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1、生物医用电极生物医用电极第1页，共53页，编辑于2022年，星期一n n重点内容：重点内容：n n一、什么是电极一、什么是电极n n二、电极极化的原因二、电极极化的原因n n三、电极极化对测量和电刺激的影响三、电极极化对测量和电刺激的影响n n四、极化电极和不极化电极四、极化电极和不极化电极n n五、刺激电极的参数五、刺激电极的参数第2页，共53页，编辑于2022年，星期一n n 电极 电流在生物体内是靠离子传导的，在电电流在生物体内是靠离子传导的，在电极和导线中是靠电子传导的，因此在极和导线中是靠电子传导的，因此在电电极和溶液界面上极和溶液界面上需要将离子电流转变成电需要将离子电流转变成电子
2、电流或将电子电流转变成离子电流，从子电流或将电子电流转变成离子电流，从而使生物体和仪器体系构成了电流回路。而使生物体和仪器体系构成了电流回路。完成这种换能器作用的器件称为完成这种换能器作用的器件称为电极第3页，共53页，编辑于2022年，星期一n n当电极与人体接触时，在电极上产生电位，当电极与人体接触时，在电极上产生电位，电极实质上完成了将人体内离子电极实质上完成了将人体内离子（主要是（主要是细胞外液中的细胞外液中的NaNa+和和ClCl-离子，在高频测量中离子，在高频测量中还有细胞内液中的还有细胞内液中的K+K+）转化为可在金属电转化为可在金属电极直至前置放大器中流动的电子极直至前置放大器
3、中流动的电子第4页，共53页，编辑于2022年，星期一第一节：电极分类1：按工作性质：检测电极和刺激电极 检测电极检测电极（detecting electrodedetecting electrode）：）：由于由于生物体内的物理、化学变化使生物体内各生物体内的物理、化学变化使生物体内各个部分的正负电荷分布不均匀，从而造成个部分的正负电荷分布不均匀，从而造成生物体内不同部位或细胞内外的电位不等，生物体内不同部位或细胞内外的电位不等，测定不同部位的电位需要用电极把这个部测定不同部位的电位需要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，位的电位引导到电位测量仪器上进行测量，这种电极称为测量
4、电极这种电极称为测量电极。第5页，共53页，编辑于2022年，星期一 刺激电极刺激电极（stimulating electrode）对生物体施加电流或电压所用的电极。对生物体施加电流或电压所用的电极。作用 1、研究可兴奋组织的传导和反应规律、研究可兴奋组织的传导和反应规律 2、向生物体内输入外加电流以便达到治、向生物体内输入外加电流以便达到治疗某种疾病的目的或控制和替代生物体的疗某种疾病的目的或控制和替代生物体的 某某些功能些功能。第6页，共53页，编辑于2022年，星期一比较 测量电极是敏感元件测量电极是敏感元件 刺激电极是执行元件刺激电极是执行元件第7页，共53页，编辑于2022年，星期一
5、2：按电极大小和所处位置分类宏电极宏电极（macro electrodemacro electrode）(1)体表电极体表电极(body-surface electrode)：使：使用时放在生物体皮肤表面用时放在生物体皮肤表面(2)体内电极体内电极(internal electrode)：使用时穿：使用时穿透皮肤的电极透皮肤的电极第8页，共53页，编辑于2022年，星期一 皮下电极(hypodermic electrode)：穿透穿透皮肤直接与细胞外液接触的电极皮肤直接与细胞外液接触的电极 植入电极(implantable electrode)：长长期埋植于体内的电极，用以控制或替代期埋植于体
6、内的电极，用以控制或替代生物体的某些功能生物体的某些功能 要求:极化阻抗小、无毒无害、相容性好第9页，共53页，编辑于2022年，星期一 微电极微电极（micro electrode）:尖端细小尖端细小,机械性能好机械性能好,能检测细胞电活动的电能检测细胞电活动的电极极第10页，共53页，编辑于2022年，星期一第二节：极化现象及其对第二节：极化现象及其对生物电检测和电刺激的影响生物电检测和电刺激的影响一、极化现象 平衡电极电位：当没有电流通过电极当没有电流通过电极/溶液界面时电极所具有的电位。也称为溶液界面时电极所具有的电位。也称为标准半电池电位。标准半电池电位。第11页，共53页，编辑于2
7、022年，星期一 当金属电极插入电解液时，在相互接触的界当金属电极插入电解液时，在相互接触的界面处，正负离子的浓度由于化学反应，已面处，正负离子的浓度由于化学反应，已发生了显著的变化，其结果是环绕金属电发生了显著的变化，其结果是环绕金属电极周围的电解液，与其余电解液之间形成极周围的电解液，与其余电解液之间形成电位差，该电位差称为电位差，该电位差称为半电池电位半电池电位（half-cell potential）第12页，共53页，编辑于2022年，星期一n当金属上离子的溶解速度和溶液中当金属上离子的溶解速度和溶液中金属离子向金属沉积的速度相等时金属离子向金属沉积的速度相等时,达到了相对稳定达到了
8、相对稳定,此时金属和溶液之此时金属和溶液之间形成电荷分布间形成电荷分布双电层双电层,产生一定产生一定的电位差。的电位差。第13页，共53页，编辑于2022年，星期一 极化现象：极化现象：在有电流通过在有电流通过电极电极/溶液界面溶液界面时，时，电极电位从平衡电极电位电极电位从平衡电极电位E E（0 0 0 0）变为一个新的、变为一个新的、与电流密度有关的电极电位与电流密度有关的电极电位E E（i i i i），），），），将电极在有将电极在有电流通过时的电极电位与它没有电流通过电流通过时的电极电位与它没有电流通过时的平衡电极电位发生偏离的现象称为时的平衡电极电位发生偏离的现象称为极极化现象化现
9、象第14页，共53页，编辑于2022年，星期一1、如何定量描述极化现象、如何定量描述极化现象 当当不等于零不等于零时，则称电极出现极化现象，时，则称电极出现极化现象，电极出现电极出现不可逆工作状态。当当电流足够小电流足够小，平衡电极的反应速率没，平衡电极的反应速率没有受到明显的干扰，则电极电位接近于有受到明显的干扰，则电极电位接近于平衡值，此时称电极处于平衡值，此时称电极处于可逆工作状态第15页，共53页，编辑于2022年，星期一2、电极极化产生的原因、电极极化产生的原因 在有一定电流通过电极时，电流将会受在有一定电流通过电极时，电流将会受到各种阻力作用而产生到各种阻力作用而产生超电压（ove
10、rvoltage）(或叫极化电压或叫极化电压)第16页，共53页，编辑于2022年，星期一产生超电压的原因：产生超电压的原因：1.1.通过电极双电层的电荷转移通过电极双电层的电荷转移2.2.反应物朝向电极的扩散和产物离开电反应物朝向电极的扩散和产物离开电极的扩散极的扩散3.3.电极上的化学反应电极上的化学反应4.4.电阻极化电阻极化第17页，共53页，编辑于2022年，星期一 1 1、活度超电位、活度超电位VaVa （activation activation overpotentialoverpotential）当电极与电解液接触时，）当电极与电解液接触时，发生氧化发生氧化-还原反应都需要克
11、服一定的能量还原反应都需要克服一定的能量势垒，称为活度能。在平衡状态下金属原子势垒，称为活度能。在平衡状态下金属原子被氧化为离子，或金属离子被还原成金属原被氧化为离子，或金属离子被还原成金属原子沉淀在金属电极上，所需要的活度能量是子沉淀在金属电极上，所需要的活度能量是相当的。但当有电流流过时，则正反两方向相当的。但当有电流流过时，则正反两方向所需的活度能不再相等，其大小直接与电流所需的活度能不再相等，其大小直接与电流方向相关联，这个能量的差值表现在电极与方向相关联，这个能量的差值表现在电极与电解液之间的电压差，称为活度超电压。电解液之间的电压差，称为活度超电压。（1 1、3 3）第18页，共5
12、3页，编辑于2022年，星期一2 2、电解液浓度超电、电解液浓度超电VcVc(concentration(concentration overpotential)overpotential)：当有电流流动时，电：当有电流流动时，电极和电解液之间的氧化极和电解液之间的氧化-还原反应平衡关还原反应平衡关系被打破，引起离子浓度分布的改变，系被打破，引起离子浓度分布的改变，从而使半电池电位偏离平衡状态时半电从而使半电池电位偏离平衡状态时半电池电位，其差值称为浓度超电位。（池电位，其差值称为浓度超电位。（2 2、3 3）第19页，共53页，编辑于2022年，星期一 3 3、欧姆超电位欧姆超电位VrVr(
13、ohmic overpotential)(ohmic overpotential)：低离子浓度的电解液不利于电流的流动，产生低离子浓度的电解液不利于电流的流动，产生了电压降，此电压降与电流大小及电解液的阻了电压降，此电压降与电流大小及电解液的阻抗成正比。由于人体离子浓度很低，不完全满抗成正比。由于人体离子浓度很低，不完全满足欧姆定律，但仍称由此产生的超电位为欧姆足欧姆定律，但仍称由此产生的超电位为欧姆超电位（超电位（4 4）第20页，共53页，编辑于2022年，星期一二、电极极化对生物电位的检测和电刺激的影响第21页，共53页，编辑于2022年，星期一结论：1、刺激电极的极化，阻碍了电流进入生
14、物体组织器官，因此电极极化对电刺激是个不利因素。2、前置放大器的偏置电流和皮肤电反应的电压会使测量电极发生极化，产生超电压，在前置放大器的输入端产生直流偏置电压，与被测的生物电位一起输到检测系统，因而使被测的生物电位失真。3、电极极化产生的超电压虽不恒定，但主要成分是直流成分。第22页，共53页，编辑于2022年，星期一第三节：极化电极和不极化电极第三节：极化电极和不极化电极电极极化电极极化：电极与电解质溶液界面形成双电：电极与电解质溶液界面形成双电层以及在有电流通过时电极层以及在有电流通过时电极/电解质溶液电解质溶液界面电位发生界面电位发生变化变化第23页，共53页，编辑于2022年，星期一
15、一、极化电极（一、极化电极（polarized electrodepolarized electrode）当电流流过电极与电解质界面时，在界面当电流流过电极与电解质界面时，在界面上没有发生实质上的电荷转移，在金属电上没有发生实质上的电荷转移，在金属电极与电解质溶液的界面形成双电层，如同极与电解质溶液的界面形成双电层，如同一个电容器（其极性与外加电压的极性相一个电容器（其极性与外加电压的极性相反），流经此界面的电流为位移电流，这反），流经此界面的电流为位移电流，这种很容易发生极化的电极称为种很容易发生极化的电极称为完全极化电完全极化电极极（perfectly polarizable perfec
16、tly polarizable electrodeselectrodes）第24页，共53页，编辑于2022年，星期一常见的极化电极：常见的极化电极：惰性金属如惰性金属如PtPt、AuAu、AgAg在空气中很难被氧化在空气中很难被氧化和分解，但当这些金属与电解质溶液在一和分解，但当这些金属与电解质溶液在一起时，只要给这些电极施加电压，则很容起时，只要给这些电极施加电压，则很容易在金属易在金属/电解质界面上形成双电层，发生电解质界面上形成双电层，发生极化极化第25页，共53页，编辑于2022年，星期一 二、非极化电极（二、非极化电极（nonpolarized nonpolarized elect
17、rodeelectrode）外加电流能自由地通过电极外加电流能自由地通过电极/电解质溶液界面，电解质溶液界面，其转移过程不需要任何能量，这种电极称为其转移过程不需要任何能量，这种电极称为完全非极化电极完全非极化电极（perfectly perfectly nonpolarizable electrodes nonpolarizable electrodes），完全非极），完全非极化电极没有超电位发生。化电极没有超电位发生。第26页，共53页，编辑于2022年，星期一常见的非极化电极常见的非极化电极：Ag-AgClAg-AgCl电极：电极：制作方法：制作方法：采用纯银作为电极的极片，采用纯银作为
18、电极的极片，在极片的表面上镀覆一层在极片的表面上镀覆一层AgClAgCl。或者将。或者将银丝放在含有银丝放在含有ClCl-的溶液中形成的的溶液中形成的 为什么为什么Ag-AgClAg-AgCl电极是非极化电极？电极是非极化电极？第27页，共53页，编辑于2022年，星期一n n在在在在Ag/AgClAg/AgClAg/AgClAg/AgCl电极的表面存在下列平衡反应：电极的表面存在下列平衡反应：电极的表面存在下列平衡反应：电极的表面存在下列平衡反应：n n1 1 1 1、当给电极施加正电位时反应为：、当给电极施加正电位时反应为：、当给电极施加正电位时反应为：、当给电极施加正电位时反应为：n n
19、结论：反应放出电子与电极正电荷中和，使电极电位不变结论：反应放出电子与电极正电荷中和，使电极电位不变结论：反应放出电子与电极正电荷中和，使电极电位不变结论：反应放出电子与电极正电荷中和，使电极电位不变 2 2 2 2、当给电极施加负电位时反应为：、当给电极施加负电位时反应为：、当给电极施加负电位时反应为：、当给电极施加负电位时反应为：结论结论结论结论：AgClAgClAgClAgCl消耗电子，使电极电位不变消耗电子，使电极电位不变消耗电子，使电极电位不变消耗电子，使电极电位不变 第28页，共53页，编辑于2022年，星期一Ag-AgClAg-AgCl电极特性：电极特性：1 1、AgClAgCl
20、对光敏感对光敏感，尤其对红外光更敏感，应，尤其对红外光更敏感，应当保存在暗处当保存在暗处2 2、Ag-AgClAg-AgCl电极对生物组织有害电极对生物组织有害，只能用于，只能用于体外，不能用于体内体外，不能用于体内第29页，共53页，编辑于2022年，星期一Ag-AgClAg-AgCl电极的制作：电极的制作：1 1、电解法制作：、电解法制作：要镀要镀AgClAgCl层的银电极作为层的银电极作为阳极，表面积较大的银板作为阴极阳极，表面积较大的银板作为阴极第30页，共53页，编辑于2022年，星期一2 2、烧结法制作：、烧结法制作：将净化的纯银丝放在模具内，再填满银和将净化的纯银丝放在模具内，再
21、填满银和氯化银粉末的混合物，用扳压机加工，氯化银粉末的混合物，用扳压机加工，压成圆柱体，然后从模具中取出，在压成圆柱体，然后从模具中取出，在400C400C高温下烘几个小时，便形成一个高温下烘几个小时，便形成一个银导线周围包围着银导线周围包围着AgAg和和AgClAgCl圆柱体的圆柱体的Ag-Ag-AgClAgCl电极。电极。第31页，共53页，编辑于2022年，星期一第32页，共53页，编辑于2022年，星期一第五节：检测电极和电刺激电极一、一、检测电极测定生物电时的干扰检测电极测定生物电时的干扰1 1、电极、电极-皮肤界面和运动伪差皮肤界面和运动伪差2 2、工频干扰（在第二章中讲解）、工频
22、干扰（在第二章中讲解）第33页，共53页，编辑于2022年，星期一第34页，共53页，编辑于2022年，星期一运动伪差产生的原因 1 1、可极化电极与电解质溶液接触时，在界、可极化电极与电解质溶液接触时，在界面上形成面上形成双电层双电层，当电极相对于电解质溶，当电极相对于电解质溶液运动，就会搅乱截面处的电荷分布，使液运动，就会搅乱截面处的电荷分布，使半电池电势产生瞬间的变化半电池电势产生瞬间的变化 2 2、电解质溶液中放入一对电极，一个电极、电解质溶液中放入一对电极，一个电极运动，另一个电极保持静止不动，在运动运动，另一个电极保持静止不动，在运动期间两电极间会产生期间两电极间会产生电位差电位差
23、 3 3、导电膏导电膏-皮肤电位皮肤电位E ESESE也会随电极运动而也会随电极运动而变化变化第35页，共53页，编辑于2022年，星期一 运动伪差的性质运动伪差的性质是一种随机的，难以避免的干扰，其幅度、频率及带宽都无法预测，因而难以靠仪器设计的方法来解决第36页，共53页，编辑于2022年，星期一减小伪差的措施1 1、尽量保持放置电极的局部皮肤不变形，、尽量保持放置电极的局部皮肤不变形，电极电极/导电膏导电膏/皮肤皮肤 接界稳定接界稳定2 2、对皮肤进行充分打磨以、对皮肤进行充分打磨以减小皮肤阻抗减小皮肤阻抗中的中的表皮阻抗部分表皮阻抗部分3 3、电极用于长时间记录时，角质层在、电极用于长
24、时间记录时，角质层在2424小时内便可再生一次，因而有产生运动伪差小时内便可再生一次，因而有产生运动伪差第37页，共53页，编辑于2022年，星期一检测电极形式检测电极形式体表检测电极体表检测电极（body-surface recording body-surface recording electrodeselectrodes）1 1、金属板电极（、金属板电极（metal-plate metal-plate electrodeelectrode）2 2、吸附电极、吸附电极(suction electrode)(suction electrode)3 3、浮式电极、浮式电极(floating
25、electrode)(floating electrode)4 4、干电极、干电极(dry electrode)(dry electrode)5 5、柔性电极（、柔性电极（flexible electrodeflexible electrode）第38页，共53页，编辑于2022年，星期一第39页，共53页，编辑于2022年，星期一第40页，共53页，编辑于2022年，星期一第41页，共53页，编辑于2022年，星期一二、刺激电极 电刺激治疗都是通过电极将电源的刺激电流送到生物体可兴奋的组织中，因此刺激电极是生物体可兴奋组织和刺激电源之间的转换接口。第42页，共53页，编辑于2022年，星期一
26、1、兴奋组织的电流基强度和时值 要引起可兴奋组织兴奋，必须要有足够的刺要引起可兴奋组织兴奋，必须要有足够的刺激电流强度和刺激持续时间，刺激电流激电流强度和刺激持续时间，刺激电流I I和所和所需脉冲持续时间需脉冲持续时间t t之间关系为之间关系为电流基强度电流基强度:引起组织兴奋电流强度的阈值引起组织兴奋电流强度的阈值a a称称为为电流基强度电流基强度第43页，共53页，编辑于2022年，星期一第44页，共53页，编辑于2022年，星期一时值时值(chronaxie)(chronaxie)：当矩形脉冲幅度为电流基：当矩形脉冲幅度为电流基强度的二倍时，引起可兴奋组织兴奋所需强度的二倍时，引起可兴奋
27、组织兴奋所需脉冲的宽度。脉冲的宽度。tc=b/atc=b/a第45页，共53页，编辑于2022年，星期一 结论：结论：1 1、当脉冲宽度选为、当脉冲宽度选为tctc时，产生兴奋所需的能时，产生兴奋所需的能量最小量最小2 2、为得到有效刺激，通常采用电流强度为、为得到有效刺激，通常采用电流强度为2a2a，脉冲宽度略大于，脉冲宽度略大于tctc第46页，共53页，编辑于2022年，星期一2 2、刺激电极的供电极性和波形刺激电极的供电极性和波形 静息状态静息状态静息状态静息状态 兴奋状态兴奋状态兴奋状态兴奋状态第47页，共53页，编辑于2022年，星期一当用直流电刺激细胞时，在阳极处，电流通当用直流
28、电刺激细胞时，在阳极处，电流通过细胞膜进入膜内，在细胞膜产生电压降，过细胞膜进入膜内，在细胞膜产生电压降，导致膜内负膜外正，增大了静息电位，使导致膜内负膜外正，增大了静息电位，使膜发生了超极化，因而使组织更难极化；膜发生了超极化，因而使组织更难极化；第48页，共53页，编辑于2022年，星期一 在阴极处，电流从膜内流出，在细胞膜产在阴极处，电流从膜内流出，在细胞膜产生电压降，这个压降与静息电位符号相反，生电压降，这个压降与静息电位符号相反，使膜电位减小，发生膜的去极化，如果刺使膜电位减小，发生膜的去极化，如果刺激电流达到阈值，就会使阴极下的组织兴激电流达到阈值，就会使阴极下的组织兴奋奋第49页，共53页，编辑于2022年，星期一结论：当刺激电流达到阈值时，引起兴奋的组织是结论：当刺激电流达到阈值时，引起兴奋的组织是结论：当刺激电流达到阈值时，引起兴奋的组织是结论：当刺激电流达到阈值时，引起兴奋的组织是阴极下的组织。阴极下的组织。阴极下的组织。阴极下的组织。第50页，共53页，编辑于2022年，星期一常见刺激波形常见刺激波形第51页，共53页，编辑于2022年，星期一3 3、检测与刺激共用电极、检测与刺激共用电极第52页，共53页，编辑于2022年，星期一第53页，共53页，编辑于2022年，星期一