生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)

關(guān)于生物醫(yī)學(xué)傳感器基礎(chǔ)3.２生物電測量電極第2頁,共78頁，2024年2月25日，星期天本節(jié)首先討論電極在換能過程中的基本機(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測電極和剌激電極。第3頁,共78頁，2024年2月25日，星期天＋＋＋＋＋＋＋-------生物電檢測電極示意圖機(jī)體外機(jī)體內(nèi)電極電極在生物體內(nèi)離子導(dǎo)電和金屬的電子導(dǎo)電體系之間形成一個(gè)電化學(xué)界面，能實(shí)現(xiàn)離子流與電子流的互相轉(zhuǎn)換，從而使生物體和測量儀器間構(gòu)成了電流回路。第4頁,共78頁，2024年2月25日，星期天要求掌握電極的分類雙電層電極電位（半電池電勢）電極極化，極化電位電極極化的影響極化電極與非極化電極位移電流與傳導(dǎo)電流Ag/AgCl電極微電極及其等效電路第5頁,共78頁，2024年2月25日，星期天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(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)換成測量系統(tǒng)的電位電極起換能器作用，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,從而使生物體和儀器體系構(gòu)成了電流回路。第6頁,共78頁，2024年2月25日，星期天3.2.1電極的基本概念作用把化學(xué)活動(dòng)產(chǎn)生的離子電轉(zhuǎn)換為電子測量系統(tǒng)的電位。按照電極的工作性質(zhì)可分為：檢測電極刺激電極按照尺寸大小可分為：宏電極微電極第7頁,共78頁，2024年2月25日，星期天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(gè)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(gè)執(zhí)行元件。第8頁,共78頁，2024年2月25日，星期天剌激電極主要用于三個(gè)方面①研究可興奮組織的傳導(dǎo)和反應(yīng)的規(guī)律;②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;③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(shí)同一個(gè)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。第9頁,共78頁，2024年2月25日，星期天根據(jù)電極的大小和工作時(shí)所處的位置可將電極分為宏電極和微電極。宏電極: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(dòng)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0.05μm到10μm之間。第10頁,共78頁，2024年2月25日，星期天宏電極又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。常用于肌電測量和外科手術(shù)患者心電監(jiān)測。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。第11頁,共78頁，2024年2月25日，星期天植入電極: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:①極化阻抗低,以減小剌激所需的能量;②對生物體無毒無害;③生物組織相容性好。第12頁,共78頁，2024年2月25日，星期天第13頁,共78頁，2024年2月25日，星期天第14頁,共78頁，2024年2月25日，星期天第15頁,共78頁，2024年2月25日，星期天第16頁,共78頁，2024年2月25日，星期天第17頁,共78頁，2024年2月25日，星期天3.2.2電極的極化現(xiàn)象和極化電位1.電極的電化學(xué)電極電位電極是經(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(shí),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(shí)）。因而形成一個(gè)金屬-電解質(zhì)溶液界面。第18頁,共78頁，2024年2月25日，星期天圖電極－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,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。第19頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

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)成的體系稱為電極金屬與溶液之間的界面電位差稱為電極電位,又稱半電池電勢

第20頁,共78頁，2024年2月25日，星期天2電極電位的確定單個(gè)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，電極電位相對于氫電極便可確定。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。第21頁,共78頁，2024年2月25日，星期天電極電位E

式中：R-氣體常數(shù),為8.314J/（mol·K）；F-法拉第常數(shù),為96487庫侖；T-絕對溫度；n-金屬離子價(jià)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，是指常溫下該電極在單位濃度的電極電位。當(dāng)金屬離子的有效濃度C=1mol/L的特殊情況下,電極電位為第22頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

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。第23頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

表3.2幾種常用電極材料在25℃時(shí)半電池電位

第24頁,共78頁，2024年2月25日，星期天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(shí),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(gè)電位的偏差采用極化電壓或超電壓描述。第25頁,共78頁，2024年2月25日，星期天有電流流經(jīng)一對電極時(shí)，電極出現(xiàn)極化現(xiàn)象并產(chǎn)生極化電壓。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模擬電剌激電源或檢測系統(tǒng)輸入級的偏置電壓及漏泄電流,電阻R模擬檢測系統(tǒng)輸入阻抗。第26頁,共78頁，2024年2月25日，星期天極化現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)圖

——模擬電極與生物體之間的導(dǎo)電液體情況檢測電極或刺激電極檢測電極或刺激電極電解液輸入阻抗第27頁,共78頁，2024年2月25日，星期天開關(guān)K置1：平衡狀態(tài)，兩電極半電池電位相等，無電流通過電極。開關(guān)K置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(shí)間增加減小，要維持電流必須升高電壓。開關(guān)K置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(dòng)勢，既左正,右負(fù)。產(chǎn)生極化現(xiàn)象第28頁,共78頁，2024年2月25日，星期天解釋當(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,陰極（右）上發(fā)生電極反應(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,電極附近OH-濃度增加。第29頁,共78頁，2024年2月25日，星期天在陽極（左）上發(fā)生電極反應(yīng)為：產(chǎn)物不能擴(kuò)散離開,致使陽極吸附氧氣成為氧電極。電極附近H+濃度增加。第30頁,共78頁，2024年2月25日，星期天由于極化，氧電極的銀電極（左）對外電路為正,而為氫電極的銀電極（右）對外電路為負(fù)，其極性恰與外接電池E相反。阻止進(jìn)一步極化第31頁,共78頁，2024年2月25日，星期天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(huì)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。第32頁,共78頁，2024年2月25日，星期天生物電位測定: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。第33頁,共78頁，2024年2月25日，星期天3.2.3極化電極和非極化電極極化電極：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。第34頁,共78頁，2024年2月25日，星期天非極化電極：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(shí)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。第35頁,共78頁，2024年2月25日，星期天位移電流的概念

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(gè)極板有傳導(dǎo)電流流入但沒有流出，另一個(gè)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)象可用麥克斯韋(Maxwell)提出的位移電流的概念。第36頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

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(dòng)形成傳導(dǎo)電流，但卻有一個(gè)變化的電場E

電場中某一點(diǎn)位移電流密度等于該點(diǎn)電位移矢量對時(shí)間的變化率，也與電場對時(shí)間的變化率成比例。通過積分可以求出位移電流。第37頁,共78頁，2024年2月25日，星期天傳導(dǎo)電流和位移電流共同組成全電流定律。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。第38頁,共78頁，2024年2月25日，星期天傳導(dǎo)電流和位移電流共同點(diǎn)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(dòng)，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。按照全電流定律電極電流是連續(xù)的。第39頁,共78頁，2024年2月25日，星期天2.Ag/AgCl電極－非極化電極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):第40頁,共78頁，2024年2月25日，星期天給電極加正電位時(shí),反應(yīng)向左方進(jìn)行放出電子與正電荷中和,使電極電位不變。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。第41頁,共78頁，2024年2月25日，星期天Ag/AgC1電極在小電流時(shí)非常接近非極化電極測定心電、腦電時(shí)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。第42頁,共78頁，2024年2月25日，星期天3.制作Ag/AgCl電極的方法: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。第43頁,共78頁，2024年2月25日，星期天燒結(jié)法制作Ag/AgCl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(gè)小時(shí),制成圓柱體Ag/AgCl電極，不怕磨損,便于保存,成本低。第44頁,共78頁，2024年2月25日，星期天Ag/AgCl電極稱為可逆變電極Ag/AgCl電極作為陽極使用：氯離子與銀結(jié)合成AgCl,使電極上AgCl層增厚。電極作為陰極使用：氯離子從AgCl層中進(jìn)人溶液,消耗了AgCl層,使其變薄。第45頁,共78頁，2024年2月25日，星期天使用Ag/AgCl電極應(yīng)注意的問題電極用銅線作引出線，不要使焊點(diǎn)與活組織(或電解質(zhì))接觸。因?yàn)楹更c(diǎn)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。第46頁,共78頁，2024年2月25日，星期天3.2.4.電極的電特性電極的等效電路：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為電解液電阻第47頁,共78頁，2024年2月25日，星期天電極的阻抗頻率特性

高頻時(shí),1/ωC《R1,阻抗趨近于一個(gè)常數(shù)R2。低頻時(shí),1/ωC》R1，阻抗值趨于恒定值（R1+R2）。在兩極限值之間，阻抗大致與頻率平方成反比。第48頁,共78頁，2024年2月25日，星期天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,趨近純阻第49頁,共78頁，2024年2月25日，星期天3.2.5幾種常用電極(a)四肢用金屬板式電極第50頁,共78頁，2024年2月25日，星期天幾種常用電極

(b)圓盤電極第51頁,共78頁，2024年2月25日，星期天幾種常用電極

(c)帶吸附球的電極第52頁,共78頁，2024年2月25日，星期天針電極第53頁,共78頁，2024年2月25日，星期天絲電極第54頁,共78頁，2024年2月25日，星期天埋藏電極

第55頁,共78頁，2024年2月25日，星期天絕緣干電極電極為1.56×0.95×0.63cm3。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,第56頁,共78頁，2024年2月25日，星期天用電容耦合信號原理，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成電容,人體和電極片分別為電容的兩個(gè)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。第57頁,共78頁，2024年2月25日，星期天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),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(shí),可適當(dāng)修正這一時(shí)間常數(shù)。例如進(jìn)行心電測量時(shí),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600MΩ。第58頁,共78頁，2024年2月25日，星期天微電極提取單細(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。微電極的尖端為圓錐形，尺寸在0.05μm-10μm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。第59頁,共78頁，2024年2月25日，星期天金屬微電極第60頁,共78頁，2024年2月25日，星期天金屬微電極等效電路圖金屬微電極測量細(xì)胞電位等效電路圖：Rfa,Cωa為電極尖端與細(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=ΣCd第61頁,共78頁，2024年2月25日，星期天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，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，在連到電極的放大器輸入阻抗不是足夠大的情況下,將造成波形的低頻失真，通常用金屬微電極獲得細(xì)胞動(dòng)作電位。第62頁,共78頁，2024年2月25日，星期天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)阻液電阻第63頁,共78頁，2024年2月25日，星期天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?cái)喑蔀橹睆?μm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。第64頁,共78頁，2024年2月25日，星期天第65頁,共78頁，2024年2月25日，星期天Rt：電極阻抗

集總電容C=ΣCdE(t)細(xì)胞膜電位，Ea：電極金屬與電解液間電位，Eb:參考電極和電介質(zhì)間電位，Ej:尖端電位，Et:電極腔玻璃半透膜的膜電位第66頁,共78頁，2024年2月25日，星期天特性：高阻電阻和并聯(lián)電容存在，使電極對快速變化的細(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。造成波形失真。常采用正反饋產(chǎn)生負(fù)電容補(bǔ)償?shù)姆椒p小C的有效值。用一個(gè)實(shí)際例子說明一般玻璃微電極的頻響特性第67頁,共78頁，2024年2月25日，星期天玻璃微電極電極頭直徑d1=1.5μm；電極頭腔內(nèi)直徑d2=1.0μm；頸長L=3mm；電解液電阻率ρ=2.0Ω·cm；玻璃的相對介電常數(shù)ε=1.82；ε0=8.85×10-12F/m，則電極的阻抗第68頁,共78頁，2024年2月25日，星期天電極的頸部用同軸圓筒電容來近似，則電容：第69頁,共78頁，2024年2月25日，星期天得到