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1、第3章生物医学传感器基础常向荣changxiangrong@163.com3.２生物电测量电极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。＋＋＋＋＋＋＋-------生物电检测电极示意图机体外机体内电极电极在生物体内离子导电和金属的电子导电体系之间形成一个电化学界面，能实现离子流与电子流的互相转换，从而使生物体和测量仪器间构成了电流回路。要求掌握电极的分类双电层电极电位（半电池电势）电极极化，极化电位电极极化的影响极化电极与非极化电极位移电流与传导电流Ag/AgCl电极微
2、电极及其等效电路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
3、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。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。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。是长期埋植于体内的电极,用以控制或替代生物体的某些功能。植入电极:是长期埋植于体内的电极,用以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
4、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。图电极－溶液界面的平衡电位锌电极放入含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
5、定的电位差。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，电极电位相对于氢电极便可确定。电极电位与温度，材料和反应物质的活度有关，可按Nernst方程计算。电极电位E式中：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，是指常温下
6、该电极在单位浓度的电极电位。当金属离子的有效浓度C=1mol/L的特殊情况下,电极电位为是金属浸在含有该金属离子有效浓度为lmol/L的溶液中达到平衡时的电极电位,称为这种金属的标准电极电位（表3.2）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。表3.2几种常用电极材料在25℃时半电池电位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。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
7、现象。两个电位的偏差采用极化电压或超电压描述。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。模拟电极与生物体之间的导电液体情况以银电极板模拟电极，以NaCl溶液模拟生物体电解液，电池E模拟电剌激电源或检测系统输入级的偏置电压及漏泄电流,电阻R模拟检测系统输入阻抗。极化现象实验图 ——模拟电极与生物体之间的导电液体情况检测电极或刺激电极检测电极或刺激电极电解液输入阻抗开关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
8、必须升高电压。开关K置3：电源E脱开，
