[拼音]：shengwucixue
[外文]：biomagnetism
研究生物磁性和生物磁场的生物物理学分支。通过生物磁学研究，可以获得有关生物大分子、细胞、组织和器官结构与功能关系的信息，了解生命活动中物质输运、能量转换和信息传递过程中生物磁性的表现和作用。生物磁学研究与物理学、生物学、心理学和生理学、医学等有密切关系，并在工农业生产、医学诊断和治疗、环境保护、生物工程等方面有广阔应用前景。
生物物质的磁性
磁性是物质的一种基本属性，组成宏观物体的各种原子、电子和原子核都有一定的磁矩。根据物质在外磁场中表现的不同磁性行为，可分为抗磁性物质、顺磁性物质、铁磁性物质和反铁磁性物质。组成生物体的分子中大部分表现为抗磁性，例如水分子。一些生物大分子也表现抗磁性，例如DNA分子由杂环多聚核苷酸链组成的碱基对，是各向异性的抗磁性物质，当其分子杂环平面与外磁场平行时，DNA分子的丝轴就向磁场垂直取向。含有过渡族元素(如Fe、Mn、Co、Cu、Mo等)的生物大分子在一定条件下表现顺磁性，如含铁的血红蛋白、含钴的维生素B12、含铜的肝铜蛋白等，其中过渡族金属元素的不成对电子在d轨道内，从而使一些蛋白质在外加磁场中呈现各向异性的顺磁性。此外在生物体内一些生化反应中，会产生短寿命的自由基，由于自由基具有未配对电子──自旋磁矩，因而呈现顺磁性。80年代发现，在有些向磁性细菌和蜜蜂、鸽子及海豚体内含有微小的Fe3O4颗粒，这种亚铁磁性物质与这些生物的定向运动功能有着密切的关系。
生物物质的磁性与其结构和功能的关系
具有顺磁性的许多蛋白质和酶在生命活动中有重要功能，例如含铁的血红蛋白（参与氧输运）、氧化还原素（参与光合作用）、琥珀酸脱氢酶（参与碳水化合物氧化），含钴的核糖核苷酸氧化酶（参与 DNA合成）、谷氨酸变位酶（参与氨基酸代谢），含铜的血清蛋白(负责铁的利用)等。测量生物物质的磁化率，可以了解其结构与功能关系的一些信息，如测量顺磁性的脱氧血红蛋白和脱氧肌红蛋白的磁化率与温度的关系，可确定其中Fe3+的能级分裂参数。对人喉正常组织和肿瘤组织的磁化率测量表明，两者有显著的差异。
根据物质的固有磁矩与外磁场相互作用，在一定条件下发生强烈共振吸收而建立的磁共振技术，具有灵敏度高、选择性强、可以研究动态和瞬变过程等特点，是研究生物物质结构和功能关系的十分重要的技术。从吸收谱线的位置、峰的高度和面积、谱线分裂、自旋－自旋弛豫时间、自旋-晶格弛豫时间等参量的分析，可以得到生物物质微观结构和动态变化的大量信息。利用顺磁共振（电子自旋共振）谱可以研究含有顺磁性离子的蛋白质和酶及生命活动过程中瞬时产生的自由基，例如，测量光合作用中产生的自由基数量与光照强度和频率的关系，可探讨光合作用机制。还可把含有自由基的分子加入到不含自由基或顺磁性离子的生物物质中，作为微探针（称自旋标记），用顺磁共振谱研究被标记的生物物质微观结构及其动态变化。对含有大量较轻元素（如氢、氧、氮、磷等）的生物物质，十分适合用核磁共振技术研究（见核磁共振），例如，用核磁共振谱已认证出含16种氨基酸的胰岛素中8种氨基酸谱线，这对人工合成生物材料的鉴定有重要作用。分析吸收谱线参量的变化可以获得人体组织发生病变的信息，如对106例肿瘤病人的肿瘤组织样品和无病尸检正常组织对照研究发现，肿瘤组织的质子自旋－晶格弛豫时间比正常组织的有显著增加。80年代发展的二维核磁共振技术对测定生物大分子的溶液构象有重要的应用前景。利用磁场梯度扫描的核磁共振成象技术，可以显现生物组织和器官截面的氢元素分布，在医学诊断方面比X射线断层分析技术(CT)有更高的分辨率。此外，利用R.L.莫斯鲍尔效应的技术，可以研究含有莫斯鲍尔同位素 (如57Fe)的生物物质的微观结构和状态。
生物磁场
生物磁场的来源和探测技术生物磁场来源于生物体内的电活动和非正常生理状态的强磁性物质(如Fe3O4)。在生命活动如物质输运、能量转换和信息传递过程中，会发生电荷的传递或离子的迁移。例如心脏搏动、骨骼肌运动、神经系统感知和调控过程中，这些组织的细胞膜对各种离子的通透性会发生瞬时变化，出现脉冲式的离子电流，导致细胞膜电位的改变，形成动作电位（见兴奋）。动作电位的传播在生物组织中形成生物电流，同时伴生相应的生物磁场（图1）。此外，由于环境污染等原因，吸入人体的铁磁性物质的粉尘，会沉积于肺部或进入胃肠系统，经外加磁场磁化后，可测到一定的剩余磁场。
生物磁场都相当微弱，下表是人体几种器官和组织的磁场强度。通常地磁场约为5×10-5特斯拉(T)，一般城市环境磁噪声约为5×10-7特斯拉，可见，微弱的人体磁信号会淹没在地磁和环境磁噪中。因此，测量人体磁场既要求高灵敏度的磁强计，又需要性能良好的磁屏蔽。70年代以来，已发展了各种磁屏蔽室和空间鉴别技术（磁场梯度仪），特别是低温超导量子干涉仪(SQUID)的成功应用，使磁测量灵敏度高达10-15特斯拉，结合使用梯度仪探测，目前已可在无磁屏蔽环境工作，有力地促进了人体磁场的探测和研究。生物磁场随时间或空间位置变化的记录图称为生物磁图，生物磁图与生物电图比较有如下显著优点：
（1）磁探测器不与人体直接接触，可避免电极与体表接触产生的干扰；
（2）磁测量可得到人体恒定的和交变的磁场成分，而生物电只能得到交流成分；
（3）磁场探测器可在空间改变探测部位，能得到三维的磁场分布图，并能对源电流产生部位进行较准确定位。
人体磁图
（1）心磁图，1963年，G.M.鲍勒等首次用感应线圈法测到人的心磁信号，70年代以来，用低温超导量子干涉仪(SQUID)技术进行了更细致的研究（图2）。
心脏磁图和电图有一定相关性，但心磁图能提供更多的信息，如心脏受伤供血不足或出现心肌梗死时，可检测到出现的恒定磁场成分并能对病变部位定位，用心电图无法检测出的24～36周胎儿的心率可用磁强计检测到。
（2）脑磁图和神经磁场，1968年，D.科恩首次记录到脑的α节律磁图。近年研究表明，α节律的源定向与皮层表面垂直。在临床上利用记录发作期癫痫样放电对应的脑磁图，可对癫痫病灶作精确的三维空间定位。另一类脑磁场是测量感觉诱发磁场，对闪光刺激引起的视觉诱发脑磁场、声音刺激诱发的听觉脑磁场等的研究表明，其磁场峰值部位与生理学对视觉和听觉的脑皮层定位有很好的对应关系。1980年J.P.威克斯沃等在蛙离体坐骨神经上成功地测量了神经磁场，同时测定的由电刺激诱发的双向动作电位和磁场之间有很好的一致性，只是磁场变化时相稍为滞后。
（3）肺磁图，1973年，D.科恩首次检测了肺磁场。用探测器在人胸或背部表面扫描，或按规定的网格分别定点测量磁化后的剩磁场，得到的肺各部位磁场分布即是肺磁图(图3)。
通过分析，可推算出人肺内各部位沉积的铁磁性物质的含量和与之混合的其他粉尘含量，是对粉尘环境下作业工人的劳动防护监测的精确和方便的技术，同时也可了解吸烟者或其他肺部疾病患者的肺泡清除功能。
近年，对人体骨骼肌磁场、胃肠磁场及细胞的磁场也开展了研究。
- 参考书目
- 李国栋：《生物磁学及其应用》，科学出版社，北京，1983。
- S.J.Williamson， L.Kaufman，Biomagnetism，J.Magnetism and Magnetic Matetials，North-Holland Pub. Co.，Amsterdan， New York， 1981.