電極的基本概念

1、3.2 生物電測量電極 3.2.1 電極的基本概念 生物電是生物體最基本生理現(xiàn)象，各種生 物電位的測量都要用電極 給生物組織施加電剌激也要用電極 電極實際上是把生物體電化學(xué)活動而產(chǎn)生 的離子電位轉(zhuǎn)換成測量電子儀器的電位 電極起換能器作用，是一種傳感器。電極起換能器作用，是一種傳感器。 電流在生物體內(nèi)是靠離子傳導(dǎo)的,在電極 和導(dǎo)線中是靠電子傳導(dǎo)的, 在電極和溶液界面上則是將離子電流變 成電子電流或?qū)㈦娮与娏髯兂呻x子電流, 從而使生物體和電子儀器構(gòu)成一個電流 回路。 本節(jié)首先討論電極在換能過程中的基本 原理和機(jī)理，以及這些機(jī)理對電極性能 的影響 然后研究電極阻抗特性和等效電路,最后 介紹一些常用檢

2、測電極和剌激電極。 醫(yī)用電極按工作性質(zhì)可分為檢測電極和 刺激電極兩大類。 檢測電極是敏感元件,用來測定生物電位 的。需用電極把這個部位的電位引導(dǎo)到 電位測量儀器上進(jìn)行測量,這種電極稱為 檢測電極。 剌激電極是對生物體施加電流或電壓所 用的電極。剌激電極是個執(zhí)行元件。 剌激電極主要用于三個方面 研究可興奮組織的傳導(dǎo)和反應(yīng)的規(guī)律; 向生物體內(nèi)通入外加電流以便達(dá)到治療 某種疾病的目的; 控制或替代生物體某些功能,如臨床用 的除顫器和心臟起搏器的電極。 有時同一個電極兼有檢測和剌激雙重 功能。心臟起搏器上的電極即屬于此種 電極。 根據(jù)電極的大小和工作時所處的位置可 將電極分為宏電極和微電極。 宏電極:

3、 是外形較大的電極。它主要 用于測定生物體較大部位電位或向生物 體較大部位施加電剌激。 微電極: 是一種尖端細(xì)小、機(jī)械性能 好、能檢測細(xì)胞電活動的電極。測量細(xì) 胞內(nèi)或外電位改變的微電極,其尖端直徑 約在0.05m到10m之間。 宏電極：分為體表電極和體內(nèi)電極 體表電極置在生物體皮膚表面的電極。 體內(nèi)電極是穿透皮膚的電極。 體內(nèi)電極：分為皮下電極和植入電極。 皮下電極: 為穿透皮膚與細(xì)胞外液接觸 的電極。它能形成良好的電極/電解質(zhì)溶 液接界。常用于肌電測量和外科手術(shù)患 者心電監(jiān)測。 植入電極: 是長期埋植于體內(nèi)的電極, 用以控制或替代生物體的某些功能。 植入電極需具備如下要求: 極化阻抗 低,以

4、減小剌激所需的能量; 對生物體 無毒無害;生物組織相容性好。 首先討論電極基本原理 3.2.2 電極的極化現(xiàn)象和極化電位電極的極化現(xiàn)象和極化電位 3.2.2 .1.電極的電化學(xué)電極電位 電極電極是經(jīng)過一定處理的金屬板或金屬絲、 金屬網(wǎng)等。 用電極引導(dǎo)生物電信號時,與電極接觸的 是電解質(zhì)溶液,如導(dǎo)電膏、人體汗液或組 織液（針電極插入皮下時）。因而形成 一個金屬金屬 - - 電解質(zhì)溶液界面電解質(zhì)溶液界面。 由電化學(xué)知識可知,當(dāng)金屬放入含有該金 屬離子的電解質(zhì)溶液中,在金屬和溶液的 界面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電極電位電極電位。 如圖3.3.2-1所示。 圖 電極溶液界面的平衡電位 (a)為鋅電極放入含zn

5、2的溶液中，鋅電 極中zn2進(jìn)入溶液中，在金屬上留下電 子帶負(fù)電，溶液帶正電。 進(jìn)入水中的正離子和帶負(fù)電的金屬彼此 吸引,使大多數(shù)離子分布在靠近金屬片的 液層中,形成的電場e,阻礙zn2進(jìn)一步遷 移最終達(dá)到平衡。 此時金屬與溶液之間形成電荷分布產(chǎn)生 一定的電位差。 在兩界面形成的電位分布是雙電層分 布。圖所示為界面電極電位e的表示。 金屬和含有該金屬離子溶液所構(gòu)成的體 系稱為電極電極 金屬與溶液之間的界面電位差稱為電極電極 電位電位,又稱半電池電勢半電池電勢 3.2.2 .2 電極電位的確定 單個電極電位無法確定，國際上規(guī) 定氫電極標(biāo)準(zhǔn)電位為零，電極電位 相對與氫電極便可確定。 電極電位與溫度

6、，材料和反應(yīng)物資 的活度有關(guān)，可按nernst方程計算。 電極電位e r- 氣體常數(shù),為8.314j/（molk）； f- 法拉第常數(shù),為96487庫侖； t- 絕對溫度；n- 金屬離子價數(shù)； c- 金屬離子的有效濃度（mol/l）； k- 為一與金屬特性有關(guān)的常數(shù)。 - 為標(biāo)準(zhǔn)電極電位，常溫下在單位濃度離 子的電極電位。 k c nf rt eeln 0 0 e 表3.2 幾種常用電極材料在25時半 電池電位 0 e 是金屬在含該金屬離子有效濃度為 lmol/l的溶液中達(dá)到平衡時的電極電位 可看出 值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所有生物電位信號 的大小。 與金屬以離子形態(tài)轉(zhuǎn)入溶液的能力k 以及溫度t有關(guān)系。 0

7、 e 0 e 0 e 3.2.2 3.電極的極化和極化電位 電極的極化是指電極與電解質(zhì)溶液的 雙電層界面在有電流通過時,電極-電解 質(zhì)溶液界面電位從原有平衡電位變化為 新電極電位，該極化電位與通過電流密 度有關(guān)。 將有電流通過的電極電位與無電流的 平衡電極電位的偏離現(xiàn)象稱為極化現(xiàn)象。 兩個電位的偏差采用極化電壓或超電壓 描述。 有電流流經(jīng)一對電極時，電極出現(xiàn)極 化現(xiàn)象并產(chǎn)生極化電壓。 圖3.2 給出極化現(xiàn)象的測試裝置。 用于模擬電極與生物體之間的導(dǎo)電液 體情況 以銀電極板模擬電極，以nacl溶液模 擬生物體電解液，電池e模擬電剌激電源 或偏置電壓，漏泄電流,電阻r模擬檢測 系統(tǒng)輸入阻抗。 圖3

8、.2 極化現(xiàn)象測試圖 現(xiàn)象：現(xiàn)象： k k置置1 1：平衡狀態(tài)，兩電極半電池電位相 等，無電流通過電極 。 k k置置2 2：電源e接入,使左銀極為陽極,而右 為陰極。r上有電壓降,說明電解池回路 中有電流通過電極。且電流隨時間增加 減小，要維持電流必須升高電壓。 k k置置3 3：電源e脫開，電解池產(chǎn)生與外加電 源e極性相反的電動勢，既左正,右負(fù)。 產(chǎn)生極化現(xiàn)象 解釋 當(dāng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài),溶液中nacl濃度分 布是各處均勻的。 電池e電壓加到電極上,電極有電流通過, 陽極：陽極：發(fā)生電極反應(yīng)為： 產(chǎn)物不能擴(kuò)散離開,陽極吸附氧氣成為氧氧 電極電極。電極附近h+濃度增加。 陰極：陰極：發(fā)生電極反

9、應(yīng)為 由于產(chǎn)物不能擴(kuò)散離開,陰極吸附 氫氣,成為氫電極氫電極, 電極附近oh- 濃度增加。 由于極化， 氧電極對外電路為正, 氫電極的銀電極對外電路為負(fù)， 其極性外電池e相反。阻止進(jìn)一步極化 電極極化對使用的影響 電刺激：是電流通過電極反應(yīng)將電子轉(zhuǎn) 換成離子傳送到生物體內(nèi),然后經(jīng)過組織 器官在另一電極界面,將離子轉(zhuǎn)換成電子 而進(jìn)入電極。 電刺激目的是將電流通過電極送入生物 組織器官。 電極極化會阻礙電流進(jìn)入生物體組織器 官。應(yīng)盡量設(shè)法減小電極極化。 生物電位測定:是通過電極把待測部位的 生物電位引到檢測系統(tǒng)進(jìn)行測定。 電極極化產(chǎn)生超電壓使前級放大器的輸 入端產(chǎn)生生物電位失真，影響測量準(zhǔn)確 度。

10、 - - - - - - - 生物電檢測電極示意圖生物電檢測電極示意圖 機(jī)體外 機(jī)體內(nèi) 電極電極 電極在生物體內(nèi)離子導(dǎo)電極在生物體內(nèi)離子導(dǎo) 電和金屬的電子導(dǎo)電體電和金屬的電子導(dǎo)電體 系之間形成一個電化學(xué)系之間形成一個電化學(xué) 界面，能實現(xiàn)離子流與界面，能實現(xiàn)離子流與 電子流的互相轉(zhuǎn)換，從電子流的互相轉(zhuǎn)換，從 而使生物體和測量儀器而使生物體和測量儀器 間構(gòu)成了電流回路。間構(gòu)成了電流回路。 3.2.33.2.3 極化電極和非極化電極極化電極和非極化電極 3.2.33.2.3。1 1 定義定義 1 1。極化電極。極化電極：給電極施加電壓或電流, 在電極/電解溶液界面上無電荷通過,而 有位移電流通過的電

11、極,稱為極化電極 惰性金屬如 ag,pt、等難被氧化和分解, 接近極化電極。 與電容器相似,極性與外加電壓極性相反。 2 2。非極化電極。非極化電極：不需要能量使電流通 過電極/電解質(zhì)溶液界面的電極,稱為非 極化電極。 實際上完全不需要能量的電極是不存在 的。 測量生理信號常用的ag/agc1電極接近非 極化電極性能。 電極中電流是連續(xù)的解釋： 3。 位移電流的概念：位移電流的概念： 在電路理論中，回路中傳導(dǎo)電流是連 續(xù)的，即流入電流等于流出電流。 但回路中含電容器，電容的一個極板 有傳導(dǎo)電流流入但沒有流出，另一個有 傳導(dǎo)電流流出但沒有流入，對回路而言 電流是不連續(xù)的。 解釋這種現(xiàn)象可用麥克斯

12、韋(maxwell)提 出的位移電流的概念。 麥克斯韋(james clerk maxwel 18311879)英國物理學(xué)家 , 麥克斯韋首先提出：世界上存在一種尚 未被人發(fā)現(xiàn)的電磁波 對于電容器兩極板間不導(dǎo)電的介質(zhì)，雖 然沒有自由電荷定向移動形成傳導(dǎo)電流， 但卻有一個變化的電場e 電場中某一點位移電流密度等于該點電 位移矢量對時間的變化率，也與電場對 時間的變化率成比例。通過積分可以求 出位移電流。 傳導(dǎo)電流和位移電流共同組成全電流定 律。 根據(jù)全電流定律可知，含電容器的回路 電流是連續(xù)的，電荷以傳導(dǎo)電流流入極 板，又以位移電流形式穿過極板間介質(zhì)， 在電路中全電流處處相等。 傳導(dǎo)電流和位移電

13、流共同點是都在空間 產(chǎn)生磁場 二者根本區(qū)別是傳導(dǎo)電流是電荷運(yùn)動， 通過電阻必將產(chǎn)生焦耳熱。位移電流則 是電場的變化，在空間和介質(zhì)中不產(chǎn)生 焦耳熱。 極化電極界面通過的是位移電流。按照極化電極界面通過的是位移電流。按照 全電流定律電極電流也是處處連續(xù)的。全電流定律電極電流也是處處連續(xù)的。 3.2.3 2. ag/agcl3.2.3 2. ag/agcl電極典型非極化電極電極典型非極化電極 ag/agclag/agcl電極原理分析：電極原理分析： 表面鍍有氯化銀的銀板或銀絲放在含cl- 離子溶液中所構(gòu)成。電極的表面上存在 下列平衡反應(yīng): 給電極加正電位時,反應(yīng)向左方進(jìn)行 放出電子與正電荷中和,使電

14、極電位不變。 當(dāng)給電極加負(fù)電位,反應(yīng)向右方進(jìn)行: 消掉電子,使電極電位不變。 所以：ag/agc1電極在小電流時，非常接 近非極化電極 測定心電、腦電時流過電極電流非常 小,ag/agcl電極很適用于作為檢測電極 測定心電和腦電。 ag/agcl的電極反應(yīng)是電解反應(yīng)，與金屬 的極化不同。 3.2.3 3.3.2.3 3.制作制作ag/agclag/agcl電極的方法電極的方法: : 電解法和燒結(jié)法電解法和燒結(jié)法 電解法裝置 陽極為要鍍agc1層的銀電極 陰極為供給鍍銀的銀板 1.5v電池作為電源,串聯(lián)電阻r用以限制 峰值電流。 電流表觀察電流，電流密度約5ma/cm2為 宜。 燒結(jié)法制作燒結(jié)法

15、制作 ag/agclag/agcl電極：電極： 將凈化純銀絲放在模具內(nèi),再填滿銀和氯化銀 粉末混合物,加壓,壓成圓柱體,然后再在 400溫度下烘幾個小時,制成圓柱體ag/agcl 電極，不怕磨損,便于保存,成本低。 銀引線 燒結(jié)的agcl和ag ag/agcl電極稱為可逆變電極 ag/agcl電極作為陽極陽極使用：氯離子與銀 結(jié)合成agcl,使電極上agclagcl層增厚層增厚。 電極作為陰極陰極使用：氯離子從agcl層中 進(jìn)人溶液,消耗了agcl層,使其變薄變薄。 使用使用ag/agclag/agcl電極應(yīng)注意的問題電極應(yīng)注意的問題 電極用銅線作引出線，不要使焊點與活 組織(或電解質(zhì))接觸。

16、因為焊點極化電 位是不穩(wěn)定的。 為使ag/agcl電極良好工作,在電極和活 組織間提供足夠的氯離子。 工作電流小于10-9a為宜。 電極用作記錄信號電極而不用作剌 激電極。 ag/agcl電極一般配以高輸入阻抗 放大器。 以下研究電極阻抗特性和等效電路 3.2.4.3.2.4.電極的電特性電極的電特性 1。電極的等效電路： c為雙電層電容,e為半電池電勢。 r1為雙電 層的漏電電阻,r2為電解液電阻 2 2。電極的阻抗頻率特性。電極的阻抗頻率特性 高頻時,1 /c r1 ,阻抗趨近于一個常數(shù) r2。 低頻時, 1 /c r1 ，阻抗值趨于恒定值 （r1 + r2）。 在兩極限值之間，阻抗大致與

17、頻率平方成反比。 agcl鍍層厚度對電極特性的影響 ： agcl鍍層較厚，頻率特性變化小,趨近純 阻 3.2.5 常用生物電測量電極 3.2.5.1體表電極 (a)（四肢用）金屬板式電極 (b)圓盤電極 (c)帶吸附球的電極 3.2.5.3 絕緣干電極:一種特殊電極 電極為1.560.950.63 cm3。這種絕緣干 電極由于含有有源器件,又稱為有源電極。附 著在電極上的緩沖放大器起到阻抗變換的作 用,從根本上提高了測量中的穩(wěn)定性和抗干擾 性能。電極的頻率響應(yīng)可以從0.lhz到1khz, 原理：電容耦合信號原理，電極與人體 接觸面上有一層很薄的絕緣膜把金屬電 極與人體隔開,人體和金屬電極之間形

18、成 電容,人體和電極片分別為電容的兩個極 片,中間的絕緣膜為電容器的中間介質(zhì)。 生物電信號通過這一特殊的電容器耦合 到放大器輸入端。由于電極片不與導(dǎo)電 膏或其他電解質(zhì)接觸,從而避免了極化現(xiàn) 象。 電極與人體之間的電容為2500pf-5000pf, 與放大器輸入電阻形成時間常數(shù),并由此 決定可測出的信號的最低頻率成分。 對不同的生物電信號進(jìn)行測量時,可適當(dāng) 修正這一時間常數(shù)。例如進(jìn)行心電測量 時,要求低頻為0.05hz，對于5000pf的電 容電極來說,放大器輸入端阻抗應(yīng)大于 600m。 3.2.5.4 3.2.5.4 微電極微電極 提取單細(xì)胞或神經(jīng)元電位的電極,是比細(xì) 胞尺寸還小的微電極。 微

19、電極的尖端為圓錐形，尺寸在 0.05m- 10m 范圍內(nèi)。 從制作材料上分為: 金屬微電極 填充電解液的玻璃微電極。 1.1.金屬微電極金屬微電極 結(jié)構(gòu)原理：結(jié)構(gòu)原理： 等效電路：等效電路： rfa,ca ：電極 尖端與細(xì)胞內(nèi) 液界面的等效 阻抗 e(t)：細(xì)胞膜電位 ea：電極尖端與組織電解液間電位； eb：參考電極 和電介質(zhì)間電位 c：電極金屬桿與細(xì)胞外液間由絕緣層隔開,存在分 布電容cd,總電容c = cd ,r放大器輸入電阻 金屬微電極是一種除尖端外，其余部分 用漆或玻璃絕緣的高強(qiáng)度金屬細(xì)針。金 屬包括不銹鋼，鉑銥合金和碳化鎢等。 微電極很細(xì)的尖端通常用電解腐蝕法制 作 等效電路看出：

20、如忽略rfa影響，信號通過 ca和放大器輸入電阻r，如放大器輸入 阻抗不足夠大,易將造成波形低頻失真。低頻失真。 金屬微電極等效阻抗與頻率有關(guān)。 通常可用金屬微電極獲得細(xì)胞動作電位用金屬微電極獲得細(xì)胞動作電位。 2.2.玻璃微電極玻璃微電極 玻璃微電極又稱微量吸管電極, 用玻璃 毛細(xì)管制作，加熱拉長毛細(xì)管，使縮頸 處截斷成為直徑1m的微量吸管結(jié)構(gòu) 微量吸管中充滿電解液，通常為3mol/l 的 kcl,再插入ag/agcl電極絲，然后加 蓋密封，配上參考電極。 玻璃微電極結(jié)構(gòu)原理：玻璃微電極結(jié)構(gòu)原理： 等效電路：等效電路： rt：電極阻抗 集總電容：c=cd e(t)：細(xì)胞膜電位 ea：電極金屬

21、與電解液間電位， eb:參考電極和電介質(zhì)間電位， ej:尖端電位， et:t:電極腔玻璃半透膜的膜電位 頻率特性： 信號通過串聯(lián)高阻電阻rt 和電容c，使 電極對快速變化快速變化的細(xì)胞動作電位頻響特頻響特 性性變壞。動作電位高頻部分易高頻部分易被電容旁 路。造成波形高頻失真高頻失真。 玻璃微電極常用于電極電位測量。玻璃微電極常用于電極電位測量。 克服高頻失真的方法：克服高頻失真的方法： 常采用正反饋產(chǎn)生負(fù)電容補(bǔ)償負(fù)電容補(bǔ)償?shù)姆?法減小減小c c 的有效值的有效值。 用一實際例子說明一般玻璃微電極 的頻響特性計算及其克服高頻失真 補(bǔ)償方法 例1。玻璃微電極電極頭直徑 d1 =1.5m； 電極頭腔

22、內(nèi)直徑 d2 =1.0m； 頸長 l= 3mm ； 電解液電阻率 = 2.0cm ；玻璃的相對介電常數(shù) = 1.82； 0 = 8.8510-12 f/m，求電極 電阻和電容。 解：充填電解液的電極電阻 電極頸部用同軸圓筒電容近似，則電容： 得到電極頻率響應(yīng)的高端為 而細(xì)胞動作電位的頻率成分可高達(dá)10khz， 不能滿足要求 所以必須設(shè)法減少c的值，提高頻率fh。 采用負(fù)電容補(bǔ)償電路 玻璃微電極的負(fù)電容補(bǔ)償電路玻璃微電極的負(fù)電容補(bǔ)償電路: : 正反饋方法正反饋方法：負(fù)電容補(bǔ)償。 左邊虛線部分：玻璃微電極等效電 路， 微電極阻抗rt為高阻(大于50m)使 得輸入回路時間常數(shù)很大。 負(fù)電容補(bǔ)償電路: 目的：引入負(fù)電容，減少電容c，使輸入 電路時間常數(shù)減小，高頻特性改善。 放大器為同相運(yùn)算放大器，可調(diào)節(jié)增益， 從電位器w抽頭引入cf反饋到輸入端，形 成正反饋電路。 同相運(yùn)算放大器增益為k, 反饋增益k可以由電位器w任意調(diào)節(jié)。 如果引入電容