电磁辐射对健康的影响引起了广泛关注,电磁辐射生物效应研究是评估电磁辐射潜在健康危害的有效方式。一方面,研究表明,细胞膜可能是外加电磁场作用的初始靶标,细胞膜上的跨膜电位等相关电生理信号是人们关注的重点。细胞膜电位是反映细胞生理状态和功能的良好指标,而在外加电磁场的作用下,细胞膜电位的变化可能会引起细胞生理、生化状态的改变,进而导致后续一列的连锁反应。另一方面,已有的电磁辐射生物效应研究多集中于辐照后的生物学效应,即在电磁辐射之后的某些时间点检测生物样本相关指标的变化情况,忽略了辐照过程中的效应。而电磁场对生物体电生理信号的作用很可能是一个实时的作用,可通过生物体电生理信号的改变而导致后续一系列变化如神经递质紊乱、基因表达改变等。但由于缺乏实时的电磁辐照系统,相关研究尚无法开展。因此,基于以上两方面,建立外加电磁场作用下细胞膜电位计算模型,设计基于细胞电生理记录的实时电磁辐照装置对掌握细胞膜电位的变化规律、开展电磁辐射过程中的生物效应研究及其在生物、医学领域的应用具有重要指导意义。且两部分内容相辅相成,膜电位的理论计算模型研究为预测可能的电磁辐射生物效应提供理论依据;适用于细胞电生理记录的实时电磁辐照装置又作为检测细胞电信号的基础,为理论计算模型提供验证手段。综合以上两方面的考虑,本文首先建立了外加电磁场作用下,悬液细胞膜电位的理论计算模型,并将模型的适用范围扩展到高频电磁场,尤其是频率高于细胞膜弛豫频率的情况。随着频率的升高,细胞膜的电导率和细胞膜内外的电容特性均需考虑在计算模型中,本文通过有效介质理论和场近似等效的方法将悬液中其他细胞的影响等效于一个局部场的作用,利用已经建立的外电场作用下单个细胞膜电位的计算模型推导出外加高频电磁场作用下,悬液细胞膜电位的计算模型。计算结果表明:在频率较低时,悬液细胞膜电位受频率、细胞浓度、排列方式等因素的影响,而当频率较高时,频率上升为主导因素。由于细胞内、外液的介电弛豫效应,跨膜电位没有随着频率升高而单调的下降,而是在中间某个频段出现了平台效应,之后随频率继续上升膜电位再重新下降。最后与其他类似的计算模型(低频)以及数值计算结果进行对比,分析了理论计算模型与数值计算结果存在偏差的原因——有效介质理论和场近似等效的方法不能精确的计算出悬液中局部电势/场分布。并提出了一种基于Bergman谱理论的可能解决方法。实际上,建立外加电场作用下悬液中细胞膜电位的理论计算模型,其关键在于精确的计算出细胞悬液的局部电场或电势分布,我们将非均质细胞单壳模型等效为均质小球模型后,实质上细胞悬液就转化成了一个二元复合介质,而基于Bergman谱理论的方法正好可以精确的计算复合介质中的电场和电势分布。第二部分内容,首先根据生物实验的需要,确定电磁辐照装置的结构为开放式传输线结构,并得到传输线结构的尺寸约束条件;然后针对阻抗匹配、单模传播等电磁特性要求,确定电磁辐照装置的结构为微屏蔽共面波导。利用保角变换法推导了微屏蔽共面波导的结构尺寸与特征阻抗关系的解析式,再结合已有的尺寸约束条件初步确定了微屏蔽共面波导的结构尺寸参数。通过CST电磁仿真软件分别建立了无生物样本和有生物样本两种情况下的微屏蔽共面波导电磁仿真模型,得到了无生物样本模型的S参数、场分布以及有生物样本模型的SAR分布及其均匀性等关键性参数。针对细胞悬液中凹液面对SAR分布的影响,又建立了含凹液面的培养皿模型,对比了平液面和凹液面的SAR分布情况,仿真结果显示凹液面对SAR分布具有明显影响。针对生物样本SAR均匀性问题,提出了改变激励方式的方法——由一端激励变为两端同时激励,仿真结果表明生物样本的SAR的均匀性有较大改善。针对电磁干扰问题,拟采用改变电极插入角度、延长玻璃电极长度等多种方式减少电磁场对电极的干扰。最后,由于MEMS技术加工微屏蔽共面波导的尺寸限制和成本问题,提出了一种新的加工工艺流程,将微屏蔽共面波导分成两部分,通过PCB加工和机械加工后再组合的方式解决了微屏蔽共面波导的加工制造问题。综上,电磁仿真结果表明设计方法合理、可靠,设计的未屏蔽共面波导装置完全符合电磁和生物实验的两方面要求,并且各参数性能较目前已有的照射装置更好。考虑到整个照射系统组建、调试和膜片钳实验的复杂性,仍需生物实验验证,这部分工作将在今后开展。