生物医学传感器基础课件.ppt
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- 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 q q常向荣常向荣q 3.生物电测量电极生物电测量电极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。-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
2、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。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
3、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。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
4、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。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
5、到10m之间。之间。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。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。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
6、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。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
7、界面。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。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
8、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 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: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;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
9、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KCnFRTEEln0 0EKnTElg10240 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。0E0E0E表3.2 几种常用电极材料在25时半电池电位0E3.电极的极化和极化电位电极的极化和极化电位q
10、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-电解质溶电解质溶液界面电位从原有平衡电位变化为液界面电位从原有平衡电位变化为新电新电极电位极电位,该极化电位与通过电流密度有,该极化电位与通过电流密度有关。关。q将有电流通过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。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
11、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。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
12、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 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
13、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,成成为为氢电极氢电极,电极附近电极附近OH-浓度增加。浓度增加。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。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)对外电路为对外电路为负,负,q其极性恰与外接电
14、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 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。应尽量设法减小电极极化。应尽量设法减小电极极化。q生物电位测定生物电位测定:是通过电极把待测部位
15、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。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无电荷通过,而有位移而有位移电流通过的电极电流通过的电极,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
16、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。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,称为非极化电称为非极化电极。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电极性能。非极化电极性能。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
17、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。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
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