CN103087911A

CN103087911A - 一种为工频弱磁场生物效应实验提供稳定均匀磁场环境的方法

Info

Publication number: CN103087911A
Application number: CN2013100490947A
Authority: CN
Inventors: 张�杰; 齐红星; 徐力平; 陈树德; 乔登江
Original assignee: East China Normal University
Current assignee: East China Normal University
Priority date: 2013-02-07
Filing date: 2013-02-07
Publication date: 2013-05-08

Abstract

本发明属于电磁生物效应研究中的低频磁场辐照系统技术领域，具体涉及一种为工频弱磁场生物效应实验提供稳定均匀磁场环境的方法，该方法至少包括如下步骤：在细胞培养箱上安装磁场辐照系统，将磁场辐照系统中的亥姆霍兹线圈设置于细胞培养箱内部；在该亥姆霍兹线圈中心轴处设置一辐照载物支架；之后将稳定的工频正弦波信号输入到亥姆霍兹线圈中，以在亥姆霍兹线圈内部产生稳定均匀的磁场；待该磁场辐照系统预热一定时间后将离体放置于辐照载物支架上，以进行生物效应实验。本发明的优点是，操作简便，温度湿度可控，可长时间工作，磁场稳定均匀，且均匀区域大，磁场强度大小可实时通过电流表检算，完全满足离体磁场生物效应的要求。

Description

一种为工频弱磁场生物效应实验提供稳定均匀磁场环境的方法

技术领域

本发明属于电磁生物效应研究中的低频磁场辐照系统技术领域，具体涉及一种为工频弱磁场生物效应实验提供稳定均匀磁场环境的方法。

背景技术

人们的生活环境存在工频磁场，比如高压线附近和家用电器周围。工频磁场人体健康的影响和生物效应及其机理研究已成为全球关注和很多学者研究的热点。

经大量流行病学的统计研究表明磁场暴露会增加癌症发病率，其中，患白血病、乳腺癌和脑癌者居多。研究人员在总结前人研究的基础上提出，工频磁场可能并不直接导致正常细胞的癌变过程，但可促进和加强癌倾向细胞以及癌细胞的癌变和死亡进程。

据我国对长途电话工作人员的调查和1995年湖北省的妊娠调查发现，操作电脑的孕妇流产比例和异常妊娠率明显高于不使用者。外国研究人员将鼠暴露于工频磁场，实验结果表明磁场暴露可降低鼠的生育能力。上述文献表明工频磁场辐照可能影响人和动物的生殖过程。此外，工频磁场还能影响神经系统、免疫功能等。

细胞是生物体的基本结构和功能单位，要弄清工频磁场对我们健康的影响机制，需要研究工频磁场对细胞的生物效应。研究表明工频磁场可造成DNA分子链断裂即DNA损伤，诱导干细胞增殖分化和癌细胞凋亡，提高自由基浓度和影响酶的活性。研究建立磁场与细胞生物效应之间的量效关系及工频磁场生物效应的机理机制，需要稳定的、长时间工作的磁场辐照系统并且磁场辐照系统在一定空间范围内均匀度需满足实验要求。

常见的产生磁场的装置有：永磁铁、电磁铁、螺线管、亥姆霍兹线圈。永磁铁在空间产生静磁场，无法精确控制磁场的大小，且磁场不均匀。电磁铁由铁芯和其外部所绕线圈组成，通电流后随即产生交变磁场，但磁场均匀度也不高。螺线管通电后在其内部也可产生均匀磁场，但是因其散热面积大，所产生的热量很快散失，导线的温度不会太高，所以线圈的损坏较小。故有研究者利用这一原理制作了磁场发生装置，例如，用于辐照成骨细胞的低频多波形磁场发生仪，正弦波磁场发生器。但是螺线管只有两底面是开放的，空间局限性大，离体生物效应研究中细胞培养板的取放不便，而且螺线管的尺寸要很长才能提供均匀度较好的磁场辐照区域。

亥姆霍兹线圈结构简单，通过电流来控制磁感应强度的大小，且中心区域磁场均匀。空间纵横通达局限性小，细胞培养板容易取放，磁场辐照区与培养箱完全连通，温度、湿度、二氧化碳浓度等环境因素与对照组能保持相同，且实验结束后其产生的磁场即消失，不会造成环境污染。基于上述优点，亥姆霍兹线圈可作为研究磁场生物效应实验中很好的磁场发生装置。国外根据此理论研制了带屏蔽装置的基于四个矩形线圈的磁场辐照系统用于工频磁场离体生物研究。但是为了有效控制辐照区域的温度，该设备安装了小型风扇，而风扇工作将会影响辐照区域磁场，所以生物电磁研究领域对于这一设备颇有争议。而国内还没有专门应用于离体磁场生物效应的工频磁场辐照系统。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种为工频弱磁场生物效应实验提供稳定均匀磁场环境的方法，该方法通过将磁场辐照系统中的亥姆霍兹线圈设置于细胞培养箱内，并将用于放置离体的辐照载物支架设置于亥姆霍兹线圈的内部中心轴处，以获得稳定均匀的磁场满足离体的磁场生物效应要求。

本发明型目的实现由以下技术方案完成：

一种为工频弱磁场生物效应实验提供稳定均匀磁场环境的方法，涉及细胞培养箱以及设置于所述细胞培养箱中的离体，其特征在于所述方法至少包括如下步骤：在所述细胞培养箱上安装磁场辐照系统；所述磁场辐照系统包括依次串接的函数信号发生器、功率放大器、电流表以及亥姆霍兹线圈，其中所述亥姆霍兹线圈设置于所述细胞培养箱中，所述函数信号发生器和所述功率放大器均与一稳压电源相连；在所述亥姆霍兹线圈中心轴处设置辐照载物支架；启动所述磁场辐照系统；将所述离体放置于所述辐照载物支架上，进行生物效应实验。

所述亥姆霍兹线圈的上下面上设置有若干开孔。

所述辐照载物支架为双层结构，以使单次辐照过程可同时处理两个所述离体。

所述磁场辐照系统的启动是，所述函数信号发生器向所述功率放大器输出工频正弦波电流信号，通过调节过程使所述功率放大器将所述电流信号放大至实验设计值，以使所述电流信号通过所述亥姆霍兹线圈产生所述生物效应实验所需强度的磁场。

所述调节过程为；根据所述生物效应实验所需的磁场强度计算出所述亥姆霍兹线圈中电流的试验设计值，之后调整所述功率放大器的端放大倍数旋钮，并微调所述函数信号发生器的输出电压值，直至所述电流表显示值经换算后为实验设计值；其中所述电流表显示值I_显与真实电流值I_真之间的关系为I_真=0.254I_显，所述亥姆霍兹线圈的中心磁感应强度B与所述电流表显示值I_显之间的关系为B≈0.2055 I_显。

本发明的优点是，通过亥姆霍兹线圈所产生的磁场稳定均匀，完全满足离体磁场生物效应的要求；通过在亥姆霍兹线圈上设置若干一定尺寸的孔，从而使线圈内部与细胞培养箱中的空气能很好的流通，防止辐照区域温度过高；通过配置双层辐照载物支架，从而使的单次辐照过程可处理多个实验对象；本发明操作简便，温度湿度可控，可长时间工作，磁场均匀区域大，磁场强度大小可实时通过电流表检算。

附图说明

图1为本发明中的工频磁场辐照系统结构示意图；

图2为本发明中xoy面磁场的均匀度分布示意图；

图3为本发明中xoz面磁场的均匀度分布示意图；

图4为本发明中磁感应强度B随线圈电流I的变化规律示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

实施例：如图1所示，本实施例公开一种为工频弱磁场生物效应实验提供稳定均匀磁场环境的方法，该方法涉及细胞培养箱、用于作为工频弱磁场生物效应实验研究对象的离体、设置在细胞培养箱中用于承载放置离体的双层辐照载物支架以及用于在细胞培养箱中产生实验所需磁场的磁场辐照系统。

该磁场辐照系统由3KvA稳压电源、函数信号发生器、功率放大器、电流表以及亥姆霍兹线圈组成，其中函数信号发生器、功率放大器以及亥姆霍兹线圈依次串接，3KvA稳压电源用于为函数信号发生器、功率放大器提供稳定的220V交流电压，使其正常工作；电流表设置于功率放大器与亥姆霍兹线圈之间，用于显示流过亥姆霍兹线圈的电流。

函数发生器的型号为Agilent 3350B，可产生正弦波、方波、三角波等，频率范围为1μHz～30MHz，分辨率为1μHz，此处设置其产生工频正弦信号，输出幅度范围为1mVpp～10Vpp（输出阻抗50Ω）；

功率放大器：要使函数信号发生器输出的电流信号，能在亥姆霍兹线圈中产生所需强度的磁场，必须将电流信号放大；

亥姆霍兹线圈：将电能转换为磁能，电流信号通过亥姆霍兹线圈，在亥姆霍兹线圈中产生磁场；线圈匝数为180匝，线圈半径为20cm；线圈导线主要由漆包线绕制而成，存在约20Ω的电阻；为了使用过程中辐照区域温度不升高，亥姆霍兹线圈上下面开设了若干适当尺寸的孔，从而使得线圈内部与培养箱中的空气能很好的流通；

电流表：显示流过亥姆霍兹线圈的电流，可反映产生磁感应强度的大小；此处的电流表显示值与真实电流值之间的关系为I_真=0.254I_显，所以中心磁感应强度与电流表显示值间的关系为B≈ 0.8092I_真(mT)≈0.2055 I_显（mT），下文中提到的电流均为电流表显示值。

如图1所示，为工频弱磁场生物效应实验提供稳定均匀磁场环境的方法包括如下步骤：

① 将磁场辐照系统接入市电；

②根据工频弱磁场生物效应实验所需的磁场强度，由公式B≈ 0.8092I_真(mT)≈0.2055 I_显（mT）计算出相对应的电流表显示值，即实验设计值；

③调整函数信号发生器的输出波形为正弦波，频率为50Hz，调整功率放大器的端放大倍数旋钮并微调函数信号发生器的输出电压值，直至电流表显示值为实验设计值；

④磁场辐照系统至少预热30分钟；

⑤将多个实验对象离体放置于双层辐照载物支架上，该双层辐照载物支架设置于亥姆霍兹线圈内部的中心轴上以使实验对象处于均匀度较高的磁场区域内，之后进行辐照实验；辐照过程中每隔30分钟检查电流表示数是否发生变化，若发生变化则适当微调函数信号发生器的输出电压值；待辐照实验结束后取出实验对象。

⑥关闭稳压电源。

以下为对上述磁场辐照系统所产生的磁场性能的说明：

三维坐标系下，两线圈中心连线中点为o点，x、 y轴为xoy平面内任意垂直的轴线，z轴经过两线圈的中心， xoy面平行于亥姆霍兹线圈两个线圈，xoz平面经过两线圈的中心并垂直于xoy面。

如图2所示为xoy平面内磁场的均匀度示意图，如图3所示为xoz平面内磁场的均匀度示意图。其中坐标原点（0,0,0）处得磁感应强度相对值为1，最里面的区域代表磁场不均匀度小于1%，与该区域相邻的两个区域代表不均匀度小于5%。虽然均匀磁场区理论取为圆柱体，但由于细胞培养箱是长方体，所以此处磁场均匀区也近似取为长方体，结果为：

（1）磁场不均匀度小于1%的区域为：

Figure 2013100490947100002DEST_PATH_IMAGE002

（2）磁场不均匀度小于5%的区域为：

Figure 2013100490947100002DEST_PATH_IMAGE004

所以当把实验对象离体设置于（1）或（2）中的区域内时可获得稳定均匀的磁场。

如图4所示为磁感应强度B随线圈电流I的变化规律示意图，线圈中的电流变化时，亥姆霍兹线圈中心点处的磁感应强度B也随之线性变化，实验测量数据表明B≈ 0.2055 I（mT）。

Claims

1.一种为工频弱磁场生物效应实验提供稳定均匀磁场环境的方法，涉及细胞培养箱以及设置于所述细胞培养箱中的离体，其特征在于所述方法至少包括如下步骤：在所述细胞培养箱上安装磁场辐照系统；所述磁场辐照系统包括依次串接的函数信号发生器、功率放大器、电流表以及亥姆霍兹线圈，其中所述亥姆霍兹线圈设置于所述细胞培养箱中，所述函数信号发生器和所述功率放大器均与一稳压电源相连；在所述亥姆霍兹线圈中心轴处设置辐照载物支架；启动所述磁场辐照系统；将所述离体放置于所述辐照载物支架上，进行生物效应实验。

2.根据权利要求1所述的一种为工频弱磁场生物效应实验提供稳定均匀磁场环境的方法，其特征在于所述亥姆霍兹线圈的上下面上设置有若干开孔。

3.根据权利要求1所述的一种为工频弱磁场生物效应实验提供稳定均匀磁场环境的方法，其特征在于所述辐照载物支架为双层结构，以使单次辐照过程可同时处理两个所述离体。

4.根据权利要求1所述的一种为工频弱磁场生物效应实验提供稳定均匀磁场环境的方法，其特征在于所述磁场辐照系统的启动是，所述函数信号发生器向所述功率放大器输出工频正弦波电流信号，通过调节过程使所述功率放大器将所述电流信号放大至实验设计值，以使所述电流信号通过所述亥姆霍兹线圈产生所述生物效应实验所需强度的磁场。

5.根据权利要求4所述的一种为工频弱磁场生物效应实验提供稳定均匀磁场环境的方法，其特征在于所述调节过程为；根据所述生物效应实验所需的磁场强度计算出所述亥姆霍兹线圈中电流的试验设计值，之后调整所述功率放大器的端放大倍数旋钮，并微调所述函数信号发生器的输出电压值，直至所述电流表显示值经换算后为实验设计值；其中所述电流表显示值I_显与真实电流值I_真之间的关系为I_真=0.254I_显，所述亥姆霍兹线圈的中心磁感应强度B与所述电流表显示值I_显之间的关系为B≈0.2055 I_显。