基于“生物磁现象”的电磁学教学拓展＊

2014-06-29刘艳辉陈盈冰

物理通报 2014年6期

刘艳辉毛伟陈盈冰

（贵州大学理学院贵州贵阳 5500 25 ）

1 引言

电磁学主要研究电磁相互作用的基本规律及实际应用，因此，在大学物理教学过程中，电磁学部分的教学，一般是遵循电磁学发展历史顺序的体系，首先，讲授电磁学的基本原理，在此基础上介绍电磁学发展的前沿，例如磁电子学、磁光效应及超导体等．但随着物理学、生物学等学科交叉的日益加剧，电磁学基本原理及技术在生命体系中的应用日益增多，这也推动了电磁学的发展，主要体现在电磁学的基本理论在生命体系中的运用，及对相关生命体系的磁学性质的认知，这就极大丰富和发展了电磁学这门学科，但是关于生命体系的电磁学性质在大学物理教学过程中鲜有涉及．因此，有必要在教学过程中，拓展与生命体系相关的教学内容，使学生了解电磁学在生命体系中的最新发展及应用．这里主要从电磁学技术在生物体系中的应用及相关生命体系磁学性质的发现两个方面讨论电磁学教学拓展．

2 血细胞磁分离技术

2．1 基本原理

血细胞的磁学性质发现较早，可以被看成磁性粒子．全血中，白细胞是反磁性的，红细胞的磁性取决于血红素是否结合氧，一般去氧血红素呈现顺磁性，而携氧血红素呈现反磁性［1～5］．基于血细胞本身的固有性质，采用高梯度磁场分离方法设计磁分离器［6～8］，基本原理如下．

一个半径为a的铁磁线置于均匀外磁场（磁场强度为H0）中，铁磁线的径向沿着z方向，磁场强度方向平行于x轴方向，静磁场基本条件为

式中B和H分别为磁通量和磁场．基于静磁场基本条件定义磁标势V

由条件式（1）、（2）可以确定磁标势满足!2V＝0，结合具体边界条件，在柱坐标系中，磁标势V为

血细胞受到的磁场力为

其中χBC和χB分别为血细胞和缓冲液的磁化率，χ＝χBC－χB，VBC为血细胞的体积，结合式（2）、（4），在图1（a）所示的柱坐标系中，r＞a的区域，血细胞受到的磁场力可表示为

对于顺磁物质，χ＞0，对于反磁性物质，χ＜0，因此结合图1（a），血细胞受力明显分为两种捕捉磁性粒子模式，即顺磁捕捉模式和反磁捕捉模式．若将磁性粒子放在图1（a）所示的x轴上，此时φ＝0，sin 2φ＝0，cos 2φ＝1，铁磁线将会吸引顺磁粒子（χ＞0），即为顺磁捕捉模式［7］；若将磁性粒子放在图1（a）所示的y轴上，此时φ＝，sin 2φ＝0，cos 2φ＝－1，铁磁线将会吸引反磁粒子（χ＜0），即为反磁捕捉模式［8］．

图1

1．2 磁分离器设计及其应用

如图2（a）所示，基于反磁捕捉模式设计的磁分离器，外磁场垂直于微通道，长、宽、高分别为30 mm，480 μm，50 μm，其中心沿着z轴方向放置宽度为80 μm的铁磁线，磁分离器有一个入口，三个出口，从左向右，三个出口的标号为＃1，＃2，＃3．这样红细胞在磁场力的作用下，被排斥偏离铁磁线，而白细胞被吸引到铁磁线，全血流经入口流入微通道，红细胞经＃1，＃3出口流出，白细胞经＃2出口流出．

图2 磁分离器设计示意图及截面图［6～8］

图3给出了具体分离过程以及结果，磁分离技术确实能够有效分离全血中的白细胞和红细胞．从图3（a）到图3（b）的时间间隔是20 min．

图3 血细胞分离结果［5～7］

从图3可以发现红细胞在磁场力的作用下，被排斥远离铁磁线，向微通道边缘聚集，实现了有效分离．相对于传统的磁分离器，该分离器具有体积小，效率高，外磁场小等优势．传统磁分离器外磁场高达2．0T，而微分离器的外磁场只需要0．2T，如图1（a），微分离器的长度只有30 mm，而传统磁分离器长度为2m，而且分离效率低［9～11］．

分离器的分离效率可以达到2．5μl／h，但分离效率相对来说还是很低，主要因为磁场力只在铁磁体周围小于100 μm的范围内非常显著，且不依赖铁磁体半径．为了进一步提高分离效率，将以上的微磁分离器进一步改进为侧向驱动磁分离器，如图4所示，利用铁磁线阵列在整个微通道区域使血细胞均受到磁场力，铁磁线阵列与血液流向成一定夹角θ．血细胞所受到的侧向力取决于血细胞所受到的磁场力、均匀外磁场强度、铁磁线阵列与血液流向以及血细胞的磁化率．

图4 改进后的侧向驱动微分离技术示意图［12］

图5 改进后的侧向驱动微分离器分离结果［12］

图5（a）为红细胞与荧光标记的白细胞在外磁场为0．3T时的分离情况，分离效率达到20 μl／h．图5（b）为没有外磁场情况，血细胞没有被有效分离．

2 磁场降低血液粘度

如果人的血液太过粘稠，会导致血压增高，损害血管，增加心脏病发作的风险．最近发现磁场可降低人类血液粘度，稀释人类循环系统中的血液．利用红细胞的磁学性质，施加磁场，如图6（a）能将红血细胞极化，使它们以短链、流线运动的形式连在一起，如图6（b）、（c）所示，短链向着中心流下来时，与血管壁摩擦就会减少．这种结构降低了血液粘度，有助于改善血液流动．

图6 红细胞形成链状结构的示意图

实验［13］表明，给血液施加一个1．3T的磁场约1m i n，血液粘度将降低20 %～30 %，且施加的磁场强度仅相当于核磁共振成像的磁场强度．当磁场被移开时，血液在血管中会慢慢恢复为原来的粘稠状态，但要经过几个小时．而且通过选择合适的磁场强度和脉冲时间，就能控制红细胞聚集成链的大小，由此控制血液粘度．因此，这种磁流变的方法提供了一个在可选择的范围内控制血液粘度的有效途径，这种方法安全，可重复，在多次施加磁场降低血液粘度的情况下，并不影响红细胞的正常功能．

3 虹鳟鱼的洄游机制

在大海里畅游3年，离家300 k m之遥，虹鳟鱼依然能回到它最初的孵化地，主要依赖地球磁场给它们指引正确方向．慕尼黑大学地球科学家Michael Winklhofer的研究小组从虹鳟鱼的鼻部分离出了磁性细胞［14］，这项进展将帮助研究人员进一步认识各类生物的磁场感应能力．为将磁性细胞分离出来，Winklhofer与同事将悬浮的虹鳟鱼细胞置于显微镜下，并在显微镜上安装磁铁，如此，虹鳟鱼的磁性细胞将会围绕磁铁旋转．他们发现虹鳟鱼的嗅觉组织中有1～4个细胞围绕磁铁旋转如图7所示，每个细胞的磁性比预想的大上百倍．在分离出的磁性细胞中，有磁性微粒紧挨着细胞膜．这说明虹鳟鱼以磁性细胞为感知地磁信号的受体，实现对磁场强度的感知．

图7 磁性细胞围绕显微镜上的磁场旋转（箭头所指为磁性细胞）

4 总结

以上介绍了电磁学理论在生命体系中的典型应用，磁分离技术及磁场能够有效降低血液粘度，而且对生命体系均是无损的，这预示其在医学领域有着潜在的应用；在生命体系中分离出了磁性细胞，对进一步认识相关生物的洄游规律及仿生学发展有着重要意义．在教学过程中给予适当的介绍及引导，能够使学生进一步深化对电磁学基本理论的认识，拓展学生的视野，同时使学生感受到学科交叉在科学发展中的重要意义．

1 D．Melville，F．Paul and S．Roath，Nature，1975，255．706

2 Donald S．Taylor and Charles D．Coryell，J．AM．Chem．Soc．1938，60．1 177～1 181

3 Sumner Levine，Science，1956，123，185～186

4 Charles D．Coryell，Fred Stitt，and Linus Pauling，J．Am．Chem．Soc，1937，59，633～642

5 Maciej Zborowski，Graciela R．Ostera，Lee R．Moore，etal，Biophysical Journal，2003，84，4，2 638～2 645

6 Ki－Ho Han and A．Bruno Frazier，J．Appl．Phys，2004，96，5 797～5 802

7 K．－H．Han and A．B．Frazier，Lab Chip，2006，6，265

8 K．－H．Han and A．B．Frazier，Lab Chip，2008，8，1 079

9 M．Takayasu，N．Duske，S．R．Ash and F．J．Friedlaender，IEEE Transaactions on Magnetics，1982，18，1 520～1 522

10 J．T．Kemshead and J．Ugelstad，Molecular and CellularBiochemistry．1985，67，11～18

11 Masakazu Iwasaka．Junji Miyakoshi and Shoogo Ueno，IEEE Transaactions on Magnetics，2001，37，2 644～2 646

12 Jinhee Jung and Ki－Ho Han，Applied Physics Letters．2008，93，223 902