生物醫(yī)用電極

生物醫(yī)用電極第1頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月重點(diǎn)內(nèi)容：一、什么是電極二、電極極化的原因三、電極極化對(duì)測(cè)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2頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

電極電流在生物體內(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，因此在電極和溶液界面上需要將離子電流轉(zhuǎn)變成電子電流或?qū)㈦娮与娏鬓D(zhuǎn)變成離子電流，從而使生物體和儀器體系構(gòu)成了電流回路。完成這種換能器作用的器件稱為電極第3頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)電極與人體接觸時(shí)，在電極上產(chǎn)生電位，電極實(shí)質(zhì)上完成了將人體內(nèi)離子（主要是細(xì)胞外液中的Na+和Cl-離子，在高頻測(cè)量中還有細(xì)胞內(nèi)液中的K+）轉(zhuǎn)化為可在金屬電極直至前置放大器中流動(dòng)的電子第4頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)：電極分類

1：按工作性質(zhì)：檢測(cè)電極和刺激電極檢測(cè)電極（detectingelectrode）：由于生物體內(nèi)的物理、化學(xué)變化使生物體內(nèi)各個(gè)部分的正負(fù)電荷分布不均勻，從而造成生物體內(nèi)不同部位或細(xì)胞內(nèi)外的電位不等，測(cè)定不同部位的電位需要用電極把這個(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，這種電極稱為測(cè)量電極。第5頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

刺激電極（stimulatingelectrode）對(duì)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(dǎo)和反應(yīng)規(guī)律

2、向生物體內(nèi)輸入外加電流以便達(dá)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6頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月比較測(cè)量電極是敏感元件刺激電極是執(zhí)行元件第7頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月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(shí)放在生物體皮膚表面(2)體內(nèi)電極(internalelectrode)：使用時(shí)穿透皮膚的電極第8頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月皮下電極(hypodermicelectrode)：穿透皮膚直接與細(xì)胞外液接觸的電極植入電極(implantableelectrode)：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

要求:極化阻抗小、無毒無害、相容性好第9頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月微電極（microelectrode）:尖端細(xì)小,機(jī)械性能好,能檢測(cè)細(xì)胞電活動(dòng)的電極第10頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)：極化現(xiàn)象及其對(duì)

生物電檢測(cè)和電刺激的影響一、極化現(xiàn)象平衡電極電位：當(dāng)沒有電流通過電極/溶液界面時(shí)電極所具有的電位。也稱為標(biāo)準(zhǔn)半電池電位。第11頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)金屬電極插入電解液時(shí)，在相互接觸的界面處，正負(fù)離子的濃度由于化學(xué)反應(yīng)，已發(fā)生了顯著的變化，其結(jié)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12頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)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(shí),達(dá)到了相對(duì)穩(wěn)定,此時(shí)金屬和溶液之間形成電荷分布—雙電層,產(chǎn)生一定的電位差。第13頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

極化現(xiàn)象：在有電流通過電極/溶液界面時(shí)，電極電位從平衡電極電位E（0）變?yōu)橐粋€(gè)新的、與電流密度有關(guān)的電極電位E（i），將電極在有電流通過時(shí)的電極電位與它沒有電流通過時(shí)的平衡電極電位發(fā)生偏離的現(xiàn)象稱為極化現(xiàn)象第14頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月1、如何定量描述極化現(xiàn)象當(dāng)η不等于零時(shí)，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(dāng)電流足夠小，平衡電極的反應(yīng)速率沒有受到明顯的干擾，則電極電位接近于平衡值，此時(shí)稱電極處于可逆工作狀態(tài)第15頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2、電極極化產(chǎn)生的原因在有一定電流通過電極時(shí)，電流將會(huì)受到各種阻力作用而產(chǎn)生超電壓（overvoltage）(或叫極化電壓)第16頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月產(chǎn)生超電壓的原因：通過電極雙電層的電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)物朝向電極的擴(kuò)散和產(chǎn)物離開電極的擴(kuò)散電極上的化學(xué)反應(yīng)電阻極化第17頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

1、活度超電位Va

（activationoverpotential）當(dāng)電極與電解液接觸時(shí)，發(fā)生氧化-還原反應(yīng)都需要克服一定的能量勢(shì)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(dāng)?shù)?。但?dāng)有電流流過時(shí)，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(guān)聯(lián)，這個(gè)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18頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2、電解液濃度超電Vc(concentrationoverpotential)：當(dāng)有電流流動(dòng)時(shí)，電極和電解液之間的氧化-還原反應(yīng)平衡關(guān)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(shí)半電池電位，其差值稱為濃度超電位。（2、3）第19頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

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(dòng)，產(chǎn)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(chǎn)生的超電位為歐姆超電位（4）第20頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月二、電極極化對(duì)生物電位的檢測(cè)和電刺激的影響第21頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)論：1、刺激電極的極化，阻礙了電流進(jìn)入生物體組織器官，因此電極極化對(duì)電刺激是個(gè)不利因素。2、前置放大器的偏置電流和皮膚電反應(yīng)的電壓會(huì)使測(cè)量電極發(fā)生極化，產(chǎn)生超電壓，在前置放大器的輸入端產(chǎn)生直流偏置電壓，與被測(cè)的生物電位一起輸?shù)綑z測(cè)系統(tǒng)，因而使被測(cè)的生物電位失真。3、電極極化產(chǎn)生的超電壓雖不恒定，但主要成分是直流成分。第22頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)：極化電極和不極化電極電極極化：電極與電解質(zhì)溶液界面形成雙電層以及在有電流通過時(shí)電極/電解質(zhì)溶液界面電位發(fā)生變化第23頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月一、極化電極（polarizedelectrode）當(dāng)電流流過電極與電解質(zhì)界面時(shí)，在界面上沒有發(fā)生實(shí)質(zhì)上的電荷轉(zhuǎn)移，在金屬電極與電解質(zhì)溶液的界面形成雙電層，如同一個(gè)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24頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月常見的極化電極：惰性金屬如Pt、Au、Ag在空氣中很難被氧化和分解，但當(dāng)這些金屬與電解質(zhì)溶液在一起時(shí)，只要給這些電極施加電壓，則很容易在金屬/電解質(zhì)界面上形成雙電層，發(fā)生極化第25頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月二、非極化電極（nonpolarizedelectrode）

外加電流能自由地通過電極/電解質(zhì)溶液界面，其轉(zhuǎn)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26頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月常見的非極化電極：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27頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月在Ag/AgCl電極的表面存在下列平衡反應(yīng)：1、當(dāng)給電極施加正電位時(shí)反應(yīng)為：結(jié)論：反應(yīng)放出電子與電極正電荷中和，使電極電位不變

2、當(dāng)給電極施加負(fù)電位時(shí)反應(yīng)為：結(jié)論：AgCl消耗電子，使電極電位不變

第28頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月Ag-AgCl電極特性：1、AgCl對(duì)光敏感，尤其對(duì)紅外光更敏感，應(yīng)當(dāng)保存在暗處2、Ag-AgCl電極對(duì)生物組織有害，只能用于體外，不能用于體內(nèi)第29頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月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30頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2、燒結(jié)法制作：將凈化的純銀絲放在模具內(nèi)，再填滿銀和氯化銀粉末的混合物，用扳壓機(jī)加工，壓成圓柱體，然后從模具中取出，在400°C高溫下烘幾個(gè)小時(shí)，便形成一個(gè)銀導(dǎo)線周圍包圍著Ag和AgCl圓柱體的Ag-AgCl電極。第31頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第32頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)：檢測(cè)電極和電刺激電極一、檢測(cè)電極測(cè)定生物電時(shí)的干擾1、電極-皮膚界面和運(yùn)動(dòng)偽差2、工頻干擾（在第二章中講解）第33頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第34頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月運(yùn)動(dòng)偽差產(chǎn)生的原因

1、可極化電極與電解質(zhì)溶液接觸時(shí)，在界面上形成雙電層，當(dāng)電極相對(duì)于電解質(zhì)溶液運(yùn)動(dòng)，就會(huì)攪亂截面處的電荷分布，使半電池電勢(shì)產(chǎn)生瞬間的變化

2、電解質(zhì)溶液中放入一對(duì)電極，一個(gè)電極運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)電極保持靜止不動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)期間兩電極間會(huì)產(chǎn)生電位差

3、導(dǎo)電膏-皮膚電位ESE也會(huì)隨電極運(yùn)動(dòng)而變化第35頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月運(yùn)動(dòng)偽差的性質(zhì)是一種隨機(jī)的，難以避免的干擾，其幅度、頻率及帶寬都無法預(yù)測(cè)，因而難以靠?jī)x器設(shè)計(jì)的方法來解決第36頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月減小偽差的措施1、盡量保持放置電極的局部皮膚不變形，電極/導(dǎo)電膏/皮膚接界穩(wěn)定2、對(duì)皮膚進(jìn)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(zhǎng)時(shí)間記錄時(shí)，角質(zhì)層在24小時(shí)內(nèi)便可再生一次，因而有產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽差第37頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月檢測(cè)電極形式體表檢測(cè)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38頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第39頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第40頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第41頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月二、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(zhuǎn)換接口。第42頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月1、興奮組織的電流基強(qiáng)度和時(shí)值要引起可興奮組織興奮，必須要有足夠的刺激電流強(qiáng)度和刺激持續(xù)時(shí)間，刺激電流I和所需脈沖持續(xù)時(shí)間t之間關(guān)系為電流基強(qiáng)度:引起組織興奮電流強(qiáng)度的閾值a稱為電流基強(qiáng)度第43頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第44頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月時(shí)值(chronaxie)：當(dāng)矩形脈沖幅度為電流基強(qiáng)度的二倍時(shí)，引起可興奮組織興奮所需脈沖的寬度。

tc=b/a第45頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

結(jié)論：1、當(dāng)脈沖寬度選為tc時(shí)，產(chǎn)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(qiáng)度為2a，脈沖寬度略大于tc第46頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2、刺激電極的供電極性和波形靜息狀態(tài)興奮狀態(tài)第47頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)用直流電刺激細(xì)胞時(shí)，在陽極處，電流通過細(xì)胞膜進(jìn)入膜內(nèi)，在細(xì)胞膜產(chǎn)生電壓降，導(dǎo)致膜內(nèi)負(fù)膜外正，增大了靜息