（控制理论与控制工程专业论文）电磁场对低温下生理盐水冰晶形成影响的研究.pdf

学位论文版权使用授权书 删i lr l l f l ii i j i i f ll l l f lljlllllillflrrll 11111 iiiiii i i i ii i i ii册ll y 18 0 9 9 5 1 。 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密团，在二年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口 学位论文作者签名： 2 0 0 6 年扫月p 日 考略 指导 2 0 0 6 【y 江苏大学硕士学位论文 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 日期：2 0 0 6 年4 月 学位做作者盼孝撩 】、 h - 位论文 ，生物细胞组织会被不同程度 的损坏。而其中冰晶的形状大小是导致损伤的主要因素之一。因此， 冷冻生物时对冰晶的抑制和消除对改善低温保存生物的质量非常必 要。 目前常用的方法是采用极高的冷却速率或使用高浓度的低温保护 剂。但前者方法对设备要求较高，实现起来较困难。而后者方法在复 温时将低温保护剂彻底分离出来比较困难，并且会对生物材料造成一 定得损伤。可以说这两种方法在实际应用中存在一定的缺陷。因此， 人们期望能够采用一种新的技术，可以在相对低的冷却速度下实现生 物材料的玻璃化或类玻璃化保存。 本课题探讨交流电场和磁场对冰晶生长的影响。选用与生理盐水性 质相似的0 9 浓度的k m n 0 4 溶液作为实验样品，设计一套磁场装置对 样品施加旋转磁场以及一套电极系统对样品施加交流电场。自制了一 套制冷温控设备，可在低温状态下对试样结冰过程进行观察。在不同 频率、大小的交变电场和磁场以及某一恒定降温速率下，观察溶液结 冰过程和冰晶形状与电场、磁场频率和强度的关系，以探求最佳的电 磁控制参数来改善溶液冰晶生长的状况，并利用介质极化和损耗机理 进行定性分析。 关键词：玻璃化保存，交变电场，旋转磁场，介质极化，松弛损耗 i i i 1 一 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i c ef o r m a t i o ni n s i d eo ro u t s i d ec e l l sh a sb e e np r o p o s e dt ob eaf a c t o rc a u s i n g c r y o i n j u r yt oc e l l so rt i s s u e sd u r i n gc r y o p r e s e r v a t i o n h o wt oc o n t r o l ，r e d u c eo r e l i m i n a t e t h ei c ef o r m a t i o nh a sb e e na ni m p o r t a n tr e s e a r c h t o p i ci nf u n d a m e n t a l c r y o b i o l o g y c o m m o nm e t h o d su s e dt oa c h i e v ev i t r i f i c a t i o ni n v o l v et h eu s eo fe i t h e ra n u l t r a r a p i dc o o l i n gr a t eo rav e r yh i g hc o n c e n t r a t i o no fc r y o p r o t e c t a n t s u n f o r t u n a t e l y ， a l lu l t r a r a p i dc o o l i n gr a t ei sv e r yd i f f i c u l tt oa t t a i n ，i n t r o d u c t i o no fh i g hc o n c e n t r a t i o no f c r y o p r o t e c t a n t sc a l ld i r e c t l yd a m a g ec e l l sa n dt i s s u e s f o rt h e s er e a s o n si ti sd e s i r a b l et o d e v e l o pn o v e lt e c h n o l o g i e st ov i t r i f yb i o m a t e r i a l su s i n ga c h i e v a b l ec o o l i n gr a t e s i nt h i sp a p e rt h ee f f e c to fa l t e r n a t i n ge l e c t r i cf i e l da n dm a g n e t i cf i e l do ni c e f o r m a t i o nd u r i n gt h e c o o l i n gp r o c e s s t h es a m p l e su s e di nt h i ss t u d yc o n s i s t e do f a q u e o u ss o l u t i o n so fk m n 0 4 as e to fm a g n e t i cs y s t e mw a sd e s i g nt op r o d u c ea n a l t e r n a t i n gm a g n e t i cf i e l da n das e to fe l e c t r o d es y s t e mw a sd e s i g nt op r o d u c ea n a l t e r n a t i n g e l e c t r i cf i e l df o rs a m p l e a s i m p l em i c r o s c o p ew a sm o d i f i e df o r l o w - t e m p e r a t u r eo b s e r v a t i o nb yc o m b i n i n gas e m i c o n d u c t o r - r e f r i g e r a t i n gc a v i t y t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei c ef o r m a t i o na n dt h e s ep a r a m e t e r so fe l e c t r i cf i e l df r e q u e n c y r a n g e ，m a g n e t i cf i e l df r e q u e n c yr a n g ea n dt h er a t eo fc o o l i n gw a so b s e r v e d s o m e o p t i m i z e de l e c t r o m a g n e t i cp a r a m e t e r sw i l lb ee x p l o r e df o rt h ev i t r i f i c a t i o no ft h e s o l u t i o n aq u a l i t a t i v e a n a l y s i s h a sb e e nm a d eb yt h em e c h a n i s mo fd i e l e c t r i c p o l a r i z a t i o na n dl o s s k e yw o r d s ：p r e s e r v a t i o n v i t r i f i e d ，a l t e r n a t i n ge l e c t r i cf i e l d ，r o t a r ym a g n e t i cf i e l d ， d i e l e c t r i cp o l a r i z a t i o n ，r e l a x a t i o nl o s s i v 墨 f - 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论j 1 1 1 课题背景1 1 2 研究现状3 1 2 1 低温保存技术的现状3 1 2 2 国外的发展及研究现状3 1 2 3 我国国内的研究现状4 1 3 目的与任务6 第二章生物电介质学基础理论8 2 1 生物电介质学概述8 2 2 电介质的基础理论9 2 2 1 电介质的定义9 2 2 2 电介质的极化9 2 2 3 介质损耗1 0 2 2 4 电介质的弛豫l l 2 3 生物体内的水的介电特性1 2 2 4 电磁场与生物电介质的联系1 4 第三章低温生物学相关理论1 6 3 1 低温生物学的概述。1 6 3 2 低温保存与低温损伤机理1 8 3 2 1 低温保存1 8 3 2 2 低温冷冻形式的语言表达1 9 3 2 3 最佳冷却速率2 0 3 2 4 低温损伤机理2 0 3 2 5 水的冻结特性2 3 3 2 6 玻璃化低温保存2 4 第四章实验器材与设备2 7 4 1 实验系统的构成2 7 4 2 信号监测控制系统2 7 4 2 1 数字信号发生器2 7 4 2 2 数字示波器2 7 4 2 3 信号系统的稳定性分析2 8 4 3 电极系统2 8 4 4 磁场装置2 9 4 4 1 磁场频率范围的确立2 9 v 江苏大学硕士学位论文 4 4 2 磁场装置组成3 0 4 4 3 二阶系统3l 4 4 4 亥姆霍兹线圈原理3 3 4 5 温度控制系统3 5 4 5 1 系统简述3 5 4 5 2 半导体制冷器及腔体3 5 4 5 3 铂电阻温度采集单元4 0 4 5 4 数据采集装置4 1 4 5 5 光电耦合器及h 桥驱动电路4l 4 6 观测系统4 2 4 7 实验样品的选择与制各“4 3 4 7 1 选样4 3 4 7 2 预处理4 4 4 7 3 制样4 4 第五章实验与分析4 6 5 1 冷冻速率对冰晶生长的影响4 6 5 1 1 实验步骤4 6 5 1 2 现象与分析4 6 5 2 低温保护剂对冰晶生长的影响4 8 5 2 1 实验方法4 8 5 2 2 现象与分析4 8 5 3 交变电场对冰晶生长的影响4 9 5 3 1 实验步骤4 9 5 3 2 不同频率的正弦波实验5 0 5 3 3 实验结果分析5 2 5 4 低频磁场对冰晶生长的影响5 5 5 4 1 实验步骤5 5 5 4 2 不同频率的磁场实验5 6 5 4 3 实验结果分析5 8 5 5 建议5 9 5 5 1 实验器材6 0 5 5 2 实验方法6l 结束语6 2 致谢6 3 参考文献j 6 4 v i 鼍 _ ， 夸 卜 一 产 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 大家知道，人体是由电阻很高的皮肤所包绕，从物理角度来说是一个容积导体。 而且除离子以外，生物大分子既不是纯粹的导体，也不是纯粹的绝缘体，而大多 是电介质。因此，本课题是研究电磁场对生物低温保存的影响，首先要了解电介 质学科。 电介质学科创建于2 0 世纪初，其学科内容包括介质极化、损耗、电导和击穿的 研究。电介质材料的研究和发展成为一个工业领域和学科领域，是在2 0 世纪随着 电气工业的发展而形成的。自1 9 世纪末安培、法拉第、麦克斯韦尔等学者的研究 奠定了电工基本规律之后，爱迪生、贝尔等发明家创造出许多当时新颖的电气产 品：电灯、电机、变压器、电话、无线电技术等，并在2 0 世纪形成和不断地发展 为电气产业，它也改变了人类的生产方式，为人类创造了美好的生活内容。加上 近代半导体与晶体管的发明、微电子工业的发展。促进了计算机工业的发展，从 而使电气化时代发展到计算机信息时代。其中，“工程电介质”是随着2 0 世纪电 气化时代到来而发展形成的- i - 学科和生产领域。 工程电介质包括电气工程电介质、电子工程电介质、生物工程电介质、航天工 程电介质和其它特种电介质( 如隐身电介质) 等。学科涉及电气和电子绝缘材料 及功能介电材料，成为电工和电子行业的基础材料、生物医学工程的新兴高技术 材料。工程电介质与静电技术有密切的关联，应用于国民经济各个领域。电子工 程电介质涉及电( 强电、弱电) 、化( 有机，无机) 、生、机、光、热等基础领 域，因此这是- f - 边缘性、交叉性极强的多元复合性学科。在2 1 世纪的今天，工 程电介质在生物领域的发展已成为目前电介质学科的研究热点之一，也将有更广 阔的前景。 而与低温生物保存联系最密切的学科就是低温生物学了，低温生物学科可以定 义为是研究低温条件下生命现象的学科。其研究内容涉及动物学、植物学、微生 物学、医学、农学、林学、食品科学中的许多方面。它以物理学、化学、低温工 程学为依托，以生物化学、生物物理学、细胞生物学、遗传学为基础，研究生物个 体的低温生存环境、离体生物材料的低温保存、植物的冻害及耐寒性，探索低温 江苏大学硕士学位论文 损伤机理，发掘低温抗冻物质，实施冷冻医疗等，从而阐明低温条件下生命现象 的特征及其本质。 实验证明生物体在某低温下能够较长时间的保存。而生物体能在低温下长期保 存是因为低温能抑制生物体的生化活动。生物体虽能在低温下长期保存，但却极 容易在降温和复温过程中受溶液冻结、融化以及溶液渗透压力变化等因素的作用 而损伤。这种低温损伤主要发生在0 一6 0 这段温度范围内，这个温度范围被称 为“危险温度区”【1 1 。 为此，早在1 9 3 7 年，l u y e t 就指出玻璃化方法可作为冰冻保存生物体的一条途 径。玻璃化是指液体转变为非晶态( 玻璃态) 的固化过程。它和常见的液体转变为 晶体或部分结晶的固体的冻结过程不同，玻璃态固体分子之间的关系和液态无明 显变化，而一般的晶体分子之间的关系和液态相差甚远。使溶液玻璃化有两条途 径：一条是极大地提高冷却速率；另一条是增加溶液浓度。将样品快速投入液氮， 其降温速率一般只有1 0 3 k s 、而若要使l 微米的纯水滴实现玻璃化，其降温速率要 求在1 0 7 k s p a 上。对稍大的水滴实现玻璃化更困难。在纯水中加人溶质，可降低 玻璃化所需冷却速率，当抗冻剂溶液浓度为4 0 - - 6 0 ( w v ) 时，较容易形成玻 璃态。但在室温下，这样高的浓度会对细胞产生剧烈的损伤。因此，迫切需要寻 求一种新的方式，既能够不增加溶液的浓度又不需要很快的降温速率而能够将溶 液玻璃化。 而过去的很多实验证明电磁场的确具有生物效应。尤其是近年来大量的研究工 作聚焦在极低频电磁场的生物效应上【2 1 。 生物电磁学是- f l 研究电磁波与生物系统相互作用的边缘交叉学科【3 1 。在生物 电磁学领域中，电磁场产生的生物学效应及其应用是一个十分重要的研究课题。 生物电磁学就是研究从直流到远红外的电场、磁场和电磁场与生物系统相互作用 的科学，它的最终任务就是趋利避害，发扬光大其有利的正效应，躲避防护其有 害的负效应特别是对于损伤性的负效应1 4 j 。 因此，将生物电磁学应用到生物的低温保存中来，找到最佳的保证溶液能够玻 璃化的最佳电磁场控制参数将是对传统保存方法的一种突破，具有广阔的前景。 2 1 a 江苏大学硕士学位论文 1 2 研究现状 1 2 1 低温保存技术的现状 为避免细胞损伤，在低温保存过程中抑制或减少细胞内外的结冰是非常必要 的。从2 0 世纪7 0 年代起，一批物理学家、工程学家、特别是工程热物理学家投入 到了低温生物学的研究。人们已逐渐地认识到，凡是成功的低温保护，细胞内的 溶液均以玻璃态的形式被固化。对实用细胞保存的真正突破是低温保护剂的使用， 低温保护剂不是低温保存的决定因素，它只是通过定量地改变条件而起作用，可 以是使玻璃化降温保存条件更容易实现。 目前，以低温保护剂为前提，实现低温保存的传统途径大致有三条：途径1 ： 保护剂浓度较低时，只有采用极高的冷却速率，使生物样品超快速的降温到冰点 以下，而使冰晶来不及形成。对于浓度在2 0 以下的水溶液，要实现全部玻璃化 所需的临界冷却速率极高( 1 0 6k m i n ) ，这种方法称为“完全玻璃化方法 。 途径2 ：对稀溶液实行“两步法”冷却。第一步以较慢速率降温，让胞外溶液中产 生冰，胞内的水分通过细胞膜渗向胞外，胞内溶液的浓度逐渐提高，但同时要避 免“溶液损伤 ：第二步是以较高速率降温，以实现细胞内溶液的玻璃化。这种 方法又称为“部分玻璃化方法”。途径3 ：寻找一类高浓度的溶液，它们能在一般 的降温速率下实现玻璃化。由于浓度很高，溶液的凝固点温度和玻璃化转变温度 很接近，因而容易防止冰晶形成，此类溶液被称为“玻璃化溶液”，此方法被称 为“玻璃化溶液方法 。 以上的三种方式，存在着或多或少的缺点：由于降温手段以及样品内温度分布 均匀性等要求难以实现高的冻结速率：增加低温保护剂的浓度可以减低对冷冻速 率的要求，但是高浓度的保护剂又容易诱发化学中毒，以及对复温后保护剂的去 除提出高的要求；在寻找“玻璃化溶液”方面一直没有较大的突破。 1 2 2 国外的发展及研究现状 声 电介质物理应用于生物学领域以后，大家逐渐认识到电场技术在生物学中的重 要性。大家也可以发现不少有关高频、微波和欧姆加热的报道。但有关于电场和 低频磁场应用于冻结过程的研究却不多见。 江苏大学硕士学位论文 1 9 5 3 年s c h a e f e r 以过冷的云为研究对象，研究静电场从水蒸汽析出的冰晶生长 的影响，在实验中s c a 咖，发现，从电极出发沿电力线方向冰晶生长极快，虽然该 项工作没能解决静电场中冰晶生长规律的问题，但毕竟透露出这一个很有趣的现 象【5 】o b a r t l e h 等进行了闪电( 闪电有很高的电场，高于1 0 4 y c m ) 云中冰晶生长以及 静电场中冰晶生长规律的研究，他们观测到在电场中针状冰晶的生长速率为 5 r a m r a i n ，这个速率是在同样情况下不加电场时冰晶生长速率的1 0 1 0 0 倍【6 1 。电场 对液态和水溶液结晶影响的研究要比对汽相中冰晶生长的影响的研究少得多， 1 9 6 1 年s a # 对过冷水和锯蝇、五倍蝇的幼虫在电场下的冻结进行了研究，发现经5 秒1 5 k v 电场处理过的样品可在较小的过冷度下冻结，而相同的未经电场处理对照 组冻结时，过冷度要大得多，但他的实验并未受到多大的关注，在其后的文献中 很难再找到相关电场对液相中冰晶生长影响的论述。 1 9 9 2 年，h a n y u ，隋人通过一个外加电磁波发射源装置的反射镜式显微镜对生 物材料的低温冷冻进行研究【_ 7 1 。实验中发现，生物组织样品在高电磁场的辐射下快 速冷冻，在冰晶周围出现的未冻水区域最终以玻璃体形式镶嵌在冰晶中。 1 9 9 7 年，t h o m a s 等人，在低温显微镜下观察到：以乙烯乙二醇为低温保护剂的 水溶液样品在微波辐射下明显的抑制了冰晶的形成【8 j ，例如：3 5 m l 乙烯乙二醇溶 液在微波辐射下，冰晶形成减少5 6 。电磁场的这种效应可能是由于电磁场中的电 场分量和极性水分子相互作用而抑制了冰核的形成，这一发现为实验者在低温保 存生物材料时采用微波辐射技术来提高玻璃化冷冻的研究提出了可能性。 最近，美国高大勇教授和他的课题组发现了微波与不同浓度防冻剂相互作用对 水溶液的玻璃化具有显著促进作用。目前，他们正在研制一种新型单模微波腔，以 实现在c p a 浓度较低和慢降温速率条件下的玻璃化降温方法。 1 2 3 我国国内的研究现状 生物材料低温保存存在细胞在低温下的存活条件的问题，传统的细胞培养法和 细胞染色法只能对冷冻前后的形态、功能进行测定，而对于至关重要的冷冻过程 无法了解。近年来发展起来的低温显微镜系统虽能对冷冻过程中细胞的形态变化 进行观察，却难以了解材料中水分变成冰晶的相变物理过程。 4 - 弋 卜 江苏大学硕士学位论文 西安交通大学介电与功能材料研究所一直在进行有关低温生物介电特性的研 究工作，开拓了生物电介质在低温低频下的研究新途径。 1 9 8 6 年，西安交大电气系绝缘专业的钟力生博士首先在这方面进行了尝试，在 近十年的研究中，人们着重研究了低温下生物材料介电特性的变化规律，并且得 出生物组织的介电常数e 及增6 和温度的关系，如图1 - 1 。并发现对应于生物材料 在冷冻过程中的相变( 即水由液态变成固态) 其介电谱会有一个突变，这一发现 给低温生物学的研究提供了一种新的检测方法，这对于用冷冻方法治疗癌症、冷 藏生物组织具有深远的影响。之后又有许多工作者在这方面作了学多工作，取得 了许多成果。 1 系统的研究了生物电介质溶液的低温介电特性，发现低温介电特性和离子 浓度、半径大小有关，并建立了热离子极化模型，初步地解释了电介质碱卤盐溶 液在低温固态下的高介电常数现象，通过d s c 测试认为介电温谱上的突变是由于 临近离子周围的i - 1 2 0 分子间结构上的突变引起的【9 1 。 。】- ( 0l 1 - 1 1 9 1 生物组织的介电常数e 及t 9 6 和温度的关系 2 在低温保存和冷冻治疗中，随着温度的降低，组织中的水要由液态变成固 态发生一系列的相变。李应保硕士用相图对水、低温保护剂和n a c i 所组成的三元 溶液的降温过程进行了研究，建立了非均匀系统的极化模型【i o 】，成功地说明了该 系统的高介电常数产生的机理，提出了三元溶液在低温下出现的三种形式的色散， 即来源于冰球表面兼性离子的色散，来源于结构不均匀的m a x w e l l w a g n e r 效应和 来源于水分子的偶极松弛。 3 对兔子活体组织进行局部冷冻的低温介电特性的实验研究【1 1 1 。用不均匀介 质夹层极化的观点解释了生物组织及生物电解质溶液介电温谱的表现，提出用介 质损耗角正切t g6 最大之所对应的温度点作为相变点温度t m ：解释了生物组织降 温复温曲线不重合的原因，认为由于冷冻过程是非热平衡过程及由于复温过程发 s 江苏大学硕士学位论文 生的重结晶造成的。 4 对含水量不同的蛋白质溶液的介电谱作了初步的研裂1 2 1 ，发现了生物组织 中水的量变和相变对生物组织的介电特性有很大的影响。且发现：含水量不同， 其相交点也不同。 5 对人舌鳞癌裸鼠移植癌体的低温冷冻方面作了研究1 1 3 】。实验医用裸鼠人舌 鳞癌移植模型，用液氮作喷罩法冷冻肿瘤，其相变温度在8 0 ( 2 - - 3 5 c 之间，冷冻 时，肿瘤组织的相变为一连续过程。结论认为：低温生物介电常数的测定，可以 用来观察冷冻过程中生物膜的动态变化，是研究低温生物学及细胞膜结构特性的 新手段及指标。 6 刘彦民硕士利用自行开发的低温生物介电谱测试仪，在生物组织的温度特性 的测量方面进行了尝试【1 2 1 。发现不同的降温速率对生物材料低温介电谱的影响， 降温速率越快，相变温度越低。在对脂肪组织和肌肉组织介电特性随烘干时间的 关系的研究基础上，发现在常温低频下，两种组织的电阻相差不大，并认为这是 由于两种组织的细胞外也相差不大、而常温低频下生物组织的电阻主要由细胞外 液决定所致。随着烘干时间的增加，肌肉组织电阻急剧上升，而脂肪组织只略有 上升，认为这是由于肌肉中的水分随烘干时间的增加比脂肪更易丢失引起的。还 发现由于蛋白质本身的肽链未遭破坏，蛋白质的变性对其介电性能没有明显的改 变。 7 孙伟博士将不同频率的交变电场施加于浓度为0 9 的生理盐水中，并对生理 盐水溶液的温度进行测量。发现了不同频率的交变电场对生理盐水的低温特性发 生了显著变化。首先，交变电场影响了生理盐水发生相变时的过冷点温度兀其次， 生理盐水发生相变时产生的相变热，使溶液温度回升，在交变电场作用下溶液温 度的回升幅度跋生了显著变化。通过与纯水在相同实验条件下得出的实验结果 进行对比分析，并用电介质物理理论对实验结果进行分析，认为交变电场影响生 理盐水低温冷冻过程中近冰点低温特性的主要原因是溶液中存在的重复离子迁移 扰动，而非水分子的偶极极化。 1 3 目的与任务 生物材料内的水分在降温过程中必然有冰晶的形成。对于细胞内大冰晶的形 6 江苏大学硕士学位论文 成，必然会破坏细胞的内部结构。这也是生物低温冷冻所要集中解决的主要问题。 因此，在研究生物低温保存的课题中，减少细胞损伤的焦点集中在如何减少冷冻 过程中生物组织液形成的冰晶。 如前所述，以往所完成相关实验研究大多数针对电场和高频磁场对低温生物冰 晶形成的影响。而本文在研究电场影响的基础上将低频磁场作为影响低温生物冰 晶形成的主要因素来进行研究，并直接拍出冰晶图片来直观的比较。 如何降低实验过程中诸如环境温度、湿度等其它因素对样品冷冻的影响非常重 要，因此设计出合理和便利的实验研究装置是一个关键的问题，本文将对实验者 所设计出来的装置进行具体的介绍。 研究对象的选择也是至关重要的。由于本文研究的目的在于探讨并验证交变电 场和低频磁场对生物水的结晶过程的影响以及探讨通过电磁场抑止生物水在冷冻 过程中出现冰晶现象的最有效途径和方法。但是对于生物组织液来说，其中的组 分比较复杂，而生理盐水占生物组织液的7 0 左右，那么本课题就用生理盐水将问 题简单化。 另外，实验者将对于所完成的实验结果提出自己的假设观点。 本文的其余部分安排如下： 第二章简单介绍了电介质学科的发展情况以及介质极化、损耗、弛豫等基础理 论，并着重介绍了水的介电特性，最后具体的阐述了电磁场与电介质的相关联系 以及前人提出的假设的理论，这可以为实验者了解实验结果的机理提供理论依据； 第三章简单介绍了低温生物学的概况以及低温保存和低温损伤机理，也提出了 几种假说同时着重讲述了水的冻结特性，这给实验者分析本实验生理盐水低温损 伤方面的机理提供理论依据： 第四章从以下几个方面分别介绍了本实验的设备和装置的设计和实施：信号监 测控制系统、电极系统、磁场装置、温度控制系统、半导体制冷腔体、观测系统、 实验样品的选择与制备等； 第五章列举了交变电场和低频磁场对样品冷冻的影响的实验现象并分析了结 果，然后针对本实验过程中的一些不足提出建议，为以后能更有效的进行实验提 供参考。 最后是结束语部分，对全文进行总结。 7 江苏大学硕士学位论文 第二章生物电介质学基础理论 2 1 生物电介质学概述 生物电介质是当今时代的新发展。木材、骨骼、皮肤、神经网络等有生命的物 质都是具有某种介电特性和功能的电介质。许多生命运动都是介电行为起主导作 用的【l4 1 。例如，蛋白质具有极性基团和偶极矩，在轴取向的q 一螺旋型聚态材料 ( 例如骨胶原) 中可以观察到典型的压电效应，在外施应力下产生微观的内应变， 导致偶极矩取向的改变而产生压电效应。又如，神经的信号传输与其中的电矩扰 动有关，遗传信息的记存和复制涉及d n a 中电偶极矩的排列和运动。外科医生在 接骨技术上己成功利用与骨头有兼容效应的驻极体包裹物来加速断骨的愈合。人 造骨骼使用多孔性电介质陶瓷制成的，它能和生物骨骼长在一起，并提供输送养 分的作用，等等。电介质物理的许多研究成果已应用到临床医学，电介质材料也 将成为最有希望的生物材料。从电介质物理角度研究生物物质，关系到生命科学 的发展。 在涉及生物或生物体的电磁特性方面，生物学的研究需要利用电介质物理学作 为分析手段以期更了解生物体的物理性能。目前为止，前人在这方面的研究已经 相当广泛、深入，许多技术也已在实际中得到应用。对生物材料导电和介电特性 的研究已经有1 0 0 多年的历史了，导电性质的研究最早开始于1 8 2 7 年。然而，对生 物材料的介电特性进行系统的研究则是到了2 0 世纪的事，1 9 1 0 年至1 9 1 1 年期间， f r i c k 在对红细胞介电特性的研究中，首先发现了红细胞的低频电导和高频电导不 同，并认为是由于膜结构的存在分离了细胞内外液所致1 1 5 】i 旧。 高等生物，特别是人，是一个多层次结构的开放的巨系统，其结构层次可以顺 序分为：分子、细胞、气管、组织和功能系统等，直到整个生物体。这一巨系统 同与周围环境进行着物质、能量和信息的交换。这一现象可以从多种科学角度加 以研究。而从电介质物理角度加以探索，是一个有待开拓的领域。 、气 户 江苏大学硕士学位论文 2 2 电介质的基础理论 2 2 1 电介质的定义 电介质一词在过去数十年是与“绝缘体”有着相似的含义【1 7 】。“电介质物理” 亦主要是研究绝缘材料的基本电学特性( 极化，损耗，电导等) 。但随着近代无 线电波和微波等高频电磁场的广泛采用，以及电介质的一些新的功能效应的发现 ( 如压电，光电，热电效应等) 。人们对于“电介质”一词以及介电特性的含义 就有所发展。一些学者把有较强电场存在并可发生明显的极化现象的材料都称为 “电介质”。这与法拉第在1 8 3 9 年对电介质的定义：“电力( 线) 能透过的物质” 是一致的。 如一般生物体在直流电场下往往是半导体，有时甚至是导体，在此时生物体中 的直流电场是微弱的，极化效应可以忽略。但在超高频电场作用下则相反，生物 体中电导作用可以忽略，而极化、损耗等介电现象反较为显著，此时，生物体内 可存在明显的电磁场。显然，这时生物体可看作为电介质，水亦相似，因此电介 质是比绝缘体更为广泛的物理概念。 2 2 2 电介质的极化 电介质在电场作用下最主要的电特性是电导和极化，它们都是电荷的迁移现 象。实验者着重了解一下极化的特性。 极化是电介质中束缚在分子内部或局部空间不能完全自由运动的电荷，在电 场作用下产生局部的迁移而形成感应偶极矩的物理现象( 图2 - 1 ) 。通常以单位体 积电介质中形成的总感应电矩p 来表征电介质的极化程度，因此，p 也称为介质的 极化强度。在一般线性介质中，极化强度乒与介质内的电场强度方向相同大小与雷 成正比。可写成： p = 舻o e ( 2 一1 ) 称式中z 为介质的极化系数，为真空介电常数，其值为8 8 5 4 1 0 。1 2 法米。 9 一 一 ” l 江苏大学硕士学位论文 h l o o l 一； o - - - - , 0 +o 2 鲁 图2 1 电介质极化模型 在工程技术中，通常采用比电容率( 或称为相对介电常数) s ，来作为介质极 化的量度。比电容率是以介质充入真空电容器后，此电容器的电容量( o 与原真 空电容器的电容量( 易) 之比来计量。又称为相对介电常数，它与的乘积占， 定义为介质的介电常数。 。2 百- ， 2 占，2 2 ) 2 ) 由电工学可得： 占：岛：e o e i + 一p ( 2 3 ) 乜 则 叫2 嘉 浯4 ， 相对介电常数( ，) 是表示材料介电特性最主要的参数之一。但它们只有在线 以及电场强度( d 的函数。即占，= 妒( r 、功、e ) 。 因此，通过改变温度、电场频率或电场强度就能改变材料的相对介电常数，即 能改变材料的极化强度。 2 2 3 介质损耗 介质在交变电压下，由于极化存在，介质中将存在较大的电容电流j 。以及电 导电流，r ，在电容器中实验者常希望引起损耗的电导电流小、电容电流大为好， 故引入了一个新的介质物理参数培万( 介质损耗角正切) 。 1 0 卜 江苏大学硕士学位论文 盼每= 券专 沿5 ， e ： 电容器介质损耗有功功率，最：电容器无功功率。 如介质在交变电压作用下只有电导电流损耗，则增万应与电场频率成倒数关 系。但通过实验测量表明，极性介质辔6 与缈的关系是有峰值的曲线关系，见图 2 - 2 ( d ) ，从图中可以看出极性介质的t 9 8 值比非极性介质的t 9 8 值要较大，而且随 c o 的变化呈非倒数式关系，这是由于介质极化滞后所形成的损耗所引起。因此， 可以说研究介质损耗的重点就是要研究介质极化形成的动态过程产生的损耗。 ( c b ) 矗 i c ( a ) 介质试样 ( b ) 等效电路 ( c ) 电压电流矢量图 ( d ) 介质留万一脚图示 图2 2 t 1 8 l 介质损耗示意图 2 2 4 电介质的弛豫 在热力学中，称宏观体系因内部热运动而使体系本身趋向平衡态的过程为弛 豫。电磁场和物质之间的相互作用中最重要的大概是弛豫过程，至少从电介质物 理学的观点来看是这样。根据朗之万理论【l 引，实验者讨论某个温度下、任一个恒 定均匀电磁场中同类偶极子的集合，可以假定无相互作用的偶极子在空间可取任 意方向，但它们稳定状态的统计取向一定，符合朗之万函数 1 9 】。如果现在把电磁 场突然撤除，则由于外电磁场对偶极子的作用而产生的所有转矩马上消失，并且 依靠多次碰撞，使偶极子体系的统计取向缓慢消除，对偶极子的作用衰减过程中 存在一个特征时间常数，这个时间常数称为弛豫时间常数。反之，当施加一个阶 跃函数外电磁场后，由原来的各向同性体系变为有取向的状态同样需要这个弛豫 时间。给不同介质施加不同的电磁场当做同样的实验时所测出的弛豫时间是不同 的。 江苏大学硕士学位论文 2 3 生物体内的水的介电特- 陛 很久以来，水一直受到人们的重视，这不仅仅是因为它在地球上大量存在，还 因为它对生命的存在于延续所起到的重要作用。水是生命之源，在绝大多数的生 物组织中，水的含量占有很大的比重，表2 1 列出了一些生物体的含水量。 表2 - 1 生物体含水量 生物类别含水量( ) 海洋无脊椎动物 9 7 5 菌类孢子 5 0 成年哺乳动物 6 5 7 0 神经组织 8 7 脂肪组织 3 0 水的存在状态和理化性质对生命活动有重大的调控作用，水的循环也直接影响 生命的兴衰。 从水分子结构可知，生物水具有很强的偶极性，如图2 3 所示： 0 。 h i - i 图2 - 3 水分子结构示意图 水分子中的o h 键角为1 0 4 5 。，氢和氧原子平均间距为0 0 9 5 7 n m 。有高负电性 的氧原子趋向于从氢原子中撤回电子，导致共享电子的非对称性分布。整个分子 具有质子施主能力，使之与其它水分子、离子或生物大分子的极性基团之间形成 氢键。由于水的存在，生物组织的介电常数可变得异常大，高达1 0 5 1 0 8 ，比一 般铁电材料的介电常数还要高，电磁波之所以能在生物体中传播以及生物材料表 现出来的介电特性，主要原因就是生物体含有水这种致密的媒介物。纯水在常温 ( 液态) 和低温( 固态) 介电特性，前人已进行了深入的研究，人们发现纯水和 纯冰都具有很大的静态介电常数，并且其数值非常接近，这说明纯水的液态和固 态下的极化机理相同，均为偶极转向极化；纯水和纯冰具有偶极松弛现象，但对 应的松弛频率却相差很大。这是由于水从液态变到固态，分子间力加强，偶极松 弛活化能增大，松弛时间增加，偶极松弛峰移向低频。m a l m b e r g 等人研究了纯水 1 2 一 卜 广 江苏大学硕士学位论文 的静态介电常数，在o , - - , 1 0 0 c 得到了下面的经验公式【2 0 】： 占= 8 7 7 4 0 4 0 0 0 8 t + 9 3 9 8 x 1 0 一t 2 1 4 1 0 x 1 0 巧t 3 ( 2 6 ) 生物体中的水与普通水有所不同，它的结构和性质受生物体液中的盐离子、生 物大分子等因素影响。生物体中的水以两种形式存在，自有水和结合水。自由水 虽然它的结构没有改变，但大多数是以稀释电解质溶液形式存在。当离子进入水 中以后，水的正常结构将发生变化。在稀释电解质溶液中，由于离子周围的水分 子受到强静电力的束缚而不易转动，实际上减少了水中可极化偶极子的浓度，影 响了水的介电性能，溶液的介电常数常低于溶剂水的介电常数。在略低于微波频 段范围内，稀电解质溶液的介电性能根据d e b y e 等人提出的极化理论，认定此时溶 液的相对介电常数会高于纯水的介电常数，并按浓度的平方根值递增，这与极高 频下的测量结果相反，这一现象发生的机理认为是：在不很高的频率下，离子沿 着外加电场方向将不仅是转动，还伴随着迁移运动，在离子的迁移过程中，离子 周围的水分子也被带动，这些水分子的感应偶极矩将发生旋转定向，离子浓度越 高，参与旋转定向的感应偶极子就越多，宏观介电常数值就越高。 结合水在生物体内占的份额相对就要少一些，他们受到蛋白质极性集团的吸 附，并与蛋白质多肽链上- n h 基团的n 形成键能很强的氢键，或与蛋白质上的其他 极性基团形成氢键，结合水又称为生物水。当用红外光谱分析生物膜上结合水的 结构时，发现它与自由水之间并没有多大的差异。b u c h a n a n 等人对6 种蛋白质在3 2 4 g h z 范围内的介电现象进行了研究，发现结合水的松弛频率低于自由水的松弛频 率，高于冰的松弛频率，而更靠近自由水的数值；相对介电常数低于自由水的数 值。s c h w a n 等人对红血球及自蛋白溶液进行了类似的实验研究，发现结合水的松 弛类似于蛋白质侧链的松弛。但是后来发现，蛋白质侧链的松弛频率通常在1 0 - - 1 0 0 m h z 以内，而结合水的松弛频率在1 0 0 - - 1 0 0 0 m h z 之间，在2 5 时结合水的介 电活化能为7 3 k c a l m o l ( 自由水的相应数值为4 5 k c a l m 0 1 ) ，它类似于自由水在 - 1 7 时的活化能，这似乎说明结合水的结构与冰在1 7 c 时的结构相似。 生物电介质材料和普通的电介质材料有很大的差异，生物电介质材料很不均 匀，而且含有大量的水分，这就造成了生物体组织具有高电导率、高损耗和高介 电常数的介电特性。由于在常温下，生物组织有很高的电导率，这就给低频下测 量带来了几个主要问题【l o 】：一是电极极化，二是直流电导的热漂移，三是电导电 流淹没了极化引起的容性电流。故在常温下，一般采用高频方法研究生物材料的 江苏大学硕士学位论文 常温介电特性。如果在低温下能将生物组织中的水冻结，则能降低其直流电导率， 从而解决常温下频域法进行低温测量所面临的困难。 2 4 电磁场与生物电介质的联系 实验者假定在某一时刻( 把此刻规定为t 的