技术领域
[0001] 本
发明涉及一种冷冻保存装置及方法，具体涉及的是一种种子冷诱导装置及方法。
背景技术
[0002] 种质资源是世界物种保留和农业生产生活中非常关键的资源，种子保存更是重中之重。如今，种子往往是连年生产制种留种来保存的，但保存时间较长的种子，其活
力与出芽率都会大幅降低，甚至不萌发。采用低温冷藏技术可使得保存时间较长，也可让种子保持活力。常规压缩式制冷产生的低温空气虽然可让种子休眠，但是由于空气导热系数小，使得种子低温预处理过程需要的时间非常长，需要3到5个小时，由于
温度变化非常缓慢，
冰结晶首先在种子细胞间产生，然后细胞内又产生了冰结晶，这样就导致细胞内外压力不均衡，从而破坏了原生质和细胞膜，可能导致细胞裂解、死亡。另外，压缩
制冷设备体积较大，设备昂贵，不利于在普通农户中进行普及使用。
[0003]
超声波作为大自然
能量的一种，
农作物可以有效利用其
动能，增强
植物细胞和酶活力，加快细胞的分裂速度，促进农作物高产，近年来在育种领域得到广泛应用。超声波具有
空化、传质的作用，其在低强度及适宜的
频率条件下，有
磁致伸缩作用和机械振荡作用，改变酶分子构象，促进酶
生物催化活性。
[0004] 受细胞低温冰结晶理论的启发，本发明利用抗寒溶液、含有MgO纳米颗粒的低温防冻液对种子进行冷冻保存前的预处理，提高了低温下
生物组织的降温速率，扩大了冷冻范围，大大缩短预处理时间，有效避免种子内部形成冰晶，进而防止种子细胞在冷冻过程中的损伤。另外，本发明利用温差制冷片来梯度制冷，利用
超声波换能器的切圆布置方式和磁力搅拌器来铺平种子、均匀温度，利用频率合适的超声波提高种子活力、增强了植物的抗逆性和产量，以达到缩小装置体积、减少投资等目的，实现大规模冷冻保存种子时的高经济效益，便于在种子公司中普及和应用。
发明内容
[0005] 为解决
现有技术的不足，本发明提供一种基于超声波技术、便于在种子公司中普及应用的种子冷诱导装置和方法。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0007] 一种种子冷诱导装置，包括冷冻模
块、控
制模块以及供电模块；所述冷冻模块包括两级制冷系统和内箱，所述两级制冷系统包括压缩制冷机和温差制冷片；所述压缩制冷机包括
蒸发器、
冷凝器、
压缩机和节流
阀；其特征在于：所述内箱包括绝热盖、可控温
箱体、超声波换能器、线圈、搅拌子以及同心漏盘；所述超声波换能器以切圆的方式布置在所述可控温箱体的周向；所述线圈成对布置在所述可控温箱体内；所述搅拌子位于所述可控温箱体底部中心；所述同心漏盘以同心的装配方式配置在所述可控温箱体底部；所述温差制冷片接入所述压缩制冷机的循环，所述温差制冷片热端与所述压缩制冷机的
蒸发器接触，所述温差制冷片冷端与所述可控温箱体外壁接触；
[0008] 所述
控制模块包括
单片机、驱动
电路以及超声波发生器；所述单片机负责产生
电流时序控制
信号；所述驱动电路根据单片机的
控制信号输出相应的电流时序；所述线圈根据所述驱动电路输出的电流时序产生相应的
磁场；所述搅拌子根据不同磁场转动；所述超声波发生器与所述超声波换能器连接；
[0009] 所述可控温箱体的靠近所述低温防冻液的一侧内壁面为具有梯度表面能的表面，靠近所述温差制冷片的一侧内壁面为多尺度沟槽结构，在所述可控温箱体底部配置有金属
烧结多孔芯；
[0010] 所述供电模块和所述单片机、所述驱动电路以及所述线圈连接；所述供电模块和所述压缩机连接；所述供电模块和所述温差制冷片连接；所述供电模块和所述超声波发生器、所述超声波换能器连接。
[0011] 采用上述任一所述种子冷诱导装置冷冻保存种子的方法，其特征在于：包括如下步骤：
[0012] 步骤一、配置用于预处理的抗寒溶液和含有MgO纳米颗粒的低温防冻液；
[0013] 步骤二、将配置好的抗寒溶液放置到箱体内，采用抗寒溶液对种子进行抗寒处理，抗寒处理的时间为10 15分钟，处理完排空抗寒溶液；~
[0014] 步骤三、将配置好的含有MgO纳米颗粒的低温防冻液放置到箱体内，利用所述两级制冷系统和可控温箱体进行制冷，同时进行温度调控，将所述含有MgO纳米颗粒的低温防冻液维持在-45℃～-35℃；
[0015] 步骤四、利用螺旋线圈和所述搅拌子搅拌、旋转、均温所述含有MgO纳米颗粒的低温防冻液，所述超声波发生器和四
角切圆布置的所述超声波换能器震荡、旋转、均温所述含有MgO纳米颗粒的低温防冻液并且铺平所述种子，对所述种子进行30 40分钟的预处理；~
[0016] 步骤五、排空所述含有MgO纳米颗粒的低温防冻液，将种子保存于-18摄氏度冷库，进行长时间空冷保存。
[0017] 所述抗寒溶液由
质量百分比的以下组分组成：3 5%的
氯化钠、2 8%的
乙醇、1 2%的~ ~ ~甘油、0.2 0.8%的丝
氨酸、0.1 0.5%的海藻糖、0.3 0.5%的核糖醇、0.05 0.2%的月桂醇聚醚~ ~ ~ ~
硫酸酯钠，其余为蒸馏
水。
[0018] 所述含有MgO纳米颗粒的低温防冻液包含以下质量百分比的组分：0.5 8%的氯化~钠、5 12%的乙醇、7 10%的甘油、2 5%的甲壳素、0.5 1.5%的丙氨酸、0.1 0.5%的赤藓糖醇、~ ~ ~ ~ ~
0.05 0.3%的美洲大蠊干燥虫体的乙醇提取物，0.1 5%的MgO纳米颗粒，其余为蒸馏水。
~ ~
[0019] 所述绝热盖由
绝热材料制成，导热系数低，有效减少所述含有MgO纳米颗粒的低温防冻液与外部空气换热量，进一步缩短了种子冷冻保护前的预处理时间，有效避免种子内部形成冰晶，进而防止种子细胞在冷冻过程中的损伤。
[0020] 所述两级制冷系统由压缩制冷机和温差制冷片组成。所述压缩制冷机包括冷凝器、压缩机、
节流阀、中温制冷剂；所述温差制冷片配置在所述可控温箱体外壁与所述压缩制冷机之间，热端接入所述压缩制冷机的循环回路，冷端与所述可控温箱体外壁接触。所述温差制冷片吸收的热量传给所述中温制冷剂，所述中温制冷剂再将所述热量传给环境介质。
[0021] 所述中温制冷剂可以是R12或R22等；所述
低温制冷机剂可以是R13、R14、R23等。
[0022] 所述可控温箱体底部配置有金属烧结多孔芯，所述金属烧结多孔芯内充有工作液体。所述可控温箱体的靠近所述低温防冻液的一侧内壁面为梯度表面，靠近所述温差制冷片的一侧内壁面为多尺度沟槽结构。所述的梯度表面为具有梯度表面能的表面，可以以十二烷基三氯
硅烷和辛基三氯硅烷为扩散工质、采用气相沉积(CVD) 的方法等来制备梯度表面能材料表面。所述的多尺度沟槽结构具体为多尺度的微纳结构——楔形
盲孔组成不对称沟槽，可以利用高分辨
立体光刻技术制备的具有不同表面能的微空腔阵列等来构成。当低温防冻液温度升高时，所述温差制冷片冷端吸热量增加、热端放热量增加，所述工作液体发生蒸发
相变，蒸发的工作液体在所述梯度表面冷凝。所述金属烧结多孔芯由于具有高的孔隙率，使得
传热能力显著优于传统吸液芯，并且具有优异均温性能，减少了热阻。所述梯度表面上存在梯度表面能，液滴在受到非平衡的表面
张力作用下会产生自驱动式的运动，从而及时从所述梯度表面上排除，能够有效保证和提高冷凝换热性能。所述多尺度沟槽结构能够在壁面向上的方向上优化和加强毛细上升，并阻止壁面向下的方向上的毛细回流，从而达到液体从下至上的单方向运输，减少了热阻，使得所述温差制冷片的工作面积增大，单位时间内低温防冻液对外传热量增加，温度降低，进而达到控制温度的目的。
[0023] 所述超声波换能器有4n个，分为n层，每层4个并且以四角切圆的方式布置在所述箱体的四周，所述超声波换能器距离最近所述箱体一边的距离为L，其中n＞0且n为整数，L≥0。所述供电模块和所述超声波发生器、所述超声波换能器连接。工作时，所述超声波发生器将所述供电模块的供电转换为换能器相应的高频交流电，所述超声波换能器将输入的电功率转换成机械功率（即超声波）再传递出去，四股所述超声波在所述箱体中心形成一个假想圆，加强促进所述含有MgO纳米颗粒的低温防冻液的旋转。并且，所述超声波还能够使得种子在箱体内充分震荡，完全铺平在箱体内，进而使得所述箱体内均温性大大提升。
[0024] 所述超声波处具有的动能能够有效加强对种子的物理刺激，从而改变其体内各种生理活性，提高发芽率和发芽势，促进
幼苗多生根和增大叶面积以及缩短作物的成熟期限。与此同时，所述超声波具有空化、传质的作用，其在低强度及适宜的频率条件下，有磁致伸缩作用和机械振荡作用，能够改变酶分子构象，提高植物体内 SOD、POD和过
氧化氢酶( CAT) 的活性从而增强抗逆境、抗病毒和抗氧化的能力，最终提高农作物应对
自然灾害的能力，提高生物产量。
[0025] 所述同心漏盘包括N级半径不同的同心圆，以同心的装配方式配置在所述箱体底部，第k级同心圆的半径为rk，第N-1级同心圆与箱体底部相切，其中N≥1且N为整数，0≤k≤N-1。所述超声波换能器带动所述含有MgO纳米颗粒的低温防冻液旋转时，由
离心力公式F=m*ω^2*r，可知具有相似特征的种子将以相差无几的半径进行旋转并且落入同一级同心圆中，而特征相差较大的种子将以差别较大的半径进行旋转并且落入不同级同心圆中，其中F为离心力，m为种子质量，ω为
角速度，r为半径。所述同心漏盘筛选出了具有不同特征的种子，从而达到了选种的目的。
[0026] 所述线圈为螺旋线圈，有2s个，s≥1且s为整数，s通常取2、3、4，即所述螺旋线圈间的角度分别为90°、60°和45°。所述螺旋线圈根据右手定则，通电后在上下两端产生相反磁场，即N极磁场和S极磁场。所述搅拌子的材质为
永磁体，配置在所述箱体底部中心。所述螺旋线圈和所述单片机、所述驱动电路以及所述供电模块连接。可以使用4个所述螺旋线圈配置在所述箱体的四角，即s=2，对角线上的两个所述螺旋线圈为一组，每组所述螺旋线圈同时通有电流，但电流方向相反，即在同一时刻呈现的磁场极性相反。这样，利用所述单片机产生电流时序控制信号，利用所述驱动电路根据单片机的控制信号输出相应的电流时序，利用所述螺旋线圈根据流入的电流产生相应的磁场就可以控制搅拌子的转动，达到
加速所述含有MgO纳米颗粒的低温防冻液旋转的目的，进而加强所述箱体内均温性。
[0027] 所述单片机可以是AT89S51等单片机；所述驱动电路的驱动芯片可以提供大小及
相位可控的电流驱动，可以是THB6064、TB6560、TB8435、L6219DS等
电机驱动芯片。
[0028] 所述供电模块包括锂
电池及与其输出端相连的控制充、放电参数的充、放电控制模块。
[0029] 一种采用种子冷诱导装置冷冻保存种子的方法，其特征在于：包括如下步骤：
[0030] 步骤一、配置用于预处理的抗寒溶液和含有MgO纳米颗粒的低温防冻液；
[0031] 步骤二、将配置好的抗寒溶液放置到箱体内，采用抗寒溶液对种子进行抗寒处理，抗寒处理的时间为10 15分钟，处理完排空抗寒溶液；~
[0032] 步骤三、将配置好的含有MgO纳米颗粒的低温防冻液放置到箱体内，利用所述两级制冷系统和可控温箱体进行制冷，同时进行温度调控，将所述含有MgO纳米颗粒的低温防冻液维持在-45℃～-35℃；
[0033] 步骤四、所述螺旋线圈和所述搅拌子充分搅拌、旋转、均温所述含有MgO纳米颗粒的低温防冻液，所述超声波发生器和四角切圆布置的所述超声波换能器充分震荡、旋转、均温所述含有MgO纳米颗粒的低温防冻液并且铺平所述种子，对所述种子进行30 40分钟的预~处理；
[0034] 步骤五、排空所述含有MgO纳米颗粒的低温防冻液，将种子保存于-18摄氏度冷库，进行长时间空冷保存。
[0035] 所述抗寒溶液由质量百分比的以下组分组成：3 5%的氯化钠、2 8%的乙醇、1 2%的~ ~ ~甘油、0.2 0.8%的丝氨酸、0.1 0.5%的海藻糖、0.3 0.5%的核糖醇、0.05 0.2%的月桂醇聚醚~ ~ ~ ~
硫酸酯钠，其余为蒸馏水。
[0036] 所述含有MgO纳米颗粒的低温防冻液包含以下质量百分比的组分：0.5 8%的氯化~钠、5 12%的乙醇、7 10%的甘油、2 5%的甲壳素、0.5 1.5%的丙氨酸、0.1 0.5%的赤藓糖醇、~ ~ ~ ~ ~
0.05 0.3%的美洲大蠊干燥虫体的乙醇提取物，0.1 5%的MgO纳米颗粒，其余为蒸馏水。
~ ~
[0037] 所述抗寒溶液中的组分有如下作用。所述丝氨酸是一种游离氨基酸，存在于桑螟越冬幼体内，平时可促进脂肪和
脂肪酸的新陈代谢，有助于维持免疫系统，在低温下作为一种天然的抗寒剂，其带有的氢离子能够与水份结合，有效抑制水份结冰。所述海藻糖是一种天然糖类，存在于欧桦小蠹幼虫体内，能够在低温条件下在细胞表面能形成独特的保护膜，有效地保护
蛋白质分子不变性失活，从而维持生命体的生命过程和生物特征。所述核糖醇是五
碳多元醇，存在于松阿扁叶蜂越冬幼虫体内，是一种小分子抗寒物质，能够与细胞内水份结合，使细胞内
结合水增加，游离水减少，参与结冰的水含量自然减少。所述月桂醇聚醚硫酸酯钠是一种活性剂，广泛应用与日化行业，能够有效清除灰尘等杂物。所述氯化钠不仅可以降低溶液的
凝固点，还可保证活力液的渗透压与水产品细胞处于大致一样的水平，能有效避免细胞破裂，同时所述氯化钠还具有一定的除菌效果。所述乙醇加入抗氧化液中，能大幅降低抗氧化液的凝固点，使得抗氧化液在-35℃情况下还处于液相状态。所述甘油是一种重要的低温保护剂，当所述甘油加入抗氧化液中，所述甘油可以渗入细胞内，浓缩或结合细胞内水份，而且所述甘油也有稀释作用，能降低抗氧化液与水产品细胞组织间的渗透压。在所述氯化钠、乙醇、甘油、丝氨酸、海藻糖、核糖醇和月桂醇聚醚硫酸酯钠这几种抗寒液组分的耦合作用下，使得种子有效清除了内部的异源冰核，同时降低了水份的
过冷点，抑制了种子内部水份结冰。
[0038] 所述含有MgO纳米颗粒的低温防冻液的各种组成成分有如下作用。所述氯化钠是水中的主要盐类成分，调控氯化钠的成分含量能够保证种子保存于与原生存环境类似的溶液中，使得所述含有MgO纳米颗粒的低温防冻液的渗透压与生物体处于大致一样的水平，能有效避免细胞破裂，此外，所述氯化钠不仅具有一定的除菌效果，还可以降低溶液的凝固点，还可保证。所述乙醇作为一种有机物，具有一定的还原性，能够对水产品起到抗氧化的保护作用。同时加入了乙醇的活力液，其凝固点大大降低，保证活力液在
工作温度-45℃～-35℃处于液相状态。所述甘油是一种重要的低温保护剂，同时还具有保湿、高活性、抗氧化的功能。所述甲壳素大量存在于在虾、蟹等水产品的
外壳中，在甲壳纲动物内含量达58%~
85%，其含有的大量的羟基和氨基，可以有效清除羟自由基，具有较强的抗氧化性。丙氨酸是组成人体蛋白质的20种氨基酸之一，其
侧链的甲基起着疏水屏障的作用, 阻止了水份子同冰核结合。所述赤藓糖醇是一种新开发的4碳糖醇，虽不能阻止结冰，但能与水结合，维持细胞膜的渗透性和蛋白质的结构，从而防止因结冰造成的损害。所述美洲大蠊俗称蟑螂，最早出现在三亿五千万年前，被生物学家认为是最具环境适应性的昆虫之一，其干燥虫体的乙醇提取物具有抗炎、修复等功能。所述MgO纳米颗粒不但具有
磁性能够配合所述磁力搅拌带动种子旋转，而且和其他磁性纳米颗粒相比，所述MgO纳米颗粒还能够明显提高低温下生物组织的降温速率，扩大冷冻范围，大幅提升生物组织的热导率和热扩散率。在所述氯化钠、乙醇、甘油、甲壳素、丙氨酸、赤藓糖醇、美洲大蠊干燥虫体的乙醇提取物以及MgO纳米颗粒这几种低温防冻液组分的耦合作用下，使得种子在低温防冻液环境下几乎不受到伤害并能够充分快速换热，实现最理想的生物体冷冻储存。
[0039] 有益效果
[0040] 本发明涉及一种基于超声波技术的种子冷诱导装置和方法。本发明采用抗寒溶液和低温防冻液，仿照抗寒昆虫的抗寒原理，利用其中的抗寒成分，通过去除异源冰核，降低水份过冷点，对种子进行抗寒化处理，保护种子在低温下不受伤害；利用超声波刺激种子，提高种子的发芽率和发芽势，促进幼生长；利用超声波的空化、传质作用，改变种子的酶分子构象，提高酶的活性，增强抗逆境、抗病毒和抗氧化的能力，从而提高生物产量；利用所述两级制冷系统和可控温箱体进行制冷，利用所述供电模块控制所述温差制冷片和所述压缩机的功率，将所述含有MgO纳米颗粒的低温防冻液温度维持在-45℃～-35℃；利用所述螺旋线圈和所述搅拌子充分搅拌、旋转、均温所述含有MgO纳米颗粒的低温防冻液，利用所述超声波发生器和四角切圆布置的所述超声波换能器充分震荡、旋转、均温所述含有MgO纳米颗粒的低温防冻液并且铺平所述种子；利用所述同心漏盘对所述种子进行选种，并将选出的优质种子放入冷库，进行长时间空冷保存。
附图说明
[0041] 图1 两级制冷系统示意图；
[0042] 图2种子冷诱导装置内箱爆炸图；
[0043] 图3可控温箱体剖面示意图；
[0044] 图4可控温箱体与蒸发器连接示意图
[0046] 图6搅拌子转动示意图；
[0047] 图7超声波换能器四角切圆布置示意图；
[0048] 图中，1. 绝热盖；2. 螺旋线圈；3. 可控温箱体；4.超声波换能器；5.温差制冷片；6.搅拌子；7. 同心漏盘；8.内箱
底板；9.多尺度沟槽结构；10. 梯度表面；11. 超声波；12.冷凝器；13.压缩机；14.节流阀；15.蒸发器；16.金属烧结多孔芯。
具体实施方式
[0049] 下面结合附图对本发明进行更为详细的说明：
[0050] 本发明基于超声波技术的种子冷诱导装置，包括冷冻模块、控制模块以及供电模块。所述冷冻模块包括两级制冷系统和内箱，所述两级制冷系统包括压缩制冷机和温差制冷片；所述两级制冷系统由压缩制冷机和温差制冷片组成。所述压缩制冷机包括冷凝器12、压缩机13、节流阀14、中温制冷剂；所述温差制冷片5配置在所述可控温箱体外壁与所述压缩制冷机之间，热端接入所述压缩制冷机的循环回路，冷端与所述可控温箱体3外壁接触。所述温差制冷片5吸收的热量传给所述中温制冷剂，所述中温制冷剂再将所述热量传给环境介质。
[0051] 如图2种子冷诱导装置内箱爆炸图所示，所述内箱包括绝热盖1、可控温箱体3、抗寒溶液、含有MgO纳米颗粒的低温防冻液、超声波换能器4、螺旋线圈2、搅拌子6、同心漏盘7以及温差制冷片5。
[0052] 如图3可控温箱体剖面示意图所示，所述可控温箱体3底部配置有金属烧结多孔芯16，所述金属烧结多孔芯16内充有工作液体。所述可控温箱体3的靠近所述低温防冻液的一侧内壁面为梯度表面10，靠近所述温差制冷片5的一侧内壁面为多尺度沟槽结构9。所述的梯度表面为具有梯度表面能的表面，可以采用气相沉积(CVD) 等方法来制备梯度表面能材料表面。所述的多尺度沟槽结构具体为多尺度的微纳结构——楔形盲孔组成不对称沟槽，可以利用高分辨立体光刻技术制备的具有不同表面能的微空腔阵列等来构成。当低温防冻液温度升高时，所述温差制冷片5冷端吸热量增加、热端放热量增加，所述工作液体发生蒸发相变，蒸发的工作液体在所述梯度表面10冷凝。所述金属烧结多孔芯16由于具有高的孔隙率，使得传
热能力显著优于传统吸液芯，并且具有优异均温性能，减少了热阻。所述梯度表面10上存在表面能梯度，液滴在受到非平衡的表面张力作用下会产生自驱动式的运动，从而及时从所述梯度表面10上排除，能够有效保证和提高冷凝换热性能。所述多尺度沟槽结构9能够在壁面向上的方向上优化和加强毛细上升，并阻止壁面向下的方向上的毛细回流，从而达到液体从下至上的单方向运输，减少了热阻，使得所述温差制冷片5的工作面积增大，单位时间内低温防冻液对外传热量增加，温度降低，进而达到控制温度的目的。
[0053] 如图4可控温箱体与蒸发器连接示意图所示，所述温差制冷片5配置在所述可控温箱体外壁与所述蒸发器15之间，热端与所示蒸发器15通过导热硅脂相连接，冷端与所述可控温箱体3外壁通过导热硅脂相连接。
[0054] 如图5螺旋线圈控制硬件框图所示，单片机负责按键的读取并产生相应的电流时序控制信号；驱动电路根据单片机的控制信号输出相应的电流时序；螺旋线圈2根据流入的电流产生相应的磁场；供电模块负责给单片机及驱动芯片供电。
[0055] 如图6搅拌子转动示意图所示，把对角线上的两个螺旋线圈2设为一组，每组螺旋线圈2同时通有电流，但电流方向相反，即在同一时刻呈现的磁场极性相反。分别控制两组螺旋线圈2中电流的通断及方向，就可以控制两组线圈不同时刻所产生的合成磁场的方向，进而控制搅拌子6的转动。
[0056] 如图7超声波换能器四角切圆布置示意图所示，超声波11换能器4有4n个，分为n层，每层4个并且以四角切圆的方式布置在可控温箱体3的四周，其中n＞0且n为整数。工作时，超声波发生器将供电模块的供电转换为换能器相应的高频交流电，超声波换能器4将输入的电功率转换成机械功率（即超声波11）再传递出去，四股超声波11在可控温箱体3中心形成一个假想圆，带动含有MgO纳米颗粒的低温防冻液旋转，从而使得箱体3内均温性大大提升，并且超声波11使得种子在可控温箱体3内充分震荡，完全铺平在可控温箱体3内。
