生物电磁学技术范文

导语：如何才能写好一篇生物电磁学技术，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词双语教学;MIT开放式课程;工程电磁学

中图分类号G434文献标识码B文章编号 1007-5739(2009)11-0272-02

随着我国经济逐步纳入全球经济发展轨道,特别是在加入WTO以后,中国与外部世界的政治、经济、文化交往越来越频繁,各行各业与国际接轨的步伐逐步加快,我国迫切需要既掌握专业知识又掌握专业外语的高素质、复合型人才。培养这种人才是现阶段中国高等教育发展的重要目标之一。因此,教育部于2001年9月颁布了《关于加强高等学校本科教学工作提高教学质量的若干意见》的4号文件,要求全国各高等院校积极推广使用英语等外语进行专业课教学,以培养高素质、复合型人才,实现我国高等教育的可持续发展。至此,全国已有不少高校开始尝试、探索双语教学[1]。

山西农业大学工程技术学院电气工程系主任、博士生导师左月明教授,曾2次出国赴美留学,英语功底深厚,专业扎实,主讲了山西农业大学电磁学(双语)课程。他在制作该课程的电子课件过程中发现可以充分利用网络资源,尤其是MIT开放式课程中由Walter H.G. Lewin教授主讲的物理电磁学资源,很适合双语教学的要求。一方面,纯英文讲授可以让学生充分感受国外教学的魅力;另一方面,丰富的实验演示对于缺乏实践操作能力的学生提供了很好的平台。因此,应该鼓励学生多利用网络教学资源,在网上进行学习。作为授课者,也应多收集优秀的网络教学资源,作为对课程教学的补充,以提高教学水平。

1双语电磁学课程的特点

双语教学是指将母语外的另一种外国语直接应用于非语言类课程教学,并使外语与学科知识同步获取的一种教学模式。经过近几年的快速发展,双语教学已经成为我国高校培养“专业+外语”复合型人才的重要手段。研究显示,实行双语教学在一定程度上有助于培养学生的国际视野和竞争能力,有助于激发和调动学生学习积极性,促进学生外语水平提高和学习能力的发展[2]。

1831年法拉第发现并确立电磁感应定律,开创了人类应用电力,实现电气化的新纪元;他对电磁现象所提出的“场”及其“场线”概念被公认为物理学中开创性的见解。1865年麦克斯韦奠定了宏观电磁理论基础,预言了电磁波的存在,展示了当今信息时代的前景。电磁场理论是在物理电磁学的基础上,进一步研究宏观电磁现象和电磁过程的基本规律及其分析计算的方法。它作为一门重要的技术基础学科,是日趋发展的电工、电子和信息技术的理论基础。现代科学技术发展日益呈现出各学科间相互交叉、渗透,工程技术日趋综合集成化的特点,又进一步推动了电磁场学科的发展,并为电磁场理论的工程应用提供了更为广阔的空间[3]。

通过教学发现,双语电磁学课程对高等数学、物理概念的理解和工程应用的要求很高,课程抽象,加之课程为双语形式,对学生的英语水平也有较高要求。

2课程的教学现状与存在的问题

双语电磁学教材采用了科学技术出版社出版的国外高校电子信息类优秀教材《Engineering Electromagnetics》(工程电磁学),由Kenneth R.Dearest主编。该书论证充分,例题也相对较多,充分展示了国外教学实践成果。全英文版的课本让英语基础不是很好的学生感到力不从心,但是英语基础好的同学对课本兴趣浓厚。

教师参考书为高等教育出版社出版的倪光正主编的《工程电磁场原理》。该书在体系上力求突出强电与弱电的结合、电磁理论与工程实践的结合,以及电磁理论与相关学科交叉、渗透的结合。在课程内容的编排上,全书贯穿数学建模思想,以第一章作为承接学生已有的数学、物理知识,进而导引入门的基础,然后第二章至第五章,分别以各类工程电磁场问题为背景,对各种特定电磁场的基本特性、分析计算方法以及有关基本问题与实际应用原理等展开系统的阐述,并精选、充实例题,引入有启发性的典型问题。

双语电磁学自2001年开设以来,因前续课程衔接不好,特别是数学中的场量分析基础不够;以及学生其他相关知识储备不足,英语水平差,导致课堂教学采用多汉语少用英语的教学方式。学生普遍反映课程难。加之该课程多为理论,没有实验与之配套,学生的动手能力和创新意识不能得到很好的锻炼和培养。

3国外相关课程的教学经验

通过网络检索,发现美国麻省理工的开放式课程中有物理电磁学的教学内容,由Walter H.G. Lewin(lewin@space.mit.edu)教授上课视频,而且完全公开,在网上可以下载。Lewin教授是美国麻省理工知名的物理学教授,他讲课风格独特,每节课都有很多的演示实验(如图1),让学生们在观察现象中发现问题,思考问题。

以实验为主导,以公式推导为辅助是他们教学的一大特色。国外教授在上电磁学的课程时,更加注重感性认识和学生的动手能力,在实验的观察和思考中学习相关知识,更注重了工程应用。

与国外的教学效果相比,山西农业大学教学突出的是抽象思维,而国外突出的是生动的直观印象。但是,我们可以充分利用网络资源,搜集相关的视频、讲义和作业,通过借鉴国外的先进教学经验和成果,加强双语教学效果。

4应用网络资源,提升双语教学水平

创新能力是山西农业大学开设这门课程的初衷之一,主要通过让学生观看国外教学的视频,提高学生的学习兴趣的同时,增强对双语教学的认同,增强实验意识,在实验中发现并解决问题,以提高能力和创新意识。

实验对创新能力的提升具有举足轻重的作用。学生现在的问题是只想好好学习课本知识,不想动手去发现并解决问题。实验课不认真,不去仔细追究实验的问题所在,更有甚者,不愿动手。基本知识充足与动手能力太差之间的矛盾导致了学生的创新意识差,创新能力更差。因此,山西农业大学准备在将来的教学中开展一定量的实验内容,突出强调实验对增强工科大学生创新意识的培养和创新能力的提升。让学生在基本的实验中探索电磁学的奥秘,并乐于去做实验,同时培养严谨、求是、创新的实验作风。

网络资源也是学生应该充分利用的一个宝贵资源。如MIT开放式电气工程类课程、全国高校的精品课程资源、各大学术论坛等,可让学生身在农大而放眼全球,利用好网络资源,结合讲授的课程,在网络世界里学习,提高双语课程学习的效果。

鉴于处于农科大背景下,山西农业大学希望通过突出农科优势,让学生在生物传感器和生物电磁学方面有所涉猎,充分利用农科优势,发挥电学专业的特长,使学生在多学科的学习中扩大知识面,提高创新能力。

5结语

为了充分利用网络资源,提高学生学习双语课程的积极性和主动性,增强学生的创新意识和创新能力,培养学生敢于钻研的品质,笔者认为,在今后的教学中可以适当增加MIT开放式课程的相关内容,做好网络资源与课堂教学之间的衔接,引导学生自主学习,开拓眼界,以此提高本课程的教学水平。

6致谢

感谢博士生导师左月明教授的悉心指导和大力帮助,同时感谢杨欣琳老师对网络信息检索提供的帮助。

7参考文献

[1] 胡拖平.工科大学双语教学的实践与研究[J].中北大学学报(社会科学版),2008(S1):6.

[2] 胡玉萍.少数民族女童与双语教育[J].中华女子学院学报,2004(3):19-24.

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关键词：物理学，人体，医学，医疗技术

 

物理学是研究物质运动形式的，具有最基本最普遍的性质。医学是以人体为研究对象的生命科学，生命现象属于物质的高级运动形式。因此生命现象在物理学的研究范畴之内，二者之间必有一定的联系。

一、人体时时刻刻处在各种物理场的包围之中，地球物理场的巨大变化及大量人工物理场的产生，给人类健康带来了严重的危害，成为很多疾病的诱因。

1、重力场

地球周围是一个充满重力作用的空间，即重力场。它是人类生存的基本环境因素。但是重力的改变，会使人感到难受。长时间的失重，会严重破坏生理过程，耳内的耳石器会失去常有的重力刺激。耳石重量的丧失，又解除了对半规管感受器的正常抑制作用，于是引起前庭系统稳定性丧失，从而导致运动病的发生。

2、地磁场

地球是一个磁化球体，周围存在着相当强的磁场，即地磁场。地磁场在人体心血管系统的活动中起着重要的作用。地磁场的突然变化，是造成心血管意外事故的直接原因之一。磁暴期间，老年人脉搏会加速，动脉压增高，心血管意外事故的发生和死亡率显著上升。地震也引起地磁场的快速变化，并与人体生物磁场产生共鸣，使人感到不适、头痛。

3、天然电场

地球表面存在着各种电场。地壳为一较强的负电场，大气层则为一非常活跃的正电场。电场的波动对人体产生各种有害影响并出现一些症状，如头痛，癫痫发作等。高压雷电可以损伤人体细胞染色体；局部地区的电场强度增大，这些地区胆结石，肾结石的患者就会增多。

4、放射性场

地球表面层存在着许多天然放射性核素，它们在衰变的同时放出射线，构成放射性场。当天然放射线强度超过一定限度时，就会对人的骨髓、肝、肾等生理功能及生化过程产生破坏性作用。

5、各种人工物理场

近几十年来，随着科学技术和社会经济的发展，电子工业迅速发展，使电磁辐射广泛应用。各种电子设备无时无刻地不在向周围地区发射不同频率、不同能量的电磁波。电磁污染是无形的，它危害人体的中枢神经系统，促进心血管疾病的发生和发展，损伤视觉系统。

二、随着现代物理学的迅速发展，人类对生命现象的认识逐步深入，生命科学和医学已从宏观形态的研究进入微观机制的研究，从细胞水平的研究上升到分子水平的研究，并日益将其理论建立在精确的物理学基础上。任何生命过程都是和物理过程密切相联系的，如能量的交换、信息的传递、体内控制和调节、疾病发生机制、物理因素对机体的作用等。物理知识成为了揭示生命现象不可缺少的基础。

1、力学

力学研究的物体运动规律及其相互作用，也适用于人体骨骼、肌肉、血液循环和脏器活动。人的骨骼是高强度且灵活的机械。通过不同方向的力作用在骨骼时骨骼的应力和应变，可以得到骨骼在某个方向上的刚度和强度最大，在某个方向上的刚度和强度最小。通过建立肌肉的物理模型（三单元模型），可以解释肌肉长度的增加，对其收缩速度有良好影响以及肌肉生理横断面的增加会导致肌肉收缩力的增加。

2、流体力学

流体力学是研究流体在流动时的性质。人体中的血液作为一种流体，其特点也可以通过流体力学中的定律和定理来研究。研究血液流变的性质，已经形成了一门新的学科—血液流变学。它研究血液流变因素对血液流变特性的影响，不仅对心血管疾病和癌症等病因学十分重要，而且可为诊断、预防和治疗提供关键性的手段。血沉就是利用血细胞沉降速度来判断病情。通过研究狭窄血管内偶应力流体流动阻抗、流量和壁切应力及红细胞变形能力，可以为心血管系统病理提供诊断依据。

3、分子动理论

分子动理论是从物质的微观结构出发来了解物质宏观规律的本质。通过分子动理论中的表面张力系数，可以清楚地解释肺泡表面液层中分布一定量的，由饱和卵磷脂和脂蛋白组成的表面活性物质的作用，即使大小不同的肺泡具有不同的表面张力系数值，起到稳定大小肺泡，减小了呼吸功的作用。新生儿通过借以大声啼哭来进行第一次呼吸就是以克服肺泡的表面张力而获得生存。

4、电磁学

人体内存在生物电，如心电、脑电、肌电、胃电等。生物电流是否正常与生理功能是否正常相一致。广泛使用的心电仪、脑电仪，就是用来探明脑、心的生理功能。人是电导体，由此产生了电疗这个重要的治疗方法。磁场产生生物效应，影响人体的生理病理过程。可以调节人体的生物电和生物磁场，以达到治病保健的作用。60年代以来，已逐步形成了一门新的学科—生物磁学，它研究磁场对生物分子、细胞组织、器官和生物整体的作用。

5、光学

人眼就是一个光学仪器。正常眼可看清十几厘米到无穷远的物体。当有眼疾时，如屈光不正，其发病机制和矫正方法，都要有光学知识来计算。最新医疗技术科用车削角膜内半径来调节屈光度。

三、随着近代物理和计算机科学的迅速发展，人们对生命现象的认识逐步深入，物理学的技术和方法，在医学研究和医疗实践中的应用也越来越广泛，并且不断更新。

1、X射线

1895年伦琴在研究稀薄气体放电时发现了X射线，之后仅三个月就应用于医学研究。X射线透视机早已成为医学中不可缺少的工具。X射线透视时根据不同组织或脏器对X射线的衰减本领不同，强度均匀的X射线透过身体不同部位后的强度不同，透过人体的X射线投射到照相底片上，显像后就可以观察到各处明暗不同的像。X射线透视机已成为医院的基本设备之一，它可以清楚地观察到骨折的程度、肺结核病灶、体内肿瘤的位置和大小、脏器形状以及断定体内异物的位置等。

2、B超

B超是超声波B型显示断层成像的简称，之所以称为B型显示，是因为对过去显示超声检查结果的方法又创立了一种方案而增加的新名称。其原理是将一束超声波从体外垂直于人体表面射向体内，当超声从体内组织中传播时，碰到组织有分界面或不均匀处就会产生反射。把这种反射超声波再在体外同一部位接收下来，根据发射探头的所在位置，就可以知道反射点在体内对着探头的位置，而根据发射超声波的时间差，可以知道它在体内垂直于体表的深度。论文参考网。

3、X射线电子计算机辅助断层扫描成像（X—CT）

X—CT是利用X射线穿透人体某层面进行逐行扫描。探测器测量和纪录透过人体后的射线强度值，将这些强度值转换为数码信号，送进计算机进行处理，经过排列重建，在显示器上就能迅速显示出该层面的切片图，一个层面扫描完后，射线沿被检查的人体旋转1度，再进行下一个层面的扫描，这样就可以得到一个完整的人体层面图像。X—CT的优越性在于它可以清晰地显示人体器官的各种断面，避免了影像的重叠，大大提高了诊断的精度。

4、核磁共振断层成像（MRI）

MRI是一种多参数、多核种的成像技术。其基本原理是利用一定频率的电磁波向处于磁场中的人体照射，人体中各种不同组织的氢核在电磁波作用下，会发生核磁共振，吸收电磁波的能量，随后又发射电磁波。MRI系统探测到这些来自人体中的氢核发射出来的电磁波信号后，经计算机处理和图像重建，得到了人体的断层图像。MRI比X—CT和B超获得人体内部信息要多的多，尤其是对于脑部病变和早期肿瘤病变的诊断，MRI更具有优越性。论文参考网。

5、激光手术和激光治疗

利用激光器发射的激光作为手术刀进行切割、汽化等外科手术。论文参考网。激光手术有以下优点：①对凝固血管很有效，使不流血手术得以实现；②手术切缘锐利、平整；③由于激光手术是非接触手术，对于一些操作困难的部位实施手术尤为方便；④切割恶性肿瘤时，因激光能随时封闭毛细血管和淋巴液通道，有助于防止肿瘤细胞的扩散和转移。

物理学作为严格的定量的自然科学的带头学科，一直在科学技术发展中发挥及其重要的作用，尤其随着科学技术的发展，物理学与人体、医学的联系越来越紧密。在高等医学院校里开设物理课的主要任务是给医学生提供系统的物理学知识，使他们在中学物理的基础上，进一步掌握物理学的基本概念、基本定律、研究方法，扩大物理学知识的领域，为学习现代医学准备必要的物理基础。因此，在高等医学院校开设物理课是科技发展的必然结果，是时展的必然结果，现在是如此，将来也是如此。

参考文献

（1）卞志荣 《利用物理知识在医学中的应用进行STS教育》

（2）郭玉琢 《物理学与医疗技术》

（3）倪合一 《作用于人体的物理场》

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关键词：匹配;矩形波导;反射系数;等效阻抗

中图分类号：TP79文献标识码：B

文章编号：1004-373X(2008)07-174-02オ

Application of Different Types of Rectangular Waveguide in the Dowels Matching Unit

WANG Libin,LIAO Xiaoli,LIU Hua

(Automatic Engineering College,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu,610054,China)

オ

Abstract：The matching is not only an important part in microwave technique,but also a significant aspect in the microwave system.In this paper,it researches and compares the matching of different types of rectangular waveguides on the basis of the three dowels matching unit.The purpose is to establish a coincidence relation by systemizing these data such as different depth of dowels,the reflection coefficient and the equivalent impedance at the port and the type of rectangular waveguide.It is convenient to achieve the matching through adjusting the dowels to the fixed depth.

Keywords：matching;rectangular waveguide;reflection coefficient;equivalent impedance

1 引 言

对于负载端连接有不同型号矩形波导的微波系统而言，传统阻抗匹配技术很难对负载做到实时、快速并且稳定的匹配，这在一定程度上限制了微波系统在很多领域的应用。

在不同微波系统中，由于终端使用的矩形波导型号可能有所不同，负载大多也不相同，这时手动调整可调销钉的位置来建立固定匹配网络的方法可信度不高。建立一种基于不同型号矩形波导的阻抗匹配系统模型，对于不同负载阻抗都可以使系统的反射系数满足工程理想值。这样就可以在很大程度上扩展微波系统的应用范围。

国际上对这样的阻抗匹配的研究已经起步，可以在5 s内实现不同负载的阻抗匹配。目前国内这样的研究还不是很多。

2 销钉匹配器的理论分析

销钉调配器就是在波导中插入螺钉，并利用螺钉在波导中不同位置时表现出的等效阻抗特性，使负载阻抗和传输线特性阻抗相等，从而实现匹配。具体分析过程如下：

(1) 根据传输线理论[1]，如果端口2处连接有匹配负载，即使其端口处于匹配状态，此时销钉插入深度为0、0、0，电磁波以行波状态传输，如图1所示。

图1 传输线匹配状态

(2) 调整3个销钉的插入深度，由于销钉插入深度的变化，使得其等效阻抗发生变化，系统在端口1处的阻抗不匹配，此时端口1处反射系数大于零，通过反射系数可以计算出等效输入阻抗为Z1。д3个销钉的插入深度和端口1处的等效阻抗大小有一一对应的关系，如图2所示。

图2 销钉插入深度变化时的端口特性

(3) 在微波系统实际工作当中，端口1连接的是负载，端口2连接的是信号源，即原端口1与端口2互换了位置。如果所接负载大小等于Z1时，可以根据上述对应关系把销钉插入深度调整到如图3所示的位置(即销钉翻转过后的位置)，即可实现端口2(微波系统中信号源端)的匹配。

图3 微波系统实际工作中的端口特性

经过上面的分析，我们就可以建立起如图1所示的在端口2匹配情况下，三销钉匹配器端口1处的阻抗大小以及销钉插入深度参数二者的关系。

在引入上述思想的基础上，对微波阻抗匹配系统中的三销钉匹配器进行仿真，得到销钉不同插入深度时所对应的端口反射系数，再计算得到端口等效阻抗大小，从而可以建立销钉插入深度以及端口等效阻抗的一一对应关系。

3 实际工作

对于使用不同型号矩形波导的微波系统中，一个比较困难的问题是如何在短时间内对连接在不同型号矩形波导负载端的不同负载进行匹配。

本文的研究目的就是获取在连接相同的负载和相同的销钉插入深度的前提下，不同型号的矩形波导和端口反射系数之间的关系。因为销钉本身在不同深度下可以等效为电容，也可以等效为电感，且其电抗大小是很难确定的，通过解析法获得销钉插入深度和销钉匹配器端口特性之间的关系是很困难的，为此我们提出了通过仿真来获取销钉插入深度和销钉匹配器端口特性之间的关系的方法。

3.1 销钉匹配器的设计及销钉的选择

在设计销钉匹配器时应该考虑下列的问题：

(1) 销钉的位置要挑选得尽量靠近负载；

(2) 传输线阻抗具有Е/2е芷谛裕故销钉之间的间距不能选择Е/2В华

(3) 在销钉匹配器中，销钉直径越大，插入深度越深，等效电容也越大；反之，等效电容越小，等效电感逐渐变大。实验还证明，销钉直径越大，其频带响应越宽。

销钉匹配器的尺寸及销钉的大小需要根据工作频率范围来确定。本文研究的频率范围以2.45 GHz为中心频率，对应波长λg=122.4 mm。销钉匹配器中波导内截面的尺寸为a1=86.40 mm，b1=43.20 mm以及a2=109.20 mm，b2=54.60 mm(a1,b1和a2,b2分别对应于BJ-26和BJ-22矩形波导)。销钉的直径通常选择小于λ/4，我们选择销钉直径为d=20 mm；在Е/8~3λ/8范围内选择销钉间距ΔS，这里令ΔS=λ/4=30.6 mm。И

3.2 仿真模型的建立与分析

以BJ-26矩形波导为基础，在高频仿真软件HFSS中建立销钉匹配器模型。在图1所示的端口2处接有匹配负载，为此设置端口2边界条件为匹配边界(PML层)，厚度应该大于Е/2[2]，如图4中红色部分所示。

图4 设置了匹配边界之后的仿真模型

调整销钉插入深度，仿真得到端口1处反射系数，以50 Ω特性阻抗来计算得到此时端口1的等效输入阻抗，选择三组数据建立他们的对应关系如表1所示。

表1 BJ-26波导仿真结果对应关系

在获得上述仿真结果基础上，建立以BJ-22矩形波导为基础的销钉匹配器模型，分别调节销钉插入深度如表1中数据，获得端口1的反射系数S11，计算得到的等效输入阻抗三者对应关系如表2所示。

表2 BJ-22波导仿真结果对应关系

4 结 语

从上面仿真后的数据可以看出，对于由BJ-26和BJ-22两种不同型号矩形波导构成的销钉匹配器而言，如果负载端(参看图3)所接负载与上述表1或者表2中所列出的负载值相差不大时，将销钉调整到经过仿真、优化过后深度位置后，端口2处的指标基本上都可以满足工程要求。

此外，本文也对其他型号矩形波导建立的销钉匹配器模型进行研究，对应于相似大小的负载和相同的销钉位置，端口2处的驻波比不再满足工程要求。如何做到在小范围内变化销钉位置也能使端口2处性能达到工程要求还需要进一步的研究，从而更大地促进微波系统的发展。

参 考 文 献

［1］李宗谦,佘京兆,高保薪.微波工程基础[M].清华大学出版社,2004.

［2］Brenger P.A Perfectly Matched Layer for the Absorption of Electromagnetic put.Phys.,1994,114(2):185-200.

［3］刘学观.微波技术与天线[M].西安：西安电子科技大学出版社,2001.

［4］何振亚.阻抗匹配网络设计[M].合肥:中国科技大学出版社,1976.

［5］Engen G F.A Review of the Six-port Measurement Technique[J].IEEE Trans.on MTT,1997,45(12):2 414-2 418.

［6］袁俊.国外微波武器及其发展[J].中国航天,2001(5):13-15.

作者简介

王利斌 男，1982年出生，电子科技大学测试计量技术与仪器专业硕士。研究方向为无源微波器件的设计。

廖小丽 女，电子科技大学生命科学与技术学院讲师。研究方向为生物电子学与生物电磁学。

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关键词：高压静电场；植物生长；微观机理

中图分类号： Q947.8 文献标识码：A DOI编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.03.024

目前，静电生物效应的研究和应用已日益向纵深发展，对植物的生物效应研究也取得了可喜的成就[1-3]。本研究利用从试验中获得的结果，以现有的认识水平和程度，从理论的角度对高压静电场（以下均简称静电场）对植物的诱导机理进行研究。

众所周知，地球上的植物生长，除了需要阳光、水、矿物质等环境因素以外，还需要静电场、磁场、射线、声波等物理因素。从物理学的角度讲，地球本身是一个带负电的球体。电离层与地面之间的电势差平均值约为3.0×105 V。晴天时，地球表面的大气电场的场强值约为100～200 V·m-1[5]，而且，大气电场内还存在带电离子的上、下运动，这构成了植物生长必需的静电场和因带电离子运动产生的大气电流。近年来，国内外学者用人工方法将静电场作用到植物上，对植物的生长进行调控，达到了预期的目的。然而，对于静电场诱导植物生长机理的研究，还没有得到一个十分完整而满意的解释，本研究从5个方面对静电场对植物的诱导进行研究，以弥补理论上的缺陷。

1 静电诱导植物生长

国内关于静电诱导植物生长的报道很多，所采用的静电场的类型大致有3种：一是正负离子电场；二是正负脉动电场；三是正负静电场。最常用的是第一种和第二种。

王淑惠等[6]采用适宜强度的静电场对小麦幼苗进行处理，对小麦幼苗的生长效应、成熟期植株性状和产品结构进行了测量记录，见表1和表2。其中，对照组是指未经静电场处理。

从表1[6]可以看出，除功能叶片无显著差别（P>0.05）外，苗高、叶片数都有显著差别（0.05>P>0.01）。总根数、功能叶宽、叶龄、分蘖数和冻害程度差别明显（P

从国内多篇报道看，促进植物生长所采用的静电场类型大多是正离子电场[3]。在静电场作用下，植物能加快吸收CO2，对病虫害有抑制作用，提高产量[4]。当然，为了延长花卉的开花时间，有时候也采用负离子电场[2]。

2 静电处理使细胞膜兴奋机理

植物的生长发育大部分依赖于植物细胞吸收营养成分，而细胞膜作为细胞与周围生理环境进行物质交换的重要通道，具有极其关键的作用。细胞膜的兴奋水平可直接影响植物生长的程度。因此，当某种静电场作用到植物上时，可使细胞膜兴奋，提高细胞膜内外的物质交换的速率，这对于促进植物生长发育具有重要的实际意义。笔者认为，静电场促进植物中细胞膜的兴奋，主要有以下2点机理。

2.1 静电影响细胞膜电位促使细胞膜兴奋机理

细胞膜是细胞质与外界相隔的一层薄膜，又称质膜，是位于原生质体，紧贴细胞壁的膜结构，而细胞膜可以看作是具有一定厚度、一定电阻和一定电路的特殊“电路”。细胞膜的磷脂双分子层将细胞内液与细胞外液分隔，由于细胞内外带电离子不均等分布在膜的两侧，因此，存在一定的电位差，形成细胞膜电位，图1显示了细胞膜的等效电路[7]。

细胞膜电位主要分为两种：静息电位和动作电位。静息电位是指细胞未受外界刺激时存在于细胞内外两侧的电位差。细胞在未受外界刺激时，细胞内的生理环境较为稳定，在其中发生着许多重要的生物化学反应。K+顺着细胞膜内外的浓度差扩散至细胞膜外，正电荷增多，膜外电位上升，膜内呈现极低的负电位。而Na+内流至细胞膜内，进而提高膜内电位，最终K+、Na+所维持的细胞膜内外的电位差构成了细胞膜的静息电位，此时，细胞膜的离子净流动速率呈现动态平衡。

动作电位是指细胞受到刺激，在静息电位的基础上发生一次短暂的、扩散性的电位变化。当外界给予细胞一定的刺激后，细胞膜的静息电位呈现活化状态。首先出现缓慢的去极化状态，Na+通道开放，Na+大量内流，膜电位逐渐变小，当达到-50 ～ 55 mV的临界水平 [8]，即阈电位时，随即产生一个爆发性的除极化，动作电位短时间达到0 mV，细胞内外电位相等，膜电位极性反转，之后细胞膜电位进行反极化，大量K+顺浓度差电位差流向细胞膜外，膜电位恢复到静息状态。

通过静电处理细胞膜，可使细胞膜上的通道蛋白形态发生改变，膜电容增大，促使K+、Na+流向发生改变。细胞膜电位由静息电位转变为动作电位，Na+通道蛋白开放，内负电位降到阈电位水平。细胞进行去极化过程，此时细胞膜处于兴奋状态。离子的净流动速率大大加快。并且电流的流向均是朝向内，植物表现内压“电恒”状态。因此，通过静电处理使细胞膜兴奋，提高离子的通透性，进而促进细胞吸收离子的过程，加快细胞与周边生理环境进行物质交换。

2.2 静电通过影响细胞膜分子结构促使细胞膜兴奋机理

细胞膜的基本结构是一个有蛋白质镶嵌的磷脂双分子层，而膜电位的产生与膜上带电脂质分子与蛋白质分子的解离状态与膜内外的离子浓度场有关。由文献[9]可知，细胞膜外表面处的电势为：

5.1 静电处理使细胞中DNA分子合成速率加快机理

众所周知，基因（遗传因子）是遗传的物质基础，在生物学上的定义为DNA或RNA分子上具有遗传信息的特定核苷酸序列。它储存着生命孕育、生长、凋亡过程的全部信息，通过复制、表达、修复，完成生命繁衍、细胞分裂和蛋白质合成等重要生理过程。在细胞中，存在CDK启动因子，它是一类重要的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，其主要的生物学作用是启动DNA的复制和诱发细胞的有丝分裂，以复合物形式出现[19]。该复合物分为催化亚基和调节亚基两部分，催化亚基为CDK，调节亚基为细胞周期蛋白。CDK与细胞周期蛋白是调控细胞分裂的核心因子。通过静电处理植物细胞，加速ATP的合成，进而促进CDK与细胞周期蛋白的合成，从而促进细胞的有丝分裂。

5.2 静电处理细胞促使染色体变异机理

试验表明[20]，静电处理植物细胞能够增长有丝分裂中期的细胞数目，缩短细胞有丝分裂周期，提高细胞的分裂速度。静电处理植物细胞不仅可以使DNA复制加快，还能使核酸蛋白质分子中的氢键断合，引起染色体变异。通过静电处理，引起细胞染色体变异大致有以下几种 [21-23]：染色体断片、染色体落后、染色体桥不等分裂、单极纺锤体和多极纺锤体。而其主要形成原因是经常使核酸蛋白质中带电离子数目改变，加速氢键的形成速度，促使染色体变异。

静电场对植物生长诱导的机理十分复杂。它是一门静电学与生物学的交叉学科，其研究难度大。本研究结果可为从事用静电对植物进行调控的应用工作者提供有益的帮助。但是要更详细地解释其机理，尚需做不少工作。例如，静电正离子电场与负离子电场作用到同种植物上，或同一种静电场作用到不同植物上，其诱导结果是不一样的。不同的场强、不同的作用时间、不同的方向和消退效应，其结果也是不一样的。如何从微观的角度分析其差异，是下一步要研究的课题。

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篇5

（1．运城农业职业技术学院农林与工程系，山西 运城 044000；2．山西农业大学农学院，山西 太谷 030801）

摘要：从高压静电场的产生及其生物效应特点出发，综述了其在农业领域的应用和研究现状，概述了静电场处理应用于番茄（Solanum lycopersicum）的生物学效应研究概况，力求为利用高压静电场新技术促进番茄增产增效提供借鉴和指导。

关键词 ：番茄（Solanum lycopersicum）；高压静电场；生物效应

中图分类号：S641.2；Q689 文献标识码：A 文章编号：0439－8114（2015）01－0007-04

DOI：10．14088／j．cnki．issn0439－8114．2015．01．002

Biological Effects of Treatment with High－voltage Electrostatic Field on Tomato

CHEN Jian－zhong1，2，HU Jian－fang1，2，DU Hui－ling2，WANG Yu－guo2

（1． Department of Agroforestry and Engineering， Yuncheng Agricultural Vocational Technical College， Yuncheng 044000， Shanxi， China；

2． College of Agriculture， Shanxi Agricultural University， Taigu 030801， Shanxi， China）

Abstract： In the view of the generation and effect characteristics of high－voltage electrostatic field， the applications and research status in the field of agriculture were reviewed. The effects of electrostatic field on tomato were summarized. New technology of high－voltage electrostatic field is used to increase yield and production efficiency of tomato．

Key words： tomato（Solanum lycopersicum）； high－voltage electrostatic field； biological effect

收稿日期：2014－05－29

基金项目：山西省农业科技攻关项目（2013031101）

作者简介：陈建中（1972-），男，山西平陆人，在读博士研究生，研究方向为作物化学调控与逆境生理，（电话）15536259057

（电子信箱）cjz2023090＠163．com；通信作者，杜慧玲，教授，主要从事作物化学调控与逆境生理研究，（电子信箱）

duhuiling66＠163．com。

番茄（Solanum lycopersicum）又称西红柿、洋柿子、番柿等，属于茄科番茄属中以成熟浆果为产品的一年生或多年生草本植物。番茄原产于南美洲的秘鲁、厄瓜多尔和玻利维亚。16世纪由墨西哥传入欧洲，在意大利、西班牙、英国、法国等国家最早只是作为观赏植物。直到17世纪，番茄才在欧洲作为蔬菜栽培。19世纪中后期，番茄生产急剧增加，几乎涉及到全世界。大约17世纪末至18世纪初，番茄才引入中国。解放以后，番茄生产才在中国迅速发展，成为最主要的果菜之一。番茄作为食用蔬果现已被全球性广泛种植［1］。

番茄果实色泽鲜艳，肉质纤细，酸甜适口，汁多味鲜，富含可溶性糖、有机酸、蛋白质、维生素A、维生素B1、维生素C、胡萝卜素和矿物质等多种营养物质，矿物质中所含有的钙、铁、磷、硫、钾、钠、镁等矿物盐类，对血液的新陈代谢起很好的作用。番茄除可生食与熟食外，还可制成原汁、罐头、番茄酱、番茄粉和番茄干等多种加工制品。番茄味甘、酸、微寒，有消热解毒、生津止渴、养阴凉血、健胃消食等作用；番茄皮含有很高的膳食纤维，具有改善肠内的生态环境，排泄有毒物质等功能；番茄红素可预防及治疗癌症及心血管病、消除香烟和汽车尾气中的有毒物质、提高人体免疫力、抗衰老、降血脂和胆固醇。此外，一些特色番茄品种如樱桃番茄等兼具观赏价值，使其越来越受到老百姓的喜爱［2］。

1 高压静电场技术在农业中的应用

人类和各种生物赖以生存的地球表面，本身是一个天然的电场，地球电离层相对于地面有360 kV的正电位，其强度为130 V／m，每1 s内，大约有1 800 C的正电荷从大气中流入地下，突出于地面的植物正是这1 800 A大气电流的重要通道［3］，长期生长于地球表面的植物，其电荷分布、排序以及运动都有一定的规律性，自然静电场的存在已经成为它们生长、发育不可缺少的条件，所以生物体周围电场的变化必然会影响其新陈代谢的过程［4］。高压静电场处理技术作为物理农业的一种新技术，虽然发展和起步较晚，但由于它契合着生态农业、物理农业的潮流，简单、有效、省时、低耗、无环境污染和广泛适用的处理手段，使其展现出强大的生命力，成为农业领域应用和研究的新热点，越来越受到农业专家的追捧和农业从业者的重视。

1．1 高压静电场的产生

静电生物效应就是研究静电场对生物体（包括动物、植物、微生物和人）所产生的影响。将220 V的电压升高整流，再通过高压电缆、保护电阻等加到电晕线或金属板上，这样就形成了高压电场。高压电场有静电场和交变电场，静电场又分为非均匀电场和均匀电场。电晕线电场属于非均匀电场，通过调整电晕线与金属板之间的距离来控制电场强度的大小，并通过高电压电离空气产生的空气离子和臭氧发挥作用［5］，由两块平行金属板作电极组成的电场是均匀电场，均匀电场可忽略边缘效应。

1．2 高压静电场生物效应特点

相关资料表明：高压静电场诱导生物效应的变化具有剂量不定性、参数多元性、多向性及阈值、阶段性及消退效应等特点［6－13］。剂量不定性是指相同的生物，施以不同剂量的电场，产生的效果各异，不同的生物施以相同剂量的电场产生的效果也不同，在进行电场技术应用时，一定要正确选取电场剂量；参数多元性是指生物所受高压静电场的生物效应不仅与场强和作用时间有关，也与生物体自身品种、种类、含水量以及周围环境中的温度、湿度等生物生长的自然条件和自然环境电磁场的大小及生物体放置的方向等诸多外界因素有关，具有多元性，是生物内外因素综合作用的结果；多向性是指不同的生物对象对电场的方向性要求不一样，即生物在受到电场作用时，正负电场的作用效果均不一样；阙值是指电场影响生物分三种形式，即对生物的生长表现为促进、抑制和无变化；阶段性是指在生命过程中静电场的生物效应也随生物体的生长发育而变化，即呈现出明显的阶段性；消退效应是指生物体施加电场后的生物效应会随时间推移逐渐减弱乃至消失。

1．3 高压静电场在物理农业中的应用研究

生物体的高压静电场处理作为一种物理技术，既是物理的，又是生理生化极其复杂的转化过程。

电场对生物影响的研究始于18世纪中叶，主要研究电场作用于生物体而引起生物体刺激或抑制生物生长发育或致死效应［6］。利用高压静电场处理植物的种子，提高种子活力，是静电生物效应研究最早、范围最广的领域，国外早在20世纪50～60年代就进行了研究，我国在20世纪60年代只进行了一些初步探索，直到20世纪90年代才开始大量的研究［12］。目前，高压静电场在农业中的主要应用有：静电处理种子、静电喷雾施药、空间电场防病促生技术、电场保鲜技术、高压电场干燥技术及高压静电场在作物抗逆性中的应用研究等。相关研究表明：第一，利用高压静电场预处理种子，既能促进种子萌发，显著提高种子的发芽势、发芽率、根系活力和呼吸强度，同时，能促进？琢淀粉酶、超氧化歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）的活性和可溶性蛋白质含量、ATP含量提高，又具有杀菌效果。其次，还可利用种子电学特性差异来分选不同活力与含水量的种子，提高种子纯度。再次，静电场产生电晕放电，可促进植物的光合作用，使植物生长快、开花早、花期长，从而实现高产［14－20］。此外，对植物施以静电场，可明显促进植物的生长发育。第二，利用静电喷雾技术防治农作物病虫害，作为现代植保施药的一项新技术，能有效减少药液损失，降低环境污染［21－23］。第三，在作物生长空间人为地加上特定强度的高压静电场，从而对植物的多种生理活动进行调控，这种空间电场防病促生技术有较好的促进生长和防病作用［24］。第四，依靠高压静电场，使带有电荷的涂料微粒在电场力的作用下，沉积在果蔬、食品表面以形成均匀涂膜的表面静电涂敷，有较好的防腐保鲜效果；高压静电场处理果蔬，能延缓果蔬成熟衰老，对黄瓜、斑豆、番茄、豌豆荚、苹果、香蕉、红薯、谷物、蓝莓果等果蔬的保鲜效果显著，表明高压静电场在保鲜方面具有良好的发展前景［25，26］。第五，高压静电场干燥技术具有能耗低，不污染环境，干燥均匀，物料不升温，还可杀菌的优点，能很好地保存物料的有效成分，使果蔬在脱水的同时，能最大程度地保留其营养成分和感观质量，减少干制过程对果蔬中营养成分的破坏及对色泽等方面的影响，且在能源消耗、设备投资和操作费用方面耗资较少［27］。此外，高压静电场处理能提高抗氧化酶活性，增强渗透调节物质含量，从而提高植物的抗逆性［28－30］。

1．4 高压静电场作用机理研究

近几十年来，高压静电场对生物体的影响已在许多方面得到研究和开发利用，高压静电场生物效应作为在物理农业上的热门课题越来越受到人们的重视，应用范围也逐步扩大。但目前，人们还不能够通过已有理论对高压静电场产生的生物学效应进行全面分析和解释，只能根据大量的生化检测与试验结论相结合来研究其作用和机理。目前，对其作用机理的物理微观模型研究和解释主要包括介质极化微观理论、一维自由谐振子能级理论、势垒贯穿理论、离子响应电流理论、水分子极化理论等［31－35］。

2 番茄电场处理生物效应研究概况

番茄作为一种风靡全球的蔬菜水果，兼具营养和观赏价值，受到世界各地人们的喜爱。随着电场技术在近几十年来的大量研究和发展，以番茄作为高压静电场处理和研究对象的试验和应用也在大力开展。

2．1 利用电场处理使番茄保鲜和易于贮藏

张全国［36］用高压静电场预处理番茄后，研究了对其保鲜效果的影响。结果表明，番茄在电场150 kV／m＋45 min下处理后，有效延长了其保鲜时间，在自然条件下其呼吸高峰推迟4 d后出现，且能有效保持较高的表面抗压强度和较低的失重率。王愈等［37］在200 kV／m＋2 h／d负高压间歇静电场（简称稳恒电场）和－200～200 kV／m＋2 h频率40 kHz（简称交变电场）两种不同电场处理条件下，研究绿熟番茄的贮藏品质，结果表明，高压静电场处理果实腐烂指数显著优于交变电场处理，但两种处理均能延缓果实硬度，使可溶性糖、果皮叶绿素含量下降及可滴定酸、红素含量上升，从而延缓果实衰老，提高果实的贮藏性。王愈等［38］对静电场处理下贮藏番茄的生理生化及品质变化进行研究，结果表明，适宜贮藏的最佳静电处理条件为－200 kV／m＋2 h／d，在此处理条件下，绿熟番茄呼吸跃变推迟6 d，显著延缓其果实由硬变软、由绿转红的时间，且通过对各项指标的分析可得出，果实的细胞膜透性受静电场处理调控。

2．2 利用电场技术选种，促进番茄种子发芽、苗期生长和增产

迟燕平等［39］研究了高压电场对番茄种子萌发的生物学效应，结果表明，影响种子萌发的因素依次是种子干湿情况、场强及作用时间，当电场强度处理条件为8 kV／cm＋180 s，作用对象为湿种子时，种子中的CAT、POD、SOD的活性明显增强。王斌等［40］研究了静电场处理与茄子种发芽的关系，结果表明，电场强度大小及处理时间长短与种子发芽间存在显著的相关性。蔡兴旺等［41］分析了经过高压静电场选种的茄子种子发芽指标及幼苗期的形态指标，得出结论：适宜的高压静电场处理（本试验所确定的最佳处理：600 kV／m＋12 min）能显著提高种子的发芽势、发芽率和活力指数，但对形态指标会产生不同影响；并从酶活性和电解质外渗率的角度分析了造成种子发芽和生长变化的原因。蔡兴旺等［15］对珍珠番茄进行高压静电场选种和处理，并在考虑电场强度和处理时间相关性的基础上，采用二元二次回归模型，得出了出苗率、产量、SOD等指标的回归方程；与对照相比，最佳电场处理的番茄出苗率明显提高，出苗期缩短，SOD和CAT活性上升，且促进了幼苗生长，提高了蔬菜产量。

2．3 利用电场技术开展杀菌方面的研究

金声琅等［42］利用高压电场对番茄汁进行非热杀菌试验，结果表明，在控制条件下，可使番茄汁中接种的大肠杆菌数量降低6个对数以上，且通过对可溶性固形物、果胶、还原糖、抗坏血酸、番茄红素指标分析来看，番茄汁的品质不会受到高压电场杀菌处理的影响。阎立等［43］在用高压静电场处理番茄等种子时，发现电晕电场产生的臭氧起到了对种子杀菌消毒的作用，与此同时，处理后的种子的发芽势、出苗率有所提高，且幼苗长势和抗病能力都表现出增强的效果，最后的果实产量增加了5％～20％。

此外，电场技术还被用作番茄其他方面的研究。金声琅［44］采用高压电场技术辅助提取番茄皮渣中的番茄红素，提取率高达96．7％，且处理时间短。

3 小结

高压静电场对生物的影响已经得到了证实，但由于高压静电场对生物体的影响效应较为复杂，既受到生物体自身因素的影响，也受到环境因素的综合影响，只有从机理和分子结构角度分析，才有可能找到其变化规律。近年来，高压静电场技术在番茄生产和研发领域得到了一定的开展和应用，也取得了较好的经济效益和社会效益。但高压静电场规模处理番茄尚处于试验阶段，不同生长阶段如种子萌发期、苗期、成熟期等处理时机的选择、最佳处理条件的筛选尚没有形成统一的结论，高压静电场处理后，对番茄体内生物效应的触发响应机制等，都将是下一阶段的研究重点。

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