第3章 生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)

1、第第3章章 生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ) 常向榮 3. 生物電測(cè)量電極生物電測(cè)量電極q本節(jié)首先討論電極在換能過(guò)程中的基本本節(jié)首先討論電極在換能過(guò)程中的基本機(jī)理以及這些機(jī)理對(duì)電極性能的影響機(jī)理以及這些機(jī)理對(duì)電極性能的影響 q然后研究電極阻抗特性和等效電路然后研究電極阻抗特性和等效電路,最后最后介紹一些常用檢測(cè)電極和剌激電極。介紹一些常用檢測(cè)電極和剌激電極。 -生物電檢測(cè)電極示意圖生物電檢測(cè)電極示意圖機(jī)體外機(jī)體外機(jī)體內(nèi)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(gè)電化學(xué)系之間形成一個(gè)電化學(xué)界面，能實(shí)現(xiàn)離子流與界面，能實(shí)現(xiàn)離子流與

2、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(cè)量?jī)x器而使生物體和測(cè)量?jī)x器間構(gòu)成了電流回路。間構(gòu)成了電流回路。要求掌握要求掌握q電極的分類電極的分類q雙電層雙電層q電極電位（半電池電勢(shì)）電極電位（半電池電勢(shì)）q電極極化，極化電位電極極化，極化電位q電極極化的影響電極極化的影響q極化電極與非極化電極極化電極與非極化電極q位移電流與傳導(dǎo)電流位移電流與傳導(dǎo)電流qAg/AgCl電極電極q微電極及其等效電路微電極及其等效電路q生物電是生物體最基本生理現(xiàn)象，各種生物電是生物體最基本生理現(xiàn)象，各種生物電位的測(cè)量生物電位的測(cè)量都要用電極都要用電極 q給生物組織施加給生物組織施加電剌激電剌激也要用電極也要

3、用電極 q電極實(shí)際上是把生物體電化學(xué)活動(dòng)而產(chǎn)電極實(shí)際上是把生物體電化學(xué)活動(dòng)而產(chǎn)生的離子電位轉(zhuǎn)換成測(cè)量系統(tǒng)的電位生的離子電位轉(zhuǎn)換成測(cè)量系統(tǒng)的電位 q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)的電流在生物體內(nèi)是靠離子傳導(dǎo)的,在電極和在電極和導(dǎo)線中是靠電子傳導(dǎo)的導(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子電流子電流或?qū)㈦娮与娏髯兂呻x子電流,從而使從而使生物體和儀器體系構(gòu)成了電流回路。生物體和儀器體系構(gòu)成了電流回路。3.2.1 電極的基本概念電極的基本概念q作用作用把化學(xué)活

4、動(dòng)產(chǎn)生的離子電轉(zhuǎn)換為電子測(cè)量系把化學(xué)活動(dòng)產(chǎn)生的離子電轉(zhuǎn)換為電子測(cè)量系統(tǒng)的電位。統(tǒng)的電位。q按照電極的工作性質(zhì)可分為：按照電極的工作性質(zhì)可分為：檢測(cè)電極檢測(cè)電極刺激電極刺激電極q按照尺寸大小可分為：按照尺寸大小可分為：宏電極宏電極微電極微電極q檢測(cè)電極是敏感元件檢測(cè)電極是敏感元件,用來(lái)測(cè)定生物電位用來(lái)測(cè)定生物電位的。需用電極把這個(gè)部位的電位引導(dǎo)到的。需用電極把這個(gè)部位的電位引導(dǎo)到電位測(cè)量?jī)x器上進(jìn)行測(cè)量電位測(cè)量?jī)x器上進(jìn)行測(cè)量,這種電極稱為這種電極稱為檢測(cè)電極。檢測(cè)電極。 q剌激電極是對(duì)生物體施加電流或電壓所剌激電極是對(duì)生物體施加電流或電壓所用的電極。剌激電極是個(gè)執(zhí)行元件。用的電極。剌激電極是個(gè)執(zhí)行

5、元件。q剌激電極主要用于三個(gè)方面剌激電極主要用于三個(gè)方面研究可興奮組織的傳導(dǎo)和反應(yīng)的規(guī)律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種疾病的目的; 控制或替代生物體某些功能控制或替代生物體某些功能,如臨床用的如臨床用的除顫器和心臟起搏器的電極。除顫器和心臟起搏器的電極。 有時(shí)同一個(gè)電極兼有檢測(cè)和剌激雙重功能。心臟有時(shí)同一個(gè)電極兼有檢測(cè)和剌激雙重功能。心臟起搏器上的電極即屬于此種電極。起搏器上的電極即屬于此種電極。q根據(jù)電極的大小和工作時(shí)所處的位置可根據(jù)電極的大小和工作時(shí)所處的位置可將電極分為將電極分為宏電極宏電極和和微

6、電極微電極。 q 宏電極宏電極: 是外形較大的電極。它主要用是外形較大的電極。它主要用于測(cè)定生物體較大部位電位或向生物體于測(cè)定生物體較大部位電位或向生物體較大部位施加電剌激。較大部位施加電剌激。 q 微電極微電極: 是一種尖端細(xì)小、機(jī)械性能好、是一種尖端細(xì)小、機(jī)械性能好、能檢測(cè)細(xì)胞電活動(dòng)的電極。測(cè)量細(xì)胞內(nèi)能檢測(cè)細(xì)胞電活動(dòng)的電極。測(cè)量細(xì)胞內(nèi)或外電位改變的微電極或外電位改變的微電極,其尖端直徑約在其尖端直徑約在0.05m到到10m之間。之間。q宏電極又分為體表電極和體內(nèi)電極宏電極又分為體表電極和體內(nèi)電極 q體表電極置在生物體皮膚表面的電極。體表電極置在生物體皮膚表面的電極。 q體內(nèi)電極是穿透皮膚的

7、電極。體內(nèi)電極是穿透皮膚的電極。 體內(nèi)電極又分為皮下電極和植入電極。體內(nèi)電極又分為皮下電極和植入電極。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(cè)量和外科手術(shù)患者心電監(jiān)測(cè)。是長(zhǎng)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。q植入電極植入電極: 是長(zhǎng)期埋植于體內(nèi)的電極是長(zhǎng)期埋植于體內(nèi)的電極,用用以控制或替代生物體的某些功能。以控制或替代生物體的某些功能。 q植入電極需具備如下要求植入電極需具備如下要求: 極化阻抗低極化阻抗低,以減小剌激所需的能量以減小剌激所需的能量;對(duì)生物體無(wú)毒無(wú)害對(duì)生物體無(wú)毒無(wú)害;生物組織相容性好。生物組織相容性好。3.2.2 電極的

8、極化現(xiàn)象和極化電位電極的極化現(xiàn)象和極化電位q1.電極的電化學(xué)電極電位電極的電化學(xué)電極電位電極是經(jīng)過(guò)一定處理的金屬板或金屬絲、金電極是經(jīng)過(guò)一定處理的金屬板或金屬絲、金屬網(wǎng)等。屬網(wǎng)等。 用電極引導(dǎo)生物電信號(hào)時(shí)用電極引導(dǎo)生物電信號(hào)時(shí),與電極接觸的是與電極接觸的是電解質(zhì)溶液電解質(zhì)溶液,如導(dǎo)電膏、人體汗液或組織液如導(dǎo)電膏、人體汗液或組織液（針電極插入皮下時(shí)）。（針電極插入皮下時(shí)）。因而形成一個(gè)金屬因而形成一個(gè)金屬 - 電解質(zhì)溶液界面。電解質(zhì)溶液界面。q圖圖 電極溶液界面的平衡電位電極溶液界面的平衡電位 鋅電極放入含Zn2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

9、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(chǎng),阻礙Zn2進(jìn)一步遷移最終達(dá)到平衡。此時(shí)金屬與溶液之間形成電荷分布產(chǎn)生一定的電位差。q 在兩界面形成的電位分布是在兩界面形成的電位分布是雙電層雙電層分布。分布。圖所示為界面圖所示為界面電極電位電極電位E的表示。的表示。 q 金屬和含有該金屬離子溶液所構(gòu)成的金屬和含有該金屬離子溶液所構(gòu)成的體體系系稱為電極稱為電極q 金屬與溶液之間的界面電位差稱為金屬與溶液之間的界面電位差稱為電極電極電位電位,又稱又稱半電池電勢(shì)半電池電勢(shì) 2 電極電位的確定 單個(gè)電極電位無(wú)法確定，國(guó)際上規(guī)定氫電極標(biāo)準(zhǔn)電位為零，電極電位相對(duì)于氫電極便可確定

10、。 電極電位與溫度，材料和反應(yīng)物質(zhì)的活度有關(guān)，可按Nernst方程計(jì)算。電極電位E 式中：式中：R- R- 氣體常數(shù)氣體常數(shù), ,為為8.314J/8.314J/（molKmolK）；）； F- F- 法拉第常數(shù)法拉第常數(shù), ,為為9648796487庫(kù)侖；庫(kù)侖；T- T- 絕對(duì)溫度；絕對(duì)溫度；n- n- 金屬離子價(jià)數(shù)；金屬離子價(jià)數(shù)；C- C- 金屬離子的有效濃度（金屬離子的有效濃度（mol/Lmol/L）；）；K- K- 為一與金屬特性有關(guān)的常數(shù)。為一與金屬特性有關(guān)的常數(shù)。 - - 為標(biāo)準(zhǔn)電極電位，是指常溫下該電極在單位濃度的為標(biāo)準(zhǔn)電極電位，是指常溫下該電極在單位濃度的電極電位。電極電位。當(dāng)

11、金屬離子的有效濃度當(dāng)金屬離子的有效濃度C=1 mol/LC=1 mol/L的特殊情況下的特殊情況下, , 電極電電極電位為位為KCnFRTEEln0 0EKnTElg10240 是金屬浸在含有該金屬離子有效濃度為lmol/L的溶液中達(dá)到平衡時(shí)的電極電位,稱為這種金屬的標(biāo)準(zhǔn)電極電位（表3.2 ） 可看出 值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所有生物電位信號(hào)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。0E0E0E表3.2 幾種常用電極材料在25時(shí)半電池電位0E3.電極的極化和極化電位電極的極化和極化電位q電極的極化電極的極化是指電極與電解質(zhì)溶液的雙是指電極與電解質(zhì)溶液的雙電層界面在有電流通過(guò)時(shí)電層界面在有電

12、流通過(guò)時(shí),電極電極-電解質(zhì)溶電解質(zhì)溶液界面電位從原有平衡電位變化為液界面電位從原有平衡電位變化為新電新電極電位極電位，該極化電位與通過(guò)電流密度有，該極化電位與通過(guò)電流密度有關(guān)。關(guān)。 q將有電流通過(guò)的電極電位與無(wú)電流的平將有電流通過(guò)的電極電位與無(wú)電流的平衡電極電位的偏離現(xiàn)象稱為衡電極電位的偏離現(xiàn)象稱為極化現(xiàn)象極化現(xiàn)象。兩個(gè)電位的偏差采用兩個(gè)電位的偏差采用極化電壓極化電壓或超電壓或超電壓描述。描述。q有電流流經(jīng)一對(duì)電極時(shí)，電極出現(xiàn)極化有電流流經(jīng)一對(duì)電極時(shí)，電極出現(xiàn)極化現(xiàn)象并產(chǎn)生極化電壓?，F(xiàn)象并產(chǎn)生極化電壓。 q模擬電極與生物體之間的導(dǎo)電液體情況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

13、，以銀電極板模擬電極，以以NaCl溶液模擬生物體電解液，溶液模擬生物體電解液，電池電池E模擬電剌激電源或檢測(cè)系統(tǒng)輸入級(jí)的模擬電剌激電源或檢測(cè)系統(tǒng)輸入級(jí)的偏置電壓及漏泄電流偏置電壓及漏泄電流,電阻電阻R模擬檢測(cè)系統(tǒng)輸入阻抗。模擬檢測(cè)系統(tǒng)輸入阻抗。極化現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)圖極化現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)圖 模擬電極與生物體之間的導(dǎo)電液體情況模擬電極與生物體之間的導(dǎo)電液體情況檢測(cè)電極或刺激電極檢測(cè)電極或刺激電極電解液輸入阻抗q開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)K置置1：平衡狀態(tài)，兩電極半電池電：平衡狀態(tài)，兩電極半電池電位相等，無(wú)電流通過(guò)電極位相等，無(wú)電流通過(guò)電極 。 q開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)K置置2：電源：電源E接入接入,使左銀極為陽(yáng)極使左銀極為陽(yáng)極,而而右為陰極右為

14、陰極。R上有電壓降上有電壓降,說(shuō)明電解池說(shuō)明電解池回路中有電流通過(guò)電極回路中有電流通過(guò)電極。且電流隨時(shí)間。且電流隨時(shí)間增加減小，要維持電流必須升高電壓。增加減小，要維持電流必須升高電壓。 q開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)K置置3：電源：電源E脫開(kāi)，脫開(kāi)，電解池產(chǎn)生與電解池產(chǎn)生與外加電源外加電源E極性相反的電動(dòng)勢(shì)極性相反的電動(dòng)勢(shì)，既左正既左正,右負(fù)。產(chǎn)生極化現(xiàn)象右負(fù)。產(chǎn)生極化現(xiàn)象 解釋解釋q當(dāng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)當(dāng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài),溶液中溶液中NaCl濃度分濃度分布是各處均勻的。布是各處均勻的。 q電池電池E電壓加到電極上電壓加到電極上,電極有電流通過(guò)電極有電流通過(guò),陰極（右）陰極（右）上發(fā)生電極反應(yīng)為上發(fā)生電極反應(yīng)為:

15、 q由于產(chǎn)物不能擴(kuò)散離開(kāi)由于產(chǎn)物不能擴(kuò)散離開(kāi),陰極吸附氫氣陰極吸附氫氣,成成為為氫電極氫電極,電極附近電極附近OH- 濃度增加。濃度增加。 q在在陽(yáng)極（左）陽(yáng)極（左）上發(fā)生電極反應(yīng)為：上發(fā)生電極反應(yīng)為： q產(chǎn)物不能擴(kuò)散離開(kāi)產(chǎn)物不能擴(kuò)散離開(kāi),致使陽(yáng)極吸附氧氣成致使陽(yáng)極吸附氧氣成為為氧電極氧電極。電極附近電極附近H+濃度增加濃度增加。q由于極化，氧電極的銀電極由于極化，氧電極的銀電極（左）（左）對(duì)外對(duì)外電路為正電路為正,q而為氫電極的銀電極而為氫電極的銀電極（右）（右）對(duì)外電路為對(duì)外電路為負(fù)，負(fù)，q其極性恰與外接電池其極性恰與外接電池E相反。阻止進(jìn)一步相反。阻止進(jìn)一步極化極化 電極極化對(duì)使用的影響

16、電極極化對(duì)使用的影響q電刺激：是電流通過(guò)電極反應(yīng)將電子轉(zhuǎn)電刺激：是電流通過(guò)電極反應(yīng)將電子轉(zhuǎn)換成離子傳送到生物體內(nèi)換成離子傳送到生物體內(nèi),然后經(jīng)過(guò)組織然后經(jīng)過(guò)組織器官在另一電極界面器官在另一電極界面,將離子轉(zhuǎn)換成電子將離子轉(zhuǎn)換成電子而進(jìn)入電極。而進(jìn)入電極。 q電刺激目的是將電流通過(guò)電極送入生物電刺激目的是將電流通過(guò)電極送入生物組織器官。組織器官。 q電極極化會(huì)阻礙電流進(jìn)入生物體組織器電極極化會(huì)阻礙電流進(jìn)入生物體組織器官官。應(yīng)盡量設(shè)法減小電極極化。應(yīng)盡量設(shè)法減小電極極化。q生物電位測(cè)定生物電位測(cè)定:是通過(guò)電極把待測(cè)部位的是通過(guò)電極把待測(cè)部位的生物電位引到檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)定。生物電位引到檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)

17、定。 q電極極化產(chǎn)生超電壓使前級(jí)放大器的輸電極極化產(chǎn)生超電壓使前級(jí)放大器的輸入端產(chǎn)生生物電位失真入端產(chǎn)生生物電位失真，影響測(cè)量準(zhǔn)確，影響測(cè)量準(zhǔn)確度。度。3.2.3極化電極和非極化電極極化電極和非極化電極q極化電極：給電極施加電壓或電流極化電極：給電極施加電壓或電流,在電在電極極/電解溶液界面上無(wú)電荷通過(guò)電解溶液界面上無(wú)電荷通過(guò),而有位移而有位移電流通過(guò)的電極電流通過(guò)的電極,稱為極化電極稱為極化電極 q惰性金屬如惰性金屬如 Ag,Pt、等難被氧化和分解、等難被氧化和分解,接近極化電極。接近極化電極。 q與電容器相似與電容器相似,極性與外加電壓極性相反。極性與外加電壓極性相反。 q非極化電極：不需

18、要能量使電流通過(guò)電非極化電極：不需要能量使電流通過(guò)電極極/電解質(zhì)溶液界面的電極電解質(zhì)溶液界面的電極,稱為非極化電稱為非極化電極。極。 q實(shí)際上完全不需要能量的電極是不存在實(shí)際上完全不需要能量的電極是不存在的。的。 q測(cè)量生理信號(hào)常用的測(cè)量生理信號(hào)常用的Ag/AgC1電極接近電極接近非極化電極性能。非極化電極性能。位移電流的概念位移電流的概念q 在電路理論中，回路中傳導(dǎo)電流是連續(xù)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。的，即流入電流等于流出電流。 q但回路中含電容器，電容的一個(gè)極板有但回路中含電容器，電容的一個(gè)極板有傳導(dǎo)電流流入但沒(méi)有流出，另一個(gè)有傳傳導(dǎo)電流流入但沒(méi)有流出，

19、另一個(gè)有傳導(dǎo)電流流出但沒(méi)有流入，對(duì)回路而言電導(dǎo)電流流出但沒(méi)有流入，對(duì)回路而言電流是不連續(xù)的。流是不連續(xù)的。 q解釋這種現(xiàn)象可用麥克斯韋解釋這種現(xiàn)象可用麥克斯韋(Maxwell)提提出的位移電流的概念。出的位移電流的概念。 q 對(duì)于電容器兩極板間不導(dǎo)電的介質(zhì)，雖對(duì)于電容器兩極板間不導(dǎo)電的介質(zhì)，雖然沒(méi)有自由電荷定向移動(dòng)形成傳導(dǎo)電流，然沒(méi)有自由電荷定向移動(dòng)形成傳導(dǎo)電流，但卻有一個(gè)但卻有一個(gè)變化的電場(chǎng)變化的電場(chǎng)E q電場(chǎng)中某一點(diǎn)位移電流密度等于該點(diǎn)電電場(chǎng)中某一點(diǎn)位移電流密度等于該點(diǎn)電位移矢量對(duì)時(shí)間的變化率位移矢量對(duì)時(shí)間的變化率，也與電場(chǎng)對(duì)，也與電場(chǎng)對(duì)時(shí)間的變化率成比例。通過(guò)積分可以求時(shí)間的變化率成比例

20、。通過(guò)積分可以求出位移電流。出位移電流。 q傳導(dǎo)電流和位移電流共同組成全電流定傳導(dǎo)電流和位移電流共同組成全電流定律。律。 q據(jù)全電流定律可知，含電容器的回路電據(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，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(guò)極板間介質(zhì)，在又以位移電流形式穿過(guò)極板間介質(zhì)，在電路中全電流處處相等。電路中全電流處處相等。 q傳導(dǎo)電流和位移電流共同點(diǎn)是都在空間傳導(dǎo)電流和位移電流共同點(diǎn)是都在空間產(chǎn)生磁場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng) q二者根本區(qū)別是二者根本區(qū)別是傳導(dǎo)電流是電荷運(yùn)動(dòng)傳導(dǎo)電流是電荷運(yùn)動(dòng)，通過(guò)電阻必將產(chǎn)生焦耳熱。通過(guò)電阻必將產(chǎn)生焦耳熱。位移電流則位移電流

21、則是電場(chǎng)的變化是電場(chǎng)的變化，在空間和介質(zhì)中不產(chǎn)生，在空間和介質(zhì)中不產(chǎn)生焦耳熱。焦耳熱。 q極化電極界面通過(guò)的是位移電流極化電極界面通過(guò)的是位移電流。按照。按照全電流定律電極電流是連續(xù)的。全電流定律電極電流是連續(xù)的。 2.Ag/AgCl電極非極化電極電極非極化電極q表面鍍有氯化銀的銀板或銀絲放在含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。電極的表面上存在離子溶液中所構(gòu)成。電極的表面上存在下列平衡反應(yīng)下列平衡反應(yīng):q給電極加正電位時(shí)給電極加正電位時(shí),反應(yīng)向左方進(jìn)行反應(yīng)向左方進(jìn)行 放出電子與正電荷中和放出電子與正電荷中和,使電極電位不變。使電極電位不變。q當(dāng)給電極加負(fù)電位當(dāng)給電極加負(fù)電

22、位,反應(yīng)向右方進(jìn)行反應(yīng)向右方進(jìn)行: 消掉電子消掉電子,使電極電位不變。使電極電位不變。 qAg/AgC1電極在小電流時(shí)非常接近非極電極在小電流時(shí)非常接近非極化電極化電極 q測(cè)定心電、腦電時(shí)流過(guò)電極電流非常測(cè)定心電、腦電時(shí)流過(guò)電極電流非常小小,Ag/AgCl電極很適用于作為檢測(cè)電極電極很適用于作為檢測(cè)電極測(cè)定心電和腦電。測(cè)定心電和腦電。 qAg/AgCl的電極反應(yīng)是的電極反應(yīng)是電解反應(yīng)電解反應(yīng)，與金，與金屬的極化不同。屬的極化不同。3.制作制作Ag/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 q電解法裝置電解法裝置 q 陽(yáng)極為要鍍陽(yáng)極為要鍍AgC1層層的銀電極的銀電極 q 陰極為

23、供給鍍銀的銀陰極為供給鍍銀的銀板板 q 1.5V電池作為電源電池作為電源,串串聯(lián)電阻聯(lián)電阻R用以限制峰用以限制峰值電流。值電流。 q 電流表觀察電流，電電流表觀察電流，電流密度約流密度約5mA/cm2為為宜。宜。 燒結(jié)法制作燒結(jié)法制作 Ag/AgCl電極：電極：q將凈化純銀絲放在模具內(nèi)將凈化純銀絲放在模具內(nèi),再填滿銀和氯再填滿銀和氯化銀粉末混合物化銀粉末混合物,加壓加壓,壓成圓柱體壓成圓柱體,然后再然后再在在400溫度下烘幾個(gè)小時(shí)溫度下烘幾個(gè)小時(shí),制成圓柱體制成圓柱體Ag/AgCl電極，不怕磨損電極，不怕磨損,便于保存便于保存,成本成本低。低。qAg/AgCl電極稱為可逆變電極電極稱為可逆變電

24、極 qAg/AgCl電極作為陽(yáng)極使用：電極作為陽(yáng)極使用：氯離子與銀結(jié)合成氯離子與銀結(jié)合成AgCl,使電極上使電極上AgCl層增層增厚。厚。 q電極作為陰極使用：電極作為陰極使用：氯離子從氯離子從AgCl層中進(jìn)人溶液層中進(jìn)人溶液,消耗了消耗了AgCl層層,使其變薄。使其變薄。使用使用Ag/AgCl電極應(yīng)注意的問(wèn)題電極應(yīng)注意的問(wèn)題q電極用銅線作引出線，不要使焊點(diǎn)與活組織電極用銅線作引出線，不要使焊點(diǎn)與活組織(或電解質(zhì)或電解質(zhì))接觸。因?yàn)楹更c(diǎn)極化電位是不穩(wěn)定接觸。因?yàn)楹更c(diǎn)極化電位是不穩(wěn)定的。的。 q為使為使Ag/AgCl電極良好工作電極良好工作,在電極和活組織間在電極和活組織間提供足夠的氯離子。提供

25、足夠的氯離子。 q工作電流小于工作電流小于10-9A為宜。為宜。 q電極用作記錄信號(hào)電極而不用作剌激電極。電極用作記錄信號(hào)電極而不用作剌激電極。 q Ag/AgCl電極一般配以高輸入阻抗放大器。電極一般配以高輸入阻抗放大器。3.2.4.電極的電特性電極的電特性q電極的等效電路：電極的等效電路：qC為雙電層電容為雙電層電容,E為半電池電勢(shì)。為半電池電勢(shì)。 R1為為雙電層的漏電電阻雙電層的漏電電阻,R2為電解液電阻為電解液電阻電極的阻抗頻率特性電極的阻抗頻率特性 q 高頻時(shí)高頻時(shí),1 /C R1 ,阻抗趨近于一個(gè)常數(shù)阻抗趨近于一個(gè)常數(shù) R2。 q 低頻時(shí)低頻時(shí), 1 /C R1 ，阻抗值趨于恒定值

26、，阻抗值趨于恒定值 （R1 + R2）。）。 q 在兩極限值之間，阻抗大致與頻率平方成反比。在兩極限值之間，阻抗大致與頻率平方成反比。qAgCl鍍層厚度對(duì)電極特性的影響鍍層厚度對(duì)電極特性的影響 ： qAgCl鍍層較厚，頻率特性變化小鍍層較厚，頻率特性變化小,趨近純趨近純阻阻 3.2.5 幾種常用電極幾種常用電極q(a)四肢用金屬板式電極四肢用金屬板式電極 q幾種常用電極幾種常用電極q(b)圓盤(pán)電極圓盤(pán)電極幾種常用電極幾種常用電極qq(c)帶吸附球的電極帶吸附球的電極針電極針電極絲電極絲電極埋藏電極埋藏電極 絕緣干電極絕緣干電極 q 電極為電極為1.560.950.63 cm3。這種絕緣干電極由

27、于含有有源。這種絕緣干電極由于含有有源器件器件,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變換的作用,從根本上提高了測(cè)量中的穩(wěn)定性和抗干擾性能。從根本上提高了測(cè)量中的穩(wěn)定性和抗干擾性能。電極的頻率響應(yīng)可以從電極的頻率響應(yīng)可以從0.lHz到到1KHz, q用電容耦合信號(hào)原理，電極與人體接觸用電容耦合信號(hào)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面上有一層很薄的絕緣膜把金屬電極與人體隔開(kāi)人體隔開(kāi),人體和金屬電極之間形成電容人體和金屬電極之間形成電容,人體和電極片分別為電容的兩個(gè)極片人體和電極片分別為電容的兩個(gè)極片,中中間的

28、絕緣膜為電容器的中間介質(zhì)。間的絕緣膜為電容器的中間介質(zhì)。 q生物電信號(hào)通過(guò)這一特殊的電容器耦合生物電信號(hào)通過(guò)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)接觸膏或其他電解質(zhì)接觸,從而避免了極化現(xiàn)從而避免了極化現(xiàn)象。象。q電極與人體之間的電容為電極與人體之間的電容為2500pF-5000pF,與放大器輸入電阻形成時(shí)間常數(shù)與放大器輸入電阻形成時(shí)間常數(shù),并由此并由此決定可測(cè)出的信號(hào)的最低頻率成分。決定可測(cè)出的信號(hào)的最低頻率成分。 q對(duì)不同的生物電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí)對(duì)不同的生物電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí),可適當(dāng)可適當(dāng)修正這一時(shí)間常數(shù)。例如進(jìn)行心電測(cè)量修正這一時(shí)

29、間常數(shù)。例如進(jìn)行心電測(cè)量時(shí)時(shí),要求低頻為要求低頻為0.05Hz，對(duì)于，對(duì)于5000pF的電的電容電極來(lái)說(shuō)容電極來(lái)說(shuō),放大器輸入端阻抗應(yīng)大于放大器輸入端阻抗應(yīng)大于600M。 微電極微電極q提取單細(xì)胞或神經(jīng)元電位的電極提取單細(xì)胞或神經(jīng)元電位的電極,是比細(xì)是比細(xì)胞尺寸還小的微電極。胞尺寸還小的微電極。 q微電極的尖端為圓錐形，尺寸在微電極的尖端為圓錐形，尺寸在0.05m- 10m 范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。 q從制作材料上分為從制作材料上分為: 金屬微電極金屬微電極 填充電解液的玻璃微電極。填充電解液的玻璃微電極。金屬微電極金屬微電極 金屬微電極等效電路圖金屬微電極等效電路圖q 金屬微電極測(cè)量細(xì)胞電位等金屬微

30、電極測(cè)量細(xì)胞電位等效電路圖：效電路圖：q Rfa,Ca為電極尖端與細(xì)胞內(nèi)為電極尖端與細(xì)胞內(nèi)液界面的等效阻抗液界面的等效阻抗q E(t)細(xì)胞膜電位；細(xì)胞膜電位； Ea電極尖電極尖端與組織電解液間電位；端與組織電解液間電位； Eb參考電極和電介質(zhì)間電位參考電極和電介質(zhì)間電位q 電極金屬桿與細(xì)胞外液間由電極金屬桿與細(xì)胞外液間由絕緣層隔開(kāi)絕緣層隔開(kāi),存在分布電容存在分布電容Cd,總電容總電容C = Cd q金屬微電極是一種除尖端外，其余部分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。屬包括不銹鋼，鉑銥合金和碳化

31、鎢等。微電極很細(xì)的尖端通常用電解腐蝕法制微電極很細(xì)的尖端通常用電解腐蝕法制作作 q等效電路看出，金屬微電極等效阻抗與等效電路看出，金屬微電極等效阻抗與頻率有關(guān)。一般在幾兆歐到幾十兆歐，頻率有關(guān)。一般在幾兆歐到幾十兆歐，在連到電極的放大器輸入阻抗不是足夠在連到電極的放大器輸入阻抗不是足夠大的情況下大的情況下,將造成波形的低頻失真，將造成波形的低頻失真，通通常用金屬微電極獲得細(xì)胞動(dòng)作電位。常用金屬微電極獲得細(xì)胞動(dòng)作電位。金屬微電極電路圖金屬微電極電路圖電極尖端與細(xì)胞內(nèi)液間的阻抗細(xì)胞膜電位細(xì)胞內(nèi)阻液電阻電極尖端與組織液間的電位參考電極與電解質(zhì)電位參考電極與細(xì)胞外液間的阻抗細(xì)胞內(nèi)阻液電阻玻璃微電極玻璃

32、微電極q玻璃微電極又稱玻璃微電極又稱微量吸管電極微量吸管電極, 用玻璃毛用玻璃毛細(xì)管制作，加熱拉長(zhǎng)毛細(xì)管，使縮頸處細(xì)管制作，加熱拉長(zhǎng)毛細(xì)管，使縮頸處截?cái)喑蔀橹睆浇財(cái)喑蔀橹睆?m的微量吸管結(jié)構(gòu)的微量吸管結(jié)構(gòu) q微量吸管中充滿電解液，通常為微量吸管中充滿電解液，通常為3mol/l的的 KCl,再插入再插入Ag/AgCl電極絲，然后加蓋密電極絲，然后加蓋密封，配上參考電極。封，配上參考電極。 qRt：電極阻抗：電極阻抗 q q集總電容集總電容C=Cd qE(t)細(xì)胞膜電位，細(xì)胞膜電位，Ea：電極金屬與電解液間電：電極金屬與電解液間電位，位，Eb:參考電極和電介質(zhì)間電位，參考電極和電介質(zhì)間電位，Ej:

33、尖端電尖端電位，位，Et:電極腔玻璃半透膜的膜電位電極腔玻璃半透膜的膜電位q特性：高阻電阻和并聯(lián)電容存在，使電特性：高阻電阻和并聯(lián)電容存在，使電極對(duì)快速變化的細(xì)胞動(dòng)作電位頻響特性極對(duì)快速變化的細(xì)胞動(dòng)作電位頻響特性變壞。動(dòng)作電位高頻部分被電容旁路。變壞。動(dòng)作電位高頻部分被電容旁路。造成波形失真。造成波形失真。 q常采用常采用正反饋產(chǎn)生負(fù)電容補(bǔ)償?shù)姆椒p正反饋產(chǎn)生負(fù)電容補(bǔ)償?shù)姆椒p小小C 的有效值。的有效值。 q用一個(gè)實(shí)際例子說(shuō)明一般玻璃微電極的用一個(gè)實(shí)際例子說(shuō)明一般玻璃微電極的頻響特性頻響特性q玻璃微電極電極頭直徑玻璃微電極電極頭直徑 d1 =1.5m； 電電極頭腔內(nèi)直徑極頭腔內(nèi)直徑 d2 =1.0m；頸長(zhǎng)；頸長(zhǎng) L= 3mm ； 電解液電阻率電解液電阻率 = 2.0cm ；玻；玻璃的相對(duì)介電常數(shù)璃的相對(duì)介電常數(shù) = 1.82； 0 = 8.8510-12 F/m，則電極的阻抗，則電極的阻抗 q電極的頸部用同軸圓筒電容來(lái)近似，則電極的頸部用同軸圓筒電容來(lái)近似，則電容：電容： q得到頻率響應(yīng)的最高限得到頻率響應(yīng)的最高限 q q而有的細(xì)胞內(nèi)電位的頻率成分可高達(dá)而有的細(xì)胞內(nèi)電位的頻率成分可高達(dá)10KHz，所以須設(shè)法減少，所以須設(shè)法減少C的值。的值。q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: q正反饋方法，負(fù)電容補(bǔ)償。正反饋方法，負(fù)電容