電磁場(chǎng)與生物體相互作用及安全性分析.pdf

1、隨著電子科技的迅速發(fā)展,電磁場(chǎng)與電磁波在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,從而極大地提高了人類的生活質(zhì)量和健康水平,與此同時(shí),伴隨應(yīng)用而產(chǎn)生的電磁波輻射是一種新的污染環(huán)境的因素,從而有可能危及人體健康。無(wú)論是對(duì)其正面應(yīng)用的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和利用,還是對(duì)負(fù)面效應(yīng)的評(píng)價(jià)與防護(hù),均以三方面的基礎(chǔ)研究作為支撐的:一是電磁波生物學(xué)效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究,以回答應(yīng)用什么的問(wèn)題；二是機(jī)理研究,以回答應(yīng)用的理論依據(jù)是什么的問(wèn)題；三是生物電磁劑量學(xué)研究,以回答在什么樣

2、的電磁作用量下可應(yīng)用的問(wèn)題。本文在上述三方面的特色是:實(shí)驗(yàn)研究中以時(shí)一頻域內(nèi)的特征量為指標(biāo),開(kāi)展生物學(xué)窗效應(yīng)研究；機(jī)理研究中利用膜離子通道的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和電荷分布參數(shù)計(jì)算通道內(nèi)沿軸向的電位分布和電場(chǎng)分布,其結(jié)果中表明的周期性勢(shì)壘分布為窗效應(yīng)的存在奠定了物理基礎(chǔ),周期性的電場(chǎng)分布及由細(xì)胞膜電位所引起的非線性極化特征所引起電磁波能量的匯聚從而為離子提供了足以跨越勢(shì)壘的能量基礎(chǔ)；生物電磁劑量學(xué)研究中,將通常的吸收功率研究擴(kuò)展到電場(chǎng)應(yīng)力和溫度升

3、高研究,以便從聽(tīng)覺(jué)效應(yīng)和溫度變化效應(yīng)角度對(duì)劑量作評(píng)價(jià)。
　　 一.極低頻電磁波生物學(xué)窗效應(yīng)研究以窗效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中常用的Ca2+為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,在給出細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度測(cè)量方法和為該課題所設(shè)計(jì)并制作的電磁波生物學(xué)實(shí)驗(yàn)照射系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,分別以雞腦組織和人體肝癌細(xì)胞(7721)為生物學(xué)研究對(duì)象,以同位素示蹤法和熒光標(biāo)記法為實(shí)驗(yàn)方法,用不同頻率和強(qiáng)度的極低頻電磁波為作用因子,以液體閃爍計(jì)數(shù)器和激光共聚焦掃描顯微鏡為檢測(cè)儀器,以放射性強(qiáng)度和熒光強(qiáng)

4、度作為Ca2+數(shù)量的基本數(shù)據(jù),進(jìn)行電磁波生物學(xué)非熱效應(yīng)的典型代表-電磁波生物學(xué)窗效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。其中著重研究了細(xì)胞胞漿內(nèi)Ca2+濃度在時(shí)(間)-頻(率)域內(nèi)對(duì)電磁波的響應(yīng)規(guī)律,從而將人們習(xí)慣于在時(shí)域內(nèi)對(duì)電磁波生物效應(yīng)的傳統(tǒng)研究擴(kuò)展到時(shí)-頻域的研究,這樣可獲得生物系統(tǒng)對(duì)照射電磁波響應(yīng)更深層次的信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,無(wú)論是在時(shí)域內(nèi)還是在時(shí)_頻域內(nèi)均存在著電磁波的頻率窗效應(yīng)和強(qiáng)度窗效應(yīng),同時(shí)表明,只有在特定的電磁波強(qiáng)度條件下才會(huì)產(chǎn)生頻率窗效應(yīng),

5、只有在特定的電磁波頻率條件下才會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)度窗效應(yīng),亦即,只有頻率和強(qiáng)度的恰當(dāng)組合的電磁波才會(huì)產(chǎn)生生物學(xué)窗效應(yīng)。時(shí)-頻分析結(jié)果表明:一定頻率和強(qiáng)度的極低頻電磁波可在細(xì)胞胞漿Ca2+濃度的時(shí)-頻域內(nèi)產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng),具體表現(xiàn)為,連續(xù)譜的寬度發(fā)生了變化,離散譜的個(gè)數(shù)發(fā)生了變化,離散譜的中心頻率發(fā)生了變化。將產(chǎn)生和不產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)的一系列電磁波參數(shù)進(jìn)行綜合分析,結(jié)果表明,在時(shí)-頻域內(nèi)也會(huì)有生物學(xué)窗效應(yīng)產(chǎn)生。另外,為了探索電磁波作用的物理基礎(chǔ),對(duì)無(wú)電

6、磁波作用的生理?xiàng)l件下的7種細(xì)胞胞漿內(nèi)Ca2+濃度的時(shí)-頻特性作了研究,結(jié)果表明,不同細(xì)胞間既存在共性又存在差異,其共性表現(xiàn)為在時(shí)-頻域內(nèi)既有連續(xù)譜又有離散譜,某一參數(shù)的電磁波是否產(chǎn)生了生物學(xué)效應(yīng)則正好體現(xiàn)在是否使這兩種譜的特征發(fā)生變化；其差異表現(xiàn)為連續(xù)譜的帶寬和離散譜的中心頻率的不同,這些差異可為癌細(xì)胞的鑒別和對(duì)正常細(xì)胞健康狀況的評(píng)價(jià)提供一種新的思路。
　　 二.窗效應(yīng)機(jī)理分析基于Ca2+濃度變化與Ca2+穿過(guò)細(xì)胞膜上的由α-螺

7、旋蛋白質(zhì)分子構(gòu)成的離子通道的量密切相關(guān)的思路,由α-螺旋蛋白質(zhì)分子的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和主鏈上的電荷分布參數(shù)計(jì)算了沿通道軸線的電位分布和電場(chǎng)分布,從而得出了沿軸線有周期性的勢(shì)壘分布和周期性的電位分布的結(jié)果。勢(shì)壘的高度便是離子在通道內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)所需能量的基本單元,若要使離子一次跨越刀個(gè)勢(shì)壘(n=1,2,……),則電磁波提供給離子的能量必須是這一基本能量單元的刀倍,這意味著,能夠使離子在通道內(nèi)運(yùn)動(dòng)的電磁波的強(qiáng)度是一系列的離散值,這便是強(qiáng)度窗效應(yīng)機(jī)理的

8、基礎(chǔ)。同時(shí),離子跨越一個(gè)勢(shì)壘是需要一定時(shí)間的,這個(gè)時(shí)間便是離子在通道內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)耗費(fèi)時(shí)間的基本單元,若要使離子一次性跨越n個(gè)勢(shì)壘,則耗費(fèi)的時(shí)間必然是這一基本時(shí)間單元的n倍,這意味著能夠使離子在通道內(nèi)沿正向運(yùn)動(dòng),則電磁波電場(chǎng)的正方向所維持的時(shí)間應(yīng)該是基本時(shí)間單元的n倍,即要求電磁波的半個(gè)周期等于基本時(shí)間單元的n倍,從而可知,要想與通道內(nèi)的離子沿正向運(yùn)動(dòng)在時(shí)間上諧調(diào)一致,則要求電磁波的周期為一系列的離散值。由于周期與頻率間有確定性的關(guān)系,故要求

9、電磁波的頻率是一系列的離散值,這便是頻率窗效應(yīng)機(jī)理的基礎(chǔ)。事實(shí)上,只有提供給離子的能量為基本能量單元的n倍,同時(shí)其電場(chǎng)正向維持的時(shí)間也正好是基本時(shí)間單元的n倍的電磁波才能使離子沿正向跨越n個(gè)勢(shì)壘而運(yùn)動(dòng),所以,只有強(qiáng)度和頻率恰當(dāng)組合的電磁波才能產(chǎn)生窗效應(yīng)。另外,量值估算表明,照射電磁波自身所具有的能量是不可能使離子跨越勢(shì)壘的,為此,提出了電磁波能量局域匯聚的觀點(diǎn),其基本思想是:由于細(xì)胞膜存在10-2V靜息電位,故膜內(nèi)有107V/m的電場(chǎng),

10、在如此強(qiáng)電場(chǎng)下,介質(zhì)的極化表現(xiàn)出明顯的非線性特征,加之離子通道內(nèi)沿軸向有周期性的電場(chǎng)分布,故對(duì)通道內(nèi)每一個(gè)橫截面而言,兩側(cè)的介電常數(shù)是不相同的,兩側(cè)介電常數(shù)的不同便會(huì)使電磁波在該面上發(fā)生反射,反射的結(jié)果便形成了駐波,駐波的存在則表明在其波腹附近的一個(gè)區(qū)域內(nèi)有電磁波能量的匯聚,從而使處于該區(qū)域的離子可獲得遠(yuǎn)大于照射波自身的,足以使離子跨越勢(shì)壘的能量。綜上所述,本文的機(jī)理分析中,既給出了強(qiáng)度窗、頻率窗效應(yīng)的物理基礎(chǔ),又給出了二者的關(guān)聯(lián),同時(shí)

11、,基于能量匯聚結(jié)論可給予低強(qiáng)度電磁波何以能夠引起生物學(xué)效應(yīng)的合理解釋。
　　 三.手機(jī)輻射在人體頭顱內(nèi)產(chǎn)生的電場(chǎng)應(yīng)力、溫度升高及安全性評(píng)價(jià)出于電磁波會(huì)在不連續(xù)媒質(zhì)中產(chǎn)生電場(chǎng)應(yīng)力的考慮,分析計(jì)算了手機(jī)輻射在人體頭顱內(nèi)產(chǎn)生的電場(chǎng)應(yīng)力分布,并以產(chǎn)生的電場(chǎng)應(yīng)力是否達(dá)到人的聽(tīng)覺(jué)閥值從而產(chǎn)生聽(tīng)覺(jué)效應(yīng)的角度對(duì)手機(jī)輻射的安全性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。出于電磁輻射可引起生物組織的溫度升高而大腦又是對(duì)溫升最為敏感的組織之一的考慮,基于手機(jī)輻射在人體頭顱內(nèi)的功率

12、分布及生物組織的熱傳導(dǎo)特性,分析計(jì)算了頭顱內(nèi)的溫度分布,給出了溫度升高的區(qū)域和在目前的手機(jī)輻射功率下的溫度升高值。出于手機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮人體頭顱會(huì)對(duì)手機(jī)天線的輻射特性產(chǎn)生影響的考慮,分析計(jì)算了人體頭顱對(duì)手機(jī)天線輻射特性的影響,其中,關(guān)于天線方向圖的影響研究中,不僅給出了人們習(xí)慣采用的二維方向圖,還給出了一些典型數(shù)據(jù),同時(shí)增加了對(duì)手機(jī)輸入阻抗影響的研究?jī)?nèi)容,該內(nèi)容可用于對(duì)影響手機(jī)天線輻射效率影響的評(píng)價(jià)。另外通過(guò)分析計(jì)算給出了減少人體頭顱吸收