劉艷輝 毛 偉 陳盈冰

（貴州大學(xué)理學(xué)院 貴州 貴陽 5500 25 ）

1 引言

電磁學(xué)主要研究電磁相互作用的基本規(guī)律及實際應(yīng)用，因此，在大學(xué)物理教學(xué)過程中，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用，及對相關(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)過程中鮮有涉及．因此，有必要在教學(xué)過程中，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)兩個方面討論電磁學(xué)教學(xué)拓展．

2 血細胞磁分離技術(shù)

2．1 基本原理

血細胞的磁學(xué)性質(zhì)發(fā)現(xiàn)較早，可以被看成磁性粒子．全血中，白細胞是反磁性的，紅細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］．基于血細胞本身的固有性質(zhì)，采用高梯度磁場分離方法設(shè)計磁分離器［6～8］，基本原理如下．

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

式中B和H分別為磁通量和磁場．基于靜磁場基本條件定義磁標(biāo)勢V

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

血細胞受到的磁場力為

其中χBC和χB分別為血細胞和緩沖液的磁化率，χ＝χBC－χB，VBC為血細胞的體積，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，血細胞受到的磁場力可表示為

對于順磁物質(zhì)，χ＞0，對于反磁性物質(zhì)，χ＜0，因此結(jié)合圖1（a），血細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φ＝0，sin 2φ＝0，cos 2φ＝1，鐵磁線將會吸引順磁粒子（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φ＝，sin 2φ＝0，cos 2φ＝－1，鐵磁線將會吸引反磁粒子（χ＜0），即為反磁捕捉模式［8］．

圖1

1．2 磁分離器設(shè)計及其應(yīng)用

如圖2（a）所示，基于反磁捕捉模式設(shè)計的磁分離器，外磁場垂直于微通道，長、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，磁分離器有一個入口，三個出口，從左向右，三個出口的標(biāo)號為 ＃1，＃2，＃3．這樣紅細胞在磁場力的作用下，被排斥偏離鐵磁線，而白細胞被吸引到鐵磁線，全血流經(jīng)入口流入微通道，紅細胞經(jīng)＃1，＃3出口流出，白細胞經(jīng)＃2出口流出．

圖2 磁分離器設(shè)計示意圖及截面圖［6～8］

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

圖3 血細胞分離結(jié)果［5～7］

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

分離器的分離效率可以達到2．5μl／h，但分離效率相對來說還是很低，主要因為磁場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．為了進一步提高分離效率，將以上的微磁分離器進一步改進為側(cè)向驅(qū)動磁分離器，如圖4所示，利用鐵磁線陣列在整個微通道區(qū)域使血細胞均受到磁場力，鐵磁線陣列與血液流向成一定夾角θ．血細胞所受到的側(cè)向力取決于血細胞所受到的磁場力、均勻外磁場強度、鐵磁線陣列與血液流向以及血細胞的磁化率．

圖4 改進后的側(cè)向驅(qū)動微分離技術(shù)示意圖［12］

圖5 改進后的側(cè)向驅(qū)動微分離器分離結(jié)果［12］

圖5（a）為紅細胞與熒光標(biāo)記的白細胞在外磁場為0．3T時的分離情況，分離效率達到20 μl／h．圖5（b）為沒有外磁場情況，血細胞沒有被有效分離．

2 磁場降低血液粘度

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

圖6 紅細胞形成鏈狀結(jié)構(gòu)的示意圖

實驗［13］表明，給血液施加一個1．3T的磁場約1m i n，血液粘度將降低20 %～30 %，且施加的磁場強度僅相當(dāng)于核磁共振成像的磁場強度．當(dāng)磁場被移開時，血液在血管中會慢慢恢復(fù)為原來的粘稠狀態(tài)，但要經(jīng)過幾個小時．而且通過選擇合適的磁場強度和脈沖時間，就能控制紅細胞聚集成鏈的大小，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)，在多次施加磁場降低血液粘度的情況下，并不影響紅細胞的正常功能．

3 虹鱒魚的洄游機制

在大海里暢游3年，離家300 k m之遙，虹鱒魚依然能回到它最初的孵化地，主要依賴地球磁場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的鼻部分離出了磁性細胞［14］，這項進展將幫助研究人員進一步認(rèn)識各類生物的磁場感應(yīng)能力．為將磁性細胞分離出來，Winklhofer與同事將懸浮的虹鱒魚細胞置于顯微鏡下，并在顯微鏡上安裝磁鐵，如此，虹鱒魚的磁性細胞將會圍繞磁鐵旋轉(zhuǎn)．他們發(fā)現(xiàn)虹鱒魚的嗅覺組織中有1～4個細胞圍繞磁鐵旋轉(zhuǎn)如圖7所示，每個細胞的磁性比預(yù)想的大上百倍．在分離出的磁性細胞中，有磁性微粒緊挨著細胞膜．這說明虹鱒魚以磁性細胞為感知地磁信號的受體，實現(xiàn)對磁場強度的感知．

圖7 磁性細胞圍繞顯微鏡上的磁場旋轉(zhuǎn)（箭頭所指為磁性細胞）

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)及磁場能夠有效降低血液粘度，而且對生命體系均是無損的，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胞，對進一步認(rèn)識相關(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)過程中給予適當(dāng)?shù)慕榻B及引導(dǎo)，能夠使學(xué)生進一步深化對電磁學(xué)基本理論的認(rèn)識，拓展學(xué)生的視野，同時使學(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

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

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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

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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

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

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