劉艷輝 毛 偉 陳盈冰

（貴州大學(xué)理學(xué)院 貴州 貴陽(yáng) 5500 25 ）

1 引言

電磁學(xué)主要研究電磁相互作用的基本規(guī)律及實(shí)際應(yīng)用，因此，在大學(xué)物理教學(xué)過(guò)程中，電磁學(xué)部分的教學(xué)，一般是遵循電磁學(xué)發(fā)展歷史順序的體系，首先，講授電磁學(xué)的基本原理，在此基礎(chǔ)上介紹電磁學(xué)發(fā)展的前沿，例如磁電子學(xué)、磁光效應(yīng)及超導(dǎo)體等．但隨著物理學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科交叉的日益加劇，電磁學(xué)基本原理及技術(shù)在生命體系中的應(yīng)用日益增多，這也推動(dòng)了電磁學(xué)的發(fā)展，主要體現(xiàn)在電磁學(xué)的基本理論在生命體系中的運(yùn)用，及對(duì)相關(guān)生命體系的磁學(xué)性質(zhì)的認(rèn)知，這就極大豐富和發(fā)展了電磁學(xué)這門(mén)學(xué)科，但是關(guān)于生命體系的電磁學(xué)性質(zhì)在大學(xué)物理教學(xué)過(guò)程中鮮有涉及．因此，有必要在教學(xué)過(guò)程中，拓展與生命體系相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生了解電磁學(xué)在生命體系中的最新發(fā)展及應(yīng)用．這里主要從電磁學(xué)技術(shù)在生物體系中的應(yīng)用及相關(guān)生命體系磁學(xué)性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)兩個(gè)方面討論電磁學(xué)教學(xué)拓展．

2 血細(xì)胞磁分離技術(shù)

2．1 基本原理

血細(xì)胞的磁學(xué)性質(zhì)發(fā)現(xiàn)較早，可以被看成磁性粒子．全血中，白細(xì)胞是反磁性的，紅細(xì)胞的磁性取決于血紅素是否結(jié)合氧，一般去氧血紅素呈現(xiàn)順磁性，而攜氧血紅素呈現(xiàn)反磁性［1～5］．基于血細(xì)胞本身的固有性質(zhì)，采用高梯度磁場(chǎng)分離方法設(shè)計(jì)磁分離器［6～8］，基本原理如下．

一個(gè)半徑為a的鐵磁線置于均勻外磁場(chǎng)（磁場(chǎng)強(qiáng)度為H0）中，鐵磁線的徑向沿著z方向，磁場(chǎng)強(qiáng)度方向平行于x軸方向，靜磁場(chǎng)基本條件為

式中B和H分別為磁通量和磁場(chǎng)．基于靜磁場(chǎng)基本條件定義磁標(biāo)勢(shì)V

由條件式（1）、（2）可以確定磁標(biāo)勢(shì)滿足!2V＝0，結(jié)合具體邊界條件，在柱坐標(biāo)系中，磁標(biāo)勢(shì)V為

血細(xì)胞受到的磁場(chǎng)力為

其中χBC和χB分別為血細(xì)胞和緩沖液的磁化率，χ＝χBC－χB，VBC為血細(xì)胞的體積，結(jié)合式（2）、（4），在圖1（a）所示的柱坐標(biāo)系中，r＞a的區(qū)域，血細(xì)胞受到的磁場(chǎng)力可表示為

對(duì)于順磁物質(zhì)，χ＞0，對(duì)于反磁性物質(zhì)，χ＜0，因此結(jié)合圖1（a），血細(xì)胞受力明顯分為兩種捕捉磁性粒子模式，即順磁捕捉模式和反磁捕捉模式．若將磁性粒子放在圖1（a）所示的x軸上，此時(shí)φ＝0，sin 2φ＝0，cos 2φ＝1，鐵磁線將會(huì)吸引順磁粒子（χ＞0），即為順磁捕捉模式［7］；若將磁性粒子放在圖1（a）所示的y軸上，此時(shí)φ＝，sin 2φ＝0，cos 2φ＝－1，鐵磁線將會(huì)吸引反磁粒子（χ＜0），即為反磁捕捉模式［8］．

圖1

1．2 磁分離器設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

如圖2（a）所示，基于反磁捕捉模式設(shè)計(jì)的磁分離器，外磁場(chǎng)垂直于微通道，長(zhǎng)、寬、高分別為30 mm，480 μm，50 μm，其中心沿著z軸方向放置寬度為80 μm的鐵磁線，磁分離器有一個(gè)入口，三個(gè)出口，從左向右，三個(gè)出口的標(biāo)號(hào)為 ＃1，＃2，＃3．這樣紅細(xì)胞在磁場(chǎng)力的作用下，被排斥偏離鐵磁線，而白細(xì)胞被吸引到鐵磁線，全血流經(jīng)入口流入微通道，紅細(xì)胞經(jīng)＃1，＃3出口流出，白細(xì)胞經(jīng)＃2出口流出．

圖2 磁分離器設(shè)計(jì)示意圖及截面圖［6～8］

圖3給出了具體分離過(guò)程以及結(jié)果，磁分離技術(shù)確實(shí)能夠有效分離全血中的白細(xì)胞和紅細(xì)胞．從圖3（a）到圖3（b）的時(shí)間間隔是20 min．

圖3 血細(xì)胞分離結(jié)果［5～7］

從圖3可以發(fā)現(xiàn)紅細(xì)胞在磁場(chǎng)力的作用下，被排斥遠(yuǎn)離鐵磁線，向微通道邊緣聚集，實(shí)現(xiàn)了有效分離．相對(duì)于傳統(tǒng)的磁分離器，該分離器具有體積小，效率高，外磁場(chǎng)小等優(yōu)勢(shì)．傳統(tǒng)磁分離器外磁場(chǎng)高達(dá)2．0T，而微分離器的外磁場(chǎng)只需要0．2T，如圖1（a），微分離器的長(zhǎng)度只有30 mm，而傳統(tǒng)磁分離器長(zhǎng)度為2m，而且分離效率低［9～11］．

分離器的分離效率可以達(dá)到2．5μl／h，但分離效率相對(duì)來(lái)說(shuō)還是很低，主要因?yàn)榇艌?chǎng)力只在鐵磁體周圍小于100 μm的范圍內(nèi)非常顯著，且不依賴鐵磁體半徑．為了進(jìn)一步提高分離效率，將以上的微磁分離器進(jìn)一步改進(jìn)為側(cè)向驅(qū)動(dòng)磁分離器，如圖4所示，利用鐵磁線陣列在整個(gè)微通道區(qū)域使血細(xì)胞均受到磁場(chǎng)力，鐵磁線陣列與血液流向成一定夾角θ．血細(xì)胞所受到的側(cè)向力取決于血細(xì)胞所受到的磁場(chǎng)力、均勻外磁場(chǎng)強(qiáng)度、鐵磁線陣列與血液流向以及血細(xì)胞的磁化率．

圖4 改進(jìn)后的側(cè)向驅(qū)動(dòng)微分離技術(shù)示意圖［12］

圖5 改進(jìn)后的側(cè)向驅(qū)動(dòng)微分離器分離結(jié)果［12］

圖5（a）為紅細(xì)胞與熒光標(biāo)記的白細(xì)胞在外磁場(chǎng)為0．3T時(shí)的分離情況，分離效率達(dá)到20 μl／h．圖5（b）為沒(méi)有外磁場(chǎng)情況，血細(xì)胞沒(méi)有被有效分離．

2 磁場(chǎng)降低血液粘度

如果人的血液太過(guò)粘稠，會(huì)導(dǎo)致血壓增高，損害血管，增加心臟病發(fā)作的風(fēng)險(xiǎn)．最近發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)可降低人類血液粘度，稀釋人類循環(huán)系統(tǒng)中的血液．利用紅細(xì)胞的磁學(xué)性質(zhì)，施加磁場(chǎng)，如圖6（a）能將紅血細(xì)胞極化，使它們以短鏈、流線運(yùn)動(dòng)的形式連在一起，如圖6（b）、（c）所示，短鏈向著中心流下來(lái)時(shí)，與血管壁摩擦就會(huì)減少．這種結(jié)構(gòu)降低了血液粘度，有助于改善血液流動(dòng)．

圖6 紅細(xì)胞形成鏈狀結(jié)構(gòu)的示意圖

實(shí)驗(yàn)［13］表明，給血液施加一個(gè)1．3T的磁場(chǎng)約1m i n，血液粘度將降低20 %～30 %，且施加的磁場(chǎng)強(qiáng)度僅相當(dāng)于核磁共振成像的磁場(chǎng)強(qiáng)度．當(dāng)磁場(chǎng)被移開(kāi)時(shí)，血液在血管中會(huì)慢慢恢復(fù)為原來(lái)的粘稠狀態(tài)，但要經(jīng)過(guò)幾個(gè)小時(shí)．而且通過(guò)選擇合適的磁場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖時(shí)間，就能控制紅細(xì)胞聚集成鏈的大小，由此控制血液粘度．因此，這種磁流變的方法提供了一個(gè)在可選擇的范圍內(nèi)控制血液粘度的有效途徑，這種方法安全，可重復(fù)，在多次施加磁場(chǎng)降低血液粘度的情況下，并不影響紅細(xì)胞的正常功能．

3 虹鱒魚(yú)的洄游機(jī)制

在大海里暢游3年，離家300 k m之遙，虹鱒魚(yú)依然能回到它最初的孵化地，主要依賴地球磁場(chǎng)給它們指引正確方向．慕尼黑大學(xué)地球科學(xué)家Michael Winklhofer的研究小組從虹鱒魚(yú)的鼻部分離出了磁性細(xì)胞［14］，這項(xiàng)進(jìn)展將幫助研究人員進(jìn)一步認(rèn)識(shí)各類生物的磁場(chǎng)感應(yīng)能力．為將磁性細(xì)胞分離出來(lái)，Winklhofer與同事將懸浮的虹鱒魚(yú)細(xì)胞置于顯微鏡下，并在顯微鏡上安裝磁鐵，如此，虹鱒魚(yú)的磁性細(xì)胞將會(huì)圍繞磁鐵旋轉(zhuǎn)．他們發(fā)現(xiàn)虹鱒魚(yú)的嗅覺(jué)組織中有1～4個(gè)細(xì)胞圍繞磁鐵旋轉(zhuǎn)如圖7所示，每個(gè)細(xì)胞的磁性比預(yù)想的大上百倍．在分離出的磁性細(xì)胞中，有磁性微粒緊挨著細(xì)胞膜．這說(shuō)明虹鱒魚(yú)以磁性細(xì)胞為感知地磁信號(hào)的受體，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的感知．

圖7 磁性細(xì)胞圍繞顯微鏡上的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)（箭頭所指為磁性細(xì)胞）

4 總結(jié)

以上介紹了電磁學(xué)理論在生命體系中的典型應(yīng)用，磁分離技術(shù)及磁場(chǎng)能夠有效降低血液粘度，而且對(duì)生命體系均是無(wú)損的，這預(yù)示其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用；在生命體系中分離出了磁性細(xì)胞，對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)相關(guān)生物的洄游規(guī)律及仿生學(xué)發(fā)展有著重要意義．在教學(xué)過(guò)程中給予適當(dāng)?shù)慕榻B及引導(dǎo)，能夠使學(xué)生進(jìn)一步深化對(duì)電磁學(xué)基本理論的認(rèn)識(shí)，拓展學(xué)生的視野，同時(shí)使學(xué)生感受到學(xué)科交叉在科學(xué)發(fā)展中的重要意義．

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

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13 R．Tao and K．Huang，Phys．Rev．E，2011，84，011 905

14 Stephan H．K．Eder，HervéCadiou，Airina Muhamad，Peter A． McNaughton， Joseph L．Kirschvink，andMichael Winklhofer，PNAS，2012，109，12 022～12 027