生物组织及其细胞溶液介电谱测量研究.pdf

生 物 医 学 工 程 研 究 ，（）：国家科技重大专项资助项目（）。通信作者 ：生物组织及其细胞溶液介电谱测量研究黄伟伟，胡亚楠，岑泽南，朱金俊，朱朝阳，包家立（浙江大学 医学院，浙江省生物电磁学重点实验室 生物物理与医学工程研究组，杭州 ）摘要：为阐明生物组织中细胞及组织液等电介质介电谱之间的相互关系，本研究测量了肝组织、肝细胞悬液（）、肝癌细胞悬液（）、细胞培养基（，）、磷酸缓冲盐溶液（，）、超纯水的介电谱。测量结果显示，肝组织和超纯水介电损耗谱 最大值分别为 和 ，测量精度为 和 ，相对介电常数谱 最大值分别为 和 ，测量精度为 和 ；、的 具有峰现象，最大值分别为 、，测量精度 为 ，其他不超过；最大值分别为 、，测量精度 为 ，其他不超过 。结果表明，生物组织介电损耗谱 和相对介电常数谱 随频率呈单调下降，测量精度较低；而生物溶液介电损耗谱 呈峰现象，具有弛豫性，相对介电常数谱 随频率呈单调下降，测量精度较高；生物组织中的有极细胞可消耗较多的电场能量，是产生电磁生物效应的重要因素。关键词：介电谱；电容率；电场能；组织；细胞；溶液；生物效应中图分类号：；文献标志码：文章编号：（），（，）：，（），（），：；引言电磁生物效应是一种具有剂量性的自然现象，小剂量电磁暴露呈现弱或无生物效应；大剂量电磁暴露呈现强生物效应。电磁暴露与生物效应存在因果性，原初效应是电磁物理作用的起点，而健康作用第 期黄伟伟，等：生物组织及其细胞溶液介电谱测量研究是因果链的终点效应 。一般采用电磁场强度评价电磁生物效应，如电场强度、磁场强度、磁感应强度、功率密度等。这种以电磁源剂量参数评价生物效应的方法易忽略生物体本身的电磁特性，如生物体的电容率 、磁导率 等，是导致弱电磁生物效应结果不一致的因素之一 。电磁生物效应的原初作用在于电磁能量效应，生物体吸收电磁能量愈多，产生的热效应愈强烈。生物体吸收的电磁能不仅与电场强度 或磁感应强度 有关，还与生物体电容率 和磁导率 有关，电场能量密度为 ，磁场能量密度为 。因此，采用电磁能量评价生物效应时，需要确定生物体电容率 。生物组织的主要成分为具有正负电荷的细胞，是典型的电介质。在电场作用下，细胞内正负电荷发生相对位移，形成电极化。电极化包括电子云的畸变极化、分子中正负离子的相对位移极化和分子固有电矩的转向极化。当外电场交变时，细胞电极化不断翻转，摩擦产生能量损耗。电介质相对电容率 综合反映了上述三种微观过程的宏观物理量。因此，电介质特性包括储能的容性和耗能的阻性两部分，均是关于外电场频率的函数。介电谱是建立 模型的基础 ，细胞的介电谱一般在溶液状态下测量，如小鼠红细胞 、肾上腺嗜铬细胞 、镰状细胞 、鼠血 、人胃癌细胞 、人肺癌细胞、人黑色素瘤细胞 及前列腺癌细胞 和 ，组织的介电谱一般在实体状态下测量，如人体脑胶质瘤组织 、大肠癌组织 、甲状腺组织 、皮肤组织 。为阐明细胞及组织液介电谱之间的关系，本研究测量了肝组织、肝细胞悬液（）、肝癌细胞悬液（）、细胞培养基（，）、磷酸缓冲盐溶液（，）和超纯水的介电谱。通过分析生物组织及其溶液介电谱之间的关系，为研究生物电磁能量效应奠定基础。测量原理与方法 测量原理设相对电容率 的生物组织或溶液充满平行板电容器，见图 ，其电容量 为：（）式中，是平行板电容器真空电容量（），为：（）式中，是电容器的电极板面积（），是电容器电极板间距（），是真空电容率（）。图 平行板电容器及其等效并联电路 在交变电场激励下，等效电路的复导纳为：（）式中，为电导，为电纳，且有：（）（）对于图 的生物样本，施加在电容器的激励源电压 （）与流过电容器的电流 （）之间有：（）（）（）（）（）（）式中，（）（）为电流实部，是消耗电能的部分；（）（）为电流虚部，是储存电能的部分。将式（）、（）代入式（），有：（）（）（）（）（）（）这样，复介电常数 为：（）（）（）（）式中，复介电常数 实部称为相对介电常数 （），表示电容器的储电性能；虚部称为介电损耗 （），表示电容器的耗电性能，见式（）：（）（）（）其损耗角为：?（）在交变激励源 （）的作用下，（）和 （）均为激励源频率 的函数，（）称为相对介电常数谱，（）称为介电损耗谱 。生物医学工程研究第 卷 测量方法 材料（）肝脏组织：清洁级 （）大鼠（浙江省医学科学院实验动物中心），体重 ，雌雄不限。麻醉安息后，取出肝脏组织，立即使用。（）细胞：大鼠肝细胞 和肝癌细胞 （中国科学院细胞库），使用 培养基（）进行培养。培养基含有 胎牛血清（上海源叶）、（，上海麦克林）、谷氨酰胺（，上海源叶）、青霉素 链霉素（，）。培养箱温度为 、浓度 。使用 胰酶（）消化贴壁细胞，培养基制备 浓度的细胞悬浮液，收集到离心管备用，使用时限 。（）实验溶液：（美国 公司）；（美国 公司）；超纯水（浙江大学医学院公共技术平台）。仪器阻抗分析仪 （公司，美国）；测试脚 （公司，美国）；生物溶液测试夹具 （公司，美国）：电极间隙 ，电极面积 。生物组织测试夹具自制：电极间隙 ，电极面积 。真空介电常数 。等效并联电路电容 和电阻 的测量电路见图 ，其中“样品”为图 中的生物样本。通过电压源（）激励，测量运算放大器 的输出（），直接获取并联等效电路中的电容 和电阻。图 等效电路电容 和电阻 的测量 测量范围测量范围为 间的 个测量频率点。峰值频率定义介电谱中 （）或损耗角达到最大值时，所对应的频率为峰值频率 和，其峰值为 和 。测量方法阻抗分析仪与测试夹具连接。生物溶液测量时，移液器吸取 生物溶液至测试夹具。生物组织测量时，肝脏组织覆满电极区。在室温下各测量频率点，测量 和。测量完毕后，移弃生物溶液，超纯水冲洗夹具内部并经吸水纸擦拭，继续实验。生物组织测量重复数 ，溶液 。采用式（）计算不同测量频率点的 （）和 （），记为测量值，并计算其均值 和标准差。计算各测量频率点的差值 ：?（）式中，为 （）或 （）。从各测量频率点的 中，选择最大 和测量最大值 ，计算测量精度 ：?（）测量结果 肝脏组织介电谱将肝脏组织测量的 和 数据用式（）计算相对介电常数 和介电损耗 ，并绘制介电谱，见图 。由图 可知，谱线和 谱线呈单调下降，且在 左右趋于稳定。在频率 ，肝脏组织的 （?）和 （?），为最大。图 肝脏组织介电谱 生物溶液介电谱将 肝细胞悬液、肝癌细胞悬液、培养基和 缓冲液四种生物溶液测量的和 数据用式（）计算相对介电常数 和介电损耗 ，并绘制介电谱，见图 、图 。由图 可知，四种生物溶液介电损耗谱 均出现峰现象，峰值和峰值频率见表 ，且介电损耗谱 峰值在同一个数量级，峰值频率略有差异。图中，相对介电常数谱 第 期黄伟伟，等：生物组织及其细胞溶液介电谱测量研究呈单调下降，且在 左右趋于稳定。、和 相对介电常数 发生在频率 的峰值 分别是：、。图 四种生物溶液的介电损耗谱 图 生物溶液的相对介电常数谱 表 四种生物溶液介电损耗谱 峰值和峰值频率 溶液峰值频率（）峰均值 标准差 超纯水介电谱将超纯水测量的 和 数据用式（）计算相对介电常数 和介电损耗 ，并绘制介电谱，见图。由图 可知，谱线和 谱线呈单调下降，且在 左右趋于稳定。在频率 ，超纯水的 和 。测量精度肝组织、和超纯水介电谱测量最大偏差 所对应的频率 、均值 、标准差 、测量最大值 、测量精度 ，见表 、表 。肝组织和超纯水介电损耗谱 的测量精度分别是 和 ，为 ，其他不超过。肝组织和超纯水相对介电常数谱 的测量精度分别是 和 ，为 ，其他不超过 。可判断有峰现象介电谱测量精度较高，无峰现象介电谱测量精度较低。图 超纯水介电谱 表 介电损耗 测量精度 生物样本（）（）肝组织 超纯水 表 相对介电常数 测量精度 生物样本（）（）肝组织 超纯水 讨论 测量精度在六种生物样本的重复测量中，数据的均值 、生物医学工程研究第 卷标准差 及测量精度与测量信号频率 有关。肝组织和超纯水介电谱随频率单调减少，低频介电损耗谱 和相对介电常数谱 测量精度较低，且随着频率的增加，测量精度随之提高。、介电谱在中频段有峰现象，测量精度最低。计量学理论中，准确度是与标准品对比的结果。标准品是一种与被测量物性质相似、性能稳定、易于获得的物质。在 溶液、培养基、肝细胞悬液、肝癌细胞悬液四种生物溶液中，因细胞溶液细胞种类多，性能不稳定，不宜作为标准品；超纯水介电谱无峰现象，与其它三种生物溶液缺少相似性，也非标准品的候选物质。培养基含有氨基酸、葡萄糖等多种组分，成分复杂，其稳定性不易控制，而 的化学成分包括磷酸氢二钠（）、磷酸二氢钾（）、氯化钠（）和氯化钾（）等，性质较稳定，且由表 、表 可知，的测量精度最高。因此，溶液可作为候选标准物质。介电谱特性复介电常数或复电容率是表征电介质物理特性最重要的参数之一，介电谱可阐述电介质物质结构规律和物质内部微观组分（如电偶极子）极化、驰豫、共振等过程，有弛豫型和共振型两种。当外加电场突然除去，电介质极化响应落后电场变化的现象称为电介质弛豫。德拜方程描述了电介质弛豫规律 。、介电损耗谱 （图 ）具有峰现象，符合德拜弛豫方程解。马青等 采用细胞溶液，与 和 具有相似的离子环境。在交变电场中，自由离子运动所产生的损耗随电场频率变化。电场频率低，电荷运动阻力小，产生的电损耗小；电场频率高，但离子电荷方向不能响应电场的变化，其运动的损耗小；只有中频时，生物介质既响应电场变化，又产生离子运动，电损耗高，曲线出现峰现象。由图 、图 可知，肝组织和超纯水介电损耗谱 随频率单调减少。该现象表明，由于生物组织和超纯水内部结构均由无法自由移动的有极单元（有极细胞和有极分子）组成，在低频电场下，有极单元易极化，而在高频电场下不易极化。能量损耗特性电磁生物效应的原初作用在于生物体对电磁能量的吸收，电介质损耗角反映了电介质耗能 储能特性。用 式（）计 算 肝 组 织、和超纯水六种生物介质在测量频率范围内的损耗角，见图 。比较肝组织与超纯水损耗角在整个测量频率范围内，肝组织损耗角在?之间，中频段略低，其它频段相对较高，表明中频段相对肝脏组织耗能较低，其它频段较高。低频段超纯水损耗角较高，约 ，高频段几乎降为 。尽管肝组织与超纯水介电损耗谱 相似，但损耗角截然不同，表明有极细胞和有极分子的电极性结构虽然相似，但能量损耗有较大差别，有极细胞可消耗较多的电场能量，是产生电磁生物效应的重要因素。在整个测量频率内，、四种生物溶液的损耗角趋势相同，低频段较小，高频段较大，约 。表明高频段生物溶液的电场能量消耗相对较多，也是产生电磁生物效应的重要因素。在低频电场作用下，极性分子翻转较慢，电流产生的欧姆热是耗能的主要因素；在高频电场作用下，极性分子翻转较快，分子间摩擦产生的摩擦热是耗能的主要因素；在中频电场下，极性分子低耗能地极性翻转。该结论可解释不可逆电穿孔消融肿瘤的非热特性 ，以及高频电脉冲提高皮肤癌细胞温度的仿真结果 。图 生物样本的介电损耗角 电穿孔与不可逆电穿孔应用电穿孔是当脉冲电场作用在细胞膜上，细胞膜脂质双层产生瞬时可逆亲水性孔道，此现象在细胞膜和组织上均可产生 。当电脉冲能量提高，产生的亲水性孔道不可逆，则成为不可逆电穿孔 。姚成果等 研究了微秒（，）和纳秒（，）两种高压电脉冲对肿瘤细胞膜电穿孔密度的影响。从电场能量上看，微秒脉冲能量是纳秒脉冲的 倍，产生的细胞膜电穿孔密度是第 期黄伟伟，等：生物组织及其细胞溶液介电谱测量研究纳秒脉冲的近倍。此外，脉宽 ，电场强度、和 的电脉冲均促使肿瘤细胞凋亡，且电场强度越高，凋亡率越高 。米彦等 采用 ，的脉冲电场作用于人皮肤癌细胞 ，结果显示，不同能量的电脉冲所产生的细胞活性差异较大。包家立等 对大鼠肝组织分别施加 、梯度能量电脉冲，使大鼠肝脏组织内形成边界明显的消融区域。随着 能量提高，消融面积增加。上述结果表明，电脉冲能量是影响细胞膜电穿孔、细胞活性等生物效应的因素。由此可见，不同细胞介电谱对电场能量的贡献是产生各种生物效应的重要因素。结论本研究通过测量肝组织、肝细胞悬液、肝癌细胞悬液、超纯水的介电谱，并分析了这些生物组织及其溶液介电谱之间的关系。结果显示，生物组织介电损耗谱 和相对介电常数谱 随频率呈单调下降，测量精度较低；而生物溶液介电损耗谱 呈峰现象，具有弛豫性，相对介电常数谱 随频率呈单调下降，测量精度较高。通过研究发现，有极细胞和有极分子的电极性结构相似，但能量损耗有较大差别，有极细胞可以消耗较多的电场能量，中频段生物溶液的电场能量消耗相对较多，是产生电磁生物效应的重要因素。参考文献 ，：，（）：包家立极低频电磁场的健康效应 高电压技术，（）：包家立，胡亚楠射频电磁场的健康效应 高电压技术，（）：，？，（）：，（）：刘圣龙，杨璐，朱程君，等 基于生物阻抗谱的细胞悬浮液浓度识别方法研究 物理学报，（）：，：，（）：，（）：包秀玲，廖聪，马青基于 模型评价纳米二氧化钛的细胞毒性作用 中国生物医学工程学报，（）：，：，：黄唯，徐中标，邓官华，等 拉莫尔频率范围内人体脑胶质瘤组织的介电特性 中国医学物理学杂志，（）：邓官华，袁马军，蔡林波 拉莫尔频率范围内人体不同部位大肠癌组织的介电特性 科学技术与工程，（）：史学涛，周怡敏，季振宇，等 人体正常与肿瘤甲状腺组织 间介电特性的对比研究 中国生物医学工程学报，（）：，（）：马青 频域阻抗法研究细胞介电特性 中国医学物理学杂志，（）：，殷之文 电介质物理学（第二版）北京：科学出版社，：，：，（）：米彦，彭文成，芮少琴，等 高频纳秒脉冲串作用下皮肤肿瘤热效应的多参数有限元仿真与实验 电工技术生物医学工程研究第 卷学报，（）：，（）：，：，（）：，（）：姚陈果，宁郡怡，刘红梅，等 微 纳秒脉冲电场靶向不同尺寸肿瘤细胞内外膜电穿孔效应研究 电工技术学报，（）：刘红梅，董守龙，宁郡怡，等 纳秒脉冲高频透膜效应优先杀伤化疗抗性肿瘤细胞的仿真与实验研究 电工技术学报，（）：米彦，李盼，刘权，等 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