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1、生物组织的介电特性及其应用引言目前，无论在医学还是食品方面，利用其物质的电特性对目标物质进行检测已经成为最热门的方法。生物组织中的细胞所处的外环境是细胞外液，其结构由质膜和胞液组成，因此，当不同的频率不同电压的电流穿过生物组织时，由细胞外液-细胞质膜-细胞质所组成的结构，会表现出不同的电特性，随着电场频率的变化，生物组织的电特性会随之发生相应的变化。生物组织的介电特性，是指细胞在电场的作用下被动的产生极化反应的介电响应特性，反映了细胞在宏观电磁场中的分子运动信息。细胞的介电性能包括介电常数和电导率,介电常数是生物细胞在电磁场中贮存电磁能量的量度,反映细胞的绝缘性能,而电导率则指示生物细胞在电磁
2、场中消耗或传导电磁能量的能力,反映细胞的导电性能。由于活体生物组织结构的特殊性使得其介电特性也不尽相同，同时生物组织介电特性的检测是一个无损检测的过程，所以，人们可以根据其电特性的不同来推断其细胞的生长情况和组织的病变情况。在植物学方面，植物细胞的电特性的应用更为广泛，日本的科学家早在几十年以前就开始通过研究生物组织的组织细胞的电特性来判断其成熟程度，这些年经过不断的研究探索，世界上许多国家也已开始进行对生物组织的无损检测，并根据细胞的电特性原理，从仅对苹果的检测扩展到对其他生物组织及食品的检测，目前，生物细胞的介电特性的研究发展至今已扩展到生物组织、蔬菜的成熟度、损伤的快速检测，并开始利用机
3、械化来对一些生物组织进行分级检测。此外，由于植物细胞的介电特性与其含水量有密切关系，检测植物组织的介电特性的应用也在不断地向农作物的抗逆性的研究方面延伸，早在20 世纪60 年代就在农作物的形状和种类及生长过程的检测中得到应用，谷物、大豆、种子的水分检测。在食品方面，利用的生物的电特性进行无损检测也已日益成为工业化，饮料、啤酒、乳制品的细菌检测和保存期、安全期的控制等方面。近几年，在医学中人们通过检测人体的某些组织的电特性来判断其疾病的有无和病患程度，人们甚至利用在不同区域或情况下的小鼠细胞的电特性来推断和研究人体的相应组织的反应情况，以便可以及时的做出正确的判断，为人类提供更好的医疗服务。一
4、 、生物组织的电特性及其原理 根据物体是否导电, 可将其分为导体和绝缘体。导体具有电阻的性质, 而绝缘体具有电容的性质。生物组织由细胞组成, 而细胞是由细胞内液、细胞外液和细胞膜组成。由于细胞内液和细胞外液具有一定的导电性, 因此, 细胞内液和细胞外液具有电阻的性质。而细胞膜的绝缘性较高, 阻隔着膜两侧某些离子的扩散, 因此, 膜除了具有电容性质外还具有电阻性质。据此可以将植物组织等效为由电阻和电容串联或并联构成的电路模型(图1)。如图：并联等效电路的两端施加交流电压 U,则电阻 R和电容器C支路上便流过电流。流过电阻的电流IR与所施加电压U同相位，转化为热能。电容器支路的电流IC与所施加电压
5、U有90的相位差, 以电场能的形式储存起来, 如图2所示，流过生物体的全部电流I是IR和IC的矢量和,即 I= IR + IC。图2中为相位角, cos为功率因数, 为损耗角。由图2可知: tan= IR /IC=1/(*C*R ) 即所消耗的能量与所蓄积的能量之比, 称为介质损耗角正切, 简称损耗角正切。1.1生物组织的电特性介绍表征生物组织电特性的物理量可分为物体常数和物质常数。其中, 物体常数是指与被测对象的大小、外形等因素相关的量, 例如电容C、电阻R等，而物质常数与被测对象的物理尺寸等无关, 例如相对介电常数r*、电阻率和电导率等。由于生物体兼有电阻和电容两种特性, 因此常用物理常数
6、复阻抗Z*或复电容C*和物质常数-复数相对介电常数*，表示生物体的电特性。物质的电特性包括导电特性和介电特性。介电特性是指生物分子中的束缚电荷(只能在分子线度范围内运动的电荷)对外加电场的响应特性,它的主要参数有相对介电常数、相对介质损耗因数、介质损耗角正切和介质等效阻抗。介电常数是电介质固有的一种物理属性,可表示电介质存储电场能量的能力,反映该电介质提高电容器电容量的能力。损耗因数反映电介质在交流电场中损耗的能量。介质损耗角正切也是反映能量的损耗。介质损耗角是交流电的总电流(或总电压)与电容电流(或电容电压)的夹角。电介质分子中的电子受到很大的束缚力，致使电子不能自由移动，故电介质在一般情况
7、下不导电。若将电介质置于外加电场中，电介质将被极化，产生相反电场，因而会减少电场中两电荷间的作用力，减小电容器带电极板间的电位差，使电容量增大。电介质一般具有固定的介电常数(电容率)。在电场的作用下,电介质分子间发生碰撞和摩擦，电介质将吸收一部分电能转变为热能,使其发热。介质在电场作用下发热而消耗能量，称为介质损耗。交变电场的频率越高，介质释放的热能越多。介电常数是表征电介质电性能的宏观参数，它是电介质足够大区域内的平均值,概括了物质的所有介电和光学特性。1.2 介电特性的基本原理 电介质是以正负电荷重心不重合的电极化方式传递、存贮或记录电的作用和影响，其中起主要作用的是束缚电荷。一般情况下，
8、电介质分子中的电子由于会受到很大的束缚力,致使电子不能自由移动,故电介质不会不导电。若将电介质置于外加电场中,电介质将被极化,产生相反电场,因而会减少电场中两电荷间的作用力,减小电容器带电极板间的电位差,使电容量增大。在恒定电场中，生物组织介质沿电场方向产生偶极矩，即被极化，有极性分子由杂乱的排列变为定向排列，形成定向极化，产生束缚电荷，无极性分子则在电介质表面产生正、负感应电荷。电介质极化会产生反相电场而减少电场中两电荷间的作用力，并使充满电介质的电容器极板间的电位差减少，电容量增大。若在交变电场中，生物组织内带电粒子将做强迫振动，形成交变传导电流，介质极化则随时间往复变化，形成极化电流。当
9、交变电场的频率较低，带电粒子不会发生极化弛豫滞后，取向极化由于极性分子的弛豫时间远小于电场变化的1/4周期可忽略弛豫滞后，因而在低频情况下，极化不产生电磁能量转化。但传导的电流通过带电粒子的运动和碰撞，使电磁能转化为热能。当频率提高到一定值，除导电产生热能转化外，由于极性分子的取向极化变化赶不上外加电场方向变化频率而出现极化滞留现象，同时由于生物分子间的相互作用，极化过程产生的电磁能会转化热能。随着频率的提高，转化的热能会越多，甚至超过电磁能的转化。因此，交变电场对生物组织极化过程中频率的影响较大，高频影响更为明显。生物体中，细胞是由电阻比较大的薄细胞膜及具有离子导电性的小电阻的细胞液构成的。
10、在正常情况下，新鲜生物组织的细胞膜为液晶相，流动性大。随着生物组织新鲜度的降低，正常膜由液晶相向凝胶相转化，使膜变得刚硬，流动性降低，黏滞性增加其通透能力下降，细胞功能受影响，因而细胞膜的电阻增大，电容减小。其介电特性表现在生物组织的等效阻抗增大，相对介电常数用损耗因素减小。二、生物电特性的应用 2.1介电特性在水果品质检测中的研究进展 水果作为生物体从微观上看，其内部存在大量带电粒子形成生物电场。水果在生长、成熟、受损及腐败变质过程中的生物化学反应将伴随着物质和能量的转换，并导致生物组织内各类化学物质所带电荷量及电荷空间分布的变化，生物电场的分布和强度亦随之改变。这种微观特性实质上决定着水果
11、的生理、物理和化学特征。2.1.1 利用水果的介电特性进行水果的分级胥芳等分析了水果品质的介电特性检测原理及方法,研究了基于介电特性的水果品质自动检测分级机的组成和控制，探讨了最佳分级阈值的方法。并以苹果为试验对象进行了研究，结果表明，选择等效电容作为苹果等级分类变量，可获得良好的分级效果。胡海根等做了基于电场理论水果介电特性无损检测机理的研究, 首次将有限元应用于分析电偶极子的电场分布，并对其进行模拟仿真，分析了交变电场对其介电特性参数的影响，深入探索了苹果介电特性参数与其内部品质之间的关系，为自动化分选和便携式水果无损检测仪的开发奠定了实践和理论基础。郭文川等对苹果、梨和猕猴桃介电参数的电
12、压特性进行了测定。结果表明, 信号频率一定时，果品介电参数值随信号电压而变, 且存在电压临界值，根据电压临界值的不同，提出了基于介电特性的果品种类识别方法。郭红利于2004年自行设计了一种测试系统，研究了测试条件、电激励信号、果品种类和破损等对猕猴桃介电特性参数的影响。初步探究了猕猴桃在生长后期以及采后储藏阶段的介电特性，最后应用神经网络知识建立了猕猴桃种类的识别器，对猕猴桃的识别率为90%。2.1.2 利用水果的介电特性进行水果贮藏与干燥的控制Martin E.M.E.等研究了在真空中不同湿度苹果的介电特性，在2.45GHz和25 的条件下，使用末端开式的探针和与计算机相联的网络分析软件来评
13、价湿度、水分活度、多孔电容和介质损耗因素的影响，结果表明水分活度在0.9附近时电介质的损耗机理显著增加。Los Reyes等通过实验测量出新鲜和渗透脱水过的樱桃西红柿在不同水溶液中的介电常数，并研究了其与产品成分的相关性。该水果在蔗糖溶液中的渗透脱水达到最低的损耗因素，但有最大的渗透深度。通过控制渗透脱水的工艺参数（时间、温度、压力、渗透溶液的成分）变化可调节水果和蔬菜的介电特性，以促进使用微波法进一步干燥。2.2 介电特性在谷类和种子的中的应用根据物料介电常数的不同来测定农产品物料的含水率，介电常数愈大，物料的含水率愈高。水的介电损耗因数比干物质的大至少几十倍，所以将含水的农产品放在高频或超
14、高频电场中时,大部分能量将被水分子吸收，水分很快蒸发，而材料本身因吸收能量少，温度比较低。2.2.1 含水率的测定鲍一丹等对大豆含水率进行快速无损测量时,由大豆介质套筒式电容器、信号发生器、信号测量仪组成检测装置,研究不同测试频率时大豆的电特性(等效电容、损耗角正切、等效电阻)与含水率的关系。最后得出大豆的最适测试频率为1kHz；经单纯形法拟合得出等效电容与含水率呈幂函数关系。郝晓莉对水稻、玉米和大豆3种物料的含水率进行了标定试验，利用含水率与电压比的关系进行回归分析，得到了一种回归方程，利用方程可以轻松计算出含水率。姜学东等通过对小麦种子进行二次回归正交试验，得到了以分选电压和分选滚筒转速为
15、变量的回归方程，并确定了最优化的介电分选参数组合。2.2.2 利用介电特性进行谷物与种子的分选2006年Kamil等指出红花种子湿度是影响其介电特性的最重要的因素，红花种子的介电常数随着湿度和溶积密度的增加、射频范围的减小而减小，并建立起描述这种关系的多项式方程。米双山等于2003年通过对种子介电特性的研究，分析了影响种子介电特性的因素以及种子介电常数与种子活力之间的关系。测试结果表明，活力高的种子的介电常数较小，活力低的介电常数较大。通过对分选电极材料和型式的研究，研制了以铝作为芯材并具有双绝缘层的电极。得出了“无论是分选大粒种子还是分选小粒种子，都以小直径的电极绝缘线缠绕的滚筒为佳”的结论
16、，为分选电极的设计与选用提供了理论依据。2.3介电特性在植物抗逆行中的研究金树德等以玉米为例对植物生理电特性指标进行了研究用套针式电阻传感器测玉米茎杆生理电阻用介电常数变化型平行平板电容传感器测玉米叶片生理电容都能实时准确反映植株水分状况其配套的植物需水信息仪可用于抗旱亏水诊断及自动节水灌溉。2005年浙江大学沈杰辉和鲍一丹研究了植物缺水信息于植物叶片电特性和叶片水势之间的变化规律，得出结论，叶片电特性的变化能较好地反映植株干旱程度的变化，叶片电容受环境影响较小，日变化小，测量更方便、直观,为直接快速检测植物缺水程度提供了一种新的方法，并指出100Hz为测量诊断植物缺水程度理想的频率。2.4血液电特性的研究 血液是由血浆和悬浮于其中的不同形状的血细胞组成,这些血细胞之间的液体可视为电解质,血液的构成决定了它在交变电场作用下表现为阻容抗特性。血液的频谱电特性等研究虽以红细胞为现实研究对象,通过其在血流
