生物医学传感器基础课件

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1、第第3章章 生物医学传感器基础生物医学传感器基础 常向荣 第3章 生物医学传感器基础 3. 生物电测量电极生物电测量电极3. 生物电测量电极q本节首先讨论电极在换能过程中的基本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机理以及这些机理对电极性能的影响 q然后研究电极阻抗特性和等效电路然后研究电极阻抗特性和等效电路,最后最后介绍一些常用检测电极和剌激电极。介绍一些常用检测电极和剌激电极。 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-生物电检测电极示意图生物电检测电极示意图机体外机体外机体内机体内电极电极电极在生物体内离子导电极在生物体内离子导电和金属的电

2、子导电体电和金属的电子导电体系之间形成一个电化学系之间形成一个电化学界面，能实现离子流与界面，能实现离子流与电子流的互相转换，从电子流的互相转换，从而使生物体和测量仪器而使生物体和测量仪器间构成了电流回路。间构成了电流回路。- 生物电检测电极示意图机体外机体内要求掌握要求掌握q电极的分类电极的分类q双电层双电层q电极电位（半电池电势）电极电位（半电池电势）q电极极化，极化电位电极极化，极化电位q电极极化的影响电极极化的影响q极化电极与非极化电极极化电极与非极化电极q位移电流与传导电流位移电流与传导电流qAg/AgCl电极电极q微电极及其等效电路微电极及其等效电路要求掌握电极的分类生物医学传感器

3、基础课件生物医学传感器基础课件q检测电极是敏感元件检测电极是敏感元件,用来测定生物电位用来测定生物电位的。需用电极把这个部位的电位引导到的。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电位测量仪器上进行测量,这种电极称为这种电极称为检测电极。检测电极。 q剌激电极是对生物体施加电流或电压所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。用的电极。剌激电极是个执行元件。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q剌激电极主要用于三个方面剌激电极主要用于三个方面研究可兴奋组织的传导和反应的规律研究可兴奋组织的传导和反应的规律; 向生物体内通入外加电流以便

4、达到治疗某向生物体内通入外加电流以便达到治疗某种疾病的目的种疾病的目的; 控制或替代生物体某些功能控制或替代生物体某些功能,如临床用的如临床用的除颤器和心脏起搏器的电极。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。起搏器上的电极即属于此种电极。剌激电极主要用于三个方面q根据电极的大小和工作时所处的位置可根据电极的大小和工作时所处的位置可将电极分为将电极分为宏电极宏电极和和微电极微电极。 q 宏电极宏电极: 是外形较大的电极。它主要用是外形较大的电极。它主要用于测定生物体较大部位电位或向生物体于测定

5、生物体较大部位电位或向生物体较大部位施加电剌激。较大部位施加电剌激。 q 微电极微电极: 是一种尖端细小、机械性能好、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或外电位改变的微电极,其尖端直径约在其尖端直径约在0.05m到到10m之间。之间。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。q宏电极又分为体表电极和体内电极宏电极又分为体表电极和体内电极 q体表电极置在生物体皮肤表面的电极。体表电极置在生物体皮肤表面的电极。 q体内电极是穿透皮肤的电极。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

6、。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。宏电极又分为体表电极和体内电极 为穿透皮肤与细胞外液接触的电q植入电极植入电极: 是长期埋植于体内的电极是长期埋植于体内的电极,用用以控制或替代生物体的某些功能。以控制或替代生物体的某些功能。 q植入电极需具备如下要求植入电极需具备如下要求: 极化阻抗低极化阻抗低,以减小剌激所需的能量以减小剌激所需的能量;对生物体无毒无害对生物体无毒无害;生物组织相容性好。生物组织相容性好。生物医学传感器基础课件生

7、物医学传感器基础课件生物医学传感器基础课件生物医学传感器基础课件生物医学传感器基础课件生物医学传感器基础课件3.2.2 电极的极化现象和极化电位电极的极化现象和极化电位q1.电极的电化学电极电位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、金电极是经过一定处理的金属板或金属丝、金属网等。属网等。 用电极引导生物电信号时用电极引导生物电信号时,与电极接触的是与电极接触的是电解质溶液电解质溶液,如导电膏、人体汗液或组织液如导电膏、人体汗液或组织液（针电极插入皮下时）。（针电极插入皮下时）。因而形成一个金属因而形成一个金属 - 电解质溶液界面。电解质溶液界面。3.2.2 电极的极化现象和极

8、化电位1.电极的电化学电极电位q图图 电极溶液界面的平衡电位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定的电位差。图 电极溶液界面的平衡电位 锌电极放入含Zn2的溶液中，q 在两界面形成的电位分布是在两界面形成的电位分布是双电层双电层分布。分布。图所示为界面图所示为界面电极电位电极电位E的表示。的表示。 q 金属和含有该金属离子溶液所构成的金属和含有该金属离子溶液所

9、构成的体体系系称为电极称为电极q 金属与溶液之间的界面电位差称为金属与溶液之间的界面电位差称为电极电极电位电位,又称又称半电池电势半电池电势 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E2 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。2 电极电位的确定电极电位E 式中：式中：R- R- 气体常数气体常数, ,为为8.314J/8.314J/（molKmolK）；）； F- F- 法拉第常数法拉第常数, ,为为9648796487库仑；库仑；T- T- 绝对温度；

10、绝对温度；n- n- 金属离子价数；金属离子价数；C- C- 金属离子的有效浓度（金属离子的有效浓度（mol/Lmol/L）；）；K- K- 为一与金属特性有关的常数。为一与金属特性有关的常数。 - - 为标准电极电位，是指常温下该电极在单位浓度的为标准电极电位，是指常温下该电极在单位浓度的电极电位。电极电位。当金属离子的有效浓度当金属离子的有效浓度C=1 mol/LC=1 mol/L的特殊情况下的特殊情况下, , 电极电电极电位为位为电极电位E 式中：R- 气体常数,为8.314J/（mol 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

11、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。 是金属浸在含有该金属离子有效浓度为lmol/L的溶液中表3.2 几种常用电极材料在25时半电池电位表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和极化电位q电极的极化电极的极化是指电极与电解质溶液的双是指电极与电解质溶液的双电层界面在有电流通过时电层界面在有电流通过时,电极电极-电解质电解质溶液界面电位从原有平衡电位变化为溶液界面电位从原有平衡电位变化为新新电极电位电极电位，该极化电位与通过电流密度，该极化电位与通过电流密度有关。有关。 q将有电流通过

12、的电极电位与无电流的平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衡电极电位的偏离现象称为极化现象极化现象。两个电位的偏差采用两个电位的偏差采用极化电压极化电压或超电压或超电压描述。描述。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q有电流流经一对电极时，电极出现极化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。现象并产生极化电压。 q模拟电极与生物体之间的导电液体情况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，以银电极板模拟电极，以以NaCl溶液模拟生物体电解液，溶液模拟生物体电解液，电池电池E模拟电剌激电源或检测系统输入级的模拟电剌激电源或

13、检测系统输入级的偏置电压及漏泄电流偏置电压及漏泄电流,电阻电阻R模拟检测系统输入阻抗。模拟检测系统输入阻抗。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。 极化现象实验图极化现象实验图 模拟电极与生物体之间的导电液体情况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极化现象实验图 模拟电极与生物体之间的导电液体q开关开关K置置1：平衡状态，两电极半电池电：平衡状态，两电极半电池电位相等，无电流通过电极位相等，无电流通过电极 。 q开关开关K置置2：电源：电源E接入接入,使左银极为阳极使左银极为阳极,而而右为阴极右为阴极。R上有电压降上有电压降,说明

14、电解池说明电解池回路中有电流通过电极回路中有电流通过电极。且电流随时间。且电流随时间增加减小，要维持电流必须升高电压。增加减小，要维持电流必须升高电压。 q开关开关K置置3：电源：电源E脱开，脱开，电解池产生与电解池产生与外加电源外加电源E极性相反的电动势极性相反的电动势，既左正既左正,右负。产生极化现象右负。产生极化现象 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 解释解释q当系统处于平衡状态当系统处于平衡状态,溶液中溶液中NaCl浓度分浓度分布是各处均匀的。布是各处均匀的。 q电池电池E电压加到电极上电压加到电极上,电极有电流通过电极有电流通过,阴极（右）阴极（右）上发生电

15、极反应为上发生电极反应为: q由于产物不能扩散离开由于产物不能扩散离开,阴极吸附氢气阴极吸附氢气,成为成为氢电极氢电极,电极附近电极附近OH- 浓度增加。浓度增加。 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。q在在阳极（左）阳极（左）上发生电极反应为：上发生电极反应为： q产物不能扩散离开产物不能扩散离开,致使阳极吸附氧气成致使阳极吸附氧气成为为氧电极氧电极。电极附近电极附近H+浓度增加浓度增加。在阳极（左）上发生电极反应为： q由于极化，氧电极的银电极由于极化，氧电极的银电极（左）（左）对外对外电路为正电路为正,q而为氢电极的银电极而为氢电极的银电极（右）（右）对外电路为对

16、外电路为负，负，q其极性恰与外接电池其极性恰与外接电池E相反。阻止进一步相反。阻止进一步极化极化 由于极化，氧电极的银电极（左）对外电路为正,电极极化对使用的影响电极极化对使用的影响q电刺激：是电流通过电极反应将电子转电刺激：是电流通过电极反应将电子转换成离子传送到生物体内换成离子传送到生物体内,然后经过组织然后经过组织器官在另一电极界面器官在另一电极界面,将离子转换成电子将离子转换成电子而进入电极。而进入电极。 q电刺激目的是将电流通过电极送入生物电刺激目的是将电流通过电极送入生物组织器官。组织器官。 q电极极化会阻碍电流进入生物体组织器电极极化会阻碍电流进入生物体组织器官官。应尽量设法减小

17、电极极化。应尽量设法减小电极极化。电极极化对使用的影响电刺激：是电流通过电极反应将电子转换成离q生物电位测定生物电位测定:是通过电极把待测部位的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。生物电位引到检测系统进行测定。 q电极极化产生超电压使前级放大器的输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入端产生生物电位失真，影响测量准确，影响测量准确度。度。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3.2.3极化电极和非极化电极极化电极和非极化电极q极化电极：给电极施加电压或电流极化电极：给电极施加电压或电流,在电在电极极/电解溶液界面上无电荷通过电解溶液界面上

18、无电荷通过,而有位而有位移电流通过的电极移电流通过的电极,称为极化电极称为极化电极 q惰性金属如惰性金属如 Ag,Pt、等难被氧化和分解、等难被氧化和分解,接近极化电极。接近极化电极。 q与电容器相似与电容器相似,极性与外加电压极性相反。极性与外加电压极性相反。 3.2.3极化电极和非极化电极q非极化电极：不需要能量使电流通过电非极化电极：不需要能量使电流通过电极极/电解质溶液界面的电极电解质溶液界面的电极,称为非极化称为非极化电极。电极。 q实际上完全不需要能量的电极是不存在实际上完全不需要能量的电极是不存在的。的。 q测量生理信号常用的测量生理信号常用的Ag/AgC1电极接近电极接近非极化

19、电极性能。非极化电极性能。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,位移电流的概念位移电流的概念q 在电路理论中，回路中传导电流是连续在电路理论中，回路中传导电流是连续的，即流入电流等于流出电流。的，即流入电流等于流出电流。 q但回路中含电容器，电容的一个极板有但回路中含电容器，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，对回路而言电导电流流出但没有流入，对回路而言电流是不连续的。流是不连续的。 q解释这种现象可用麦克斯韦解释这种现象可用麦克斯韦(Maxwell)提提出的位移电流的概念。出的位移电流的概念。 位移电

20、流的概念q 对于电容器两极板间不导电的介质，虽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，然没有自由电荷定向移动形成传导电流，但却有一个但却有一个变化的电场变化的电场E q电场中某一点位移电流密度等于该点电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位移矢量对时间的变化率，也与电场对，也与电场对时间的变化率成比例。通过积分可以求时间的变化率成比例。通过积分可以求出位移电流。出位移电流。 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q传导电流和位移电流共同组成全电流定传导电流和位移电流共同组成全电流定律。律。 q据全电流定律可知，含电容器的回路

21、电据全电流定律可知，含电容器的回路电流是连续的，电荷以传导电流流入极板，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。电路中全电流处处相等。 传导电流和位移电流共同组成全电流定律。 q传导电流和位移电流共同点是都在空间传导电流和位移电流共同点是都在空间产生磁场产生磁场 q二者根本区别是二者根本区别是传导电流是电荷运动传导电流是电荷运动，通过电阻必将产生焦耳热。通过电阻必将产生焦耳热。位移电流则位移电流则是电场的变化是电场的变化，在空间和介质中不产生，在空间和介质中不产生焦耳热。焦耳热。 q极化电极界面通过的是位移电

22、流极化电极界面通过的是位移电流。按照。按照全电流定律电极电流是连续的。全电流定律电极电流是连续的。 传导电流和位移电流共同点是都在空间产生磁场 2.Ag/AgCl电极非极化电极电极非极化电极q表面镀有氯化银的银板或银丝放在含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。电极的表面上存在离子溶液中所构成。电极的表面上存在下列平衡反应下列平衡反应:2.Ag/AgCl电极非极化电极q给电极加正电位时给电极加正电位时,反应向左方进行反应向左方进行 放出电子与正电荷中和放出电子与正电荷中和,使电极电位不变。使电极电位不变。q当给电极加负电位当给电极加负电位,反应向右方进行反应向右方进行: 消掉

23、电子消掉电子,使电极电位不变。使电极电位不变。 给电极加正电位时,反应向左方进行 qAg/AgC1电极在小电流时非常接近非极电极在小电流时非常接近非极化电极化电极 q测定心电、脑电时流过电极电流非常小测定心电、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电极很适用于作为检测电极测定心电和脑电。定心电和脑电。 qAg/AgCl的电极反应是的电极反应是电解反应电解反应，与金属，与金属的极化不同。的极化不同。Ag/AgC1电极在小电流时非常接近非极化电极 3.制作制作Ag/AgCl电极的方法电极的方法:电解法和烧结电解法和烧结法法 q电解法装置电解法装置 q阳极为要镀阳极为要镀

24、AgC1层层的银电极的银电极 q阴极为供给镀银的银阴极为供给镀银的银板板 q1.5V电池作为电源电池作为电源,串联电阻串联电阻R用以限制用以限制峰值电流。峰值电流。 q电流表观察电流，电电流表观察电流，电流密度约流密度约5mA/cm2为为宜。宜。 3.制作Ag/AgCl电极的方法:电解法和烧结法 阳极为要镀烧结法制作烧结法制作 Ag/AgCl电极：电极：q将净化纯银丝放在模具内将净化纯银丝放在模具内,再填满银和氯再填满银和氯化银粉末混合物化银粉末混合物,加压加压,压成圆柱体压成圆柱体,然后然后再在再在400温度下烘几个小时温度下烘几个小时,制成圆柱制成圆柱体体Ag/AgCl电极，不怕磨损电极，

25、不怕磨损,便于保存便于保存,成成本低。本低。烧结法制作 Ag/AgCl电极：将净化纯银丝放在模具内,再填qAg/AgCl电极称为可逆变电极电极称为可逆变电极 qAg/AgCl电极作为阳极使用：电极作为阳极使用：氯离子与银结合成氯离子与银结合成AgCl,使电极上使电极上AgCl层增层增厚。厚。 q电极作为阴极使用：电极作为阴极使用：氯离子从氯离子从AgCl层中进人溶液层中进人溶液,消耗了消耗了AgCl层层,使其变薄。使其变薄。Ag/AgCl电极称为可逆变电极 使用使用Ag/AgCl电极应注意的问题电极应注意的问题q电极用铜线作引出线，不要使焊点与活组织电极用铜线作引出线，不要使焊点与活组织(或电

26、解质或电解质)接触。因为焊点极化电位是不稳定接触。因为焊点极化电位是不稳定的。的。 q为使为使Ag/AgCl电极良好工作电极良好工作,在电极和活组织间在电极和活组织间提供足够的氯离子。提供足够的氯离子。 q工作电流小于工作电流小于10-9A为宜。为宜。 q电极用作记录信号电极而不用作剌激电极。电极用作记录信号电极而不用作剌激电极。 q Ag/AgCl电极一般配以高输入阻抗放大器。电极一般配以高输入阻抗放大器。使用Ag/AgCl电极应注意的问题3.2.4.电极的电特性电极的电特性q电极的等效电路：电极的等效电路：qC为双电层电容为双电层电容,E为半电池电势。为半电池电势。 R1为为双电层的漏电电

27、阻双电层的漏电电阻,R2为电解液电阻为电解液电阻3.2.4.电极的电特性电极的等效电路：电极的阻抗频率特性电极的阻抗频率特性 q高频时高频时,1 /C R1 ,阻抗趋近于一个常数阻抗趋近于一个常数 R2。 q低频时低频时, 1 /C R1 ，阻抗值趋于恒定值，阻抗值趋于恒定值 （R1 + R2）。）。 q在两极限值之间，阻抗大致与频率平方成反比。在两极限值之间，阻抗大致与频率平方成反比。电极的阻抗频率特性 qAgCl镀层厚度对电极特性的影响镀层厚度对电极特性的影响 ： qAgCl镀层较厚，频率特性变化小镀层较厚，频率特性变化小,趋近纯趋近纯阻阻 AgCl镀层厚度对电极特性的影响 ： 3.2.5

28、 几种常用电极几种常用电极q(a)四肢用金属板式电极四肢用金属板式电极 3.2.5 几种常用电极q几种常用电极几种常用电极q(b)圆盘电极圆盘电极几种常用电极几种常用电极几种常用电极qq(c)带吸附球的电极带吸附球的电极几种常用电极针电极针电极针电极丝电极丝电极丝电极埋藏电极埋藏电极 埋藏电极 绝缘干电极绝缘干电极 q电极为电极为1.560.950.63 cm3。这种绝缘干电极由于含有有源器。这种绝缘干电极由于含有有源器件件,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。电从根本上

29、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极的频率响应可以从0.lHz到到1KHz, 绝缘干电极 电极为1.560.950.63 cm3。这种q用电容耦合信号原理，电极与人体接触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面上有一层很薄的绝缘膜把金属电极与人体隔开人体隔开,人体和金属电极之间形成电容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人体和电极片分别为电容的两个极片,中中间的绝缘膜为电容器的中间介质。间的绝缘膜为电容器的中间介质。 q生物电信号通过这一特殊的电容器耦合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

30、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膏或其他电解质接触,从而避免了极化现从而避免了极化现象。象。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q电极与人体之间的电容为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并由此决定可测出的信号的最低频率成分。分。 q对不同的生物电信号进行测量时对不同的生物电信号进行测量时,可适当可适当修正这一时间常数。例如进行心电测量修正这一时间常数。例如进行心电测量时时,要求低频为要求低频为0.05Hz，对于，对于5000pF的电的电容电极来

31、说容电极来说,放大器输入端阻抗应大于放大器输入端阻抗应大于600M。 电极与人体之间的电容为2500pF-5000pF,与放大器输微电极微电极q提取单细胞或神经元电位的电极提取单细胞或神经元电位的电极,是比细是比细胞尺寸还小的微电极。胞尺寸还小的微电极。 q微电极的尖端为圆锥形，尺寸在微电极的尖端为圆锥形，尺寸在0.05m- 10m 范围内。范围内。 q从制作材料上分为从制作材料上分为: 金属微电极金属微电极 填充电解液的玻璃微电极。填充电解液的玻璃微电极。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金属微电极金属微电极 金属微电极 金属微电极等效电路图金属微电极等效电路图q金

32、属微电极测量细胞电位等效金属微电极测量细胞电位等效电路图：电路图：qRfa,Ca为电极尖端与细胞内为电极尖端与细胞内液界面的等效阻抗液界面的等效阻抗qE(t)细胞膜电位；细胞膜电位； Ea电极尖电极尖端与组织电解液间电位；端与组织电解液间电位； Eb参考电极和电介质间电位参考电极和电介质间电位q电极金属杆与细胞外液间由绝电极金属杆与细胞外液间由绝缘层隔开缘层隔开,存在分布电容存在分布电容Cd,总电容总电容C = Cd 金属微电极等效电路图金属微电极测量细胞电位等效电路图：q金属微电极是一种除尖端外，其余部分金属微电极是一种除尖端外，其余部分用漆或玻璃绝缘的高强度金属细针。金用漆或玻璃绝缘的高强

33、度金属细针。金属包括不锈钢，铂铱合金和碳化钨等。属包括不锈钢，铂铱合金和碳化钨等。微电极很细的尖端通常用电解腐蚀法制微电极很细的尖端通常用电解腐蚀法制作作 q等效电路看出，金属微电极等效阻抗与等效电路看出，金属微电极等效阻抗与频率有关。一般在几兆欧到几十兆欧，频率有关。一般在几兆欧到几十兆欧，在连到电极的放大器输入阻抗不是足够在连到电极的放大器输入阻抗不是足够大的情况下大的情况下,将造成波形的低频失真，将造成波形的低频失真，通通常用金属微电极获得细胞动作电位。常用金属微电极获得细胞动作电位。金属微电极是一种除尖端外，其余部分用漆或玻璃绝缘的高强度金属金属微电极电路图金属微电极电路图电极尖端与细

34、胞内液间的阻抗细胞膜电位细胞内阻液电阻电极尖端与组织液间的电位参考电极与电解质电位参考电极与细胞外液间的阻抗细胞内阻液电阻金属微电极电路图电极尖端与细胞内液间的阻抗细胞膜电位细胞内阻玻璃微电极玻璃微电极q玻璃微电极又称玻璃微电极又称微量吸管电极微量吸管电极, 用玻璃毛用玻璃毛细管制作，加热拉长毛细管，使缩颈处细管制作，加热拉长毛细管，使缩颈处截断成为直径截断成为直径1m的微量吸管结构的微量吸管结构 q微量吸管中充满电解液，通常为微量吸管中充满电解液，通常为3mol/l的的 KCl,再插入再插入Ag/AgCl电极丝，然后加盖密电极丝，然后加盖密封，配上参考电极。封，配上参考电极。 玻璃微电极生物

35、医学传感器基础课件qRt：电极阻抗：电极阻抗 q q集总电容集总电容C=Cd qE(t)细胞膜电位，细胞膜电位，Ea：电极金属与电解液间电：电极金属与电解液间电位，位，Eb:参考电极和电介质间电位，参考电极和电介质间电位，Ej:尖端电尖端电位，位，Et:电极腔玻璃半透膜的膜电位电极腔玻璃半透膜的膜电位Rt：电极阻抗 q特性：高阻电阻和并联电容存在，使电特性：高阻电阻和并联电容存在，使电极对快速变化的细胞动作电位频响特性极对快速变化的细胞动作电位频响特性变坏。动作电位高频部分被电容旁路。变坏。动作电位高频部分被电容旁路。造成波形失真。造成波形失真。 q常采用常采用正反馈产生负电容补偿的方法减正反

36、馈产生负电容补偿的方法减小小C 的有效值。的有效值。 q用一个实际例子说明一般玻璃微电极的用一个实际例子说明一般玻璃微电极的频响特性频响特性特性：高阻电阻和并联电容存在，使电极对快速变化的细胞动作电位q玻璃微电极电极头直径玻璃微电极电极头直径 d1 =1.5m； 电电极头腔内直径极头腔内直径 d2 =1.0m；颈长；颈长 L= 3mm ； 电解液电阻率电解液电阻率 = 2.0cm ；玻璃的；玻璃的相对介电常数相对介电常数 = 1.82； 0 = 8.8510-12 F/m，则电极的阻抗，则电极的阻抗 玻璃微电极电极头直径 d1 =1.5m； 电极头腔内直径 q电极的颈部用同轴圆筒电容来近似，则

37、电极的颈部用同轴圆筒电容来近似，则电容：电容： 电极的颈部用同轴圆筒电容来近似，则电容： q得到频率响应的最高限得到频率响应的最高限 q q而有的细胞内电位的频率成分可高达而有的细胞内电位的频率成分可高达10KHz，所以须设法减少，所以须设法减少C的值。的值。得到频率响应的最高限 q玻璃微电极的负电容补偿电路玻璃微电极的负电容补偿电路: q正反馈方法，负电容补偿。正反馈方法，负电容补偿。左边虚线部分：玻璃微电极等效电路， 微电极阻抗Rt为高阻(大于50M)使得输入回路时间常数很大。 玻璃微电极的负电容补偿电路: 左边虚线部分：玻璃微电极等效电q负电容补偿电路负电容补偿电路: q目的是引入负电容

38、减少电容目的是引入负电容减少电容C，使输入电，使输入电路时间常数减小，高频特性改善。路时间常数减小，高频特性改善。 q放大器为同相运算放大器，调节增益，放大器为同相运算放大器，调节增益，从电位器从电位器W抽头引入抽头引入Cf到输入端，形成到输入端，形成正反馈电路。正反馈电路。 负电容补偿电路: q同相运算放大器增益为同相运算放大器增益为K, q反馈增益反馈增益K可以由电位器可以由电位器W任意调节。任意调节。 q如果引入电容如果引入电容Cf以前，电容以前，电容C的充电电流为的充电电流为 同相运算放大器增益为K, q反馈电容反馈电容Cf的电流为的电流为 q调节反馈增益调节反馈增益K使满足使满足 反

39、馈电容Cf的电流为 q流过电容流过电容C的电流为零，的电流为零，C完全被电容完全被电容Cf等效负电容抵消。等效负电容抵消。 q理论上微电极等效电路没有电容，时间理论上微电极等效电路没有电容，时间常数变为零，容许高频信号通过。常数变为零，容许高频信号通过。 q q实际补偿效果：从输出波形观测。实际补偿效果：从输出波形观测。 q补偿不足：波形上升沿平缓（补偿不足：波形上升沿平缓（a)， q补偿过头：波形上升沿过冲振荡（补偿过头：波形上升沿过冲振荡（b)， q最佳补偿最佳补偿:(c)无失真矩形波。无失真矩形波。流过电容C的电流为零，C完全被电容Cf等效负电容抵消。 qa)欠补偿欠补偿 (b)过补偿过

40、补偿 (c)最佳补偿最佳补偿 a)欠补偿 (b)过补偿 (c)最佳补偿 小结小结q1)电极组成：金属材料电极组成：金属材料+电解质溶液形成电解质溶液形成的换能界面的换能界面 q2）原理：利用电极电位（电流）随）原理：利用电极电位（电流）随 电解质离子浓度而变化。电解质离子浓度而变化。 q3）电极电位确定的）电极电位确定的 Nernst 方程方程q4）极化现象）极化现象q5) 极化电极和非极化电极的定义和使用极化电极和非极化电极的定义和使用 q6) Ag/AgCl电极工作原理和特点电极工作原理和特点小结q思考题：思考题： q3.1 电极的定义是什么？为什么电极可以电极的定义是什么？为什么电极可以测量生物电信号？测量生物电信号？ q3.2 什么是位移电流？如何解释电极回路什么是位移电流？如何解释电极回路的工作电流？的工作电流？ q3.3 何为电极的极化现象何为电极的极化现象?极化电极使用极化电极使用时应注意什么？时应注意什么？ q3.4 Ag/AgCl电极属于什么电极，为什么电极属于什么电极，为什么说说Ag/AgCl电极非常适合生物电测量？电极非常适合生物电测量？ 思考题：