离子束注入（精选9篇）
离子束注入 篇1
阿魏菇(Pleurotus ferulae Lanzi)又名阿魏侧耳,阿魏蘑,具有很高的营养价值和药用价值[1]。其子实体菌肉肥厚,质地脆嫩,柔润可口,味道鲜美,被誉为“草原上的牛肚菌”,“侧耳属中最具有烹饪价值的一种”,深受中高档宾馆,酒店的欢迎[2]。其中蛋白质含量占子实体干重的20%[3],含有17种氨基酸、多种维生素、不饱和脂肪酸和微量元素[4,5]。野生阿魏菇主要分布在我国新疆的伊犁、塔城、阿尔泰和木垒等地区[6,7]。阿魏菇是一种低温性的食用菌,其反季节栽培长期受到温度的限制,种植过程中一直遭到病虫害的困扰,因此,选育耐高温、抗病虫害的阿魏菇菌株的育种工作刻不容缓。
离子束注入技术以其独特的诱变机理和较显著的生物学效应受到广泛关注,离子注入的能量、剂量、脉冲次数等参数可以按需要进行不同组合,这种联合作用不但使诱变具有较高的方向性和可控性,还可使产生的生物学效应比单一辐射更为丰富,这就为筛选有利的突变型提供了较大空间[8]。本研究以阿魏菇菌丝单细胞及分生孢子为靶材,考察了离子束注入阿魏菇的生物效应,探索了大型真菌阿魏菇的离子束诱变育种简易方法。
1 材料和方法
1.1 材料
1.1.1 菌种
出发菌株ACK由青河野生阿魏菇子实体组织分离所得。
1.1.2 供试平板培养基(%,w/v)
小麦粉1.5,酵母膏0.4, KH2PO4 0.2,MgSO4 0.2,麸皮1.5,琼脂2.0,pH值自然。
1.2 方法
1.2.1 菌悬液的制备
1.2.1.1 分生孢子悬液的制备
取一片未喷发孢子的阿魏菇子实体,将其置于放有无菌培养皿的干燥器中,让其自然喷发,用一定量无菌水将喷发的阿魏菇分生孢子洗脱,装入50 ml锥形瓶制备分生孢子悬液,用血小板计数器计数。
1.2.1.2 菌丝单细胞悬液的制备
用无菌接种钩挑取一定量的平板外缘阿魏菇新生菌丝接入装有玻璃珠及30ml无菌水的150 ml锥形瓶,置于250r/min摇床将菌丝打散,用双层生宣纸加单层脱脂棉过滤制备菌丝单细胞悬液,用血小板计数器计数。
1.2.2 离子束注入
分别从以20%的脱脂奶作为保护剂的青河野生阿魏菇分生孢子及菌丝单细胞悬浮液中,取0.2ml涂于无菌空白培养皿中,超净工作台风干制成菌膜,置于LCD1000型多功能离子注入机小真空室,采用能量5 keV～30 keV、剂量1.5×1015cm-2～1.5×1016cm-2的低能N+束,在2.5×10-3Pa真空状态下,以5s/次间隔10s的脉冲方式注入菌种。
1.2.3 镜检
将未注入与注入过的菌悬液制作成微生物涂片放在数码显微镜下,观察离子注入对分生孢子及菌丝单细胞的刻蚀程度。具体操作参照[9]。
1.2.4 筛选
将经过不同能量及剂量离子束处理的阿魏菇分生孢子及菌丝单细胞洗脱,平板培养计数,通过营养缺陷性或目标性状高通量定性初筛、目标性状定量复筛,获得细胞存活率能量、剂量效应曲线和营养缺陷性突变株或目标性状高产菌株。
2 结果与分析
2.1 离子束刻蚀生物效应
2.1.1 低能离子束对阿魏菇分生孢子的刻蚀作用
低能离子束对阿魏菇分生孢子的刻蚀作用显著。注入前,阿魏菇分生孢子形态规则、排列整齐,细胞呈椭圆形,似蚕蛹。注入后,阿魏菇分生孢子细胞受到注入离子的损伤,细胞破碎、排列杂乱,有些细胞被打碎,有些细胞变形,有的被刻蚀只剩下了孢子壳,内容物全被离子束轰击出来(见图1)。
2.1.2 低能离子束对阿魏菇菌丝单细胞的刻蚀作用
阿魏菇菌丝单细胞的形态在低能离子束注入前后差异明显。未经离子束处理的阿魏菇菌丝单细胞细胞结构完整,形状规则,仅有少量摇瓶打散时产生的碎片,未见细胞上有损伤。而经离子束处理的阿魏菇菌丝单细胞细胞结构不完整,细胞壁经离子束刻蚀有孔洞,且碎片明显多于未经过离子束处理的(见图2)。
2.2 离子束注入细胞存活率能量、剂量效应
2.2.1 不同能量的N+束注入阿魏菇分生孢子及菌丝单细胞与存活率的关系
低能离子束对阿魏菇分生孢子及菌丝单细胞进行辐照处理,具有相似的变化规律,即阿魏菇菌落数随着加速能量的增大呈小能量缓慢下降,大能量急剧下降的变化曲线(见图3、图4)。呈现这一变化曲线的原因是加速能量较低时离子束获得的初始速度较低、动量较小,对细胞表面进行损伤和刻蚀作用较小,致死率较低,宏观表现为菌落数较多;随着加速能量的增加,离子束获得的初始速度也将增大,离子束注入的最大深度随之增大,离子束有可能损伤到细胞内部遗传物质产生许多致死突变,另外离子束注入有可能引起二次电子、软X射线、大量自由基,对细胞产生毒害,影响细胞正常的新陈代谢,致使细胞致死率提高,宏观表现为菌落数急剧减少。
2.2.2 不同剂量N+束注入阿魏菇分生孢子及菌丝单细胞与存活率的关系
阿魏菇新生菌落数随着注入剂量的变化表现出“先降后升再降”变化趋势(见图5、图6),这与其它微生物的“存活率与剂量呈马鞍型下降曲线”基本上相一致。出现这一特异现象的原因是低剂量时离子束对细胞表面刻蚀作用较轻,没有破坏细胞的完整结构,对细胞吸收养份及水份影响不大,表现为新生菌落数与真空对照相差不大;由于作者采用的是脉冲式注入,随着剂量的增加,低能离子束注入生命体的最大深度随之增大,离子束有可能损伤到细胞内部物质并产生大量的自由基和软射线等,影响细胞正常的生理代谢。有研究表明:低能离子束注入生命体的深度-浓度分布是一个非对称高斯分布[10],低能离子束注入细胞的最可几深度随着最大深度的增大也将增大,离子束对细胞表面的刻蚀作用加重,致使细胞致死率提高,宏观表现为新生菌落数有所下降;当剂量累积到一定值时,细胞修复机制被激活,保护酶的活性提高,新生菌落数又有所回升;当剂量继续增加时,细胞损伤将无法修复,使得低能离子束注入出现了与一般辐射不同的离子注入剂量与细胞存活率呈马鞍形下降曲线,这种现象在其他学者的研究中同样得到验证[11,12]。
2.3 筛选
2.3.1 营养缺陷性或目标性状高通量定性初筛
阿魏菇分生孢子或菌丝单细胞通过离子束处理后,洗脱涂皿,在最适培养条件下培养,挑取新生菌落菌丝转接到目标性状筛选培养基上培养。从营养缺陷性筛选结果(见图7A)发现:在加了苯丙氨酸Phe、丝氨酸Ser、赖氨酸Lys及维生素B6的筛选培养基上,阿魏菇突变株菌丝体生长正常,而在加了其它氨基酸及维生素的筛选培养基上,阿魏菇突变株菌丝不能正常生长,可以确定该突变株为苯丙氨酸、丝氨酸、赖氨酸及维生素B6营养缺陷型突变株,以备目标性状定量复筛之用。从耐高温高通量定性筛选结果(见图7B)发现:经过离子束注入后,99%的阿魏菇新生菌落在阿魏菇菌丝生长的极限温度35℃下,菌丝停止生长,仅有极少数的新生菌丝能够在该温度下缓慢生长,初步确定该菌株为耐高温突变株,以备后续出菇复筛之用。从多糖高产菌株高通量定性筛选结果(见图7C),我们发现:经过离子束处理的阿魏菇菌丝体通过10d左右的试管发酵,加入指示剂,进行显色反应定性检识,部分菌株与出发菌株相比颜色明显不同,暂定为目的菌株,以备后续摇瓶发酵定量复筛。
2.3.2 目标性状定量复筛
将初筛获得的目标菌株菌丝体转接到摇瓶发酵培养基,在阿魏菇菌丝体摇瓶发酵最适培养参数下发酵,对目的菌株菌丝体生物量、菌丝体胞内多糖含量等几个指标进行了定量检测,通过数据分析,将多糖产量提高15%以上的目的菌株定为多糖高产菌株。从表1的试验结果,发现2号、3号、4号菌株菌丝体的摇瓶发酵多糖产量较出发菌株分别提高了54.53%、54.36%和48.14%,均为多糖高产菌株。
3 讨论
低能离子束注入技术应用于生命科学开始于20世纪80年代中期,是我国首创的一种快速而有效的产生遗传变异的手段[13]。离子束诱变育种在大型真菌上应用的探索性研究开始于2005年[14],中心研究人员在国家发改委高技术产业化示范工程项目的资助下,通过梯次注入、反复筛选发现,离子束注入对阿魏菇分生孢子及菌丝单细胞刻蚀作用明显,细胞存活率能量、剂量效应显著,获得了一种梯次注入、营养缺陷性或目标性状高通量定性初筛和目标性状定量复筛的离子束诱变育种方法,其中应用营养缺陷性筛选获得了1株耐高温突变株CGMCC1762[15]。中心前期大量的研究发现,该方法可操作性强,是一种简便易行适用于大型真菌的诱变育种方法。在此工作基础上,结合分子生物学方法,筛选出符合育种目标的功能基因,构建基因工程菌,是作者下一步研究需要解决的问题。
离子束注入 篇2
氮离子注入井冈霉素产生菌诱变高产菌株的研究
探索了氮离子注入技术在井冈霉素产生菌高产菌株诱变中的应用.向井冈霉素产生菌注入能量10 keV、剂量15×1013个/cm2氮离子实施诱变,再生培养后单菌落接斜面上摇床进行效价测定,筛选高产菌株.结果获得诱变菌株9275#,其有效A组分含量较出发菌株提高33.52%,且具有高的遗传稳定性.
作 者：赵南 吴冬兰 唐洪 毛玉华 贺婷 张文宣 作者单位：江西核工业瑞丰生化有限责任公司,江西,新干,331307 刊 名：江西农业学报 ISTIC英文刊名：ACTA AGRICULTURAE JIANGXI 年，卷(期)： 22(4) 分类号：S482.28 关键词：氮离子注入 井冈霉素产生菌 诱变 高产菌株离子液体:为化工注入新鲜血液 篇3
离子液体捕集酸性气体
开发高效、经济、节能的酸性气体捕集技术一直是国内外关注的焦点。离子液体作为一种新型的绿色溶剂, 具有低蒸气压、宽液程、高稳定性、可设计等优点, 为发展新型的酸性气体捕集技术提供了机会。在离子液体分会场论坛上, 众多科研团队分别介绍了其在离子液体的结构设计、分离催化二氧化碳、转化吸收二氧化硫等方面的进展。
浙江大学的科研团队设计合成了几类应用于酸性气体捕集的阴离子功能化离子液体。他们通过调节离子液体的碱性、取代基、电负性等, 来实现酸性气体低能耗、可逆、快速的捕集。但这些方法存在的一个主要问题是吸收焓下降常常会导致吸收容量下降。为此, 他们又提出一种双重调控离子液体酸性气体捕集的新策略, 其核心是通过在阴离子上引入卤素等, 同时实现增加吸收容量、改善脱吸性能的效果。这些多样性的离子液体酸性气体调控策略为离子液体酸性气体的工业捕集打下了良好基础。
中科院过程工程所的科研人员针对离子液体分离二氧化碳过程进行了探索。他们选用离子液体和醇胺溶液进行复配, 解决了离子液体在工业应用中黏度较大的难题, 并针对不同离子液体体系, 提出了预测离子液体中气泡大小、上升速率和气含率的新模型, 为关键反应器设计和优化提供了重要的理论基础。他们还对离子液体脱碳工艺的全流程进行了模拟和优化。结果表明, 与传统醇胺法捕集二氧化碳相比, 离子液体法能耗降低约27%, 吨CO2的捕集成本降低约23%。
昂贵的成本严重阻碍了离子液体在工业化脱硫领域的应用。离子液体可视为由酸和碱反应制备, 通常情况下, 与阳离子对应的有机碱是造成离子液体成本过高的根本原因。北京化工大学课题组针对这一问题, 提出选用低成本的无机碱代替有机碱来制备离子液体的解决方案。他们选用价廉的Ca (OH) 2作为相应阳离子, 乳酸作为相应阴离子, 通过反应得到离子液体乳酸钙。课题组将乳酸钙配成水溶液用于吸收模拟烟气中的SO2, 他们认为, 乳酸钙水溶液是比较有前景的可再生SO2吸收剂。
开发离子液体新材料
如果说此前对离子液体的研究主要集中在用离子液体作为传统可挥发性有机溶剂的替代品用于催化相关化学反应、吸附分离、电化学等领域上, 那么基于离子液体的新材料则正逐渐成为近期离子液体研究领域的新亮点。
碳材料用作催化剂或催化剂载体材料时, 颗粒越小, 越有利于加快反应过程。但传统以生物质为原料、基于水热法制备的炭小球直径一般在200纳米~10微米, 不能满足催化要求。浙江大学新和成研发中心以离子液体为碳源或作为结构调控剂成功制备出一类基于离子液体的含氮多孔炭小球, 其直径在60纳米左右, 解决了水热法难以制备形貌可调炭小球纳米材料的难题。这些含氮炭小球纳米材料可作为有效的载体材料, 负载纳米金属形成多功能的催化剂, 高效催化相关的氧化、还原反应。
清华大学科研团队利用离子液体作为平台化合物, 与分离膜材料制备相结合, 利用离子液体黏度高、难挥发的理化性质, 解决了支撑液膜工业化应用的膜材料稳定性问题, 构成了新型离子液体“充填型”支撑液膜。与此同时, 他们还将离子液体聚合物作为前驱体的质子传导膜, 成功用于全钒液流电池。该膜用于全钒液流电池时, 能量效率达到75%。
分子筛膜具有与分子大小相当且均匀一致的孔径, 是理想的膜分离和膜催化材料。现今分子筛膜的合成方法主要由分子筛的水热合成技术发展而来, 所合成的分子筛膜大多是硅酸铝结构。离子热合成是一种新的分子筛合成方法, 在磷酸铝分子筛的合成方面表现出独特的优势。在论坛上, 中科院大连化物所介绍了他们开发的一种离子热载体自转晶合成磷酸铝分子筛膜的新方法。该法以离子液体为溶剂, 使用8-氧化铝载体作为支撑体和唯一的铝原料, 晶化合成出CHA、LTA、AEL和AFI等磷酸铝分子筛膜。
离子液体催化合成三聚甲醛
三聚甲醛是生产聚甲醛树脂的最主要单体, 但国内生产企业因缺乏相关技术的自主知识产权长期受制于国外。三聚甲醛合成的核心问题是催化剂的选择, 基于硫酸或固体酸催化剂的传统生产工艺存在腐蚀性强、设备投资高、副产物多等缺点。离子液体的出现为研发新型催化技术提供了契机, 但已开发的合成三聚甲醛催化剂成本很高 (80万元/吨) 。
离子束注入 篇4
以同源四倍体水稻IR36(4)为材料,研究了不同剂量的低能(25 keV)N+离子注入对种子萌发的.效应,结果表明,低能N+离子注入对种子的萌发有一定影响.在低剂量(2×1016N+/cm2)时,N+注入对IR36(4)种子萌发起到刺激作用,种子的存活率、吸水率、幼苗淀粉酶活性相对CK都有所提高;当注入剂量在2×1016～10×1016N+/cm2范围内,N+注入对IR36(4)种子萌发起抑制作用,表现为种子存活率显著降低、淀粉酶活性下降、膜透性增大.
作 者：李玉峰 黄群策 LI Yu-feng HUANG Qun-ce 作者单位：李玉峰,LI Yu-feng(湖南科技大学,生命科学院,湖南,湘潭,411201)
黄群策,HUANG Qun-ce(湖南科技大学,生命科学院,湖南,湘潭,411201;郑州大学,离子束生物工程省重点实验室,河南,郑州,450052)
离子束注入 篇5
Si是实现光电子-微电子集成工程的最佳候选材料。与其它光电材料相比,Si基光电材料除具有易于兼容和集成的优点外,还具有成本低廉、可靠性高以及功能扩展性强等特点;但是Si的间接带隙特性导致其发光效率较低。近20年来,人们一直在为增强Si材料的发光而不懈探索[1,2]。贝尔实验室主任兼哈佛大学教授Capasso曾指出,只要解决了Si的发光问题,那么Si将在微电子和光电子领域占据绝对统治和垄断地位。
目前,发展Si基发光材料的基本思路有两条,其一是对Si进行改性使之发光,其二是在Si衬底上制备复合发光材料[3]。材料改性和复合材料的合成正是离子注入的基本功能。近年来,在采用离子注入技术和匹配退火工艺处理后的Si中发现了一些新颖的物理和光学特性,使离子注入硅成为热点研究领域[4,5,6,7,8,9]。本文回顾了离子注入诱导硅材料发光的研究进展,重点介绍了Si+自注入发光的研究现状。
1 离子注入技术在硅晶体中形成缺陷的发光机制
硅是间接带隙半导体,即导带底与价带顶的空间波矢不同。所以,为了满足动量守恒,来自导带底的电子和来自价带顶的空穴的复合必须有声子参与,而这种3个粒子参与的复合过程使得发光效率大为降低。一般情况下,硅材料发光效率η可以由式(1)决定:
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式中,τr为辐射复合寿命,τnr为非辐射复合寿命[10]。Si的τr为毫秒量级,而GaAs等Ⅲ-Ⅴ族化合物的τr为纳秒量级,两者相差5~6个数量级。相应地,Si的复合发光效率要比GaAs等材料低3~5个数量级。显然,Si本身不适合作为发光材料。
通过采取离子注入技术,在Si晶体中引入适当的杂质或缺陷,构成杂质态或缺陷态,使激发的电子-空穴通过这些中间态复合,而某些中间态可以解除由动量守恒确定的跃迁禁戒,使复合几率大为提高,这些杂质-缺陷中心被称为辐射复合中心。在硅中多数杂质-缺陷中心是非辐射复合中心,并不发光。人们发现有两类杂质中心是辐射复合中心,一类是等电子缺陷中心,另一类是稀土杂质中心。一般认为,等电子缺陷中心的发光机制是由于分子极性可以俘获一个载流子,形成带电中心,该中心可以俘获电性相反的载流子,形成束缚激子,而正是这种束缚激子提高了间接带隙材料的发光能力。等电子中心通常是一些与硅共价的杂质,常用的如C和Ge。此外,还有一些杂质或杂质组合体也有等电子中心的性质,如将B+注入n-Si衬底,检测到波长为1.13~1.15μm发射峰。稀土杂质中心是由Er、Tb、Ce等稀土离子形成的。研究表明,在硅中掺入稀土离子,辐射光波由稀土离子自身能级结构决定,与其被掺入何种半导体母体材料无关,稀土离子辐射的光波分布在红外波段,如掺铒的硅可以获得波长为1.54μm的光致发光。
2 离子注入诱导硅材料发光的研究进展
2.1 硅晶体中掺入稀土离子Re( Re=La、Er、Eu、Tb、Nd、Ce 和 Gd)发光
1963年在一篇短讯中首次报道了将稀土离子掺入半导体GaAs和Si的研究,其后美国国防部对掺入稀土离子的Si、CaAs和InP发光管进行了研究,但相继宣告失败。经过20多年的停滞,直到1986年人们才从一篇有关掺铒CaAs-InP激射作用的文章得到启示,稀土掺杂半导体的研究工作才得以快速发展。20世纪90年代,有关硅中掺杂稀土元素发光的研究大多数仅限于波长为1.54μm的掺Er硅[11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22]。进入21世纪,很多研究者开始尝试其它稀土离子掺入硅材料的研究,如国内2002年元美玲等[23]报道了将稀土Nd、Ce离子掺入Si薄膜的研究;2005年程国安等[24]报道了将稀土La、Nd和Ce离子掺入到单晶Si中的研究;2009年孙甲明等[25]将稀土离子Eu、Er、Tb、Ce和Gd注入SiO2薄膜, SiO2∶Re有效发光层的厚度为50nm,在掺杂浓度为1%~3%的条件下,掺入稀土离子Er、Tb和Gd的Si材料MOS结构电致发光器件在红外、绿光和紫外的量子效率分别达到 14%、16%和 5%。
研究表明,在硅中掺入稀土离子,辐射光波由稀土离子自身能级结构决定,与稀土离子被掺入何种母体材料无关,例如掺铒硅1.54μm的光辐射来自Er3+的4f层电子跃迁。在电注入或光激发下,基质中产生过剩束缚激子,光激活Er3+通过其在禁带中束缚住激子,形成Er3+和激子的复合体,Er3+束缚激子复合后将能量通过俄歇过程传递给Er3+,使Er3+激发到高激发态。一般情况下,高激发态立即弛豫到第一激发态4I13/2,从第一激发态4I13/2到基态4I15/2之间的电子跃迁辐射出1.54μm的光波[26]。但是,由于Er的原子量很大,必须采用高能量注入机,同时Er在Si中的固溶度较低(<1×1018 cm-3 ),因而导致其发光效率很低。近些年的研究表明,当Si中存在一定浓度的氧时,铒的浓度可达约1020 cm-3,使Er在Si中的固溶度提高了2个数量级,发光强度得到较大提高。从目前结果看,采用Er-O共掺杂的方法来提高Er在Si中的固溶度和发光效率,有望获得较大突破[27]。
2.2 硅同族元素C+、Ge+注入诱导硅材料发光
(1)C+注入诱导硅晶体发光
1995年鲍希茂研究组[28]首次研制出Si基上的高亮度多孔碳化硅蓝光发射材料,指出该材料具有良好的热稳定性。贝尔实验室利用离子注入技术将C+注入到单晶Si中,并在900~1000 ℃退火使之形成SiC,再通过电化学腐蚀使其变为多孔SiC,获得了发光波长为470nm的强蓝光。但这种具有多孔结构的碳化硅在室温空气中较长时间存放时蓝光发射特性将发生漂移,在实际应用方面遇到与多孔硅一样的困难。廖良生等[29]进一步研究了多孔SiC蓝光发射的稳定性,它与常见多孔硅在相同条件下的发光不稳定性形成鲜明对比,这种多孔SiC蓝光发射的稳定性来源于Si-C键的化学稳定性。吴晓华等[30]采用C+室温注入单晶Si的方法获得SiC淀积,多孔化后再加25V以上直流电压,可以检测到447nm的蓝光发射,发光强度随电压增加而增强,认为,EL谱峰447nm与PL谱峰470nm之所以不同源于载流子激发机制的不同;样品只有在大电压下才能发光,因为只有在大电压下空穴才能越过Si/多孔Si势垒,进入多孔SiC区进行辐射复合。他们将发光原因归于量子尺寸限制效应和表面复合的共同作用。
(2)Ge+注入诱导SiO2薄膜发光
1993年M. Gallagher等[31]报道了Ge离子注入SiO2薄膜中形成GeO,而GeO中三重态跃迁有400nm紫光发射。鲍希茂研究组采用离子注入技术将Ge+注入SiO2薄膜,发现GeO含量随退火温度的升高而增加,在900℃达到最大值,同时还发现注入后的SiO2样品发射一个峰位为396nm的光致发光,其强度随退火温度的升高而增加,900℃达到最强,即GeO含量随温度的变化与紫光PL谱强度变化具有相同的规律。L. Rebohle等在n-Si上生长一层厚度为300nm的SiO2薄膜,并对SiO2注入Ge离子,注入能量为350keV,剂量为3×1016 cm-2,在氮气中从400~1200℃退火30min,获得的最佳退火温度为500℃。从500℃退火后的样品中可以检测到一个波长为380nm的强蓝紫光发射峰[32,33]。
2.3 Si+ 自注入诱导硅材料发光
1996年Fujinami等[34]将剂量3×1014 cm-2的Si+自注入单晶Si,并在300℃退火,发现空位团簇大量聚集,而退火温度升到600℃时,这些空位团簇开始向样品表面扩散;当注入剂量增为2×1015 cm-2时,仍然可以发现存在大量空位团簇,且随着退火温度的升高呈现增加趋势,900℃时达到最大数量。2003年Macdonald等[35]将低剂量Si+自注入硅基并高温退火,发现了两个载流子寿命增加的缺陷区域,一个区域在表面附近,另一个在深穿透区域。进一步研究发现,这些深穿透形成的缺陷在退火期间快速扩散,使其几乎都分布在深度为100μm附近。2004年Y. Zhong等[36]报道了在100℃下低剂量Si+自注入硅晶体时,形成少量的空位和填隙团簇;当注入剂量增到3×1014 cm-2时,这些团簇达到饱和浓度,此时弗兰克尔缺陷浓度大约为1×10-3;当注入剂量为1×1015 cm-2时,填隙原子浓度开始超过弗兰克尔缺陷浓度,引起填隙团簇的增加;当注入剂量达到3×1015 cm-2时,这些团簇形成位错环。2005年Giri等[37]报道了Si离子自注入Si晶体中所形成的发光结构,并检测到在1218nm附近的W波段和尖锐的X波段。2006年G. Davies的研究小组[7]报道了Si离子自注入Si晶体中光致发光出现的临界剂量与退火活化温度之间的关系,描绘出荧光强度与发光中心密度之间正比例关系成立所适用的范围和条件。2007年国内杨宇等和哈佛的M. Aziz合作,利用Si离子自注入产生的点缺陷,于300℃退火产生强W线发射,电致发光强度在20K时最强,内量子效率约为10-4,EL在80K开始急剧降低,100K时则难以观测到发光信号;利用离子注入产生的W线在SOI衬底上制备出稳定性很好的发光二极管[38]。2009年杨宇研究组又报道了注入能量为300keV的 Si离子自注入 Si晶体的光致发光研究,注入离子的剂量为3×1014 cm-2,然后从室温到950℃进行热退火处理,温度间隔为50℃,研究表明,退火温度至关重要,它能使样品的发光特性发生从宽带、W线、S带、R线到 D带之间的变化。在上述退火温度范围内得到了对应于各个PL 峰最大强度的最佳退火温度,并获得了各个PL峰的结合能[39]。
硅自注入的另一个研究方向是将Si离子注入SiO2薄膜。Mutti等[40]将Si+注入到SiO2薄膜,然后在N2环境中退火,发现退火温度升高时,光致发光峰位发生红移。他们根据退火温度升高,SiO2中纳米硅粒的尺寸增大这一现象,认为发光来源于纳米颗粒中带-带的复合。Brongersma等[41]报道了将Si离子注入厚度为110nm 的SiO2薄膜,注入能量为35keV,并在1100℃下退火10min后观测到一个峰位在790nm的光致发光,并通过分析说明这个发射峰来源于硅纳米晶和离子注入所形成的缺陷。廖良生等[42]报道了在单晶Si衬底上生长一层SiO2薄膜,并采用Si+注入和适当的退火处理,获得了红、黄、蓝3个波段的发光,其发光强度可与多孔硅相比,其中,蓝光谱波长为470nm,是由氧空位缺陷发光,黄光峰也是由缺陷引起,而红光峰则是由注入的过剩Si聚集成纳米晶粒,因量子限制效应而发光。2000年Pavesi等[43]采用高剂量Si离子注入石英衬底或SiO2薄膜,然后通过1100 ℃高温退火1h,发现了含有纳米Si颗粒的SiO2体系的光增益现象,从而证明该体系具有实现激光的可能性。J. Zhao等[44]将Si+和C+先后注入到SiO2薄膜中并退火处理,获得了类似多孔SiC的强蓝光发射。2003年A. Perez-Rodriguez等[45]采用与J. Zhao同样的实验方法进行了进一步的研究,讨论了注入剂量对发光的影响,获得了白光,并指明产生白光的3个发光谱带分别为红外-红光谱带(1.4~1.9eV)、黄绿光谱带(2~2.7eV)、蓝光谱带(2.7~3.3eV),通过分析说明分别是硅纳米晶、碳团簇和SiC非晶纳米颗粒产生这3个发光谱带。2006年Jambios等[46]在富含Si+和C+的SiO2薄膜中观察到了白光的EL光谱,指出了蓝绿波段的光发射是与C相关的发光中心造成的。
硅自注入产生的空穴或填隙点缺陷在硅中的运动和演化包含丰富的物理信息,其导致的高效发光对实现硅光电子集成具有极大的潜在应用价值。同时硅离子注入硅晶体缺陷的引入,不仅为硅中各类缺陷形成机理和发光物理机制等基本问题的研究开辟了一条新途径,还展示了全硅芯片光电子集成技术应用的曙光。
2.4 其它类型离子注入诱导硅发光
(1)B离子注入诱导硅晶体发光
2001年Ng等[47]采用离子注入技术,向n-Si中注入大量的B+,在表面和p-n结之间引入了大量位错环,实现了效率为0.1 %的带间电致发光。他们将发光增强的原因定性地归结为位错环的应力场形成的势垒,其限制了自由载流子向表面和内部的非辐射复合中心的扩散,减少了电子和空穴的无辐射复合,从而提高了硅的带边发光效率。2006年Homewood研究组报道了采用离子注入技术把B离子注入Si晶体中[48],离子轰击过程在Si片内部产生了大量缺陷。B离子在Si中既是产生p-n结的掺杂剂,又可以引入位错环。用此环形位错结构制成的Si发光二极管, 0.6~1.2V开启发光,发光波长峰值在1.13~1.15μm之间,发光响应时间约18μs,器件的室温外量子效率约2×10-4,如果计及器件的边反射,外量子效率可达10-3,即约为GaAs的1/10。另外,2009年孙甲明等[49]将B离子注入 n-Si并制成Si发光二极管,系统研究了B离子的注入剂量、能量以及温度等条件对硅p-n结电致发光效率的影响,发现,随着注入B 离子浓度的增加,硅p-n结二极管的电致发光效率显著增强,室温下达到最大值0.12%,比传统的硅p-n结发光二极管增强了2~3个数量级;在低温电致发光光谱中发现了两个来自局部掺杂缺陷的束缚激子发光峰,其随着温度的升高出现猝灭。
(2)P离子注入诱导硅晶体发光
Kittler等研究了P离子注入Si外延层而形成的p-n结,发现室温附近强烈的带间复合电致发光,而且与普通CZ Si的带间复合发光性质相反的是,其发光强度随着温度的升高而增强,认为位错环不应该是离子注入硅p-n结强发光的直接原因,而是位错环引起的吸杂作用减少了Shokley-Read-Hall(SRH)非辐射复合中心的数量,从而使得带间辐射复合发光成为主导。由于缺陷或位错的吸杂作用,造成了硅体内清洁的效果,吸杂而造成的清洁区域位于p-n结附近,该区域的少子寿命很长,所以辐射复合占据主导地位。由于P的吸杂效果比B的好,所以预言P离子注入的p-n结发光强度大于B注入的p-n结[50,51,52,53]。Bao等[54]采用注入P离子的工艺在Si晶体中引入了以点缺陷为主体的发光中心,并成功地研制出一种基于W线增强的发光二极管。
(3)S、Cu/Ag等离子注入诱导硅晶体发光
王启明等[55]开展了将S、Cu/Ag离子共注入Si中形成S-Cu等电子中心的研究。S离子注入能量为265keV,剂量为2×1015 cm-2;Cu离子注入能量为450keV,剂量为6.4×1014 cm-2。将样品从800~1200℃退火5min后进行光致发光测量,得出最佳退火温度为1050℃。进一步变温PL测量研究发现,PL强度在77K的液氮温度达到最大,发光的中心波长约1.35μm,在260K近室温时依然能观测到发光。最后将样品分别在氮气、氧气、氩气保护下1050℃退火5min,发现在不同的气氛下PL测量并没有明显的不同。
3 结语
离子注入在金属表面改性中的应用 篇6
1 离子注入在金属表面改性中的应用
1.1 提高表面硬度和强度
强度和硬度是金属表面改性的重要研究参数。大量的实验和研究表明:离子注入可以不同程度地提高金属材料表面的强度和硬度。
当金属中注入碳、氮、氧和磷等非金属元素时, 可在金属中析出碳化物、氮化物、磷化物等弥散相和超硬相, 在近表面形成TiC/TiN, Fe2Ti, Fe2N, Fe2C等, 表面洛氏硬度得到提高。
谈政[1]等人在工业纯铁上进行Ti、N双元素注入, 实验结果表明随注入剂量的增加试样的显微硬度先增加, 剂量为6×10l7ions/cm2字时硬度值达到最大值, 而后随剂量增加显微硬度有所下降。另外, 在N离子注入过程中, 由于辐照诱发相变, 在表层析出大量的TiN、Ti2N等硬质相, 提高基体表面硬度。
苗伟[2]等人将Zr和V离子注入Al膜, 使Al表面的硬度和弹性模量得到了明显提高, 研究结果表明金属离子注入Al膜在表面层形成了金属间化合物DO23-Al3Zr, Li2-Al3Zr, Al10V和Al3V;N.Akbas[3]等人在AlSi D3工具钢中注入Zr离子, 平均离子能量为130keV, 剂量为3.6×1016、5×1016和1×1017ions/cm2, 近表面处的硬度提高近5倍。
1.2 提高材料表面的耐磨性和降低摩擦系数
一般情况下, 离子注入可通过两种不同的机制改善材料的耐磨性能[4]: (1) 注入可提高表面硬度的元素, 通过析出硬化相来提高材料表面的屈服强度。 (2) 注入可减小摩擦系数和使耐磨损性稳定的元素。高能离子与晶格原子发生级联碰撞后, 引起大量原子从原来的点阵位置上离开, 从而导致高度畸变, 有时呈非晶态结构, 因此使材料表面摩擦系数减小。试验发现, 在钢表面注入Sn+、Mo+后可使摩擦系数减少;而As+、In+与Pb+注入可使摩擦系数加大;而Kr+、Ar+、S+的注入则不引起变化;N2+与O2+的注入也使其摩擦系数降低。目前应用较多的用来改善材料表面耐磨性的注入元素有N+、Ti+、C+、P+、B+等, 注入剂量为1～5×1016ions/cm2。
杨建华[5]等人在H13模具钢中注入Ta和C离子。钽、碳离子双注入区域具有高的强度和低的摩擦系数, 从而提高了其耐磨性。杨建华等还利用Ti、Ni离子注入铝表面, 形成A13Ti、NiTi、A12O3等合金层, 磨损率明显降低, H13钢塑料模具注入N离子后, 耐磨性和耐腐蚀性提高。
张通和[6]等研究发现, Co和Ti离子注入有很好的润滑作用, 可使钢表面的摩擦系数下降65%, 并能提高HSS钢表面的韧性和弹性, 使其具有很好的自修复能力。
Sharkeev[7]等人将Mo离子注入到中碳钢中, 阻碍了断裂机制的形成, 提高了材料的抗磨损性能, 使磨合时间变短, 很快进入稳定磨损阶段;Purus hotham[8]等将Zr离子注入到CrN膜中, 使其摩擦系数减小, 改善了耐磨性能。
1.3 提高金属材料抗腐蚀性能
离子注入在材料表面形成的新合金相、非晶层等结构是提高材料耐腐蚀性能的重要原因。离子注入提高金属表面抗腐蚀性能主要有三种情况[9]: (1) 在表面形成稳态和亚稳态合金; (2) 非金属注入可在金属表面形成化合物, 其中一些化合物对改进金属的耐腐蚀性起到重要作用; (3) 注入金属材料表面的高能离子, 将与金属表面原子发生碰撞, 从而损伤原有晶格结构, 使金属表面形成非晶态、无晶界的表面层, 降低材料在电解质溶液中的钝化电势和临界电流密度, 影响阳极氧化过程, 从而降低材料被腐蚀的速度, 提高抗腐蚀能力。
张通和[10]等人在H13钢中注入C+Ti, 发现注入层表面己经形成了具有一定厚度钝化层, 这种钝化层既能抗酸性腐蚀, 又具有优良的抗碱性点蚀特性。测量结果表明, 在C注入量不变时, 增加Ti注入量可使抗腐蚀特性增强;而在Ti注量不变时, 增加C注入量可使抗点蚀特性增强。
刘伦等人对工业纯铁分别注入Ti离子和Mo离子后, 其抗腐蚀性能均有一定程度的提高;何恒等人对Cr4MoV和Cr12MoV试样注入Ta, 阳极氧化测试表明Ta离子注入能提高两种材料的耐蚀性能;罗文华等人在纯铁基体上进行了离子注入Nb表面改性处理, 结果表明, 离子注入Nb可不同程度地提高纯铁的抗电化学腐蚀, 水汽腐蚀及热氧化腐蚀能力;Cheng, Y.[14]等人将Ta注入到形状记忆合金TiNi中, Ta形成了化合物增强膜和合金的钝化膜, 改善了其耐蚀性。
1.4 提高金属表面抗氧化能力
通过注入不同的离子可不同程度地提高金属材料表面的抗高温氧化能力, 如表1所示。离子注入降低氧化速率的原因主要有以下四种: (1) 离子注入将改变氧化层中空间电荷的分布; (2) 离子注入后将产生具有缓慢的离子扩散速度的结晶相; (3) 离子注入能减小氧化物中短路一扩散路径的密度; (4) 离子注入可阻止氧化物破裂。例如, 用Ar+离子 (2～3×1020ions/cm2, 300、400keV) 注入沉积在Si膜的纯铁上, 可使铁在600℃的氧化速率常数减小250倍, 提高抗氧化性能100倍。这可能是在铁表面形成了Si02沉积物, 极大地减小了铁离子通过这些氧化物的系数, 从而提高了抗氧化性。2.5离子注入提高抗疲劳性能
疲劳性能是一种对表面状态敏感的性能。在航空系统中, 许多零部件对抗疲劳特性的要求是十分严格的, 而离子注入技术在这方面具有独特的优势。通过离子注入可改善材料的表面状态、滑移特性和各向异性, 同时由于固溶强化、析出相弥散强化和残余压应力的形成, 增强了其抗疲劳特性。
韩海军等对GH4169合金注入Ti+C离子研究发现, 注入足够量的Ti+C离子会增强位错的应力场, 引起表层硬化, 阻止位错运动, 同时在表层形成TiC相微观弥散结构, 有利于蠕变/疲劳性能的提高;经Ti+C离子注入后GH4169合金的表层处于残余压应力状态, 这对提高抗蠕变/疲劳性能极为有利;试验证明:Ti+C离子注入的试样性能比未注入离子的蠕变/疲劳寿命提高近50%。
2 展望
到目前为止, 虽然离子注入技术在实用性方面仍处于发展阶段, 技术还不十分成熟, 成本也比较高, 但人们对离子注入技术在金属表面改性方面的应用已进行了大量的研究工作, 取得了很多成果, 随着离子注入技术的不断发展, 可以预期在不久的将来会带来巨大的经济效益和社会效益。另外, 对于离子注入技术的研究和探索, 可以促进表面工程学的发展, 使人们更多的关注材料表面的研究, 而不是仅仅局限于研制新材料, 从而进一步节约贵重金属材料。
参考文献
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离子束注入 篇7
1 试验部分
1.1 仪器和试剂
仪器:DIONEX ICS-1500型离子色谱仪, 配备有阴、阳离子分离系统, DS6电导检测器以及Chromeleon色谱工作站。
试剂:国家标准物质中心提供的C l-、SO2-4、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Sr2+、Ba2+标准溶液, 其中以Cl-、SO2-4为主。
1.2 分析方法
(1) 样品预处理
水样经定性滤纸去掉不溶性颗粒物, 适当稀释后定容。在色谱仪的进样口前添加C18小柱, 以去除水中的微量有机物;添加0.45μm微膜过滤头, 以去除水中极小颗粒。
(2) 色谱分析条件
色谱分析条件如表1所示。
(3) 测定
对各项离子分别配制一组标准溶液并绘制标准曲线。用1 m L注射器吸取水样注入25μL的定量管, 切换六通阀将定量管中样品导入色谱柱, 用淋洗液淋洗, 使用Chromeleon色谱工作站记录色谱信号, 得出各峰面积, 用标准曲线方程算出离子含量。
2 结果和讨论
2.1 淋洗液浓度与流量的选择
在离子的洗脱过程中, 若淋洗液浓度过高, 会导致较大背景电导, 从而影响检出结果的准确性;若淋洗液浓度过低, 则会导致离子洗脱不完全。淋洗液的流量过高, 会缩短离子的保留时间, 使得离子间分离度较差;若淋洗液流量过低, 则会延长检出时间。通过对不同浓度与流量的淋洗液实验谱图的分析可以得出: (1) 而在进行阴离子分析时, 氢氧化钾淋洗液浓度为30 mmol/L, 流量为1.0 m L/m i n, 离子间的分离度为4.72至7.76 (如图1所示) ; (2) 在进行阳离子分析时, 甲烷磺酸淋洗液浓度为45mmol/L, 流量为1.0 mL/min, 离子间的分离度为1.43至3.11 (如图2所示) 。
2.2 方法的线性范围和相关性
依据油田注入水中各离子的实际浓度范围, 配制了系列单标样。将标样依次进行测定, 以峰面积对浓度做图, 得到标准曲线, 结果见下表2所示, 从表二可知, 这种方法的线性范围大于102, 其线性良好。
2.3 方法精密度
配制一个含三种阳离子的混和标准溶液 (K+=20mg/L、Mg2+=10 mg/L、C a2+=20 m g/L) , 连续5次重复进样检测, 结果见表3所示, 其相对偏差均不大于1%。
2.4 样品分析的结果
用离子交换色谱法与经典化学法对现场具有代表性的三种水样进行了水质分析, 其结果见表4所示。从表可知, 这两种方法的测定结果之间并无显著差异, 但离子交换色谱法的检测下限更低, 且其可以测出更多的离子。
2.5 方法准确度
选取一定量的标准溶液添加到水样中进行测定, 用上述线性方程计算, 根据标准溶液添加前后水样中离子浓度的变化, 可求得各标准溶液的实际加入量, 其中标准溶液的回收率在97%至103%范围内。
离子束注入 篇8
蓝宝石属刚玉族宝石,世界蓝宝石矿产丰富。20世纪70年代末在中国新生代碱性橄榄玄武岩及超基性岩体内的刚玉斜长岩中发现了蓝宝石(1),目前成规模开采的主要是山东潍坊地区的昌乐县和五图镇。中国山东蓝宝石以粒度大、晶体完整而著称,且储量居全国之首。然而,大多数山东蓝宝石颜色较暗,透明度差,只有少数可达到宝石级别(2)。因此,其颜色的优化和改善一直是学术界关注的重要内容之一。
蓝宝石的主要成分为Al2O3,一般都不同程度的含有Fe、Ti、Cr、Ni、Mn等杂质元素(3),这些杂质元素可以类质同象的形式存在于蓝宝石的晶格中,以等价或异价的形式代替蓝宝石中的Al3+,并对其颜色产生影响,也可以包体或机械混入物的形式存在(4)。山东蓝宝石的特点是90%以上的样品均呈现深蓝色—蓝黑色。在透射光下呈靛蓝色,可见光吸收光谱上表现为580nm以及700nm两个吸收中心(5)。其致色离子主要与铁和钛元素有关。前人研究表明,Ti4+要取代Al3+在蓝宝石中存在,必须有等量的Fe2+同步取代两个Al3+以保持电荷平衡,Ti4+要取代Al3+的比例应接近1:1(6)。Fe2O3+Fe O与Ti O2的含量变化影响蓝色色调,亦即Ti O2含量高,Fe2O3+Fe O含量低时呈蓝色,反之呈深蓝色。Fe2O3+Fe O含量相对较高,Ti O2含量相对较低是导致山东蓝色系列蓝宝石颜色较暗的主要原因(7)。
因此本次试验拟在山东蓝宝石中加入钛离子,并通过实验寻找出最佳改色效果的铁钛比例。
二、离子注入原理
离子注入引起材料表面成分和结构的变化以及原子环境和电子组态等微观状态的扰动,由此导致材料的各种物理、化学或机械性能的变化。其基本原理是:用离子注入机把要掺杂的离子加速成具有足够能量的载能束注入固体材料的表面层。离子注入机的基本结构为离子源、分析磁场、加速聚焦器、注入系统和真空系统所组成(8)。
传统的改色方法有三种:高温氧化处理、助溶剂法高温处理与高温高压水热处理。但效果都不是很好,改色后的蓝宝石大部分颜色发灰,部分失去蓝色。离子注入技术相比于传统的改色技术有着显著的优点:
进入晶格的离子浓度不受热力学平衡条件的限制;注入是无热过程,可在室温或低温下进行;注入离子的浓度和深度可用注入积分剂量及注入电压控制,注入离子的分布可用理论计算或用离子束背散射和核反应分析等方法测定;注入离子与基体间没有明显的界面,注入层不会脱落;能注入互不相溶的杂质(9)。
虽然离子注入在许多领域,但这一技术在珠宝行业的应用还少有报道。基于此,我们选择了利用离子注入技术来对山东蓝宝石进行优化改色的研究,为进一步探讨离子注入技术应用于其他宝石颜色改善奠定理论和实践基础。
三、试验样品与方法
1. 样品描述。
本实验中,分别选取了黄绿色和深蓝色蓝宝石作为实验样品,以期对它们的改色效果进行比较分析。实验前将样品沿垂直C轴方向切磨,单面抛光。样品特征如表1所示。
2. 离子选择依据及注入过程。
实验采用型号为LZD-800复合离子注入机,加速电压30-90k V,束斑直径100mm,在100mm束斑直径范围内离子流可达5m A。累积剂量和引出电压分别控制着注入剂量和注入深度。实验采用“累积剂量”计数器。每块样品均用玻璃遮盖一半表面,方便实验后期对比观察。实验前样品及持样品的镊子进行了超声波清洗,实验过程中,避免手接触样品,防止二次污染。——
3. 后期试验检测(以B-1和D-1为例)。
(1)肉眼及光学显微镜观察。
肉眼观察B-1样品,注入面与未注入面分界明显,注入面光泽变强,光学显微镜下观察,颜色较之前的深蓝黑色减淡许多,透明度略有提高。
D-1样品微透明,可见未注入面和注入面颜色及光泽改变大,注入后蓝色肉眼观察几乎消失;光泽明显增强,为强的亚金刚光泽;表面光洁度增加,有镜面效果。
(2)样品表面抗压测试及表面形貌变化。实验采用维氏显微硬度计,金刚探头,试验力2.94N,显微镜倍率为10。相同条件下,金刚石探头每次以相同的压力施压于蓝宝石表面,由显微镜下观察可知,在蓝宝石未注入面的压痕可见明显裂痕,而注入面的压痕周围裂痕减少,可见注入后宝石表面脆性降低的事实。
这是由于离子注入是在真空靶室中,在几十至几百千伏的电压下,把所需元素的离子注入到样品表面,伴随形成了大量的间隙原子、空穴、位错等辐照损伤(10)。这些高密度的显微缺陷共同作用,阻止显微裂纹的萌生。使材料的物理性能发生显著变化,提高材料的机械性能。此外,离子注入形成的二次相如沉淀物和辐照损伤与滑移位错相互作用,产生表面硬化,从而减少了驻留滑移带的形成和位错滑移。即离子注入后的样品脆性降低,抗疲劳性增强。
笔者还对注入前后样品的表面形貌进行了观察比较,发现离子注入后宝石表面光泽增加,对应图像上的阴影凹坑减少。分析应为注入的离子填补了晶格间隙,在表面形成覆盖层,使样品表面光泽增强(12)。
(3)光谱特征比较。实验采用USB4000光纤光谱仪,波长范围为200~1100nm,14种光栅,波长范围从紫外到近红外。采用光导纤维收集样品表面的漫反射信号,选用该仪器配套的D65光源,室温下对6块注入后样品进行可见吸收光谱测试。测试结果如表3所示。
据上表分析可知,在注入剂量强度较小,以1×1016ions/cm2数量级计算时,波长变化不显著,即颜色的改变不明显。而当注入剂量上升一个数量级以后,波长改变量较大,对比后三组样品可知其中又以注入剂量强度为1×1017ions/cm2时,波长变化明显。B-2样品和D-2样品注入剂量强度相同,但由于电压不同,D-2波长改变量几乎为B-2一倍,高的引出电压致使离子注入深度加大,停留在样品表面最外层的浓度变大,从而颜色变化明显,故不同的引出电压、相同的累积剂量对颜色的改变度有不同。对比D-1和D-2样品,D-1样品注入剂量继续加大,但波长变化减小,颜色变化不如D-2明显。
由此可见,离子注入剂量强度与颜色改变程度并非正相关关系,而是存在一个相对合适的注入量区间。这是因为金属离子注入存在临界饱和剂量,即注入离子到一定剂量时,溅射离子数将与注入离子数相同,达到动态平衡,再增大剂量实际上也是浪费金属。不同的注入离子、靶材料以及注入工艺参数,饱和剂量也有所不同。只有在最合适的区间内,改色效果才最明显,而注入剂量强度为1×1017ions/cm2应在此区间内。再对比B-2样品及D-1样品,D-1样品注入剂量强度比B-2样品提高了三倍,但波长提高量不大,由此更进一步证实了注入剂量强度为1×1017ions/cm2时是合适的注入区间的推论。D-1样品相较B-2样品引出电压更高,使得离子注入深度加大,从而导致波长变化略有提高,但由于其注入剂量并不在或者并非最理想的注入量区间,即便引出电压达到了D-2的水平(D-2波长变化量很大),二者共同影响作用,导致波长变化量提高很有限。
据以上分析可知,离子注入剂量和引出电压共同影响着波长改变量,即颜色的改变程度,而其中注入剂量的影响因素为主,引出电压的影响因素为辅,最合适的离子注入剂量强度数量级应在1×1017ions/cm2左右,引出电压控制在50KV较为适宜。
在对实验数据进行分析时,还发现原先的黄绿色蓝宝石在离子注入后,并没有颜色减淡,相反有所增加。前人研究表明,蓝宝石的颜色可看作是Fe2+/Ti4+对和Fe3+离子的相对浓度的函数,当Fe2+/Ti4+对的相对浓度由高到低,蓝宝石颜色主波长将由小到大连续变化,可呈现紫—紫偏蓝—蓝—蓝绿—绿—黄绿等颜色,颜色的饱和度与Fe2+/Ti4+和Fe3+的绝对浓度有关,绝对浓度较大时,颜色饱和度较高,反之则较小(11)。黄绿色蓝宝石在注入之后颜色变化不明显应与其Fe2+/Ti4+绝对浓度较高有关,恰好黄绿色蓝宝石离子注入剂量偏小,故而颜色变化不大,而A-2较A-1改色相对成功,最少饱和度有所降低,分析是其离子注入剂量处于最适合的注入区间,与之前离子注入剂量存在临界饱和点的理论相符。
(4)LA-ICP-MS测试分析。实验采用的设备是型号为Agilent7500a的激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)。激光系统:Geo Las2005。选用A-2和D-2两块样品,每块样品未注入和注入后的抛光面均分析两个点,并在各点原位进行三次测试以分析在不同深度下Ti含量的变化,结果如表4所示。
两块样品在第一次仪器测试时,注入面钛离子含量均为未注入面的2~3倍,说明钛离子注入的含量是有规律的,且能提高蓝宝石中钛离子的含量。第二次测试后,钛离子含量开始重合,分析是由于注入层较浅,激光剥蚀注入面时,使注入层剥蚀掉,打点打入了里层(即未能注入的深度),注入面该深度的钛离子含量与未注入面接近。第三次测试后含量几乎完全重合,说明注入面打点深度穿过了注入层的深度。
分析LA-ICP-MS的数据结果可知,注入前,山东昌乐深蓝色蓝宝石D-2中Fe2+/Ti4+从几十到100倍不等,注入后Fe2+/Ti4+明显降低,且同样存在最佳离子注入深度,在该深度时钛离子注入量最大,宝石表面深蓝色变浅,呈橙黄色。该现象与前人研究的山东深蓝色蓝宝石呈色机理相吻合。
四、试验结论
1. 利用离子注入技术注入钛离子后,蓝宝石铁钛比例下降表面光泽度增加,脆性降低,颜色饱和度降低。
2. 注入钛离子剂量和引出电压共同影响着改色效果,且前者影响因素为主,适宜的钛离子注入剂量强度和引出电压分别是在1×1017ions/cm2和50KV左右,更精确的数值范围还有待进一步实验研究。
3. 本工艺方法不破坏宝石内部结构,保持宝石天然本性。相对于其他改色方法,等离子体方法具有温度低、效果明显和不污染环境等优点(13)。对提高山东蓝宝石的开发利用提供了理论基础。
摘要：采用等离子体源离子注入技术对山东省昌乐县蓝宝石进行改色处理,利用光学显微镜、维氏显微硬度计、USB4000光纤光谱仪、LA-ICP-MS等仪器对样品作了分析。初步试验表明,注入钛离子后,能增加蓝宝石表面光泽度,降低饱和度,达到颜色减淡的目的。最适宜的钛离子注入剂量强度和引出电压分别是在1×1017ions/cm2和50KV附近。
离子束注入 篇9
但是普通的代谢产量和传统的摇瓶技术已显然不能满足日益增长的市场需求[4—6],透明质酸相关产品价格居高不下,人工技术介入是其市场化和商业化的必然要求。离子注入技术是近些年发展起来的物理诱变技术,以较小的生理损伤得到较高的突变率、较广的突变谱[7—12],而且具有设备简单、使用方便,成本低廉、对人体和环境无害等优点[13],尤其在微生物诱变育种的研究中,利用离子注入进行菌种改良已在生产实践中得到广泛应用[14—18]。 在本研究中,通过离子注入法对链球菌代谢产物的影响分析来找寻透明质酸低耗高产的可能和路径。
1实验材料、仪器和方法
1.1材料
脑-心浸萃液态培养基( 广东环凯微生物科技有限公司) ,脂蛋白酶大豆琼脂( 碧迪医疗器械( 上海) 有限公司) ,酵母浸粉( 北京奥博星生物技术有限责任公司) ,脱纤维绵羊血( 西安生物科技有限公司) 均为配置培养基的主要成分。十六烷基二甲基溴化胺( CTAB) 购买于西安生物科技有限公司。链球菌是购买于ATCC公司,型号为700400的马链球菌亚种Streptococcus equi subsp. Zooepidemicus( 马链球菌亚种旧称兽疫链球菌) 。
1.2仪器
双人单面净化工作台( SW-CJ-2D型,苏州净化设备有限 公司) ,立式压力 蒸汽灭菌 器 ( LDZX50KBS型,上海申安医疗企业厂) ,智能型生化培养器( SPX-300B型,上海琅玕试验设备有限公司) ,紫外可见分光光度计( UV-1700,日本SHIMADZU) ,恒温振荡器( CHA-S,常州国华电器有限公司) 。
1.3培养基的制备
根据需求在500 m L大锥形瓶中分别配置种子培养基,平板培养基和发酵培养基,121 ℃ 高压灭菌15 min。将未完全冷却的平板培养基倒入试管或培养皿中制成斜面或平板培养基。将制备好的培养基37 ℃ 温箱孵育24 h,进行无菌检查。如无菌生长, 即可使用。
1.4菌种活化和筛选
在无菌操作台上将购买的兽疫链球菌粉末溶解在种子培养基中,使菌种溶解成悬浮液,取0. 2 m L菌悬液转接于平板培养基上,在37 ℃ 倒置培养24 h。当平板长出菌落后,初步筛选稳定菌落用划线法接种于新的平板培养基上,且在37 ℃ 倒置培养24 h。观察菌落,重复上述步骤,进行三次传代培养,保证菌种稳定性,观察最后一代培养的菌落,为下一步实验做准备。
1.5离子注入兽疫链球菌
用无菌接种环刮取菌,置于10 m L无菌水三角瓶中。轻摇,使菌体分散。用移液器取0. 1 m L稀释菌液至无菌平皿中心。用无菌刮铲由中心向四周涂布,尽量使菌液均匀显微镜检查确保无无重叠细胞, 无菌风吹干。使用无菌牛皮纸封装平板备注入用 ( 可保持2 ~ 3 h) 。在制备注入平皿的同时,同样方法制备对照皿。两者同时进行吹干,同时放入靶室抽真空。放置时,将两皿叠加,注入皿在上,这样注入皿接受离子注入而对照皿不接受注入。将制做好的注入平皿于离子注入机靶室内进行脉冲式N+注入,能量为15 ke V ,20 ke V,剂量为 ( 0 ( 对照) 、 20 × 1014、40 × 1014、60 × 1014、80 × 1014、100 × 1014) N+/ cm2。
1.6对离子注入后的链球菌进行培养
N+注入后,取1 m L无菌水到注入平皿中心,用无菌刮铲反复洗脱。取0. 1 m L洗脱液涂布于已经准备好的平板培养基上,用无菌铲涂抹均匀。每一剂量分别接种2 ~ 3个平板。接种后的所有平板于30 ℃ 倒置培养3 ~ 4 d。
1.7菌株发酵培养
用无菌接种环刮取培养好的菌落,接入装有50 m L种子培养基的500 m L的三角瓶中。轻摇,使菌体分散。将三角瓶置于震荡器中,培养温度37 ℃, 培养时间约14 h。将用移液器取培养好的发酵种子接入装有50 m L发酵培养基的500 m L的三角瓶中, 接种量为10% 。将三角瓶置于震荡器中,摇瓶转速250 r / min,培养温度37 ℃ ,培养时间约14 h。将三角瓶取出,备用。
1.8透明质酸的检测(CTAB比浊法)
发酵液经4 200 r/min离心15 min,去除菌体, 取上清液,加入2. 5倍的无水乙醇,在4 ℃静置1 h, 离心取沉淀,加入所取上清液适当倍数体积的去离子水,振荡溶解,即制得样液。
取1 m L初步纯化的HA样液于试管中,准确加入2 m L CTAB试液,自加入时开始计时,轻轻振摇足够长时间,其间尽量避免反应液产生泡沫,静置至接近10 min,然后将反应液倒入1 cm比色皿中,测定波长在400 nm时的吸光度( A400) ,以未经接种的培养基经相同处理后调零。以离子注入剂量为0的菌液发酵的HA为空白对照( blank contrast) ,以未离子注入的初始菌液发酵的HA为初筛对照 ( contrast) 。
2实验结果与讨论
2.1菌落观察
可以观察出两种菌落,如图1所示: a菌落是闪闪发光,圆形,不透明,光滑,稍凸的。b菌落具圆齿的叶状边缘,干( 皱纹) ,且不透明的,且不产生凝固或 β-内酰胺酶。
2.2兽疫链球菌的初步筛选
在已经培养好的血平板上观察菌落形态,用接种针挑起查看黏度。选取菌落较大,隆起较高,挑起黏度较大,菌落周围形成一个2 ~ 4 mm宽、界限分明、完全透明的无色溶血环的溶血性 β 菌落[2]( 即上一步观察菌落时发现的a型菌落) 进行下一步的操作和接种。
2.3离子注入链球菌致死率
将不同离子注入剂量的链球菌进行培养,并统计培养后菌菌落数目得到表1。其中剂量为0的活菌数目就是没有进行离子注入条件下的活菌数目。 即注入离子量为0的空白对照。
利用表1的数据和式( 1) 可以计算出兽疫链球菌在离子注入后的致死率,得到表2。
为了更直观的看出致死率与注入能量、剂量的关系,将表2的数据制成图2。从图2可以看出, 随着注入能量的增大存活率也相应降低,现代育种理论认为[19],当被诱变的微生物致死率在70% ~ 80% 时,产量性状的正突变率往往很高。从图表中看出在能量15 ke V剂量40 × 1014N+/ cm2和能量20 ke V剂量20 × 1014N+/cm2时致死率较低,有可能能产生高产菌株,而其他剂量下则致死率过高。
图2 离子注入的能量、剂量与致死率的关系 Fig 2 Lethality of bacterial colonies after two energy ion implantation
2.4离子注入后链球菌生长情况观察
将空白对照( 如图3( k) ) 和离子注入后( 如图3 ( a) ~ ( j) ) 中菌落生长情况对比观察后可以发现, 注入后的菌落数量上明显较少。这可能是能量沉积所产生的大量自由基致使DNA和生物膜等其他大分子损伤,而造成存活率急剧下降,这种情况的出现也符合当初实验前的理论假设和猜想。在能量为15 ke V的梯度组中,存活情况最好的是40 × 1014N+/ cm2剂量; 在能量为20 ke V的梯度组中20 × 1014N+/ cm2剂量存活情况最好。而在两组中比较, 注入能量为20 ke V的梯度组中20 × 1014N+/ cm2剂量似乎更为合适。
将离子注入与未注入的菌落相比,菌落外形没有太大差别,菌落大小也没有明显的改变,因此通过外形无法挑选出高产菌株,需要进行发酵培养来进行高产菌株的筛选。
2.5CTAB比浊结果
将实验中得到的数据分别由表3和表4给出。 其中,以离子注入剂量为0的菌液发酵的HA为空白对照,即Blank contrast, 以未离子注入的初始菌液发酵的HA为初筛对照, 即Contrast。且表3、表4中的Contrast与图3中的Blank control均表示未离子注入的情况。但表3、 表4的Contrast表示的是未离子注入的菌液发酵的HA,而图3的Blank control表示的是未离子注入的菌落。可以从表3看出,在注入能量15 ke V注入剂量20 × 1014N+/ cm2时,A400明显大于其他实验组,这说明这一组的测试液相比其他要浑浊得多。CTAB的氮原子可以与HA中羧基的氧原子配对,形成不溶于水的HACTAB络合物,这就说明在这一组中,HA的浓度也要高于其他剂量。同样,在表4中,在注入能量20 ke V时,20 × 1014N+/ cm2注入剂量,得到该组A400最大值,即透明质酸浓度最大值。
将表3与表4数据组合起来,制成图4。可以更直观清楚的看出在注入能量20 ke V,剂量20 × 1014N+/ cm2时,发酵产物在400 nm处的吸收值高出其他能量-剂量好几倍,同时也远远高出空白对照和初筛对照,即在此能量-剂量注入下,可以诱变出比原菌种产量高好几倍的透明质酸高产型菌种。
因此可以筛选出能量20 ke V注入剂量20 × 1014N+/ cm2是兽疫链球菌的最佳诱变条件。所以筛选此条件下的菌株为高产菌株。
3结论
通过实验得出: 离子注入对链球菌代谢产物有很大影响,其中有好的影响,也有不好的影响。在好的影响中最佳注入为20 ke V,根据最后HA的浓度测定对比以及“马鞍型”剂量-效应曲线[20—22],得出了最佳诱变剂量条件为20 × 1014N+/ cm2。至此可以得到所期望的透明质酸高产型兽疫链球菌。
图3 不同能量、剂量下的链球菌生长情况对比观察 Fig.3 Growth of streptococcus zooepidemicus in different energy and dose