第3章 电磁生物物理3 生物组织的电特性测量
生物物理学 第3章
第三章
电磁生物物理
生物体充满了电荷:离子、离子基团和电 偶极子。 氨基酸在水中能离解产生离子基团或表 现电偶极子特性。 DNA大分子中的碱基和磷酸酯也存在离 子基团和偶极子。 生物水本身就有强烈的电偶极作用，
Na+、K+、Ca2+、Fe2+、Mg2+、Cl－等 无机离子。
这些电荷的运动和相互作用，使生物分 子保持一定的空间构象，行使各自特定 的生命功能。
1. 氨基酸
3
上述酸性或碱性氨基酸侧链在不解离的状态下也存在极性基团而表现 极性。由于氨基酸同时含有氨基和羧基，具有酸碱两种离解，将其分子 结构用极性离子表示更为恰当，即
由于氨基酸以极性离子(两性离子)形式存在，故氨基酸的中性溶液 具有高介电常数。 由氨基酸聚合成多肽链是靠肽键连接的，如
2. 多肽和蛋白质 氨基酸通过肽键（两个氨基酸之间的键称为肽键）连接为多肽链， 一条或多条多肽链按特定方式组成蛋白质。多肽链的组成方式如图3-6所 示。由图可见，由两个氨基酸分子结合形成肽键时，要失去一个水分子， 因此实际上多肽链是由氨基酸残基形成的。C＝O键是强极性的，主要由 它决定肽单元的固有偶极矩的大小（约1.2×10-29C· m）和方向（与C-N 键夹角约为46.7°）。每一肽单元具有一固有偶极矩，多肽链等效于由偶 极子连接起来的弦。
电磁生物效应研究
电磁生物效应研究引言电磁波是我们生活中常见的一种物理现象，其在电信通信、医疗设备和家用电器等领域中得到广泛应用。
然而，电磁波对生物体所产生的影响一直备受关注。
电磁生物效应研究的目的是研究电磁波对生物体的影响及其机制，为人们提供科学的参考和安全的使用指南。
本文将介绍电磁生物效应的研究内容、方法和应用。
研究内容电磁生物效应的研究内容包括电磁波的生物效应、生物体对电磁波的感知和适应机制等。
具体而言，电磁生物效应研究主要包括以下几个方面：电磁波的生物效应电磁波对生物体的生物效应是电磁生物效应研究的核心内容之一。
不同频率、功率和持续时间的电磁波对生物体的影响有所不同。
例如，高频的电磁波可以对人体组织产生热效应，而低频的电磁波则可能对生物体的生物电活动产生影响。
生物体对电磁波的感知生物体对电磁波的感知是电磁生物效应研究的重要内容之一。
生物体包括人类和其他动物，在感知电磁波方面表现出一定的差异。
有些动物可以感知地磁场和电磁波的方向，利用这些信息进行导航和迁徙。
生物体对电磁波的适应机制生物体对电磁波的适应机制是电磁生物效应研究的另一个重要方面。
一些生物体对辐射强度较高的电磁波会产生适应反应，从而减轻电磁波对其造成的损伤。
研究方法电磁生物效应的研究需要借助多种科学方法和技术手段。
以下是常见的研究方法：实验研究实验研究是电磁生物效应研究的主要手段之一。
通过设计合理的实验方案，可以模拟人类和其他生物体在不同电磁波条件下的实际环境，观察其生理和行为的变化。
实验研究通常包括大量的数据收集和统计分析。
仿真模拟仿真模拟是电磁生物效应研究中的一种重要方法。
利用数学模型和计算机仿真技术，可以模拟电磁波的传播和与生物体相互作用的过程。
这种方法可以帮助研究人员理解电磁波对生物体的影响机制，节约研究成本和提高研究效率。
流行病学调查流行病学调查是电磁生物效应研究的一种重要方法。
通过对人群中电磁波暴露与健康状况之间的关系进行调查和分析，可以评估电磁波对人体健康的影响。
《生物电磁学》部分内容摘录
《生物电磁学》部分内容摘录一、基本信息：《生物电磁学》北京：国防工业出版社庞小峰编著2008年7月第1版第1次印刷普通高等教育“十一五”国家级规划教材二、内容摘录（按章节顺序）前言生物电磁学是研究包括电离辐射、静电场和磁场在内的电磁波与具有电磁结构的生物体相互作用的机理、特性、规律以及应用的一门新兴学科。
第一章生物组织的电磁结构和特性由于外加电磁场仅能与生物体中具有电磁特性的组织和分子等进行相互作用，于是在研究电磁场与生物体的相互作用时，必须首先了解生物组织本身所具有的电磁特性。
（P1）所谓生物组织的电磁特性，具体讲，就是它带有的电荷，具有电和磁偶极矩大小和分布及所形成的电流特征等。
研究生物的电磁特性就是找出具有上述这些电磁特性的生物组织或组织中的成分，如蛋白质、DNA和细胞等具有什么性质的电磁特性。
用现代的电生理和生物技术，如微电极（尺寸为10-4cm～10-5cm）和膜片钳等技术检测出它们所具有的带点特性，用超导量子相干仪检测出组织的磁性等。
研究表明，由各种生物组织构成的生物体的内部都存在复杂多样的电磁特性，于是生物体（包括人体）是能与外加电磁场发生相互作用。
（P1）1.1在生命系统中的电磁相互作用一切生命体，不论人还是动、植物，都是由原子与分子组成的。
在生命中起重要作用的是由氨基酸和核苷酸组成的蛋白质和DNA，以及糖类和脂类分子。
它们都是独立存在于生命体中。
那么，它们又是如何由小分子的氨基酸和核苷酸等组成的呢？按现代物理学的知识，自然界中存在强、弱、电磁和引力等四种相互作用力。
对于生命体来讲，没有必要去考虑它们之间的强、弱和引力等相互作用，由于这些力不是太大就是太小，生命运动一般不涉及它们。
剩下的就只有电磁相互作用了。
这就是说，生命系统中的各个成分，包括小分子、大分子、各种离子等都是靠电磁相互作用将它们组成一个活的生命体的。
由此，电磁相互作用是生命体中主导性的相互作用力。
这种相互作用在生命体中主要以下面几种形式体现出来。
生物物理学(1)
生物物理学(1)
3.1.6 中心导体模型
ro
ro
ro
rm
rm
rm
rm
Cm
Cm
Cm
Cm
ri
ri
ri
长柱形细胞，如神经轴突和肌纤维细胞，其长度远大于细胞 直径，可用电缆模型描述，用电缆方程表示。
生物物理学(1)
3.1.7 生物组织的介电性质
电介质在电场中的一个重要特征是介质的极化现象。 生物组织中含有大量带电荷的离子及各种极性分子，外电场会导
影响磁场作用的生物因素有：生物材料、生物体的磁性、组成、部位、 种属、机能状态及敏感性等。
根据磁场的强度，将磁场的生物效应分为：强磁场效应，地磁场效应 和极弱磁场效应；
>10-2T的属于强磁场； <10-7T的属于极弱磁场或近零磁场；
生物物理学(1)
3.6.2 磁场对生物体内水的作用
经磁场处理的水称为磁水。 外加磁场对水作用，可使水的比重、沸点、表面张力等特性发生变化。 磁场能使水聚体的偶极矩取向发生变化，改变原子核外电子的激发程
电渗：细胞悬液中带有正电荷的分散介质则向电场负极方向移动，称 为电渗。
细胞电泳率：细胞在单位电场强度、单位时间内移动的距离。
生物物理学(1)
3.2.2 电热作用
l 当电流通过人体时，电流经过的路径如图：
生物物理学(1)
3.2.3 电化作用
l 将不易起化学反应的直流电极直接作用于机体时，电极附近将发 生电化反应。
细胞内
细胞外
K+
Na+
Cl-
K+ Na+ Cl-
人红细胞 136 13
生物体内电学特性及其在电磁场中的变化
生物体内电学特性及其在电磁场中的变化刘豪（哈尔滨工业大学材料科学与工程学院材料科学与工程系，哈尔滨 150001）摘要：随着电气工业以及通讯业的日益快速发展，电磁技术的应用给人类创造了巨大的物质文明的同时也把人们带进一个充满人造电磁辐射的环境里。
电磁场生物效应的发生与发展与电磁场本身的特性以及生物组织的电磁学性质密切相关，而生物组织的电磁学性质又随着电磁场频率的变化而变化。
我们将探讨不同电磁辐射作用下生物组织的电磁学特性变化，分析不同类型电磁场对于生物体产生的一些具体的影响，并对于电磁辐射影响健康的机理及其防护策略进行初步的研究。
关键词：电磁辐射；生物效应；生物组织；电磁特性人们生活的空间中交织着大量的电磁波，有环境中本来就具有的宇宙辐射、地磁场等，也有人为制造的各类电磁波如广播电磁波，无线通信电磁波以及工频电磁波等。
电磁场与生物体相互作用的本质是电磁场与构成生物体的各个层次的物质之间的相互作用，生物组织处于不同频率的外加电磁场中其表现的电磁特性会发生变化，不同场强、频率、振幅的电磁场所作用的对象也有所不同，同时电磁场与生物作用的时间长短不同所产生的生物效应也不同。
研究生物组织的电磁特性是研究电磁场与生物体之间相互作用的基础，对于电磁辐射影响生物组织的电磁特性的研究可以明确电磁场生物效应产生的微观机理，从而可以进行有效的防止或者减少电磁场对生物体的负面影响。
从电磁学角度来看，生物体是由大量细胞构成的具有复杂电磁性质的容积导体，对于生物体在电磁环境下其电磁性质的改变的研究可以揭示电磁场中生物体对于电磁能量的吸收及其与电磁场之间的耦合特性。
电磁场对于生物体电磁特性的影响在诸多领域都将得到具体应用。
[1]1 电磁辐射作用于人体的原理在电磁场中，生物分子既不是纯粹的导体，也不是纯粹的绝缘体，而是电介质。
由交变的电场、磁场产生的电磁波在空间传播时与生物体作用可以被生物体物质吸收。
生物体在交变磁场中受到电磁辐射的作用一般会发生以下的生物效应：1.1热效应电磁辐射作用于人体后，一部分被反射，另一部分被吸收。
生物电测量技术共28页
15、机会是不守纪律的何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
生物电测量技术
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(名 言网)
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
生物组织介电特性测量研究进展
生物组织介电特性测量研究进展曾海萍;韩继钧;辛学刚【摘要】随着临床医学与电磁学研究的深入，生物组织介电特性被越来越多的学者所关注。
一方面，生物组织介电特性是生物组织在电磁场作用下的固有属性，将决定电磁场在生物组织内的分布，且能够通过电磁技术手段进行测量。
另一方面，当组织的生理或者病理状态发生改变时，其介电特性也将发生变化。
大量基础研究早已证实组织癌变后其介电特性往往变化较大，甚至达到几倍，这一特点使生物组织介电特性在肿瘤早期发现等方面具有巨大的临床应用潜力。
本文阐述了生物组织介电特性测量技术的发展，并在此基础上，介绍近几年来生物组织介电特性医学方面相关应用的研究。
%Recently the researches on electrical properties (EPs) of biological tissues has gained more attention with the development of new techniques in the medical and electromagnetic fields. The EPs of biological tissues are the inherent physical properties when exposed in the non-ionized electromagnetic fields. The EPs can be directly measured and will decide the distribution of the electromagnetic fields inside the biological tissues. On the other hand, the EPs vary with different pathological conditions of tissues. Lots of research has demonstrated that the EPs usually alter much even to several folds when compared them between benign and malignant tissues, indicating that EPs own great potential applications for the early detection of tumors at clinic. In this review, the progresses of biological EPs measurement technology were introduced, including several recent applications in medical research.【期刊名称】《中国医疗设备》【年(卷),期】2016(031)005【总页数】7页(P5-11)【关键词】生物组织介电特性;细胞悬浮液;开端同轴探头;磁共振介电特性断层成像【作者】曾海萍;韩继钧;辛学刚【作者单位】广州军区总医院消化内科，广东广州510010;南方医科大学生物医学工程学院，广东广州510515;南方医科大学生物医学工程学院，广东广州510515【正文语种】中文【中图分类】R318生物组织的介电特性（Electrical Properties，EPs）是组织在电磁场作用下的固有属性，主要包括组织的电导率σ、电容率ε及磁导率μ，其中电容率在部分文献中也被称为介电常数。
生物电磁学的理论基础及应用
生物电磁学的理论基础及应用生物电磁学是研究生物体内的电场和磁场的产生、传播、感应和调控等现象的学科。
它涵盖了电生理学、磁共振成像、脑功能成像等多个领域，是生物医学工程、神经科学和生物物理学等学科的重要分支。
本文将介绍生物电磁学的理论基础和应用。
一、生物电现象生物体内的许多生理过程都伴随着电信号的产生和传播。
例如，人体心脏的跳动、神经的传递、肌肉的收缩等。
这些电信号的产生源都是来自细胞膜内的离子通道，从而形成了细胞膜电位差。
细胞膜电位差是一个非常重要的生物参数，它反映了细胞内外离子的浓度梯度和电化学梯度。
这些电信号在生物组织中传递的方式有两种：一是沿着神经纤维的轴向方向传递，称为神经传导；二是细胞之间通过外介质的电流和磁场相互作用而传递，称为细胞膜耦合。
二、电场和磁场的产生生物体内的电场和磁场是由电流和磁通量密度产生的。
电流是由离子在细胞内外来回运动造成的，而离子的运动是由电化学反应和生物大分子的活动引发的。
细胞内外的离子浓度差、细胞膜离子通道的通透性和细胞外刺激等因素都可以影响电流的大小和方向。
在这些电流作用下，周围环境中的细胞和器官也会受到电场和磁场的影响，从而产生细微的生理改变。
三、生物电磁场感应生物体内的电场和磁场可以相互作用，感应出一系列电压和电流。
例如，脑内的电活动可以感应出头皮和胸壁上的电位，这就是脑电图。
同样，磁共振成像也是利用生物体内磁场的效应进行成像的。
生物电磁场感应的原理是基于麦克斯韦方程组，它描述了电磁场的传播、感应和相互作用等现象。
四、生物电磁学的应用生物电磁学在医学、科研和工业等领域中有广泛的应用。
医学方面，脑电图、心电图和肌电图等是生物电磁学的代表性应用。
它们可以用来诊断神经和心脏等疾病，也可以用来监测患者的生命体征。
磁共振成像是另一重要的医学应用，它可以非侵入性地对人体进行成像，广泛用于神经科学、心血管病学和癌症等领域。
科研方面，生物电磁学被用来研究生物体内的电生理学、分子和细胞生物学等问题。
物理生物电磁感应与生物电流
物理生物电磁感应与生物电流物理生物电磁感应和生物电流是生命领域中的重要课题，它们相互关联、相互影响。
本文将介绍物理电磁感应对生物体的影响以及生物电流对生命活动的作用。
一、物理生物电磁感应1. 磁场对生物体的影响物理电磁感应的一个重要方面是磁场对生物体的影响。
磁场可以通过改变细胞膜内外的电荷分布来影响细胞的功能。
当生物体处于强磁场中时，细胞膜上的离子通道可能被打开或关闭，从而影响细胞内物质的运输和代谢过程。
2. 电磁辐射对生物体的影响电磁辐射是现代生活的常见现象，它对人体健康可能产生一定的影响。
电磁辐射可以通过与生物体内分子的相互作用来引起细胞的损伤，并可能导致疾病。
例如，长期暴露于手机辐射可能增加患癌症和神经系统疾病的风险。
二、生物电流及其作用1. 神经生物电流神经系统是身体各种活动的调节中心，神经电流是其中的重要组成部分。
神经电流通过神经细胞的动作电位传递信号，控制了身体的运动、感知和认知等功能。
研究表明，生物电流的改变与许多神经系统相关的疾病有关，例如帕金森病、癫痫等。
2. 心脏生物电流心脏是生物体内最重要的器官之一，其正常的生物电流是维持心脏正常跳动的基础。
心脏电流系统包括心房、心室和传导系统，它们之间的正常协调是保持心脏有效收缩和泵血功能的关键。
任何心电传导系统的异常都可能导致心脏病，如心律失常和心肌梗死等。
3. 脑电图与生物电流脑电图是通过记录头皮上的电流活动来测量大脑电活动的方法。
通过分析脑电图可以了解和研究大脑在不同活动状态下的电活动。
脑电图对研究认知、神经系统疾病和睡眠等都具有重要意义。
结论物理生物电磁感应与生物电流在生命领域中扮演着重要的角色。
磁场对生物体的影响以及电磁辐射对人体健康的潜在影响需要引起重视和深入研究。
同时，生物电流在神经系统和心脏等方面的作用也是不可忽视的。
进一步的研究将有助于我们更好地理解和应用这些电磁现象，为人类的健康和生命质量提供更好的保障。
物理生物电磁感应实验设计
物理生物电磁感应实验设计引言：物理生物电磁感应实验是对生物体对电磁场的感应现象进行研究的实证研究方法。
在这篇文章中，我将为你设计一项物理生物电磁感应实验，以探究生物体对电磁场的感应特性。
本实验将分为材料和方法、实验步骤、结果与分析、结论四个部分进行详细阐述。
一、材料和方法：1. 材料：- 一台直流发电机- 一根导电铜线- 一只青蛙- 一张放大镜- 一台数字万用表- 一台示波器- 一根频率可调的交流电源- 一块磁铁2. 方法：- 利用导线将直流发电机和示波器、数字万用表连接起来组成一个电路。
确保连接的导线与电源之间没有松动，以保证电流的稳定。
- 将青蛙放置在实验台上，调节放大镜的位置，以观察青蛙的反应。
- 通过控制交流电源的频率，产生不同频率的电磁场。
- 在实验过程中，记录示波器显示的振幅和数字万用表测得的电流数值。
二、实验步骤：1. 在实验开始前，确保所有仪器均已连接并稳定运行。
2. 将导线分别连接到直流发电机、示波器和数字万用表上，并将青蛙放置在实验台上。
3. 开始实验之前，将磁铁靠近青蛙的位置，并观察青蛙的反应。
记录下青蛙对于磁场的反应情况。
4. 调节交流电源的频率，从低频到高频逐渐改变电磁场的强度，观察青蛙的反应变化。
5. 同时，记录示波器显示的振幅和数字万用表测得的电流数值。
三、结果与分析：根据实验过程中观察到的现象和记录的数据，我们可以总结出以下结果和分析：1. 当磁铁靠近青蛙时，观察到青蛙的肌肉有明显的抖动反应。
这表明磁场对青蛙的肌肉产生了刺激作用，使其发生了运动。
2. 随着交流电源频率的增加，青蛙对电磁场的反应变得更为明显。
而低频时青蛙的反应相对较小。
3. 通过电流测量仪器的记录，我们可以得出青蛙对电磁场的感应与电流的大小相关。
随着电磁场强度的增加，电流数值也随之增大。
四、结论：本实验旨在研究生物电磁感应的特性，并通过实验证明电磁场对于生物体具有刺激作用。
通过观察青蛙的反应和测量电流数值，我们验证了生物体对电磁场的感应特性。
生物电磁学中的作用机理研究
生物电磁学中的作用机理研究生物电磁学是一门研究电磁场对生物体的影响及其作用机理的学科。
近年来，随着电磁场技术的不断发展和应用，生物电磁学也逐渐成为了一个热门领域。
本文将从生物电磁学的概念入手，详细探讨电磁场对生物体的作用机理。
一、生物电磁学的概念生物电磁学是研究电磁场能对生物体产生哪些影响以及作用机理的一门学科。
电磁场是由电荷或电流产生的具有能量的物理场。
生物体中存在着多种电磁现象，如心电图、脑电图和肌电图等。
电磁场既可以对生物体产生负面影响，也可以产生正面影响。
因此，研究生物电磁学的目的在于了解电磁场对生物体的影响，从而利用电磁场进行治疗和保健。
二、电磁场对生物体产生的影响电磁场对生物体的影响与电磁场的频率、强度和时间等因素有关。
低频电磁场（低于100kHz）对生物体的影响主要是诱导电流，而高频电磁场（高于100kHz）则会产生热效应。
电磁场的强度越大，对生物体的影响也越大。
电磁场对生物体的影响可以表现在以下几个方面：1.电生理效应电磁场能够影响生物体的细胞膜和组织的电活动。
例如，电磁场能够影响心肌细胞的动作电位和心电图，进而影响心脏的收缩和舒张。
2.代谢效应电磁场能够影响生物体的能量代谢。
例如，电磁场能够影响细胞内的ATP合成和糖代谢，进而影响细胞的生长和分化。
3.免疫效应电磁场能够影响生物体的免疫系统。
例如，电磁场能够影响免疫细胞的分化和激活，进而影响生物体的免疫功能。
4.神经效应电磁场能够影响神经系统的功能。
例如，电磁场能够影响神经元之间的信号传递和突触可塑性，进而影响生物体的认知和行为等。
三、电磁场对生物体的作用机理电磁场对生物体的作用机理相对复杂，目前尚未完全清楚。
但研究表明，电磁场对生物体的影响与以下几个方面的机理有关：1.电场作用电磁场能够引起生物体内部的电流产生，从而对细胞膜和细胞内的离子分布产生影响。
电磁场还能改变细胞内外的电位差，进而影响细胞的代谢和信号传递等。
2.热效应高频电磁场能够产生热效应，引起组织的变温，从而影响细胞的代谢和增殖。
(精编资料推荐)生物体内电学特性及其在电磁场中的变化
生物体内电学特性及其在电磁场中的变化刘豪（哈尔滨工业大学材料科学与工程学院材料科学与工程系，哈尔滨 150001）摘要：随着电气工业以及通讯业的日益快速发展，电磁技术的应用给人类创造了巨大的物质文明的同时也把人们带进一个充满人造电磁辐射的环境里。
电磁场生物效应的发生与发展与电磁场本身的特性以及生物组织的电磁学性质密切相关，而生物组织的电磁学性质又随着电磁场频率的变化而变化。
我们将探讨不同电磁辐射作用下生物组织的电磁学特性变化，分析不同类型电磁场对于生物体产生的一些具体的影响，并对于电磁辐射影响健康的机理及其防护策略进行初步的研究。
关键词：电磁辐射；生物效应；生物组织；电磁特性人们生活的空间中交织着大量的电磁波，有环境中本来就具有的宇宙辐射、地磁场等，也有人为制造的各类电磁波如广播电磁波，无线通信电磁波以及工频电磁波等。
电磁场与生物体相互作用的本质是电磁场与构成生物体的各个层次的物质之间的相互作用，生物组织处于不同频率的外加电磁场中其表现的电磁特性会发生变化，不同场强、频率、振幅的电磁场所作用的对象也有所不同，同时电磁场与生物作用的时间长短不同所产生的生物效应也不同。
研究生物组织的电磁特性是研究电磁场与生物体之间相互作用的基础，对于电磁辐射影响生物组织的电磁特性的研究可以明确电磁场生物效应产生的微观机理，从而可以进行有效的防止或者减少电磁场对生物体的负面影响。
从电磁学角度来看，生物体是由大量细胞构成的具有复杂电磁性质的容积导体，对于生物体在电磁环境下其电磁性质的改变的研究可以揭示电磁场中生物体对于电磁能量的吸收及其与电磁场之间的耦合特性。
电磁场对于生物体电磁特性的影响在诸多领域都将得到具体应用。
[1]1 电磁辐射作用于人体的原理在电磁场中，生物分子既不是纯粹的导体，也不是纯粹的绝缘体，而是电介质。
由交变的电场、磁场产生的电磁波在空间传播时与生物体作用可以被生物体物质吸收。
生物体在交变磁场中受到电磁辐射的作用一般会发生以下的生物效应：1.1热效应电磁辐射作用于人体后，一部分被反射，另一部分被吸收。
生物电磁学概论
生物电磁学概论第一章绪论1.1 环境和电磁环境1.2 电磁场与生物系统的相互作用概述1.3 生物电磁学研究的内容第二章生物组织的电特性及其测量2.1 生物组织的传导特性2.2 电介质物理基础简介2.3 生物物质的介电特性2.4 生物组织电特性的测量第三章生物电磁剂量学3.1 电磁剂量学概述3.2 理论剂量学3.3 实验剂量学第四章射频电磁场的生物学效应4.1 对生物大分子和细胞的作用4.2 对染色体的作用及致突变效应4.3 与癌的关系4.4 对动物生殖、生长和发育的影响4.5 在神经系统上的效应4.6 对内分泌系统的影响4.7 对造血和免疫系统的影响4.8 微波的听觉效应4.9 对眼睛的作用4.10 对人体的影响4.11 射频生物学效应实验的要素第五章射频电磁场生物学效应机理5.1 热效应和非热效应概述5.2 粒子对膜的穿透理论5.3 生物系统中的相干电振荡理论5.4 射频能量的谐振效应理论5.5 跨膜离子的回旋谐振理论5.6 微波听觉效应机理5.7 强场作用的克尔效应和珠链效应理论第六章生物电磁学应用研究6.1 射频辐射卫生标准研究6.2 医学应用研究一、课程的地位、基本要求、与其它课程的联系和分工生物电子学是研究非电离辐射电磁波（场）与生物系统不同层次相互作用规律及其应用的边缘学科，主要涉及电磁场与微波技术和生物学。
其意义在开发电磁能在医学、生物学方面的应用以及对电磁环境进行评价和防护。
生物电磁学与工程电磁场与微波技术的不同主要体现在：1、后者的作用对象是具有个体差异的生命物质；2、后者的作用对象是根据人为需要而选取并加工的电磁媒质或单元而前者的作用要让测量系统服从于作用对象。
生物电磁学的研究内容主要设计五个方面：1、电磁场（波）的生物学效应，研究在电磁场（波）作用下生物系统产生了什么；2、生物学效应机理，研究在电磁场（波）作用下为什么会产生什么；3、生物电磁剂量学，研究在什么条件下会产生什么；4、生物组织的电磁特性，研究在电磁场（波）作用下产生什么的生物学本质；5、生物学效应的作用，研究产生的效应做什么和如何做。
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μm2的细胞膜通过负压吸引封接，使电极尖端与细胞膜的高阻封接， 在电极尖端笼罩下的膜与膜的其他部分从电学上隔离，因此，此片膜 内开放所产生的电流流进玻璃吸管，用一个极为敏感的电流监视器(膜 片钳放大器)测量此电流强度——单一离子通道电流。 特点：脱离细胞，单独研究一部分细胞膜
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应用
脑切片膜片钳技术是研究神经科学的一种重要方法，可研 究切片的大量细胞类型，该技术已成功的应用于CNS（中 枢神经系统）中的各个区域，如海马、小脑、纹状体、脑 干等。
3.3 Measurement of electrical characteristics of biological tissue
生物组织电特性的测量
1. Microelectrode technique 微电极技术
2. Voltage clamp technique 电压钳技术
3. Patch clamp technique 膜片钳技术
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1. microelectrode technique 微电极技术
凌宁和Gerard,1949年，在美国发明了拉制玻璃微电极技术 目的：测量细胞跨膜电位 材料：
含硅量高的Pyrex或国产GG-17玻璃拉制 内灌2~3mol/L KCl溶液，微电极尖部直径约0.5微米。
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2. Voltage clamp technique 电压钳技术
难题：在动作电位中有一很大的电容电流，它与膜电位的变化速率 成正比，覆盖和淹没了离子电流，因而很难直接测量离子电流。
Hodgkin和Huxley首创电压钳技术。 电压钳技术：控制跨膜电位在某一固定水平。 基本思想：用负反馈的电子线路将膜电位固定在希望的标定值上，
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空间钳位 具有空间间隙 吸附电极 小细胞 双微电极 大细胞
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测量单一离子的电流 用胆碱离子置换细胞外液中的Na+ =>排除INa 得到“纯净”的K+电流IK 将总电流减去K+电流 =>得到纯Na+电流，即INa=Im-IK2020/5/138源自2020/5/139
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施加电压
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前提：电压钳技术 优点：
直接测量生物膜的单通道电流 比较容易对小细胞（10μm）作电压钳位 可以任意改变膜内外溶液的成分和浓度，研究各种
药物和化学物质对离子通道的影响 由于膜片钳技术空间分辨力高，在中枢神经研究中
可分离胞体与轴突和树突的离子电流
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操作方式——细胞贴附式
细胞贴附在吸管顶端，形成高阻封接，使吸管末端 的膜片在电学上与细胞其他部位隔离。
微吸管必须进行热抛光和清洁处理，细胞必须经过 酶清洁处理，除去结缔组织，粘附细胞及基膜。
此时对电极内加轻度负压使电极尖端与膜之间形成 紧密接触
目前主要采用神经药理学的方法分离离子流 已经发现：
河豚毒素TTX能特异性地阻断Na+离子流 四乙基胺TEA能阻断K+离子流 CdCl2能阻断Ca2+离子流
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3. Patch clamp technique 膜片钳技术
Neher和Sakman，1991年获诺贝尔生理与医学奖 目的：从分子水平了解生物膜离子单通道开关、动力学，通透性和选
膜呈微凸形，可高分辨的测量膜电流或通道电流。
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操作方式——全细胞记录式
用灌注无钙KCl溶液的微吸管吸附细胞形成高阻封接 直接向微吸管内加电脉冲或短暂的高负压 吸附吸管末端内的细胞膜破裂 电极和胞内溶液直接相通 电流或扩散物进入细胞内
同时测量膜电流的变化。再以电压与电流之比求出膜电导的变化， 用离子通道电导特性的变化描述生物膜电导的变化。 电路：电阻+电容；串联+并联
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电容电流
膜等效电路
膜电流 离子电流
只要固定膜电位不变，使膜电容电流为零，则膜 总电流等于离子电流——电压钳技术原理
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On-
Whole
Cell
Cell
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操作方式——外面向外式
在全细胞记录方式下提起吸管，就形成外面向外的膜片
Whole Cell
outsideout patch
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操作方式——内面向外式
高阻封接 将微吸管提起 膜被拉出，在吸管末端形成一小泡 在空气中暴露几秒钟，小泡破裂 将吸管放入预先制备好的溶液中 膜片内侧与溶液接触便形成内面向外的膜片
心肌细胞电生理研究多使用膜片钳技术，其为推动心肌细 胞膜上的电压依赖性的钾、钠、钙离子通道和其他类型离 子通道的研究起了积极的作用
此外，还可利用膜片钳技术研究植物细胞的电生理学特性
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优点
直接测量生物膜的单通道电流，观察通道开启和关闭 过程。
比较容易对小细胞作电位钳位。 试验中可任意改变膜内外溶液成分和浓度。 空间分辨率高
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困难1：微管中KCl溶液灌不进去。 原因：玻璃毛细管弯曲液面附加压强大及其他流体力学因素 克服办法：在微管中置入0.1mm的玻璃细丝，拉制微电极时，此丝伴
同一起延伸且附于管壁上，在玻璃丝与管壁间形成狭角沟槽进行自动 灌充——毛细现象 困难2：溶液中分布电容，且随浸没深度而增加，将使输入信号发生高 频畸变 ✓ 克服办法：是在尖部外壁涂少量脂类，以减小分布电容； 困难3：AgCl丝作为参考电极会产生电位，且与电极尖部直径也有关， 越细电位越大。 ✓ 克服办法：采用性质相同的微电极作为参考电极 ✓ 微电极电位与微电极尖部直径有关，尖部愈细电位愈大。