交變電場(chǎng)影響生理鹽水冰結(jié)構(gòu)的介電方法研究

孫 偉 徐曉斌 姚學(xué)玲 馬亞紅 徐傳驤

(1西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 西安 710055)

(2西安交通大學(xué)電力設(shè)備與電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710049)

(3江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院 鎮(zhèn)江 212013)

1 引 言

生物材料低溫保存研究表明，在低溫冷凍過(guò)程中，細(xì)胞內(nèi)、外冰晶的形成以及由此產(chǎn)生的離子偏析是導(dǎo)致細(xì)胞死亡的主要原因［1－3］。在低溫狀態(tài)下，水分子結(jié)晶致使生物體中的結(jié)合水從組織結(jié)構(gòu)中被撕裂出來(lái)，從而破壞了細(xì)胞的組織結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致細(xì)胞死亡。1937 年，BJ.Luyet提出了玻璃化低溫保存方法［4］，即采用非常快速的降溫方法，使水分子以玻璃態(tài)固化，從而避免水分子結(jié)晶造成的細(xì)胞死亡。然而，由于生物材料本身存在著較大的熱容和較低的熱導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)玻璃化保存存在很大的困難，甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)［5－6］。1949年，英國(guó)生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)了低溫保護(hù)劑在生物材料低溫保存中的作用［7］，使得玻璃化低溫保存方法得到了快速發(fā)展。

根據(jù)降溫速率的差異，冰晶形成導(dǎo)致細(xì)胞損傷存在著不同的低溫?fù)p傷機(jī)理，對(duì)此，P Mazur［8］根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了“兩因素假說(shuō)”，即慢速降溫速率引起的“溶質(zhì)損傷”和快速降溫速率引起的“胞內(nèi)冰損傷”。跟據(jù)“兩因素假說(shuō)”提出的細(xì)胞低溫?fù)p傷機(jī)理，出現(xiàn)了“兩步法”低溫保存方法，即在不同階段采用不同的降溫速率，從而可以有效避免慢速冷凍引起的“溶質(zhì)損傷”和快速冷凍引起的“胞內(nèi)冰損傷”。

在生物材料低溫保存研究中，兩種方法都取得了較好的效果，但也存在一些問題。玻璃化方法對(duì)微小生物體低溫保存效果明顯，但是由于這種方法需要極快的降溫速率(＞106℃/min)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)體積相對(duì)較大的生物材料的低溫保存。兩步法在一定程度上克服了玻璃化方法的缺點(diǎn)，但其操作程序復(fù)雜，而且由于存在著生物多樣性的問題，不同生物材料所需的降溫過(guò)程相差很大，這為實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了很大困難。另外，兩種方法都需要使用高濃度的低溫保護(hù)劑，而低溫保護(hù)劑對(duì)細(xì)胞具有毒性［9］，濃度越高，毒性越大，過(guò)量使用會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生傷害。

冰晶形成是水分子在低溫狀態(tài)下重定向結(jié)晶的過(guò)程，而水分子是一種強(qiáng)極性分子，電場(chǎng)作用會(huì)對(duì)水分子的重定向產(chǎn)生影響。分子動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果顯示，電場(chǎng)作用能夠引起水分子排列結(jié)構(gòu)變化，表明電場(chǎng)影響了水的相變過(guò)程［10］;一些實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果也表明，電場(chǎng)對(duì)冰晶形成有顯著影響［11－16］。微波在低溫保存中的應(yīng)用研究結(jié)果顯示，在冰晶形成過(guò)程中微波具有抑制冰晶生長(zhǎng)的作用［17－18］。電場(chǎng)對(duì)水相變過(guò)程的影響，為生物材料低溫保存技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路。A.Petersen［19］等設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)脈沖電場(chǎng)誘發(fā)過(guò)冷溶液中冰核形成，從而達(dá)到控制溶液中冰晶的形成溫度，這種方法在兩步法低溫保存技術(shù)中有重要的應(yīng)用價(jià)值。

本文以生理鹽水為實(shí)驗(yàn)樣品，采用介電方法［20－21］研究交變電場(chǎng)對(duì)生理鹽水凍結(jié)后形成的冰體微觀結(jié)構(gòu)的影響，探尋能有效控制冰晶形成的新方法。

2 實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)果

實(shí)驗(yàn)樣品為生理鹽水，降溫速率為20℃/min，在降溫過(guò)程中施加不同頻率的交變電場(chǎng)，干擾溶液在低溫下的相變過(guò)程，待溶液充分凍結(jié)后，測(cè)量溶液凍結(jié)后的相對(duì)介電常數(shù)。

實(shí)驗(yàn)腔體如圖1所示，電極直徑為20 mm，電極之間距離為1 mm;冷凍過(guò)程中，施加在上下電極上的正弦波電壓Vp－p=1 V，假設(shè)電極之間產(chǎn)生的電場(chǎng)為均勻電場(chǎng)，則電極之間電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為Emax=5×102V/m。測(cè)量系統(tǒng)采用Concept 80寬帶介電特性測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)測(cè)量范圍寬、測(cè)量數(shù)據(jù)精確，能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

圖1 實(shí)驗(yàn)腔體Fig.1 Experimental container

圖2 顯示生理鹽水凍結(jié)后的相對(duì)介電常數(shù)隨頻率的變化關(guān)系，其中，“”表示的數(shù)據(jù)為沒有電場(chǎng)作用的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其它為不同頻率電場(chǎng)干擾下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在冷凍過(guò)程中施加交變電場(chǎng)作用是為了干擾其相變過(guò)程，施加的干擾電場(chǎng)頻率分別為:50 Hz、1 kHz、10 kHz、50 kHz、500 kHz、5 MHz、20 MHz。相對(duì)介電常數(shù)測(cè)量頻率范圍為:50—1×107Hz，測(cè)量溫度為－60℃。

圖2 相對(duì)介電常數(shù)隨頻率的變化關(guān)系，測(cè)量溫度－60℃;測(cè)量頻率范圍50－1×107HzFig.2 Relationship between permittivity and frequency，measuring temperature－60℃，measuring frequency range 50－1×107Hz

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，交變電場(chǎng)對(duì)生理鹽水凍結(jié)后的相對(duì)介電常數(shù)有顯著的影響，與沒有電場(chǎng)作用情況相比較，在交變電場(chǎng)作用下，生理鹽水凍結(jié)后在低頻段的相對(duì)介電常數(shù)明顯增加，其中500 kHz交變電場(chǎng)作用對(duì)相對(duì)介電常數(shù)的影響效果最為顯著。測(cè)量頻率為50 Hz時(shí)，生理鹽水在500 kHz交變電場(chǎng)作用下凍結(jié)后的相對(duì)介電常數(shù)為1 340.4;沒有電場(chǎng)作用情況下生理鹽水凍結(jié)后的相對(duì)介電常數(shù)為552.39，前者比后者高出一倍多。

生理鹽水凍結(jié)后的相對(duì)介電常數(shù)來(lái)自于以下幾種極化形式的貢獻(xiàn):(1)水分子轉(zhuǎn)向極化;(2)熱離子極化或雙層介質(zhì)極化;(3)電子位移極化。當(dāng)測(cè)量頻率在低頻范圍時(shí)，上述幾種極化形式同時(shí)存在，介質(zhì)表現(xiàn)出很高的介電常數(shù);當(dāng)測(cè)量頻率在高頻范圍時(shí)，上述1、2兩種極化形式來(lái)不及建立，介電常數(shù)主要由電子位移極化所貢獻(xiàn)，此時(shí)介質(zhì)表現(xiàn)出的介電常數(shù)很小。如圖2所示，在測(cè)量頻率為100 kHz情況下，相對(duì)介電常數(shù)僅在3—4之間。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，交變電場(chǎng)作用對(duì)生理鹽水凍結(jié)后的相對(duì)介電常數(shù)影響顯著，特別是在低頻段，影響最為明顯。從介電物理的角度分析，介電常數(shù)的變化必然伴隨著物質(zhì)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的改變，也就是說(shuō)，在交變電場(chǎng)作用下，生理鹽水凍結(jié)后形成的冰體組成結(jié)構(gòu)可能發(fā)生了改變。因此，可以通過(guò)介電常數(shù)的變化對(duì)冰體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

3 分析與討論

根據(jù)含鹽水溶液的凍結(jié)特性，溶液在降溫過(guò)程中首先是在某些區(qū)域內(nèi)形成冰核，而后冰核逐漸長(zhǎng)大形成冰晶。在溶液完成從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟倪^(guò)程中，溶液中水分子和離子成分的凍結(jié)過(guò)程存在有以下兩種情況。

第1種情況:在冰晶的生長(zhǎng)過(guò)程中，離子被偏析出冰晶體之外，冰晶體中不含有離子成分，隨著冰晶不斷長(zhǎng)大，形成不含離子成分的大體積純水冰晶。

第2種情況:在溶液的凍結(jié)過(guò)程中，首先是冰核形成，然后進(jìn)入冰晶生長(zhǎng)過(guò)程，在冰晶還沒有形成宏觀意義上的大體積純水冰晶之前，離子被凍結(jié)在冰晶體之間，由于離子的存在，冰晶無(wú)法繼續(xù)生長(zhǎng)成為大體積的純水冰晶，從而形成體積微小的“微晶冰”。受到離子產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)作用，靠近離子周圍的水分子結(jié)構(gòu)不再是具有正四面體結(jié)構(gòu)的冰晶(晶態(tài))，由于離子產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)所引起的水分子強(qiáng)烈的定向作用，破壞了冰晶所具有的正四面體結(jié)構(gòu)，從而在靠近離子周圍區(qū)域里形成了非晶態(tài)的冰體結(jié)構(gòu)。在這種情況下，純水冰被包含在鹽離子之間，而存在于鹽離子之間的純水冰有兩種結(jié)構(gòu)形式:晶態(tài)冰(微晶冰)和非晶態(tài)冰。這種結(jié)構(gòu)的冰體中含有3種成分:鹽離子、微晶冰和非晶態(tài)冰，本文稱之為“含鹽冰”。

根據(jù)上述分析，含鹽水溶液凍結(jié)后形成的冰體結(jié)構(gòu)中存在有兩種形態(tài)的冰體結(jié)構(gòu):純水冰晶和含鹽冰。兩種冰體結(jié)構(gòu)交疊在一起，構(gòu)成“復(fù)合冰”結(jié)構(gòu)。從介電物理的角度，將“復(fù)合冰”結(jié)構(gòu)模型看作復(fù)合介質(zhì)來(lái)處理，其相對(duì)介電常數(shù)可以由下式表示:

式中:ε1為第1種成分的相對(duì)介電常數(shù);ε2為第2種成分的相對(duì)介電常數(shù);x為第1種成分的體積分?jǐn)?shù)。k的取值由兩種介質(zhì)成分的體積分布所決定，當(dāng)兩種成分排列成垂直于電場(chǎng)的連續(xù)層時(shí)，取k=–1;當(dāng)兩種成分排列成平行于電場(chǎng)的連續(xù)層時(shí)，取k=1;當(dāng)兩種成分既不呈并聯(lián)、又不呈串聯(lián)排列，而是趨于均勻分布時(shí)，k趨近于零。

對(duì)于k趨近于零的情況，式(1)可以變換成如下形式:

式(2)通常適用于均勻分布的復(fù)合介質(zhì)，本文將式(2)用來(lái)近似描述含鹽水溶液凍結(jié)后形成的復(fù)合冰結(jié)構(gòu)模型。

對(duì)于由純水冰晶和含鹽冰組成的復(fù)合介質(zhì)，根據(jù)式(2)，設(shè)ε1為含鹽冰的相對(duì)介電常數(shù)，ε2為純水冰晶的相對(duì)介電常數(shù)，那么x即表示含鹽冰在復(fù)合冰介質(zhì)中所占有的份額。由式(2)可得:

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合式(4)，可以對(duì)交變電場(chǎng)對(duì)復(fù)合冰結(jié)構(gòu)中純水冰晶和含鹽冰所占份額的影響進(jìn)行分析。

式(3)中有3個(gè)參數(shù)，ε為復(fù)合冰的相對(duì)介電常數(shù)，即為實(shí)驗(yàn)測(cè)量值;ε2為純水冰晶的相對(duì)介電常數(shù)，是已知量;ε1為含鹽冰的相對(duì)介電常數(shù)，未知量。為了簡(jiǎn)化分析，采用對(duì)比的方法討論交變電場(chǎng)對(duì)純水冰晶和含鹽冰所占份額的影響。討論分兩種情況:一是在溶液冷凍過(guò)程中沒有電場(chǎng)作用;二是在溶液冷凍過(guò)程中施加交變電場(chǎng)作用。

設(shè)定xN為沒有電場(chǎng)作用情況下，溶液凍結(jié)后含鹽冰在復(fù)合冰中所占份額;εN為沒有電場(chǎng)作用情況下，復(fù)合冰相對(duì)介電常數(shù);xY為交變電場(chǎng)作用情況下，溶液凍結(jié)后含鹽冰在復(fù)合冰中所占份額;εY為交變電場(chǎng)作用情況下，復(fù)合冰相對(duì)介電常數(shù)。

在復(fù)合冰體積總量保持恒定不變的情況下，含鹽冰體積份額x數(shù)值的增加，就意味著純水冰晶體積份額的減少;反過(guò)來(lái)，含鹽冰體積份額x數(shù)值的減少，就意味著純水冰晶體積份額的增加。

定義:

即:ξ表示一種比例關(guān)系，反映了沒有電場(chǎng)作用與施加電場(chǎng)作用兩種情況下含鹽冰在復(fù)合冰中所占份額的變化情況。

由式(3)和式(4)，得:

表1給出了在測(cè)量頻率為50 Hz、測(cè)量溫度為－60℃時(shí)生理鹽水在不同冷凍條件下凍結(jié)后形成的復(fù)合冰的相對(duì)介電常數(shù)值。

表1 生理鹽水在不同冷凍條件下凍結(jié)后的相對(duì)介電常數(shù)，測(cè)量頻率50 Hz、測(cè)量溫度－60℃Table 1 Permittivity of normal saline frozen under different condition，measuring frequency 50 Hz，measuring temperature －60℃

式(5)中，ε2為純水冰晶的相對(duì)介電常數(shù)，在測(cè)量頻率為50 Hz，測(cè)量溫度為－60℃的條件下，實(shí)際測(cè)量純水冰晶的相對(duì)介電常數(shù)為56。由式(5)和表1，可以得出不同情況下的ξ值，結(jié)果如表2所示。

表2 生理鹽水在不同冷凍條件下凍結(jié)后的ξ值Table 2 ξ values under different condition

根據(jù)ξ的定義，表2顯示出，生理鹽水在不同冷凍條件下凍結(jié)后，含鹽冰在復(fù)合冰中所占份額出現(xiàn)顯著變化。同沒有電場(chǎng)作用情況相比較，交變電場(chǎng)作用使含鹽冰所占份額明顯增加，頻率為500 kHz的交變電場(chǎng)作用效果最為顯著。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，頻率為500 kHz的交變電場(chǎng)作用情況下，ξ=1.70;也就是說(shuō)，頻率為500 kHz的交變電場(chǎng)作用情況下含鹽冰所占份額比無(wú)電場(chǎng)作用情況下含鹽冰所占份額增加了近70%。

在復(fù)合冰體積總量保持恒定不變的情況下，交變電場(chǎng)作用使復(fù)合冰中含鹽冰所占份額增加，也就預(yù)示著復(fù)合冰中純水冰所占份額減少，這就反映出交變電場(chǎng)可以有效地抑制生理鹽水凍結(jié)過(guò)程中純水冰晶的生長(zhǎng)。從低溫生物保存的損傷機(jī)理分析，純水冰晶所占份額的減少與含鹽冰所占份額的增加對(duì)生物材料的低溫保存是非常有益的。

4 結(jié) 論

采用介電方法研究交變電場(chǎng)對(duì)生理鹽水凍結(jié)后形成的冰體結(jié)構(gòu)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在交變電場(chǎng)作用下，冰的相對(duì)介電常數(shù)明顯升高，其中500 kHz交變電場(chǎng)作用效果最為顯著。根據(jù)含鹽水溶液凍結(jié)特性分析，提出由純水冰晶和含鹽冰構(gòu)成的復(fù)合冰結(jié)構(gòu)模型，采用均勻混合復(fù)合介質(zhì)介電模型，分析計(jì)算了交變電場(chǎng)對(duì)復(fù)合冰結(jié)構(gòu)中含鹽冰所占份額的影響。結(jié)果顯示，在500 kHz交變電場(chǎng)作用下，含鹽冰在復(fù)合冰結(jié)構(gòu)中所占份額比無(wú)電場(chǎng)作用增加了70%。

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