專利名稱：一種為工頻弱磁場生物效應實驗提供穩(wěn)定均勻磁場環(huán)境的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電磁生物效應研究中的低頻磁場輻照系統(tǒng)技術領域，具體涉及一種為工頻弱磁場生物效應實驗提供穩(wěn)定均勻磁場環(huán)境的方法。
背景技術：
人們的生活環(huán)境存在工頻磁場，比如高壓線附近和家用電器周圍。工頻磁場人體健康的影響和生物效應及其機理研究已成為全球關注和很多學者研究的熱點。經(jīng)大量流行病學的統(tǒng)計研究表明磁場暴露會增加癌癥發(fā)病率，其中，患白血病、乳腺癌和腦癌者居多。研究人員在總結(jié)前人研究的基礎上提出，工頻磁場可能并不直接導致正常細胞的癌變過程，但可促進和加強癌傾向細胞以及癌細胞的癌變和死亡進程。據(jù)我國對長途電話工作人員的調(diào)查和1995年湖北省的妊娠調(diào)查發(fā)現(xiàn)，操作電腦的孕婦流產(chǎn)比例和異常妊娠率明顯高于不使用者。外國研究人員將鼠暴露于工頻磁場，實驗結(jié)果表明磁場暴露可降低鼠的生育能力。上述文獻表明工頻磁場輻照可能影響人和動物的生殖過程。此外，工頻磁場還能影響神經(jīng)系統(tǒng)、免疫功能等。細胞是生物體的基本結(jié)構(gòu)和功能單位，要弄清工頻磁場對我們健康的影響機制，需要研究工頻磁場對細胞的生物效應。研究表明工頻磁場可造成DNA分子鏈斷裂即DNA損傷，誘導干細胞增殖分化和癌細胞凋亡 ，提高自由基濃度和影響酶的活性。研究建立磁場與細胞生物效應之間的量效關系及工頻磁場生物效應的機理機制，需要穩(wěn)定的、長時間工作的磁場輻照系統(tǒng)并且磁場輻照系統(tǒng)在一定空間范圍內(nèi)均勻度需滿足實驗要求。常見的產(chǎn)生磁場的裝置有:永磁鐵、電磁鐵、螺線管、亥姆霍茲線圈。永磁鐵在空間產(chǎn)生靜磁場，無法精確控制磁場的大小，且磁場不均勻。電磁鐵由鐵芯和其外部所繞線圈組成，通電流后隨即產(chǎn)生交變磁場，但磁場均勻度也不高。螺線管通電后在其內(nèi)部也可產(chǎn)生均勻磁場，但是因其散熱面積大，所產(chǎn)生的熱量很快散失，導線的溫度不會太高，所以線圈的損壞較小。故有研究者利用這一原理制作了磁場發(fā)生裝置，例如，用于輻照成骨細胞的低頻多波形磁場發(fā)生儀，正弦波磁場發(fā)生器。但是螺線管只有兩底面是開放的，空間局限性大，離體生物效應研究中細胞培養(yǎng)板的取放不便，而且螺線管的尺寸要很長才能提供均勻度較好的磁場輻照區(qū)域。亥姆霍茲線圈結(jié)構(gòu)簡單，通過電流來控制磁感應強度的大小，且中心區(qū)域磁場均勻?？臻g縱橫通達局限性小，細胞培養(yǎng)板容易取放，磁場輻照區(qū)與培養(yǎng)箱完全連通，溫度、濕度、二氧化碳濃度等環(huán)境因素與對照組能保持相同，且實驗結(jié)束后其產(chǎn)生的磁場即消失，不會造成環(huán)境污染?；谏鲜鰞?yōu)點，亥姆霍茲線圈可作為研究磁場生物效應實驗中很好的磁場發(fā)生裝置。國外根據(jù)此理論研制了帶屏蔽裝置的基于四個矩形線圈的磁場輻照系統(tǒng)用于工頻磁場離體生物研究。但是為了有效控制輻照區(qū)域的溫度，該設備安裝了小型風扇，而風扇工作將會影響輻照區(qū)域磁場，所以生物電磁研究領域?qū)τ谶@一設備頗有爭議。而國內(nèi)還沒有專門應用于離體磁場生物效應的工頻磁場輻照系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是根據(jù)上述現(xiàn)有技術的不足之處，提供一種為工頻弱磁場生物效應實驗提供穩(wěn)定均勻磁場環(huán)境的方法，該方法通過將磁場輻照系統(tǒng)中的亥姆霍茲線圈設置于細胞培養(yǎng)箱內(nèi)，并將用于放置離體的輻照載物支架設置于亥姆霍茲線圈的內(nèi)部中心軸處，以獲得穩(wěn)定均勻的磁場滿足離體的磁場生物效應要求。本發(fā)明型目的實現(xiàn)由以下技術方案完成:
一種為工頻弱磁場生物效應實驗提供穩(wěn)定均勻磁場環(huán)境的方法，涉及細胞培養(yǎng)箱以及設置于所述細胞培養(yǎng)箱中的離體，其特征在于所述方法至少包括如下步驟:在所述
細胞培養(yǎng)箱上安裝磁場輻照系統(tǒng)；所述磁場輻照系統(tǒng)包括依次串接的函數(shù)信號發(fā)生器、功率放大器、電流表以及亥姆霍茲線圈，其中所述亥姆霍茲線圈設置于所述細胞培養(yǎng)箱中，所述函數(shù)信號發(fā)生器和所述功率放大器均與一穩(wěn)壓電源相連； 在所述亥姆霍茲線圈中心軸處設置輻照載物支架； 啟動所述磁場輻照系統(tǒng)； 將所述離體放置于所述輻照載物支架上，進行生物效應實驗。所述亥姆霍茲線圈的上下面上設置有若干開孔。所述輻照載物支架為雙層結(jié)構(gòu)，以使單次輻照過程可同時處理兩個所述離體。所述磁場輻照系統(tǒng)的啟動是，所述函數(shù)信號發(fā)生器向所述功率放大器輸出工頻正弦波電流信號，通過調(diào)節(jié)過程使所述功率放大器將所述電流信號放大至實驗設計值，以使所述電流信號通過所述亥姆霍茲線圈產(chǎn)生所述生物效應實驗所需強度的磁場。所述調(diào)節(jié)過程為；根據(jù)所述生物效應實驗所需的磁場強度計算出所述亥姆霍茲線圈中電流的試驗設計值，之后調(diào)整所述功率放大器的端放大倍數(shù)旋鈕，并微調(diào)所述函數(shù)信號發(fā)生器的輸出電壓值，直至所述電流表顯示值經(jīng)換算后為實驗設計值；其中所述電流表顯示值I s與真實電流值I貞之間的關系為I =0.2541 s，所述亥姆霍茲線圈的中心磁感應強度B與所述電流表顯示值Is之間的關系為B 0.2055 I顯。本發(fā)明的優(yōu)點是，通過亥姆霍茲線圈所產(chǎn)生的磁場穩(wěn)定均勻，完全滿足離體磁場生物效應的要求；通過在亥姆霍茲線圈上設置若干一定尺寸的孔，從而使線圈內(nèi)部與細胞培養(yǎng)箱中的空氣能很好的流通，防止輻照區(qū)域溫度過高；通過配置雙層輻照載物支架，從而使的單次輻照過程可處理多個實驗對象；本發(fā)明操作簡便，溫度濕度可控，可長時間工作，磁場均勻區(qū)域大，磁場強度大小可實時通過電流表檢算。


圖1為本發(fā)明中的工頻磁場輻照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意 圖2為本發(fā)明中xoy面磁場的均勻度分布示意 圖3為本發(fā)明中xoz面磁場的均勻度分布示意 圖4為本發(fā)明中磁感應強度B隨線圈電流I的變化規(guī)律示意圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖通過實施例對本發(fā)明的特征及其它相關特征作進一步詳細說明，以便于同行業(yè)技術人員的理解:實施例:如圖1所示，本實施例公開一種為工頻弱磁場生物效應實驗提供穩(wěn)定均勻磁場環(huán)境的方法，該方法涉及細胞培養(yǎng)箱、用于作為工頻弱磁場生物效應實驗研究對象的離體、設置在細胞培養(yǎng)箱中用于承載放置離體的雙層輻照載物支架以及用于在細胞培養(yǎng)箱中產(chǎn)生實驗所需磁場的磁場輻照系統(tǒng)。該磁場輻照系統(tǒng)由3KvA穩(wěn)壓電源、函數(shù)信號發(fā)生器、功率放大器、電流表以及亥姆霍茲線圈組成，其中函數(shù)信號發(fā)生器、功率放大器以及亥姆霍茲線圈依次串接，3KvA穩(wěn)壓電源用于為函數(shù)信號發(fā)生器、功率放大器提供穩(wěn)定的220V交流電壓，使其正常工作；電流表設置于功率放大器與亥姆霍茲線圈之間，用于顯示流過亥姆霍茲線圈的電流。函數(shù)發(fā)生器的型號為Agilent 3350B，可產(chǎn)生正弦波、方波、三角波等，頻率范圍為1 ii Hz 30MHz，分辨率為1 ii Hz，此處設置其產(chǎn)生工頻正弦信號，輸出幅度范圍為ImVpp IOVpp (輸出阻抗50 Q )；
功率放大器:要使函數(shù)信號發(fā)生器輸出的電流信號，能在亥姆霍茲線圈中產(chǎn)生所需強度的磁場，必須將電流信號放大；
亥姆霍茲線圈:將電能轉(zhuǎn)換為磁能，電流信號通過亥姆霍茲線圈，在亥姆霍茲線圈中產(chǎn)生磁場；線圈匝數(shù)為180匝，線圈半徑為20cm ;線圈導線主要由漆包線繞制而成，存在約20 Q的電阻；為了使用過程中輻照區(qū)域溫度不升高，亥姆霍茲線圈上下面開設了若干適當尺寸的孔，從而使得線圈內(nèi)部與培養(yǎng)箱中的空氣能很好的流通；
電流表:顯示流過亥姆霍茲線圈的電流，可反映產(chǎn)生磁感應強度的大??；此處的電流表顯示值與真實電流值之間的關系為I =0.2541 s，所以中心磁感應強度與電流表顯示值間的關系為0.80921* (mT) ^ 0.2055 I顯(mT)，下文中提到的電流均為電流表顯示值。如圖1所示，為工頻弱磁場生物效應實驗提供穩(wěn)定均勻磁場環(huán)境的方法包括如下步驟:
①將磁場輻照系統(tǒng)接入市電；
②根據(jù)工頻弱磁場生物效應實驗所需的磁場強度，由公式B 0.80921,(mT) ^ 0.2055 Is(mT)計算出相對應的電流表顯示值，即實驗設計值；
③調(diào)整函數(shù)信號發(fā)生器的輸出波形為正弦波，頻率為50Hz，調(diào)整功率放大器的端放大倍數(shù)旋鈕并微調(diào)函數(shù)信號發(fā)生器的輸出電壓值，直至電流表顯示值為實驗設計值；
④磁場輻照系統(tǒng)至少預熱30分鐘；
⑤將多個實驗對象離體放置于雙層輻照載物支架上，該雙層輻照載物支架設置于亥姆霍茲線圈內(nèi)部的中心軸上以使實驗對象處于均勻度較高的磁場區(qū)域內(nèi)，之后進行輻照實驗；輻照過程中每隔30分鐘檢查電流表示數(shù)是否發(fā)生變化，若發(fā)生變化則適當微調(diào)函數(shù)信號發(fā)生器的輸出電壓值；待輻照實驗結(jié)束后取出實驗對象。⑥關閉穩(wěn)壓電源。以下為對上述磁場輻照系統(tǒng)所產(chǎn)生的磁場性能的說明:
三維坐標系下，兩線圈中心連線中點為O點，x、y軸為xoy平面內(nèi)任意垂直的軸線，z軸經(jīng)過兩線圈的中心，xoy面平行于亥姆霍茲線圈兩個線圈，xoz平面經(jīng)過兩線圈的中心并垂直于xoy面。如圖2所示為xoy平面內(nèi)磁場的均勻度示意圖，如圖3所示為xoz平面內(nèi)磁場的均勻度示意圖。其中坐標原點(0，0，0)處得磁感應強度相對值為1，最里面的區(qū)域代表磁場不均勻度小于1%，與該區(qū)域相鄰的兩個區(qū)域代表不均勻度小于5%。雖然均勻磁場區(qū)理論取為圓柱體，但由于細胞培養(yǎng)箱是長方體，所以此處磁場均勻區(qū)也近似取為長方體，結(jié)果為:
(1)磁場不均勻度小于1%的區(qū)域為:
權利要求
1.一種為工頻弱磁場生物效應實驗提供穩(wěn)定均勻磁場環(huán)境的方法，涉及細胞培養(yǎng)箱以及設置于所述細胞培養(yǎng)箱中的離體，其特征在于所述方法至少包括如下步驟:在所述細胞培養(yǎng)箱上安裝磁場輻照系統(tǒng)；所述磁場輻照系統(tǒng)包括依次串接的函數(shù)信號發(fā)生器、功率放大器、電流表以及亥姆霍茲線圈，其中所述亥姆霍茲線圈設置于所述細胞培養(yǎng)箱中，所述函數(shù)信號發(fā)生器和所述功率放大器均與一穩(wěn)壓電源相連； 在所述亥姆霍茲線圈中心軸處設置輻照載物支架； 啟動所述磁場輻照系統(tǒng)； 將所述離體放置于所述輻照載物支架上，進行生物效應實驗。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種為工頻弱磁場生物效應實驗提供穩(wěn)定均勻磁場環(huán)境的方法，其特征在于所述亥姆霍茲線圈的上下面上設置有若干開孔。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種為工頻弱磁場生物效應實驗提供穩(wěn)定均勻磁場環(huán)境的方法，其特征在于所述輻照載物支架為雙層結(jié)構(gòu)，以使單次輻照過程可同時處理兩個所述離體。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種為工頻弱磁場生物效應實驗提供穩(wěn)定均勻磁場環(huán)境的方法，其特征在于所述磁場輻照系統(tǒng)的啟動是，所述函數(shù)信號發(fā)生器向所述功率放大器輸出工頻正弦波電流信號，通過調(diào)節(jié)過程使所述功率放大器將所述電流信號放大至實驗設計值，以使所述電流信號通過所述亥姆霍茲線圈產(chǎn)生所述生物效應實驗所需強度的磁場。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種為工頻弱磁場生物效應實驗提供穩(wěn)定均勻磁場環(huán)境的方法，其特征在于所述調(diào)節(jié)過程為；根據(jù)所述生物效應實驗所需的磁場強度計算出所述亥姆霍茲線圈中電流的試驗設計值，之后調(diào)整所述功率放大器的端放大倍數(shù)旋鈕，并微調(diào)所述函數(shù)信號發(fā)生器的輸出電壓值，直至所述電流表顯示值經(jīng)換算后為實驗設計值；其中所述電流表顯示值I s與真實電流值I貞之間的關系為I =0.2541 s，所述亥姆霍茲線圈的中心磁感應強度B與所述電流表顯 示值I s之間的關系為B 0.2055 I顯。
全文摘要
本發(fā)明屬于電磁生物效應研究中的低頻磁場輻照系統(tǒng)技術領域，具體涉及一種為工頻弱磁場生物效應實驗提供穩(wěn)定均勻磁場環(huán)境的方法，該方法至少包括如下步驟在細胞培養(yǎng)箱上安裝磁場輻照系統(tǒng)，將磁場輻照系統(tǒng)中的亥姆霍茲線圈設置于細胞培養(yǎng)箱內(nèi)部；在該亥姆霍茲線圈中心軸處設置一輻照載物支架；之后將穩(wěn)定的工頻正弦波信號輸入到亥姆霍茲線圈中，以在亥姆霍茲線圈內(nèi)部產(chǎn)生穩(wěn)定均勻的磁場；待該磁場輻照系統(tǒng)預熱一定時間后將離體放置于輻照載物支架上，以進行生物效應實驗。本發(fā)明的優(yōu)點是，操作簡便，溫度濕度可控，可長時間工作，磁場穩(wěn)定均勻，且均勻區(qū)域大，磁場強度大小可實時通過電流表檢算，完全滿足離體磁場生物效應的要求。
文檔編號C12M1/42GK103087911SQ20131004909
公開日2013年5月8日 申請日期2013年2月7日 優(yōu)先權日2013年2月7日
發(fā)明者張 杰, 齊紅星, 徐力平, 陳樹德, 喬登江 申請人:華東師范大學