生物电测量电极

1、本节首先讨论电极在换能过程中的基本机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然后研究电极阻抗特性和等效电路,最后介最后介 绍一些常用检测电极和剌激电极。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医用电极按工作性质可分为检测电极检测电极和和刺刺 激电极激电极两大类。两大类。 检测电极是敏感元件检测电极是敏感元件, ,用来测定生物电位的。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 器上进行测量器上进行测量, ,这种电极称为检测电极。这种

2、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。极。剌激电极是个执行元件。 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, ,如临床用的除如临床用的除 颤器和心脏起搏器的电极。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。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

3、。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根据电极的大小和工作时所处的位置可将电 极分为极分为宏电极宏电极和和微电极微电极。 宏电极宏电极: 是外形较大的电极。它主要用于测定是外形较大的电极。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生物体较大部位电位或向生物体较大部位施加电 剌激。剌激。 微电极微电极: 是一种尖端细小、机械性能好、能检是一种尖端细小、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测细胞电活动的电极。测量细胞内或外电位改变 的微电极的微电极,其尖端直径约在其尖端直径约在0.05m到到10m之间。之间。 宏电极又分

4、为宏电极又分为体表电极体表电极和和体内电极体内电极 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。 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。体内电极又分为皮下电极和植入电极。 皮下电极皮下电极: : 为穿透皮肤与细胞外液接触的电为穿透皮肤与细胞外液接触的电 极。它能形成良好的电极极。它能形成良好的电极/ /电解质溶液接界。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。常用于肌电测量和外科手术患者心电监测。 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, ,用以用以 控制或替代生物体的某些功能

5、。控制或替代生物体的某些功能。 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, ,以以 减小剌激所需的能量减小剌激所需的能量; ;对生物体无毒无对生物体无毒无 害害; ;生物组织相容性好。生物组织相容性好。 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 1.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、是经过一定处理的金属板或金属丝、 金属网等。金属网等。 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

6、电极插入皮下时）。因而形成一个金（针电极插入皮下时）。因而形成一个金 属属 - - 电解质溶液电解质溶液界面。 由电化学知识可知由电化学知识可知, ,当金属放入含有该金属当金属放入含有该金属 离子的电解质溶液中离子的电解质溶液中, ,在金属和溶液的界面在金属和溶液的界面 发生化学反应产生发生化学反应产生电极电位。 如图如图3.3.2-13.3.2-1所示。所示。 图 电极溶液界面的平衡电位 在两界面形成的电位分布是双电层分布。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图所示为界面电极电位E E的表示。的表示。 金属和含有该金属离子溶液所构成的体系金属和含有该金属离子溶液所构成的

7、体系 称为称为电极 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 位, ,又称又称半电池电势 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极标准电位为零，电极电位相对与氢电极 便可确定。便可确定。 电极电位与温度，材料和反应物资的活度电极电位与温度，材料和反应物资的活度 有关，可按有关，可按Nernst方程计算。方程计算。 电极电位电极电位E R- 气体常数气体常数,为为8.314J/（molK）；）； F- 法拉第常数法拉第常数,为为96487库仑；库仑； T- 绝对温度；绝对温度；n

8、- 金属离子价数；金属离子价数； C- 金属离子的有效浓度（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为标准电极电位，常温下在单位浓度离子的电 极电位。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的溶液中达到平衡时的电极电位 可看出可看出 值远远大于所有生物电位信号的值远远大于所有生物电位信号的 大小。大小。 与金属以离子形态转入溶液的能力与金属以离子形态转入溶液的能力K以

9、以 及温度及温度T有关系。有关系。 3.电极的极化和极化电位 是指电极与电解质溶液的双电是指电极与电解质溶液的双电 层界面在有电流通过时层界面在有电流通过时, ,电极电极- -电解质溶液电解质溶液 界面电位从原有平衡电位变化为新电极电界面电位从原有平衡电位变化为新电极电 位，位，该极化电位与通过电流密度有关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电流的平衡电极电位的偏离现象称为 。两个电位的偏差采用极化电压或超。两个电位的偏差采用极化电压或超 电压描述。电压描述。 极化电压极化电压: :有电流流经有电流流经一对一对电

10、极时，电极出电极时，电极出 现极化现象并产生极化电压。现极化现象并产生极化电压。 极化现象实验图 以银电极板模拟电极，以以银电极板模拟电极，以NaClNaCl溶液模拟生物体溶液模拟生物体 电解液，电池电解液，电池E E模拟电剌激电源或偏置电压，模拟电剌激电源或偏置电压， 泄漏电流泄漏电流, ,电阻电阻R R模拟检测系统输入阻抗。模拟检测系统输入阻抗。 实验过程 开关开关K K置置1 1：平衡状态，两电极半电池电位：平衡状态，两电极半电池电位 相等，无电流通过电极相等，无电流通过电极 。 开关开关K K置置2 2：电源：电源E 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

11、为阴极。R R上有电压降上有电压降, ,说明电解池回路说明电解池回路 中有电流通过电极。且电流随时间增加减中有电流通过电极。且电流随时间增加减 小，要维持电流必须升高电压。小，要维持电流必须升高电压。 开关开关K K置置3 3：电源：电源E E脱开，电解池产生与外加脱开，电解池产生与外加 电源电源E E极性相反的电动势，既左正极性相反的电动势，既左正, ,右负。右负。 产生极化现象产生极化现象 解释 当系统处于平衡状态当系统处于平衡状态, ,溶液中溶液中NaClNaCl浓度分布浓度分布 是各处均匀的。是各处均匀的。 电池电池E 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,

12、 ,阴阴 极上发生电极反应为极上发生电极反应为: : 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, ,成成 为为氢电极, ,电极附近电极附近OH- OH- 浓度增加。浓度增加。 在阳极上发生电极反应为在阳极上发生电极反应为 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为致使阳极吸附氧气成为 氧电极。电极附近。电极附近H+浓度增加。浓度增加。 由于极化，氧电极的银电极对外电路为正由于极化，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，其极性而为氢电极的银电极对外电路为负，其极性 恰与外接电池恰与外接电池E E相反。阻止进一步极化相反。阻止进

13、一步极化 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离子传送到生物体内, ,然后经过组织器官在然后经过组织器官在 另一电极界面另一电极界面, ,将离子转换成电子而进入电将离子转换成电子而进入电 极。极。 电刺激目的是将电流通过电极送入生物组电刺激目的是将电流通过电极送入生物组 织器官。织器官。 电极极化会阻碍电流进入生物体组织器官。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。应尽量设法减小电极极化。 生物电位测定生物电位测定: :是通过电极把待测部位的生是通过电极把待测部位的生 物电位引到检测系统进行测

14、定。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。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极化电极：给电极施加电压或电流, ,在电极在电极 / /电解溶液界面上无电荷通过电解溶液界面上无电荷通过, ,而有位移电而有位移电 流通过的电极流通过的电极, ,称为极化电极称为极化电极 惰性金属如惰性金属如 Ag,PtAg,Pt、等难被氧化和分解、等难被氧化和分解, ,接接 近极化电极。近极化电极。 与电容器相似与电容器相似, ,极性与外加电压极性相反

15、。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电解质溶液界面的电极, ,称为非极化电极。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。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测量生理信号常用的Ag/AgC1Ag/AgC1电极接近非极电极接近非极 化电极性能。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。 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

16、导电流流入但没有流出，另一个有传导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，对回路而言电流是电流流出但没有流入，对回路而言电流是 不连续的。不连续的。 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) 提出的位移电流的概念。提出的位移电流的概念。 麦克斯韦麦克斯韦(James Clerk Maxwel 1831 1879)英国物理学家英国物理学家 , 麦克斯韦首先提出：世界上存在一种尚未麦克斯韦首先提出：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

17、流，但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的变化率成比例。通过积分可以求出位移 电流。电流。 传导电流和位移电流共同组成全电流定律。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，在电路以位移电流形式穿过

18、极板间介质，在电路 中全电流处处相等。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传导电流和位移电流共同点是都在空间产 生磁场生磁场 二者根本区别是传导电流是电荷运动，通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。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。电流定律电极电流是连续的。 2.Ag/AgCl电极非极化电极电极非极化电极 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

19、或银丝放在含Cl-离离 子溶液中所构成。电极的表面上存在下列子溶液中所构成。电极的表面上存在下列 平衡反应平衡反应: 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。 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: : 消掉电子消掉电子, ,使电极电位不变。使电极电位不变。 Ag/AgC1Ag/AgC1电极在小电流时非常接近非极化电电极在小电流时非常接近非极化电 极极 测定心电、脑电时流过电极电流非常测定心电、脑电时流过电极电流非常 小小,Ag/AgCl,Ag/AgCl电极很

20、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。 Ag/AgClAg/AgCl的电极反应是电解反应，与金属的的电极反应是电解反应，与金属的 极化不同。极化不同。 3.制作制作Ag/AgCl电极的方法电极的方法: 电解法和烧结法电解法和烧结法 电解法装置电解法装置 阳极为要镀阳极为要镀AgC1AgC1层的银电极层的银电极 阴极为供给镀银的银板阴极为供给镀银的银板 1.5V1.5V电池作为电源电池作为电源, ,串联电阻串联电阻R R用以限制峰用以限制峰 值电流。值电流。 电流表观察电流，电流密度约电流表观察电流，电流密度约5mA/cm5mA/cm2 2为宜。为宜。 烧结

21、法制作 Ag/AgCl电极： 将净化将净化 纯银丝放在模具内纯银丝放在模具内, ,再填满银和氯化银粉末再填满银和氯化银粉末 混合物混合物, ,加压加压, ,压成圆柱体压成圆柱体, ,然后再在然后再在400400 温度下烘几个小时温度下烘几个小时, ,制成圆柱体制成圆柱体Ag/AgClAg/AgCl电电 极，不怕磨损极，不怕磨损, ,便于保存便于保存, ,成本低。成本低。 银引线 烧结的AgCl和Ag Ag/AgClAg/AgCl电极称为可逆变电极电极称为可逆变电极 Ag/AgClAg/AgCl电极作为电极作为阳极使用：氯离子与银结使用：氯离子与银结 合成合成AgCl,AgCl,使电极上使电极上

22、AgCl层增厚。 电极作为电极作为阴极使用：氯离子从使用：氯离子从AgClAgCl层中进层中进 人溶液人溶液, ,消耗了消耗了AgClAgCl层层, ,使其使其变薄。 使用使用Ag/AgCl电极应注意的问题电极应注意的问题 电极用铜线作引出线，不要使焊点与活组电极用铜线作引出线，不要使焊点与活组 织织( (或电解质或电解质) )接触。因为焊点极化电位是接触。因为焊点极化电位是 不稳定的。不稳定的。 为使为使Ag/AgClAg/AgCl电极良好工作电极良好工作, ,在电极和活组在电极和活组 织间提供足够的氯离子。织间提供足够的氯离子。 工作电流小于工作电流小于1010-9 -9A A为宜。 为宜

23、。 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。 Ag/AgClAg/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。 3.2.4.电极的电特性电极的电特性 电极的等效电路：电极的等效电路： C C为双电层电容为双电层电容,E,E为半电池电势。为半电池电势。 R1R1为双电层的为双电层的 漏电电阻漏电电阻,R2,R2为电解液电阻为电解液电阻 电极的阻抗频率特性电极的阻抗频率特性 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。 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）

24、。）。 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。 AgClAgCl镀层厚度对电极特性的影响镀层厚度对电极特性的影响 ： AgClAgCl镀层较厚，频率特性变化小镀层较厚，频率特性变化小, ,趋近纯阻趋近纯阻 3.2.5 几种常用电极 (a)四肢用金属板式电极四肢用金属板式电极 几种常用电极 (b)圆盘电极圆盘电极 几种常用电极 (c)带吸附球的电极带吸附球的电极 绝缘干电极 电极为电极为1.561.560.950.950.63 cm0.63 cm3 3。这种绝缘干电极。这种绝缘干电极 由于含有有源器件由于含有有源器件, ,又称为有源电极。附着在电极又

25、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上的缓冲放大器起到阻抗变换的作用, ,从根本上提从根本上提 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 响应可以从响应可以从0.lHz0.lHz到到1KHz, 1KHz, 用电容耦合信号原理，电极与人体接触面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上有一层很薄的绝缘膜把金属电极与人体 隔开隔开, ,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, ,人体人体 和电极片分别为电容的两个极片和电极片分别为电容的两个极片, ,中间的绝中间的绝 缘膜为电容器的中间

26、介质。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放大器输入端。由于电极片不与导电膏或 其他电解质接触其他电解质接触, ,从而避免了极化现象。从而避免了极化现象。 电极与人体之间的电容为电极与人体之间的电容为2500pF-5000pF,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, ,并由此决并由此决 定可测出的信号的最低频率成分。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对不同的生物电信号进行测量时, ,可适当修可适当修 正这一时间常数。例如

27、进行心电测量时正这一时间常数。例如进行心电测量时, ,要要 求低频为求低频为0.05Hz0.05Hz，对于，对于5000pF5000pF的电容电极的电容电极 来说来说, ,放大器输入端阻抗应大于放大器输入端阻抗应大于600M600M。 微电极微电极 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, ,是比细胞是比细胞 尺寸还小的微电极。尺寸还小的微电极。 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 0.05m- 10m 范围内。范围内。 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。

28、金属微电极金属微电极 + + 细胞质 + + + + + A 参比电极 膜电位 绝缘层 金属电极 组织液 B Rfa,Ca为电极为电极 尖端与细胞内液尖端与细胞内液 界面的等效阻抗界面的等效阻抗 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 = Cd 金属微电极是一种除尖端外，其余部分用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。金属包漆或玻璃绝缘的高强度金属细针。金属包 括不锈钢，铂铱合金和碳化钨等。微电极括不锈钢，铂铱合金和碳化钨等。微电极 很细的尖端通常用电解腐蚀

29、法制作很细的尖端通常用电解腐蚀法制作 等效电路看出，金属微电极等效阻抗与频等效电路看出，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，在连率有关。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大的情到电极的放大器输入阻抗不是足够大的情 况下况下,将造成波形的将造成波形的低频失真，通常，通常用金属 微电极获得细胞动作电位。 玻璃微电极玻璃微电极 玻璃微电极又称微量吸管电极玻璃微电极又称微量吸管电极, , 用玻璃毛用玻璃毛 细管制作，加热拉长毛细管，使缩颈处截细管制作，加热拉长毛细管，使缩颈处截 断成为直径断成为直径1m1m的微量吸管结构的微量吸管结构 微量吸管中充满电解液

30、，通常为微量吸管中充满电解液，通常为3mol/l3mol/l的的 KCl,KCl,再插入再插入Ag/AgClAg/AgCl电极丝，然后加盖密封，电极丝，然后加盖密封， 配上参考电极。配上参考电极。 + + 细胞质 + + + + + A B 参比电极 膜电位 玻璃毛细管 金属电极丝 组织液 电解液 Rt：电极阻抗：电极阻抗 集总电容集总电容C=Cd E(t)细胞膜电位，细胞膜电位，Ea：电极金属与电解液：电极金属与电解液 间电位，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，Ej: 尖端电位，尖端电位，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 特性：高阻电阻和并联

31、电容存在，使电极特性：高阻电阻和并联电容存在，使电极 对对快速变化的细胞动作电位的细胞动作电位频响特性变坏。变坏。 动作电位动作电位高频部分被电容旁路。造成波形被电容旁路。造成波形 失真。 常采用正反馈产生负电容补偿的方法减小常采用正反馈产生负电容补偿的方法减小C 的有效值。的有效值。 用一个实际例子说明一般玻璃微电极的频用一个实际例子说明一般玻璃微电极的频 响特性响特性 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 ； 玻璃的相对介电常数玻璃的相对介电常数

32、 = 1.82； 0 = 8.8510-12 F/m，则电极的阻抗，则电极的阻抗 M d L R t 4.76 4 2 2 电极的颈部用同轴圆筒电容来近似，则电电极的颈部用同轴圆筒电容来近似，则电 容：容： pF d d L CC d 743.0 )ln( 2 2 1 0 得到频率响应的最高限得到频率响应的最高限 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。 kHz CR f t H 8.2 2 1 玻璃微电极的负电容补偿电路: 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，左边

33、虚线部分：玻璃微电极等效电路， 微电极阻抗微电极阻抗Rt为高阻为高阻(大于大于50M)使得输使得输 入回路时间常数很大。入回路时间常数很大。 负电容补偿电路负电容补偿电路: 目的是引入负电容减少电容目的是引入负电容减少电容C，使输入电路，使输入电路 时间常数减小，高频特性改善。时间常数减小，高频特性改善。 放大器为同相运算放大器，调节增益，从放大器为同相运算放大器，调节增益，从 电位器电位器W抽头引入抽头引入Cf到输入端，形成正反到输入端，形成正反 馈电路。馈电路。 同相运算放大器增益为同相运算放大器增益为K, 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。 如果引入电容如果

34、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 2 1 1 R R K dt dV CI i i 反馈电容反馈电容Cf的电流为的电流为 调节反馈增益调节反馈增益K使满足使满足 dt dV KC dt VVKd C dt VVd CI i f ii f io ff ) 1( )()( ) 1( KCC II f fi 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等等 效负电容抵消。效负电容抵消。 理论上微电极等效电路没有电容，时间常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。数变为零，容许高频信号通过。 实际补偿效果：从输出波形观测。实际

35、补偿效果：从输出波形观测。 补偿不足：波形上升沿平缓（补偿不足：波形上升沿平缓（a)， 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)， 最佳补偿最佳补偿:(c)无失真矩形波。无失真矩形波。 a)欠补偿欠补偿 (b)过补偿过补偿 (c)最佳补偿最佳补偿 (a) (b) (c) 小结 1)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 2）原理：利用电极电位（电流）随）原理：利用电极电位（电流）随 电电 解质离子浓度而变化。解质离子浓度而变化。 3）电极电位确定的）电极电位确定的 Nernst 方程方程 4）极化现象）极化现象 5) 极

36、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 6) Ag/AgCl电极工作原理和特点电极工作原理和特点 思考题： 3.1 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？ 3.2 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？ 3.3 何为电极的极化现象何为电极的极化现象?极化电极使用时极化电极使用时 应注意什么？应注意什么？ 3.4 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？ 习题：习题： 3.1 3.3 3.7 极化现象实验图 以银电极板模拟电极，以以银电极板模拟电极，以NaClNaCl溶液模拟生物体溶液模拟生物体 电解液，电池电解液，电池E E模拟电剌激电源或偏置电压，模拟电剌激电源或偏置电压， 泄漏电流泄漏电流, ,电阻电阻R R模拟检测系统输入阻抗。模拟检测系统输入阻抗。 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离子传送到生物体内, ,然后经过组织器官在然后经过组织器官在 另一电极界面另