生物醫(yī)用電極

生物醫(yī)用電極第一頁，共五十三頁，2022年，8月28日重點內容：一、什么是電極二、電極極化的原因三、電極極化對測量和電刺激的影響四、極化電極和不極化電極五、刺激電極的參數(shù)第二頁，共五十三頁，2022年，8月28日

電極電流在生物體內是靠離子傳導的，在電極和導線中是靠電子傳導的，因此在電極和溶液界面上需要將離子電流轉變成電子電流或將電子電流轉變成離子電流，從而使生物體和儀器體系構成了電流回路。完成這種換能器作用的器件稱為電極第三頁，共五十三頁，2022年，8月28日當電極與人體接觸時，在電極上產生電位，電極實質上完成了將人體內離子（主要是細胞外液中的Na+和Cl-離子，在高頻測量中還有細胞內液中的K+）轉化為可在金屬電極直至前置放大器中流動的電子第四頁，共五十三頁，2022年，8月28日第一節(jié)：電極分類

1：按工作性質：檢測電極和刺激電極檢測電極（detectingelectrode）：由于生物體內的物理、化學變化使生物體內各個部分的正負電荷分布不均勻，從而造成生物體內不同部位或細胞內外的電位不等，測定不同部位的電位需要用電極把這個部位的電位引導到電位測量儀器上進行測量，這種電極稱為測量電極。第五頁，共五十三頁，2022年，8月28日

刺激電極（stimulatingelectrode）對生物體施加電流或電壓所用的電極。

作用

1、研究可興奮組織的傳導和反應規(guī)律

2、向生物體內輸入外加電流以便達到治療某種疾病的目的或控制和替代生物體的某些功能。第六頁，共五十三頁，2022年，8月28日比較測量電極是敏感元件刺激電極是執(zhí)行元件第七頁，共五十三頁，2022年，8月28日2：按電極大小和所處位置分類宏電極（macroelectrode）(1)體表電極(body-surfaceelectrode)：使用時放在生物體皮膚表面(2)體內電極(internalelectrode)：使用時穿透皮膚的電極第八頁，共五十三頁，2022年，8月28日皮下電極(hypodermicelectrode)：穿透皮膚直接與細胞外液接觸的電極植入電極(implantableelectrode)：長期埋植于體內的電極，用以控制或替代生物體的某些功能要求:極化阻抗小、無毒無害、相容性好第九頁，共五十三頁，2022年，8月28日微電極（microelectrode）:尖端細小,機械性能好,能檢測細胞電活動的電極第十頁，共五十三頁，2022年，8月28日第二節(jié)：極化現(xiàn)象及其對

生物電檢測和電刺激的影響一、極化現(xiàn)象平衡電極電位：當沒有電流通過電極/溶液界面時電極所具有的電位。也稱為標準半電池電位。第十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日當金屬電極插入電解液時，在相互接觸的界面處，正負離子的濃度由于化學反應，已發(fā)生了顯著的變化，其結果是環(huán)繞金屬電極周圍的電解液，與其余電解液之間形成電位差，該電位差稱為半電池電位（half-cellpotential）第十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日當金屬上離子的溶解速度和溶液中金屬離子向金屬沉積的速度相等時,達到了相對穩(wěn)定,此時金屬和溶液之間形成電荷分布—雙電層,產生一定的電位差。第十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日

極化現(xiàn)象：在有電流通過電極/溶液界面時，電極電位從平衡電極電位E（0）變?yōu)橐粋€新的、與電流密度有關的電極電位E（i），將電極在有電流通過時的電極電位與它沒有電流通過時的平衡電極電位發(fā)生偏離的現(xiàn)象稱為極化現(xiàn)象第十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日1、如何定量描述極化現(xiàn)象當η不等于零時，則稱電極出現(xiàn)極化現(xiàn)象，電極出現(xiàn)不可逆工作狀態(tài)。當電流足夠小，平衡電極的反應速率沒有受到明顯的干擾，則電極電位接近于平衡值，此時稱電極處于可逆工作狀態(tài)第十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日2、電極極化產生的原因在有一定電流通過電極時，電流將會受到各種阻力作用而產生超電壓（overvoltage）(或叫極化電壓)第十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日產生超電壓的原因：通過電極雙電層的電荷轉移反應物朝向電極的擴散和產物離開電極的擴散電極上的化學反應電阻極化第十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日

1、活度超電位Va

（activationoverpotential）當電極與電解液接觸時，發(fā)生氧化-還原反應都需要克服一定的能量勢壘，稱為活度能。在平衡狀態(tài)下金屬原子被氧化為離子，或金屬離子被還原成金屬原子沉淀在金屬電極上，所需要的活度能量是相當?shù)摹５斢须娏髁鬟^時，則正反兩方向所需的活度能不再相等，其大小直接與電流方向相關聯(lián)，這個能量的差值表現(xiàn)在電極與電解液之間的電壓差，稱為活度超電壓。（1、3）第十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日2、電解液濃度超電Vc(concentrationoverpotential)：當有電流流動時，電極和電解液之間的氧化-還原反應平衡關系被打破，引起離子濃度分布的改變，從而使半電池電位偏離平衡狀態(tài)時半電池電位，其差值稱為濃度超電位。（2、3）第十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日

3、歐姆超電位Vr(ohmicoverpotential)：低離子濃度的電解液不利于電流的流動，產生了電壓降，此電壓降與電流大小及電解液的阻抗成正比。由于人體離子濃度很低，不完全滿足歐姆定律，但仍稱由此產生的超電位為歐姆超電位（4）第二十頁，共五十三頁，2022年，8月28日二、電極極化對生物電位的檢測和電刺激的影響第二十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日結論：1、刺激電極的極化，阻礙了電流進入生物體組織器官，因此電極極化對電刺激是個不利因素。2、前置放大器的偏置電流和皮膚電反應的電壓會使測量電極發(fā)生極化，產生超電壓，在前置放大器的輸入端產生直流偏置電壓，與被測的生物電位一起輸?shù)綑z測系統(tǒng)，因而使被測的生物電位失真。3、電極極化產生的超電壓雖不恒定，但主要成分是直流成分。第二十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日第三節(jié)：極化電極和不極化電極電極極化：電極與電解質溶液界面形成雙電層以及在有電流通過時電極/電解質溶液界面電位發(fā)生變化第二十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日一、極化電極（polarizedelectrode）當電流流過電極與電解質界面時，在界面上沒有發(fā)生實質上的電荷轉移，在金屬電極與電解質溶液的界面形成雙電層，如同一個電容器（其極性與外加電壓的極性相反），流經(jīng)此界面的電流為位移電流，這種很容易發(fā)生極化的電極稱為完全極化電極（perfectlypolarizableelectrodes）第二十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日常見的極化電極：惰性金屬如Pt、Au、Ag在空氣中很難被氧化和分解，但當這些金屬與電解質溶液在一起時，只要給這些電極施加電壓，則很容易在金屬/電解質界面上形成雙電層，發(fā)生極化第二十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日二、非極化電極（nonpolarizedelectrode）

外加電流能自由地通過電極/電解質溶液界面，其轉移過程不需要任何能量，這種電極稱為完全非極化電極（perfectlynonpolarizableelectrodes），完全非極化電極沒有超電位發(fā)生。第二十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日常見的非極化電極：Ag-AgCl電極：制作方法：采用純銀作為電極的極片，在極片的表面上鍍覆一層AgCl?；蛘邔y絲放在含有Cl-的溶液中形成的

為什么Ag-AgCl電極是非極化電極？第二十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日在Ag/AgCl電極的表面存在下列平衡反應：1、當給電極施加正電位時反應為：結論：反應放出電子與電極正電荷中和，使電極電位不變

2、當給電極施加負電位時反應為：結論：AgCl消耗電子，使電極電位不變

第二十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日Ag-AgCl電極特性：1、AgCl對光敏感，尤其對紅外光更敏感，應當保存在暗處2、Ag-AgCl電極對生物組織有害，只能用于體外，不能用于體內第二十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日Ag-AgCl電極的制作：1、電解法制作：要鍍AgCl層的銀電極作為陽極，表面積較大的銀板作為陰極第三十頁，共五十三頁，2022年，8月28日2、燒結法制作：將凈化的純銀絲放在模具內，再填滿銀和氯化銀粉末的混合物，用扳壓機加工，壓成圓柱體，然后從模具中取出，在400°C高溫下烘幾個小時，便形成一個銀導線周圍包圍著Ag和AgCl圓柱體的Ag-AgCl電極。第三十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日第三十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日第五節(jié)：檢測電極和電刺激電極一、檢測電極測定生物電時的干擾1、電極-皮膚界面和運動偽差2、工頻干擾（在第二章中講解）第三十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日第三十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日運動偽差產生的原因

1、可極化電極與電解質溶液接觸時，在界面上形成雙電層，當電極相對于電解質溶液運動，就會攪亂截面處的電荷分布，使半電池電勢產生瞬間的變化

2、電解質溶液中放入一對電極，一個電極運動，另一個電極保持靜止不動，在運動期間兩電極間會產生電位差

3、導電膏-皮膚電位ESE也會隨電極運動而變化第三十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日運動偽差的性質是一種隨機的，難以避免的干擾，其幅度、頻率及帶寬都無法預測，因而難以靠儀器設計的方法來解決第三十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日減小偽差的措施1、盡量保持放置電極的局部皮膚不變形，電極/導電膏/皮膚接界穩(wěn)定2、對皮膚進行充分打磨以減小皮膚阻抗中的表皮阻抗部分3、電極用于長時間記錄時，角質層在24小時內便可再生一次，因而有產生運動偽差第三十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日檢測電極形式體表檢測電極（body-surfacerecordingelectrodes）1、金屬板電極（metal-plateelectrode）2、吸附電極(suctionelectrode)3、浮式電極(floatingelectrode)4、干電極(dryelectrode)5、柔性電極（flexibleelectrode）第三十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日第三十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日第四十頁，共五十三頁，2022年，8月28日第四十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日二、刺激電極

電刺激治療都是通過電極將電源的刺激電流送到生物體可興奮的組織中，因此刺激電極是生物體可興奮組織和刺激電源之間的轉換接口。第四十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日1、興奮組織的電流基強度和時值要引起可興奮組織興奮，必須要有足夠的刺激電流強度和刺激持續(xù)時間，刺激電流I和所需脈沖持續(xù)時間t之間關系為電流基強度:引起組織興奮電流強度的閾值a稱為電流基強度第四十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日第四十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日時值(chronaxie)：當矩形脈沖幅度為電流基強度的二倍時，引起可興奮組織興奮所需脈沖的寬度。

tc=b/a第四十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日

結論：1、當脈沖寬度選為tc時，產生興奮所需的能量最小2、為得到有效刺激，通常采用電流強度為2a，脈沖寬度略大于tc第四十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日2、刺激電極的供電極性和波形靜息狀態(tài)興奮狀態(tài)第四十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日當用直流電刺激細胞時，在陽極處，電流通過細胞膜進入膜內，在細胞膜產生電壓降，導致膜內負膜外正，增大了靜息電位，