3.2 生物电测量电极

• 由电化学知识可知,当金属放入含有该金属
离子的电解质溶液中,在金属和溶液的界面 发生化学反应产生电极电位。 • 如图3.3.2-1所示。
图 电极－溶液界面的平衡电位
• (a)所示为锌电极放入含Zn2+的溶液中，锌
电极中Zn2+进入溶液中，在金属上留下电子 带负电，溶液带正电。 • 进入水中的正离子和带负电的金属彼此吸 引,使大多数离子分布在靠近金属片的液层 中,形成的电场,阻碍Zn2+进一步迁移最终达 到平衡。 • 此时金属与溶液之间形成电荷分布产生一 定的电位差。
层界面在有电流通过时,电极-电解质溶液 界面电位从原有平衡电位变化为新电极电 位，该极化电位与通过电流密度有关。 • 极化现象：将有电流通过的电极电位与无 电流的平衡电极电位的偏离现象称为极化 现象。两个电位的偏差采用极化电压或超 电压描述。 • 极化电压:有电流流经一对电极时，电极出 现极化现象并产生极化电压。
• 电极与人体之间的电容为2500pF-5000pF,
与放大器输入电阻形成时间常数,并由此决 定可测出的信号的最低频率成分。 • 对不同的生物电信号进行测量时,可适当修 正这一时间常数。例如进行心电测量时,要 求低频为0.05Hz，对于5000pF的电容电极 来说,放大器输入端阻抗应大于600MΩ。
尖端与细胞内液 界面的等效阻抗
E(t)细胞膜电位； Ea电极尖端与组织电解液间电位； Eb参考电极和电介质间电位 •电极金属杆与细胞外液间由绝缘层隔开,存在分布电容Cd,总电容C = ΣCd
• 宏电极又分为体表电极和体内电极
– 体表电极置在生物体皮肤表面的电极。 – 体内电极是穿透皮肤的电极。 • 体内电极又分为皮下电极和植入电极。
• 皮下电极: 为穿透皮肤与细胞外液接触的电
极。它能形成良好的电极/电解质溶液接界。 常用于肌电测量和外科手术患者心电监测。
• 植入电极: 是长期埋植于体内的电极,用以
• 在两界面形成的电位分布是双电层分布。
图所示为界面电极电位E的表示。
• 金属和含有该金属离子溶液所构成的体系
称为电极
• 金属与溶液之间的界面电位差称为电极电
位,又称半电池电势
2、电极电位的确定
• 单个电极电位无法确定，国际上规定氢电
极标准电位为零，电极电位相对与氢电极 便可确定。
• 电极电位与温度，材料和反应物资的活度
3.2.4.电极的电特性
• 电极的等效电路：
• C为双电层电容,E为半电池电势。 R1为双电层的
漏电电阻,R2为电解液电阻
电极的阻抗频率特性
• 高频时,1 /ωC 《R1 ,阻抗趋近于一个常数 R2。 • 低频时, 1 /ωC 》R1 ，阻抗值趋于恒定值 •
（R1 + R2）。 在两极限值之间，阻抗大致与频率平方成反比。
• 传导电流和位移电流共同组成全电流定律。 • 据全电流定律可知，含电容器的回路电流
是连续的，电荷以传导电流流入极板，又 以位移电流形式穿过极板间介质，在电路 中全电流处处相等。
• 传导电流和位移电流共同点是都在空间产
生磁场 • 二者根本区别是传导电流是电荷运动，通 过电阻必将产生焦耳热。位移电流则是电 场的变化，在空间和介质中不产生焦耳热。 • 极化电极界面通过的是位移电流。按照全 电流定律电极电流是连续的。
控制或替代生物体的某些功能。
• 植入电极需具备如下要求: ①极化阻抗低,以
减小剌激所需的能量;②对生物体无毒无害; ③生物组织相容性好。
3.2.2 电极的极化现象和极化电位 1.电极的电化学电极电位
• 电极是经过一定处理的金属板或金属丝、
金属网等。 • 用电极引导生物电信号时,与电极接触的是 电解质溶液,如导电膏、人体汗液或组织液 （针电极插入皮下时）。因而形成一个金 属 - 电解质溶液界面。
合成AgCl,使电极上AgCl层增厚。
• 电极作为阴极使用：氯离子从AgCl层中进
人溶液,消耗了AgCl层,使其变薄。
使用Ag/AgCl电极应注意的问题
• 电极用铜线作引出线，不要使焊点与活组
织(或电解质)接触。因为焊点极化电位是 不稳定的。 • 为使Ag/AgCl电极良好工作,在电极和活组 织间提供足够的氯离子。 • 工作电流小于10-9A为宜。 • 电极用作记录信号电极而不用作剌激电极。 • Ag/AgCl电极一般配以高输入阻抗放大器。
电极极化对使用的影响
• 电刺激：电流通过电极反应将电子转换成
离子传送到生物体内,然后经过组织器官在 另一电极界面,将离子转换成电子而进入电 极。 • 电刺激目的是将电流通过电极送入生物组 织器官。 • 电极极化会阻碍电流进入生物体组织器官。 应尽量设法减小电极极化。
• 生物电位测定:是通过电极把待测部位的生
物电位引到检测系统进行测定。 • 电极极化产生超电压使前级放大器的输入 端产生生物电位失真，影响测量准确度。
3.2.3极化电极和非极化电极
• 极化电极：给电极施加电压或电流,在电极
/电解溶液界面上无电荷通过,而有位移电 流通过的电极,称为极化电极
• 惰性金属如 Ag,Pt、等难被氧化和分解,接
近极化电极。
激电极两大类。
– 检测电极是敏感元件,用来测定生物电位的。 需用电极把这个部位的电位引导到电位测量仪 器上进行测量,这种电极称为检测电极。 – 剌激电极是对生物体施加电流或电压所用的电 极。剌激电极是个执行元件。
剌激电极主要用于三个方面
①研究可兴奋组织的传导和反应的规律; ②向生物体内通入外加电流以便达到治疗某 种疾病的目的; ③控制或替代生物体某些功能,如临床用的除 颤器和心脏起搏器的电极。
• 有时同一个电极兼有检测和剌激双重功能。
心脏起搏器上的电极即属于此种电极。
• 根据电极的大小和工作时所处的位置可将电
极分为宏电极和微电极。
– 宏电极: 是外形较大的电极。它主要用于测定 生物体较大部位电位或向生物体较大部位施加电 剌激。 – 微电极: 是一种尖端细小、机械性能好、能检 测细胞电活动的电极。测量细胞内或外电位改变 的微电极,其尖端直径约在0.05μm到10μm之间。
微电极
• 提取单细胞或神经元电位的电极,是比细胞
尺寸还小的微电极。 • 微电极的尖端为圆锥形，尺寸在 0.05μm- 10μm 范围内。
• 从制作材料上分为:
– 金属微电极 – 填充电解液的玻璃微电极。
金属微电极
金属电极 绝缘层
A B
+ 膜电位 + 细胞质 + + + 组织液 + + 参比电极
• Rfa,Cωa为电极
解释
• 当系统处于平衡状态,溶液中NaCl浓度分布
是各处均匀的。 • 电池E电压加到电极上,电极有电流通过,阴 极上发生电极反应为:
• 由于产物不能扩散离开,阴极吸附氢气,成
为氢电极,电极附近OH- 浓度增加。
• 在阳极上发生电极反应为
• 产物不能扩散离开,致使阳极吸附氧气成为
氧电极。电极附近H+浓度增加。 • 由于极化，氧电极的银电极对外电路为正, 而为氢电极的银电极对外电路为负，其极性 恰与外接电池E相反。阻止进一步极化
• 用电容耦合信号原理，电极与人体接触面
上有一层很薄的绝缘膜把金属电极与人体 隔开,人体和金属电极之间形成电容,人体 和电极片分别为电容的两个极片,中间的绝 缘膜为电容器的中间介质。 • 生物电信号通过这一特殊的电容器耦合到 放大器输入端。由于电极片不与导电膏或 其他电解质接触,从而避免了极化现象。
2.Ag/AgCl电极－非极化电极
• 表面镀有氯化银的银板或银丝放在含Cl-离
子溶液中所构成。电极的表面上存在下列 平衡反应:
• 给电极加正电位时,反应向左方进行
• 放出电子与正电荷中和,使电极电位不变。 • 当给电极加负电位,反应向右方进行:
• 消掉电子,使电极电位不变。
• Ag/AgC1电极在小电流时非常接近非极化电
极电位。
表3.2.2-1几种常用电极材料在25℃时半 电池电位
•
是金属在含该金属离子有效浓度为 1mol/L的溶液中达到平衡时的电极电位
• 可看出 值远远大于所有生物电位信号的
大小。 • 与金属以离子形态转入溶液的能力K以 及温度T有关系。
3.电极的极化和极化电位
• 电极的极化是指电极与电解质溶液的双电
• AgCl镀层厚度对电极特性的影响 ： • AgCl镀层较厚，频率特性变化小,趋近纯阻
3.2.5 几种常用电极
• (a)四肢用金属板式电极
几种常用电极
• (b)圆盘电极
几种常用电极
• (c)带吸附球的电极
绝缘干电极
• 电极为1.56×0.95×0.63 cm3。这种绝缘干电极
由于含有有源器件,又称为有源电极。附着在电极 上的缓冲放大器起到阻抗变换的作用,从根本上提 高了测量中的稳定性和抗干扰性能。电极的频率 响应可以从0.lHz到1KHz,
有关，可按Nernst方程计算。
• 电极电位E
• R- 气体常数,为8.314J/（mol· K）； • F- 法拉第常数,为96487库仑； • T- 绝对温度；n- 金属离子价数； • C- 金属离子的有效浓度（mol/L）； • K- 为一与金属特性有关的常数。 • - 为标准电极电位，常温下在单位浓度离子的电
极化现象实验图
以银电极板模拟电极，以NaCl溶液模拟生物体 电解液，电池E模拟电剌激电源或偏置电压， 泄漏电流,电阻R模拟检测系统输入阻抗。
实验过程
• 开关K置1：平衡状态，两电极半电池电位
相等，无电流通过电极 。 • 开关K置2：电源E接入,使左银极为阳极,而 右为阴极。R上有电压降,说明电解池回路 中有电流通过电极。且电流随时间增加减 小，要维持电流必须升高电压。 • 开关K置3：电源E脱开，电解池产生与外加 电源E极性相反的电动势，既左正,右负。 产生极化现象
值电流。 • 电流表观察电流，电流密度约5mA/cm2为宜。
• 烧结法制作 Ag/AgCl电极：
将净化 纯银丝放在模具内,再填满银和氯化银粉末 混合物,加压,压成圆柱体,然后再在400℃ 温度下烘几个小时,制成圆柱体Ag/AgCl电 极，不怕磨损,便于保存,成本低。
银引线
烧结的AgCl和Ag
• Ag/AgClБайду номын сангаас极称为可逆变电极 • Ag/AgCl电极作为阳极使用：氯离子与银结
• 麦克斯韦(James Clerk Maxwel 1831～
1879)英国物理学家 , • 麦克斯韦首先提出：世界上存在一种尚未 被人发现的电磁波
• 对于电容器两极板间不导电的介质，虽然
没有自由电荷定向移动形成传导电流，但 却有一个变化的电场E • 电场中某一点位移电流密度等于该点电位 移矢量对时间的变化率，也与电场对时间 的变化率成比例。通过积分可以求出位移 电流。
极 • 测定心电、脑电时流过电极电流非常 小,Ag/AgCl电极很适用于作为检测电极测 定心电和脑电。 • Ag/AgCl的电极反应是电解反应，与金属的 极化不同。
3.制作Ag/AgCl电极的方法: 电解法和烧结法
• 电解法装置
• 阳极为要镀AgC1层的银电极 • 阴极为供给镀银的银板 • 1.5V电池作为电源,串联电阻R用以限制峰
导线中是靠电子传导的, • 在电极和溶液界面上则是将离子电流变成 电子电流或将电子电流变成离子电流,从而 使生物体和仪器体系构成了电流回路。
• 本节首先讨论电极在换能过程中的基本机
理以及这些机理对电极性能的影响 • 然后研究电极阻抗特性和等效电路,最后介 绍一些常用检测电极和剌激电极。
• 医用电极按工作性质可分为检测电极和刺
3.2 生物电测量电极 3.2.1 电极的基本概念
• 生物电是生物体最基本生理现象，各种生物
电位的测量都要用电极 • 给生物组织施加电剌激也要用电极 • 电极实际上是把生物体电化学活动而产生的 离子电位转换成测量系统的电位 • 电极起换能器作用，是一种传感器。
• 电流在生物体内是靠离子传导的,在电极和
• 与电容器相似,极性与外加电压极性相反。
• 非极化电极：不需要能量使电流通过电极/
电解质溶液界面的电极,称为非极化电极。
• 实际上完全不需要能量的电极是不存在的。
• 测量生理信号常用的Ag/AgC1电极接近非极
化电极性能。
• 位移电流的概念：
在电路理论中，回路中传导电流是连续 的，即流入电流等于流出电流。 但回路中含电容器，电容的一个极板有 传导电流流入但没有流出，另一个有传导 电流流出但没有流入，对回路而言电流是 不连续的。 解释这种现象可用麦克斯韦(Maxwell) 提出的位移电流的概念。