探究外部磁场对红细胞沉积影响的三维监测

红细胞沉降及外部磁场影响的三维监测研究：科学新视角

背景及研究目的

随着现代社会中电子设备的广泛普及，人类生活的环境中正逐渐受到越来越多的外部磁场（Magnetic Fields, MFs）的影响。然而，对于这些磁场对生物体尤其是血液中红细胞（Red Blood Cells, RBCs）行为的潜在影响，科学界尚未形成全面的认识。红细胞对氧气的运输至关重要，且其形状和尺寸使其能够轻松通过最狭窄的血管，完成氧气向全身组织和器官的高效运输。为了评估身体炎症或其他病理状态的标志，红细胞沉降率（Erythrocyte Sedimentation Rate, ESR）是一种广泛使用的血液学诊断技术。然而，该技术缺乏精确的三维动态监测血液流动过程的能力。

研究者发现，红细胞中的血红蛋白（Hemoglobin）因其铁离子构成而对磁场敏感。当磁场强度较高时，可对红细胞的运动及其在沉降行为中的表现产生显著影响，例如促使细胞沉降速度加快、减少血流粘度等；但相对不受控制或无持续时间限制的长期磁场暴露可能对身体生理造成有害影响。因此，探究外部磁场对红细胞行为的具体影响以及红细胞沉降过程的三维变化规律，不仅具有重要的生物物理学意义，也对现代医学疾病诊断与治疗提出了前沿性的研究思路。

作者及论文来源

本文由Kowsar Gholampour和Ali-Reza Moradi两位学者撰写，分别隶属于伊朗Zanjan的Institute for Advanced Studies in Basic Sciences（IASBS）物理系，以及德黑兰的Institute for Research in Fundamental Sciences（IPM）纳米科学系。文章发表在2025年2月1日的《Biomedical Optics Express》（第16卷第2期），展示了数字全息显微技术（Digital Holographic Microscopy, DHM）在红细胞三维监测中的创新应用。

研究流程与方法

本文描述了一项实验性研究，旨在利用DHM技术研究不同强度的外部磁场对红细胞沉降行为的影响，尤其是在接近容器壁的微观沉降动态。整个实验设计合理，流程清晰，具体分为以下几个阶段：

1. 样本制备
   新鲜人血样本由伊朗Zanjan的血液银行提供。通过低温离心（3000 g，10分钟，4 °C）分离血浆和Buffy Coat（血小板及白细胞层），随后将红细胞重悬浮于生理盐水（浓度150 mM NaCl），稀释至0.5%的红细胞比容（Hematocrit）。最终样本在37 °C水浴中保存以避免温度变化对实验的影响。

2. 三维实验配置与磁场生成
   实验使用一种基于Mach-Zehnder干涉的透射模式固定光路DHM系统，配置了用于生成不同强度磁场的仪器。样本容器为单孔3.5 mL石英比色皿（横截面10 mm×10 mm），位于对向磁场线圈之间，线圈通过200匝0.9 mm铜线绕铁芯以产生8、13及16 mT的磁场。

3. 数字全息显微技术的应用
   在实验开始时，红细胞在注入装置的控制下悬液注射入液体表面，并开始自由沉降。系统通过摄像头以25 fps的帧率记录数字全息图，随后进行全息图的数值处理，包括频谱提取、相位重建、数值聚焦和3D追踪。利用DHM的数值聚焦特性，研究者能够在不进行物理调整的情况下，通过后期处理获得样本不同深度的清晰图像，并精确跟踪多细胞轴向和空间的沉降轨迹及速度。

4. 理论建模与数值计算
   研究进一步结合实验数据，对红细胞沉降行为建立了理论模型，综合磁力（Magnetic Force）、重力（Gravitational Force）、流体阻力（Drag Force）以及壁面效应（Proximity Effect）之间的关系。通过数学公式（例如Stokes公式和磁力梯度分析公式），研究者预测了不同条件下红细胞沉降速度的行为特征。

实验结果与分析

实验结果揭示了以下几个关键现象：

1. 三维沉降轨迹的变化
   在不同强度的磁场下，红细胞的沉降轨迹显示出明显规律。在无磁场控制下，红细胞沉降路径较为弯曲，而随着磁场强度从8 mT增至16 mT，细胞的沉降路径更加垂直化且偏离直线方向的幅度显著减少，尤其是在靠近容器壁的区域。

2. 沉降速度的变化
   不同磁场强度下，红细胞沉降速度明显提高；例如，在16 mT下靠近壁面的红细胞其单次100 µm沉降的时间从未加磁场时的0.6秒缩短至不超过0.1秒。此外，沉降速度的波动范围在靠近容器壁时减少，而在更强磁场下有所加剧。

3. 壁效应的增强
   研究发现磁场强度越高，红细胞越倾向于在接近容器壁的区域沉降。这与容器壁附近磁场梯度增大密切相关，验证了距离壁面较近的区域磁力对细胞行为的显著促进作用。

结论与意义

本研究通过实验验证了外部磁场对红细胞沉降的促进作用，特别是在靠近容器壁时表现更加显著。这种促进作用与磁场对血红蛋白的影响密切相关。从科学意义上看，本研究不仅验证了理论模型的准确性，还为模拟血液在血管中的微观动态行为提供了新的实验手段。从实用角度看，外部磁场可能对血液流变学特性（如血液粘度降低）具有潜在治疗价值，同时也提示长期暴露在电器设备产生的外部磁场中可能带来的健康风险。

值得注意的是，本研究中使用的DHM技术展现了强大的空间和时间分辨能力以及3D成像优势，为研究微观流体力学尤其是小尺度生物对象的动态行为提供了独特的方法学参考。

未来展望与研究价值

研究者强调了深入探讨电子设备产生的外部磁场对人体长期低强度暴露影响的重要性。例如进一步验证临床级强度磁场的效果，考察日常低强度磁场的持续累积作用。此外，研究方法学的推广应用也可能拓展至更多的生物医学领域，如研究单一或多重血细胞的动态行为，探索非牛顿流体中的输运现象，以及开发基于磁场的诊断或治疗工具。

此项研究通过实验与理论结合的方式，为揭示红细胞在外部磁场作用下的三维动态行为提供了系统性的框架，不仅推动了流体力学和生物医学的前沿研究，还为应对现代社会电子环境的健康挑战提出了科学依据。