生物电测量电极

电极是与生物体接触并使生物体同测量生物电或电刺激生物体的仪器耦合的部件。用作从生物体内导引出生物电位的电极为生物电测量电极。生物电测量电极广泛用于心电、脑电、肌电、皮肤电、神经和细胞电位等生物电测量中，对测量系统的灵敏度、稳定性、信噪比和抗干扰能力有重要影响。
电极进入生物体组织或与生物体表面接触时，在金属电极与生物组织间会出现半电池电动势和极化现象，电极电位和电极阻抗往往高而不稳，造成测量的困难。为此，降低并稳定电极电位和电极阻抗，是在电极的研究、制作和应用中十分重要的问题。此外，电极应对生物体无害，使用方便和成本低廉。
生物电测量电极的种类繁多，用途不一，性能各异。按物理形态分类，可分为宏电极和微电极两种。
电极电位 当电极与生物组织接触时，在一对电极间出现的由电池电动势和极化电位组合而成的电位差，总称为电极电位。
生物体组织由含有多种金属元素的电解质组成。当金属电极与组织接触时，在其界面产生一电位差，即半电池电动势。由于实际应用中的一副电极对很难完全对称，这将导致其半电池电动势不相等，则在两个成对电极间形成电位差。同时，测量生物电时在电极中有微弱电流通过，电极会出现极化现象，因而一对电极间还会形成与信号源电压极性相反的电动势，即极化电位。由电极半电池电动势和电极极化电位组合的电极电位，往往比所要测量的生物电位大得多，并且是与很多因素有关的变化量，电极材料、加工工艺、生物组织的性质、电极与组织接触面的处理及其松紧度、接触面积、温度和电极的对称性等，都对电极电位有显著影响。电极电位将与生物电信号相迭加，由电极传递到测量系统，因此需采取措施使电极电位减小和稳定，如使用极化电位小而稳定的银-氯化银电极，在测量线路上将慢变化的电极电位与生物电信号分离，保持电极性能的对称性，对电极接触的组织表面进行清理等等。
电极阻抗 由于电极与生物组织接触后，电极自身的阻抗与电极对之间生物组织阻抗的作用很难区分，故一般把加于生物组织上的电极对间各种阻抗的总和称为电极阻抗。
在电极极化时，电极与组织界面处形成双电层，产生电容性极化阻抗。电极的极化阻抗是电极阻抗的重要成分，与电极材料、电极与组织接界状态、电极面积、电流密度和频率等多种因素有关，其数值往往大而不稳。在电极的制作和使用中，应尽力降低电极的极化阻抗，并使之随频率的变化较小；同时，测量电路中应选用高输入阻抗放大器，以减少电极阻抗对测量的影响。降低电极极化阻抗的有效措施是采用弱极化电极，并应对电极与组织的接触面进行清理。
弱极化电极 当电流流过电极与电解质的界面时不产生极化电位的电极，称为弱极化电极（又称乏极化电极）。实际应用的弱极化电极，多为银-氯化银电极，其极化电位和极化阻抗小而稳定。
把银、银合金或镀银电极成对短接起来放在盐液中浸泡，便可在电极表面自然形成氯化银薄层。这样制成的极化电极仅有短期稳定性，其薄层所含氯化银量极微，镀好的电极不应受机械损伤，暂时不用时需短接后浸泡于NaCl溶液中。电镀法形成的氯化银薄层较易脱落和消耗，故工业生产中，仅用电镀法制作一次性使用电极。
可长期反复使用的银-氯化银电极多以烧结法生产，其特点是耐磨损，成本较低，便于保存和反复使用。这种电极常制成体表电极。
银-氯化银电极材料会在含有蛋白质的溶液中发生化学反应，这不仅使之失去原有的某些优点，且其产物还对生物组织有毒性，因此不宜用于体内测量，尤其不能作为长期植入式电极。中国研制成功的低温热解各向同性碳(LTIA) 电极材料的极化阻抗比银-氯化银材料低得多，且具有良好的生物相容性，是一种较理想的植入式电极材料。
宏电极 形体尺寸与生物细胞相比，较大的电极统称为宏电极。宏电极又分为体表电极、皮下电极、植入电极和可移动电极等。
体表电极 使用时，电极置于生物体皮肤表面，主要用于心电、脑电、皮肤电位和肌电的测量。用于四肢和头部的体表电极，多为金属、合金及金属与其盐类的复合材料制成的板、盘或条状物，使用时用松紧带、特殊夹具或头盔等固定在皮肤表面。短期用于胸部的体表电极，有时以金属或合金制成碗状结构，并附有与碗状结构气路相通的橡皮球，利用橡皮球产生的负压吸附在皮肤表面。长期监护中使用的体表电极，多采用双面粘膏将薄板电极固定在皮肤上。
体表电极与皮肤的界面存在复杂的现象，对生物电测量影响很大。半个世纪来，对电极与皮肤接界现象进行了大量研究，采取了各种有效对策，然而不少问题至今仍待解决。体表电极的电极阻抗，除含有电极极化阻抗外，还包括皮肤阻抗成分。后者一般数值较大，且随多种因素而变化，常常成为生物电检测中干扰的重要来源。干燥皮肤阻抗可达兆欧，而经打磨或以针尖轻刺后可降至数百欧。皮肤阻抗随着局部汗液的作用而显著下降，随通过电流的频率而改变，其数值难以重复。为克服皮肤阻抗对测量的影响，降低干扰，减少伪差，并使受试者少受刺激，人们采用了多种电极结构及其与皮肤的耦合方法。
(1)浮置电极： 是一种电阻传导性湿电极，特点是金属电极板与皮肤不直接接触，而是留有一定间隔，靠填充其间的电极膏构成电流通路。电极膏中含有适当比例的氯化钠，它应有良好的导电性，并对皮肤的刺激小，性能稳定，适于长时间使用。浮置电极又可分为多次性电极和一次性电极两种。
❶多次性电极： 一般是将金属电极板或银-氯化银电极片隐置于塑料罩内，片前装有带筛孔的隔板，使用前，在隔板及外罩的凹处填充电极膏。这种电极可多次使用，节省费用。使用中应注意防止有害气体的吸附或杂质污染所造成的性能下降；
❷一次性电极：一般是制造时预先在电极板上涂以电极膏，并用薄膜密封；在使用前揭掉该薄膜，用双面胶带粘于皮肤上。这种电极只供使用一次。由于电极板长期为电极膏覆盖，性能稳定，且不易受污染。浮置电极在使用中会因电极膏变干而引入干扰，用于长时间监测时，还会因电极膏对皮肤的刺激造成病人不适。
(2)半干银-氯化银电极：此电极不涂电极膏而与皮肤直接接触，仅在海绵状银-氯化银电极片内预先吸入少量能滋润皮肤且不易挥发的电解液，靠电解液和皮肤汗液的作用自湿皮肤，其电极阻抗远较湿电极（浮置电极）高。为减少电极阻抗引入的干扰，一般在电极板后装有增益接近1的缓冲放大器，进行阻抗变换。这种电极有利于克服电极膏带来的问题，减小对皮肤的刺激。
(3)绝缘型干电极： 是与皮肤间隔以绝缘膜，利用电容耦合方式传递生物电信号。这种电极避免在长期使用中电极膏变干和刺激皮肤，并可避免极化现象，能减小电极阻抗的波动。其绝缘膜应机械强度高，气孔少，介电系数大，漏泄电阻大，性能稳定。这种电极往往与缓冲放大器集成一体。它的主要缺点是耦合电路恢复时间过长，运动伪差使基线漂移大，此外，因电容耦合在电极之前，使检测电路设计增加了困难，电极材料和制备工艺亦不够成熟。
(4) 胶原电极： 是用电泳法将动物胶原附着于金属电极表面，形成薄膜，经此与皮肤接触。胶原是动物真皮层中固有的成分，与皮肤和水分均有良好的亲和性。这种电极的机理和应用尚处于研究阶段。
皮下电极 使用时，电极需穿透皮肤而与细胞外液接触。这种电极能形成良好的电极与电解液接界，性能稳定，但对组织有损伤。皮下电极主要用于测量深部组织的电活动，如肌电和皮下神经细胞的活动电位等。这种电极多为多股合金丝或不锈钢丝组成的针状物，电极表面由绝缘漆覆盖而仅有测量端裸露。
植入电极 使用时长期埋藏于生物体内，它可植入动物或人的大脑或其他部位，记录皮下神经电位，或植入体内兼作检测和电刺激电极。植入电极应具有良好的生物相容性。
可移动电极 使用时，电极与组织或器官的表面接触并可移动位置，主要用于外科手术或某些剖开皮层的生理实验中。一种结构是以玻璃滴管作骨架，测量端有一个用棉织物做成的“灯蕊”状软电极，玻璃滴管中盛有导电的盐溶液。
微电极 形体尺寸小于或近于生物细胞的电极统称微电极。微电极主要用于单细胞或神经元等活动电位的测量中，它能根据需要插入细胞而不明显损伤或改变细胞的功能，并且足够坚硬，其尖端多为圆锥形，直径为0.05μm至几十μm。这种电极可用于动物实验和长期埋藏。不同用途的微电极的材料和结构大不相同，加之在运输和使用中较易损坏，故常由使用者自行制作。按材料性质区分，有金属微电极和玻璃微电极两类。
金属微电极 是一尖端裸露而其余部分以漆或玻璃绝缘的高强度金属细针，由不锈钢、铂铱合金或钨丝在酸性溶液中电解腐蚀而成。金属微电极有工业产品可供使用者选择。金属微电极的低频特性较差，但噪声低。
玻璃微电极 是在微型玻璃管中填充电解液，中间安放电极丝作为引线而制成。电解液多选用3M氯化钾溶液，玻璃管由使用者结合需要用硬质玻璃毛细管拉制而成。用于测量细胞内静息电位和动作电位时，玻璃管尖端直径需<0.5μm；其尖端长度可为1～5μm。玻璃管微电极还可做成由记录管、 药物管和对照管组成的多管结构，用以观察药物作用下的细胞活力。
微电极需同高输入阻抗放大器联接使用，以免信号降低，其制作和使用均应十分精细，以获得满意的测量结果。