适用于激光共聚焦活细胞成像的实时微波照射系统研制和剂量学研究

微波辐射引起细胞的瞬时变化可能为非热效应的机制研究提供重要信息，激光共聚焦成像技术灵敏度和分辨率高，是分析微波生物相互作用中活细胞结构、分子、离子的实时动态瞬时变化过程的有力工具。本文围绕共聚焦成像实时照射系统的研制拟开展以下三部分研究内容：（1）建立适用于激光共聚焦活细胞成像的微波实时照射和测量系统，实现样品腔的恒温控制和微波的定量照射；（2）用数值计算和实验测量的方法确定照射腔内微波场分布、细胞悬液的平均剂量和剂量分布；（3）在微观水平上构建细胞模型，用数值计算法确定照射腔内细胞在微波辐射下跨膜电压的变化及亚细胞结构上的电场分布，比较辐射源参数、电磁参数、细胞形状等因素对细胞内场分布的影响。该研究结果将为微波辐射的非热效应实验提供温度恒定、参数可调的细胞照射平台，为揭示微波与细胞相互作用的原初物理过程和作用规律奠定基础。

微波的生物效应机制，尤其是非热效应机制尚不明确，实时辐照和检测方法为探讨低强度微波可能产生的非热效应机制研究提供了一条崭新的思路。本文研制了一种适用于激光扫描共聚焦显微观察的微波实时辐照装置，并对其特性进行了仿真计算和测试。分别对细胞培养样品和单细胞水平上开展了剂量学研究：针对受辐照的细胞培养样品，采用测温法和仿真计算方法对其吸收的剂量和剂量分布进行了研究；在细胞水平上，计算了简化的球形细胞和血细胞内外的电场分布和跨膜电压，分析了介质电磁参数和细胞形状对细胞微剂量学量的影响。除了完成计划书中的上述内容外，本项目还开展了用荧光染料在线测量细胞温度的方法，用于实时监测生物电磁学中的重要参数——温度，结果显示准确度满足实验要求。最后，在本实时照射系统研制的基础上开展了体外细胞实验，观察到微波辐照瞬时会抑制PC12细胞活性氧的产生，但非实时的检测方法却观察不到该变化，说明本实时辐照装置提高了生物指标检测的灵敏度，会为微波辐射可能存在的非热效应研究提供新的线索。此类实时辐照装置为电磁辐射效应机制研究提供新型的实验平台，促进生物电磁学的深入发展。