorber microondas. Debido a las diferencias en los factores de pérdida de diversas sustancias, el calentamiento por microondas presenta las características de calentamiento selectivo.
Diferentes sustancias producen diferentes efectos térmicos. Las moléculas de agua son moléculas polares con una constante dieléctrica grande y un factor de pérdida dieléctrica grande, y tienen una gran capacidad de absorción de microondas. La constante dieléctrica de las proteínas, los carbohidratos, etc.
es relativamente pequeña y su capacidad para absorber microondas es mucho menor que la del agua. Por tanto, en el caso de los alimentos, el contenido de humedad
tiene una gran influencia en el efecto de calentamiento del microondas.
1.1.2 Penetración
Las microondas tienen longitudes de onda más largas que otras ondas electromagnéticas utilizadas para calefacción radiante, como los rayos infrarrojos y los rayos infrarrojos lejanos, por lo que
Esta Tiene mejor penetración. Cuando las microondas penetran en el medio, la temperatura del medio aumenta debido a la pérdida dieléctrica.
El interior y el exterior del material del medio se calientan casi simultáneamente, formando un estado de fuente de calor corporal, lo que acorta en gran medida el tiempo convencional. .
Tiempo de conducción de calor durante el calentamiento, y cuando la condición es que el factor de pérdida dieléctrica tenga una correlación negativa con la temperatura del medio,
el material se calienta uniformemente por dentro y por fuera.
1.1.3 Pequeña inercia térmica
El microondas calienta materiales dieléctricos instantáneamente y consume muy poca energía. Por otro lado, la potencia de salida del microondas se puede ajustar en cualquier momento, el aumento de temperatura del medio se puede cambiar sin inercia y no se produce el fenómeno de "calor residual", lo que favorece el control automático. Necesidad de producción continua.
1.2 El mecanismo del efecto biológico de las microondas
Cuando las microondas actúan sobre los organismos, bajo la acción y regulación de sistemas de control biológico, los organismos deben establecer un nuevo estado de equilibrio para adaptarse a los cambios en Condiciones ambientales electromagnéticas externas, inevitablemente se producirán ciertos efectos biológicos. Los efectos biológicos de las microondas son causados principalmente por los efectos térmicos de las microondas, seguidos de los efectos no térmicos.
1.2.1 Efecto térmico de las microondas
El efecto térmico de las microondas sobre los organismos vivos se refiere a los efectos fisiológicos sobre los organismos vivos provocados por el calentamiento de tejidos o sistemas biológicos provocado por las microondas. El principal efecto térmico es que las moléculas polares en los organismos vivos se orientan y giran repetidamente rápidamente bajo la acción de campos eléctricos de alta frecuencia de microondas para generar fricción y los iones de calor en el cuerpo vibran bajo la acción de las microondas y convierten la energía de vibración en calor general; Las moléculas también absorberán la energía de las microondas y producirán calor. La energía del movimiento térmico aumenta. Si el tejido biológico absorbe menos energía de microondas, puede utilizar su propio sistema de regulación térmica para disipar la energía de microondas absorbida (calor) a todo el cuerpo o fuera del cuerpo a través de la circulación sanguínea. Si la potencia de las microondas es muy fuerte, el tejido biológico absorbe más energía de microondas de la que el organismo puede emitir, provocando que la temperatura corporal de esa parte aumente. El aumento de la temperatura del tejido local producirá una serie de reacciones fisiológicas, como dilatar los vasos sanguíneos locales, acelerar la circulación sanguínea a través del sistema de regulación térmica, mejorar el metabolismo del tejido, mejorar la fagocitosis de los leucocitos y promover la absorción y disipación de productos patológicos.
1.2.1.1 Ventajas del calentamiento por microondas
Las características del propio microondas determinan que el microondas tenga las siguientes ventajas:
(1) El calentamiento es rápido y uniforme. No se requiere ningún proceso de conducción de calor y tiene un rendimiento de estabilización térmica automática para evitar el sobrecalentamiento.
(2) La calidad del calentamiento es alta y los nutrientes se destruyen menos. Puede mantener el color, el aroma y el sabor de los alimentos al máximo y reducir la destrucción de las vitaminas en los alimentos.
(3) Es seguro, higiénico y libre de contaminación, y tiene una gran capacidad de esterilización de alimentos. Debido a que la energía del microondas se controla en la cámara de calentamiento y la guía de ondas hechas de metal, la fuga de microondas se suprime de manera efectiva. y no hay radiación. Elimina los peligros y las emisiones de gases nocivos y no produce calor residual ni contaminación por polvo. No contamina los alimentos ni el medio ambiente. Además de los efectos térmicos, la esterilización por microondas también tiene efectos biológicos. Muchos gérmenes mueren cuando el calentamiento por microondas es inferior a 100°C.
(4) Ahorro energético y alta eficiencia. Dado que los materiales que contienen humedad pueden absorber fácilmente microondas y generar calor sin pasar por otros enlaces de conversión intermedios, casi no hay otras pérdidas excepto una pequeña cantidad de pérdida por transmisión. Ahorra alrededor del 30%^-50% de electricidad que la calefacción convencional.
(5) Tiene función de descongelación rápida. En el campo de las microondas, los alimentos congelados absorben la energía de las microondas desde el interior hacia el exterior al mismo tiempo, lo que hace que los alimentos congelados se calienten en su conjunto. Es fácil formar una descongelación uniforme general, acortar el tiempo de descongelación y excederlo rápidamente. - 50 C - 0 ℃, que es propenso a la desnaturalización de las proteínas y a la decoloración y el olor de los alimentos para evitar que la calidad de los alimentos se deteriore.
1.2.2 Efectos no térmicos de las microondas
Los efectos no térmicos de las microondas se refieren a otros efectos además de los efectos térmicos, como los efectos eléctricos, los efectos magnéticos y los efectos químicos. Bajo la acción de los campos electromagnéticos de microondas, algunas moléculas de los organismos vivos se deformarán y vibrarán, lo que afectará la función de las membranas celulares, cambiará las condiciones eléctricas de los líquidos dentro y fuera de las membranas celulares, provocará cambios en las funciones biológicas y luego afectará la sistema nervioso central,etc. Las microondas interfieren con el ritmo de la bioelectricidad (como ECG, EEG, EMG, potencial de conducción nerviosa, potencial de membrana de actividad celular, etc.), lo que puede provocar una serie de trastornos en la actividad cardíaca, la actividad nerviosa cerebral y la actividad endocrina. La gente todavía no sabe mucho sobre los efectos no térmicos de las microondas. Cuando los organismos vivos son irradiados por microondas de alta potencia, el efecto térmico es el principal (generalmente se cree que aquellos con una densidad de potencia de 10 mW/cm2 producirán más efectos microtérmicos. Y cuanto mayor sea la frecuencia, menor será el umbral de intensidad). para efectos térmicos); la radiación de microondas de baja densidad de potencia a largo plazo (por debajo de 1 m W/cm2) causa principalmente efectos no térmicos.
1.3 Aplicación del microondas en la ciencia agrícola
El microondas se ha utilizado para experimentos de germinación en muchos cultivos o semillas forestales con tasas de germinación bajas o lentas para explorar si pueden mejorar la tasa de germinación. Tasa de germinación. El contenido de humedad de las semillas tiene un impacto significativo en el efecto del tratamiento. En términos generales, las semillas con bajo contenido de humedad se ven muy afectadas por el tratamiento térmico y pueden tolerar temperaturas más altas sin sufrir daños. El microondas tiene un efecto térmico significativo y puede promover que las células G0 entren en el ciclo de proliferación (Carpita. N. C. & Murray W. N; 1976).
Además, Hu Yanyue et al. (1996) y Hu Xuanri et al. (1995) estudiaron comparativamente los efectos biológicos de los tratamientos de microondas y de choque térmico en las semillas de arroz. El tratamiento puede promover significativamente el vigor de las yemas, el tratamiento de choque térmico puede promover significativamente la vitalidad de las raíces. Lai Lin y Feng Hong (1997) utilizaron microondas de 50 W, 200 W y 500 W para irradiar semillas de melón blanco y descubrieron que el tratamiento con microondas con una potencia de 200 W podría aumentar significativamente su tasa de germinación y su capacidad de germinación. El contenido de amilasa de las semillas tratadas con microondas de 200w fue significativamente mayor que el del control a partir de las 24 horas posteriores a la germinación, y se produjeron nuevas bandas de isoenzima de amilasa a las 48 horas. Esto muestra que las microondas con este poder pueden activar eficazmente la amilasa durante el período de germinación de las semillas de melón dulce, acelerar el metabolismo de la materia y la energía, mejorando así la vitalidad de la germinación de las semillas. Huang Guiqin et al. (1999) utilizaron un microondas de 105 W para irradiar semillas de pepino durante 10 y 20 segundos y descubrieron que las hojas verdaderas crecían temprano. La altura de la planta aumenta. El tiempo de tratamiento de las semillas es de 30 segundos para promover la aparición temprana de las semillas. Sin embargo, a medida que se prolonga el período de crecimiento, la altura de la planta se suprime y el número de hojas también disminuye. Cuando la dosis de radiación es de 105 W, el tiempo de tratamiento de la semilla se divide en 85, 10 y 14 segundos, lo que promueve el crecimiento de las raíces principales y laterales de las plántulas de pepino y aumenta la actividad de la deshidrogenasa, lo que indica que se mejora la vitalidad de las raíces. Yang Junhong et al. (2003; 2004) utilizaron experimentos ortogonales para estudiar los efectos del tratamiento con microondas sobre las características de germinación y la tolerancia a la sal de las semillas de repollo. Los resultados muestran que: antes del tratamiento con microondas, el contenido de salinidad del ambiente de germinación tiene el mayor impacto en la tasa de germinación de las semillas, y el impacto del contenido de sal y la alcalinidad es más significativo después del tratamiento con microondas, el contenido de salinidad y la alcalinidad del ambiente de germinación; tuvieron un mayor impacto en la germinación de las semillas. El efecto de la tasa de germinación de las semillas estuvo en una posición secundaria y no fue significativo; la tasa de germinación de las semillas en condiciones óptimas fue significativamente mayor que la del grupo control. PAG. Reddy y D.J. Myeoek (2000) aplicó una irradiación con microondas eficaz y no destructiva de semillas de soja durante 30 segundos, lo que promovió la viabilidad y actividad de las semillas pero no tuvo ningún efecto sobre la estructura de las células y orgánulos.
1.4 Aplicación de los efectos biológicos de las microondas en medicina
El uso de los efectos biológicos de las microondas se puede utilizar para diagnosticar diversos tumores, enfermedades del tórax, enfisema, edema pulmonar y medir el grosor de las arterias. paredes, etc En particular, el uso de los efectos biológicos de las microondas para tratar tumores tiene una importancia especial. Debido a que la circulación sanguínea y la conductividad térmica del tejido tumoral son peores que las del tejido normal, cuando se expone a la irradiación de microondas, el aumento de temperatura del tejido tumoral suele ser de 1 a 3 °C mayor que el del tejido normal circundante. Si la temperatura de calentamiento se controla adecuadamente para que la temperatura dentro de las células tumorales supere los 42 uc, las células cancerosas se pueden matar sin dañar los tejidos sanos. Por lo tanto, se pueden usar microondas para matar las células tumorales resistentes a la radiación que son hipóxicas y bajas en contenido. pH. Si la hipertermia por microondas se combina con radioterapia y quimioterapia, se pueden lograr mejores efectos terapéuticos. En la actualidad, se han realizado ampliamente trabajos de investigación experimental y muchos países y regiones la están utilizando clínicamente. En los últimos años, la terapia de hipertermia se ha utilizado para tratar el cáncer de hígado y el cáncer de tejido cerebral, y se ha obtenido una gran cantidad de información (Chen). Yi et al., 1999). Los académicos chinos han logrado resultados muy obvios en el uso de microondas para tratar el cáncer de hígado, el cáncer de recto y el cáncer oral. Además, combinar una hoja de bisturí con radiación de microondas también es una forma de aplicación. Porque la energía de las microondas tiene el efecto de calentar y coagular la sangre. Y tiene un efecto esterilizante hasta cierto punto, por lo que esta forma de bisturí es particularmente adecuada para tejidos humanos con vasos sanguíneos densos (Chen Yi et al., 1999). Los ejemplos incluyen procedimientos quirúrgicos oculares y hepáticos. Lo que queda por mejorar es cómo concentrar más la energía de la radiación de microondas. logrando así mejores resultados. Las microondas también se pueden utilizar para la esterilización en las industrias médica y farmacéutica, con buenos y rápidos resultados. Además, los cerebros de animales de experimentación fueron irradiados con ondas con una fuerte potencia de pulso. Al elevar la temperatura por encima de los 42°C, los animales pueden morir en cuestión de segundos. Y todos los sistemas enzimáticos del cerebro se inactivan uniformemente al mismo tiempo, deteniendo así la reacción bioquímica, de modo que las sustancias activas resistentes al calor del cerebro puedan mantener su composición original, de modo que puedan usarse para estudiar las características y Funciones de la neuroquímica.