张 杰， 王向晖， 齐红新， 陈树德， 乔登江

(华东师范大学 物理系， 上海 200241)



·实验技术·

工频磁场离体生物效应辐照系统及其性能

张 杰， 王向晖， 齐红新， 陈树德， 乔登江

(华东师范大学 物理系， 上海 200241)

工频磁场； 亥姆霍兹线圈； 磁感应强度； 均匀度

0 引 言

工频磁场处处存在于人们的生活环境中，比如高压线附近和家用电器周围等等。由此引发的生物效应已成为人们非常关注的热点。国内外研究者对工频磁场生物效应开展了许多研究，提出了许多假设，但是还没有统一的理论[1-3]。工频磁场辐照对精子质量、运动活力都有影响[4-6]，对人体心脏心电图有影响[7]，辐照对大鼠体重、认知和海马结构等有明显影响并且这种影响具有可恢复性[8]。但有文献报道，工频磁场辐照不会产生明显的生物效应。工频磁场对健康人体的认知水平、儿童大脑形态、大鼠尿液分泌物等没有影响[9-12]。文献报道表明,磁场辐照也存在潜在的应用价值。5 mT磁场辐照人体间充质干细胞(hMSCs)向软骨细胞分化的过程，作用3周后细胞中的胶原蛋白的表达量有变化，可能对软骨细胞分化有促进作用[13]，磁场辐照可应用于缺血再修复的保护作用[14]。由此可知，磁场生物效应研究可比性较差，并且大都没有详细介绍所用的磁场辐照系统，特别是样品区域的磁场分布的均匀性。

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。永磁铁和电磁铁在空间产生磁场，但磁场均匀度不高。螺线管通电后在其内部也可产生均匀磁场，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。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，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IT’S公司研制了基于4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。而国内相关报道较少。

本文理论设计并搭建了一个针对50 Hz工频弱磁场生物效应实验的磁场辐照系统，并测试了其性能。该系统可应用于开展50 Hz磁场辐照离体细胞的生物效应及其机理的研究。

1 设计原理

将外部稳定的50 Hz信号输入到亥姆霍兹线圈中，在亥姆霍兹线圈内部产生稳定磁场，从而为顺利开展相关实验研究实验提供稳定、均匀的磁场环境。通过合理的选择亥姆霍兹线圈的尺寸、线圈匝数、导线直径和输入信号的幅值，该系统的磁感应强度可以在一定范围内变化，并在空间区域产生一定均匀度地磁场分布。

图1 亥姆霍兹线圈的坐标系

如果将z、x作为同阶小量，将B展开成小量4次方，在中心一定区域内，Bx即径向(x、y轴方向)的磁感应强度很小，可以忽略，磁场主要分布在轴向(z轴方向)上，所以以下讨论均为z轴方向的磁感应强度的大小，用B代表Bz，则[15]：

其中：

代表坐标O点的磁感应强度；

代表B(z,x)相对Bo的偏差Δ，可表征磁场不均匀度。

当y不为0时，磁场不均匀度则表示为

f(z,x,y)=

根据上述公式，表1列出了半径分别为10、20和30 cm亥姆霍兹线圈的结果。实验中，96孔细胞培养板规格为12.5 cm ×8.4 cm × 1.6 cm，要让所有细胞处于均匀磁场辐照，即磁场均匀区域要大于12.5 cm×8.4 cm×1.6 cm。由表1可知,R=20 cm的亥姆霍兹线圈即可满足实验均匀磁场区域体积需求，并可将其置于内部尺寸为50.0 cm×50.0 cm×65.0 cm的细胞培养箱里面。实验所需磁感应强度范围为0～1.5 mT，并且亥姆霍兹线圈电流不能超过2 A(防止线圈过热)。由Bo可知，N要大于167匝，所以将亥姆霍兹线圈匝数拟定为180匝。在选定以上参数(R=20 cm，N=180匝)后，计算得到中心磁感应强度与电流的关系为：

表1 不同半径的亥姆霍兹线圈磁场均匀区域

2 50 Hz磁场辐照系统的构成

50 Hz磁场辐照系统由3 kV稳压电源、Agilent 3350B函数信号发生器、YAMAHA P7000S 功率放大器、电流表、亥姆霍兹线圈组成。整个系统的组装示意图如图2所示。

稳压电源为函数信号发生器、功率放大器等提供稳定的220 V交流电压，使其正常工作。函数信号发生器可产生正弦波、方波、三角波等，频率范围为1 μHz～30 MHz，分辨率为1 μHz，此处设置其产生50 Hz正弦信号。输出幅度范围为1 mVpp～10 Vpp(输出阻抗50 Ω)。功率放大器将电流信号放大。亥姆霍兹线圈是将电能转换为磁能，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20 cm。线圈导线主要由漆包线绕制而成，存在约20 Ω的电阻。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。

3 工频磁场辐照系统的性能

为了测试以上50 Hz辐照系统的性能(线圈温度变化，磁场分布规律，中心磁感应强度与电流的关系，输出电压与功率放大器的组合关系)，除了上面提到的电流表之外，还用到的测量设备为Optris GmbH 红外测温仪、Tesco 温度计和HT22 高斯计。红外测温仪和温度计分别测量线圈导线和线圈内部空间的温度，高斯计1用来测试磁感应强度与电流的关系及磁场分布规律等;高斯计2主要辅助监测亥姆霍兹线圈中心磁感应强度是否发生变化。测试示意图见图2。

将高斯计探头经过支架与升降台固定在一起，当高斯计探头在亥姆霍兹线圈中心时，取升降台的某一个点Q所在位置为坐标原点，建立x′o′y′二维坐标系，通过升降台在水平方向上的移动来达到在xoy平面内移动高斯计探头的效果，那么，Q点坐标(x′，y′)即为高斯计探头的坐标(x，y)，升降台在竖直方向上的升降高度即高斯计探头的z坐标。这样就可以测出亥姆霍兹线圈磁场在xoy平面和xoz平面的分布。

3.1 线圈导线的温度变化

根据物理学中的欧姆定律，当亥姆霍兹线圈中通入电流后会有热量产生，表现为导线温度升高。当导线温度升高时，导线的阻值变大，因此当加在线圈两端的电压一定时，导线的电流变小；当导线温度稳定后，电流也会稳定，从而亥姆霍兹线圈中的磁场趋于稳定。当通入线圈的电流为1.25 A，室温约为21.6 ℃，整个系统放置在室温环境中，用红外测温仪无接触式远距离测量了线圈表面的温度变化规律，如图3所示。线圈温度变化随着通入电流的时间增加而增加，30 min后温度升高到最大温升(20 ℃)的80%。当通入的电流较小时，线圈温度在30 min内达到稳定值。

同时，用Testo 温度计测量了线圈中间的温度，温度值均为室温值，所以线圈的温升对线圈中间的温度分布基本没有影响。

3.2 线圈内磁场分布

在图1所示的三维坐标系下，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。

xoy平面内磁场均匀度如图4所示。xoz平面内磁场均匀度如图5所示。

图4 xoy面磁场分布

图5 xoz面磁场分布

坐标原点(0,0,0)处得磁感应强度相对值为1，红色区域代表磁场不均匀度小于1%，与红色相邻的黄色和紫色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，但由于培养皿是长方体，所以此处磁场均匀区也近似取为长方体，结果为：

3.3 线圈中心点磁感应强度与电流间关系

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，见图6和表2。实验测量数据表明，I和B之间的线性关系为：B=0.805 2ImT(R2=0.999 9)。

图6 磁感应强度B随线圈电流I的变化

U/VN/-dBI/AB/mT0.50000.810.6611.00001.631.3271.50031.641.3382.0004.51.641.3602.50061.601.3073.00061.931.5713.50071.901.5434.00081.981.5964.500101.871.5255.000111.891.536

因为线圈的最大允许电流不超过2 A，否则会损坏线圈，所以在调节信号源电压和功率放大器的时候必须保证电流表示数不超过2 A。当信号源电压为2 V时，功率放大器不能超过-4.5 dB，最大电流为1.64 A，此时的磁场最大只能达到1.360 mT。通过信号源输出电压和功率放大器的恰当组合，可以得到实验需要的磁场。

4 结 语

磁感应强度与电流关系的理论计算B=0.809 2ImT，测试结果B=0.805 2ImT，B与I之间的系数误差为5%。由此，可知误差较小，实验结果和理论计算符合较好。

[1] 刘 肖, 左红艳, 王德文,等. 工频磁场的神经生物学效应研究进展[J]. 中华劳动卫生职业病杂志, 2012, 30(10): 792-794.

[2] 孙丽媛, 孙文均. 活性氧在极低频电磁场生物效应机制中的研究进展[J]. 中华劳动卫生职业病杂志, 2012, 30(3): 223-226.

[3] 杨 丽, 乔晓艳, 董有尔. 磁场生物效应研究现状与展望[J]. 中国医学物理学杂志, 2009, 26(1): 1022-1025.

[4] Al Akh Mod’d-Ali, Darmani Homa, Elbeteha Ahmedetal. Influence of 50Hz magnetic field on sex hormones and other fertility parameters of adult male rats [J]. Bioelectromagnetics, 2006, 27(2): 127-131.

[5] Iorio Roberto, Delle Monache Simona, Bennato Francesca,etal. Involvement of mitochondrial activity in mediating ELF-EMF stimulatory effect on human sperm motility [J]. Bioelectromagnetics, 2011, 32(1): 15-27.

[6] 李 刚, 李丹丹, 熊 慧,等. 极低频磁场对细胞的生物效应及机制启示[J]. 生物医学工程与临床, 2010, 14(4): 359-361.

[7] Tabor Zbislaw, Michalski Jozef, Tokita Eugeniusz,etal. Influence of 50Hz magnetic field on human heart rate variablilty: linear and nonlinear analysis [J]. Bioelectromagnetics, 2004, 25(6): 474-480.

[8] 刘 肖, 左红艳, 王德文,等. 极低频电磁场曝露对大鼠认知功能和海马形态结构的影响[J]. 高电压技术, 2013, 39(1): 156-162.

[9] Delhez Marie, Legros Jean Jacques, Crasson Marion. No influence of 20 and 400μT, 50Hz magnetic field exposure on cognitive function in humans [J]. Bioelectromagnetics, 2004, 25(8): 592-598.

[10] Henshaw Denis, Reiter Russel J. Do magnetic fields cause increased risk of childhood leukemia via melatonin disruption? [J] Bioelectromagnetics, 2005, 26(S7): 86-97.

[11] Sienkiewicz Zenon, Jones Nancy, Bpttomlley Anna. Neurobehavioural effects of electromagnetic field [J]. Bioelectromagnetics, 2005, 26(S7): 116-126.

[12] Bakos Jozsef, Nagy Noemi, Thuroczy Gyorgy,etal. One week of exposure to 50Hz, vertical magnetic field does not reduce urinary 6 - sulphatoxymelatonin excretion of male wistar rats [J]. Bioelectromagnetics, 2002, 23(2): 245-248.

[13] Mayer Wagner Susanne, Passberger Alice, Sievers Birte,etal. Effects of low frequency electromagnetic fields on the chondrogenic differentiation of human mesenchrmal stem cells [J]. Bioelectromagnetics, 2011, 32(4): 283-280.

[14] Robertson John A, Thomas Alex W, Bureau Yves,etal. The influence of extremely low frequency magnetic fields on cytoprotection and repair [J]. Bioelectromagnetics, 2007, 28(1): 16-30.

[15] 曾晓英. 亥姆霍兹线圈磁场的均匀性分析及误差估算[J]. 物理实验, 2000，20(5): 38-39.

Exposure Setup of 50 Hz Magnetic Field Applied in Studying of the Bioeffects and Its Characters

ZHANGJie,WANGXiang-hui,QIHong-xin,CHENShu-de,QIAODeng-jiang

(Physics Department, East China Normal University, Shanghai 200241 China)

50 Hz magnetic field; Helmholtz coils; magnetic induction intensity; deviation

2015-03-06

国家973计划(2011CB503701)资助项目

张 杰(1981-),男,山东苍山人,工程师,现主要从事生物电磁学研究。

Tel.:021-54342937; E-mail:jzhang@phy.ecnu.edu.cn

齐红新(1974-),男,湖北随州人,讲师,现主要从事计算电磁学研究。Tel.:021-54342937; E-mail:flyerqhx@126.com

O 64; O 441.4

A

1006-7167(2015)12-0005-04