生物医用电极

调研报告体表电极【概述】体表电极是一种常用的医用传感器件。

在检测生物电或行电刺激时，电极是仪器系统与生物体连接或耦合的环节。

电极的用途是从生物体中直接取出电信号。

应用电极在生物体上获取电信号时，被测对象的特点不同，采用的电极结构也不一样。

在探测单个细胞或组织深部的电位时，采用微电极；测量组织局部区域的电活动时，采用针电极；测量生物体表的电位时，可采用体表电极。

本文重点介绍体表电极的原理、结构及应用。

【体表电极的基本原理】在体表采用体表电极检测生物电位时，常采用两个电极安放在人体的表面，在电极与体表间加有导电膏时，将有两个界面存在，如图1（a）所示。

图1 双电极检测及其等效电路模型一个是电极与导电膏间的界面，另一个是导电膏与表皮间的界面：电极与导电膏界面存在半电池电位E，表皮的外层（角质层）可看作是对于离子的半透膜，膜两边若有离子浓度差别，则存在电位差E’。

表皮的阻抗以Re和Ce表示，表皮下面的真皮和皮下层则呈现纯电阻特性，因此图1（b）就反映了用一对电极检测生物电的实际电路模型，了解这个模型，有利于对电极参数的认识，以及指导我们怎样设计与正确使用性能优良的检测电极系统。

体表电极主要由银、铂、镍、不锈钢或钨制成，它们一般电阻很小，制作也简单。

其尺寸一般是毫米级的。

体表电极的形状很多，有用于肢体的金属板电极（如图2A）、用橡皮膏粘贴的金属盘电极（如图2B）、吸球电极（如图2C）、浮动型表面电极、按扣电极（如图2D）以及特殊形式的表面电极等。

这些电极的材料一般应具有抗氧化、不腐蚀组织、具有生物惰性和电极电位小的特点。

电极作记录用时一般外部有屏蔽层，以减少干扰。

A 金属板电极B 金属盘电极C 吸球电极D 按扣电极图2 各种体表电极【体表电极的临床应用】1. 脑电图与皮层电图大脑皮层是神经系统最高级的中枢，它管理和支配全身各处的感觉功能和运动功能，有着数量极其庞大的神经元。

据统计，人类大脑皮层神经元的数量约为140亿。

生物电极材料生物电极材料是一种应用于生物电子学领域的关键材料，用于传感、检测和调控生物体内的电信号。

它们具有优异的生物相容性、高灵敏度和稳定性，广泛应用于医学诊断、神经科学研究和生物传感器等领域。

本文将从生物电极材料的种类、制备方法以及应用领域等方面进行介绍。

一、生物电极材料的种类生物电极材料的种类繁多，常见的包括金属电极、碳材料电极和导电聚合物电极等。

金属电极是最常用的生物电极材料之一，如银、金、钛等金属具有良好的电导性和化学稳定性，可用于记录和刺激生物体内的电信号。

碳材料电极包括石墨电极、碳纳米管电极和碳纳米纤维电极等，其特点是具有大表面积、良好的生物相容性和电化学活性，适用于生物传感器和生物电化学检测等领域。

导电聚合物电极是一类特殊的生物电极材料，如聚噻吩、聚苯胺等，具有高导电性和生物相容性，可用于神经传感和组织工程等应用中。

生物电极材料的制备方法多种多样，常见的包括物理沉积、化学合成和生物修饰等技术。

物理沉积方法主要是通过蒸发、溅射或电镀等方式，在电极表面沉积金属或碳材料，制备金属电极和碳材料电极。

化学合成方法是通过化学反应合成导电聚合物材料，如聚噻吩和聚苯胺等。

生物修饰方法是将生物分子或细胞膜修饰到电极表面，实现与生物体的相互作用，常用于生物传感器和组织仿生等研究中。

三、生物电极材料的应用领域生物电极材料在医学诊断、神经科学研究和生物传感器等领域具有广泛的应用。

在医学诊断中，生物电极材料可用于记录心电图、脑电图和肌电图等生物电信号，辅助医生进行疾病诊断和治疗。

在神经科学研究中，生物电极材料可用于记录和刺激神经元活动，研究神经网络的功能和疾病机制。

在生物传感器中，生物电极材料可用于检测生物分子、细胞和组织的电信号，实现生物分析和生物检测等应用。

总结：生物电极材料是一类在生物电子学领域中具有重要地位的材料，其种类多样，制备方法多样，应用领域广泛。

随着生物电子学的不断发展，生物电极材料将在医学、科学研究和生物技术等领域中发挥越来越重要的作用。

生物电极在生物传感器中的关键作用生物电极在生物传感器中的关键作用生物电极是生物传感器中的核心组成部分，能够将生物体产生的电信号转化为可测量的电信号，从而实现对生物体的监测和分析。

生物电极的关键作用不仅体现在信号转换的功能上，还涵盖了信号质量、稳定性、灵敏度等方面的要求。

首先，生物电极在生物传感器中起到了信号转换的重要作用。

生物体内部的生物电信号通常是微弱且复杂的，例如心电图中心脏的电活动和脑电图中脑的电活动。

生物电极能够将这些信号转换为电压或电流信号，以便后续的放大、滤波和数字化处理。

通过生物电极，我们可以更加直观地了解生物体内部的电活动情况，为疾病的诊断和治疗提供了重要的依据。

其次，生物电极对信号质量和稳定性具有重要影响。

信号质量直接影响到传感器的测量精度和可靠性。

生物电极应具有良好的信号响应特性，能够准确地捕捉和传递生物体产生的电信号。

同时，生物电极还要具备较高的稳定性，能够长时间稳定地工作，不受环境和时间的影响。

只有信号质量和稳定性达到一定的要求，生物传感器才能准确地反映生物体的状态和变化。

此外，生物电极的灵敏度也是关键因素之一。

生物电信号通常非常微弱，因此需要生物电极具备较高的灵敏度才能准确地检测到这些信号。

灵敏度的提高可以通过改善电极的结构和材料，增加电极的表面积以提高信号传递效率，或者引入放大器来增强信号的幅度。

通过提高生物电极的灵敏度，可以更加精确地监测和分析生物体的电活动，为临床诊断和治疗提供更多的信息。

最后，生物电极在生物传感器中还需要具备一定的生物相容性。

生物电极与生物体直接接触，必须具备良好的生物相容性，以防止对生物体产生不良的影响。

生物电极应选用无毒、无刺激和耐腐蚀的材料，以降低对生物体的损害。

此外，电极的设计和制造过程也要遵循一定的生物安全标准，确保生物传感器的安全可靠性。

综上所述，生物电极在生物传感器中扮演着重要的角色。

它能够将生物体产生的电信号转换为可测量的电信号，为后续的信号处理提供基础。

第三章生物医用电极一、简介：电极是连接测量系统和生物体不可缺少的元件，在任何电位测量或电刺激过程中，总要有一定的电流通过电极进入生物体和仪器，即使电位测量，也有很小电流通过。

电流导线——电子定向流动方式生物体——带电离子的运动分类：1、按工作性质分：检测电极：—敏感元件研究可兴奋组织传导和反应规律刺激电极：—执行元件向生物体内通入电流达到治疗疾病目的控制或替代生物体某些功能（去颤器、心脏起博器）有时同一个电极兼有检测和刺激双重功能。

2、按电极大小和工作时所处的位置分：体表电极宏电极皮下电极体内电极植入电极微电极二、极化现象1、定义：在有电流流过电极/溶液界面时，电极电位从平衡电极电位E(0)变为一个新的、与电流密度有关的电极电位E(i)。

把电极在有电流通过时的电极电位E(i)与没有电流通过时的平衡电极电位E(0)发生偏离的现象称为极化现象。

2、定量描述——极化电压（超电压）η＝E(i)－E(0)3、产生超电压的原因：①通过电极双电压的电荷转移——电荷转移超电压η(t)②反应物朝向电极的扩散和产物离开电极的扩散——扩散超电压η(d)③电极上的化学反应——反应超电压η(r)④电阻极化——电阻超电压η(R)电解液的欧姆电阻、扩散层中的浓度梯度以及电极表面上表面膜也都会引起电位变化。

η＝η(t)+η(d)+η(r)+η(R)三、电极极化对生物电位的检测和电刺激的影响NaCl 溶液 模拟 电极与生物体之间的导电液体电池E 模拟 电刺激的电源或检测系统输入级所需的偏置及漏泻电流、皮肤电反应的等效电压等电阻R 模拟 检测系统的输入阻抗①当双刀三掷开关在位置1时，无电流通过电极由于两电极所处的状态完全相同，所以两个电极电位相等。

②开关放在位置2时，电池E 加到电极上，外加电压升高到一定值后，电阻R 上有电压降产生，电解池回路中有电流通过。

之后随时间增加，电流减小。

③之后将开关放在位置3上，测得与外加电动势极性相反的电动势存在，即左正右负。