Ю.Н. Орлов, О.Н. Суглобова - Исследование характеристик биоэлектрических электродов (1060036), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Значение диффузионного потенциала ϕд определяется из выражения:ϕд =∞RT λ∞а1a − λk,∞∞ lnа2F λa + λk∞где λ∞a , λк — предельные подвижности анионов и катионов прибесконечном разведении; a1 , a2 — ионная активность в электролитах отведений.Амплитуда диффузионного потенциала может достигать сотен милливольт. Симметричная измерительная ячейка свободна отдиффузионного потенциала. При построении цепи измерительнойячейки необходимо стремиться к симметрии отведений и соблюдению электрохимического соответствия искусственного и естественного электролитов.7Сдвиг потенциала электрода в результате адсорбционныхявлений.
Наличие в биоэлектролитах несвязанных анионов и катионов, могущих вступать в физическое или химическое взаимодействие с металлом электрода, может приводить к изменению егопотенциала за счет адсорбционных процессов. Смещение потенциала электрода в отрицательную сторону вызывается адсорбцией органических и неорганических анионов (хлора, брома, йода и т. д.),соединений жирного ряда и т.
д. Смещение потенциала электрода вположительную сторону вызывается адсорбцией различных катионов — аммоний-катионов, соединений СН+ и т. д.Сдвиг электродных потенциалов в результате окислительно-восстановительных реакций. Окислительно-восстановительной реакцией называется электрохимическое взаимодействие двухреагентов, при котором происходит выход электрона из одного реагента (реакция окисления) и присоединение этого электрона к другому реагенту (реакция восстановления).Рассмотрим развитие окислительно-восстановительной реакции нафизической модели (рис.
3). Две емкости заполнены растворами одинакового химического состава, норазной валентности (двух- и трехвалентного железа). Этот примерокислительно-восстановительной паРис. 3. Схема движения элекрыявляется иллюстрацией целого рятронов при окислительнода биохимических процессов, протевосстановительной реакциикающих в организме человека (например, транспорт запасенного железа в организме человека осуществляется с участием окислительно-восстановительной железосодержащей пары ферритин — трансферритин).
В емкостях установлены платиновые электроды, к которым подсоединен измерительный прибор.Наличие замкнутой электрической цепи (внутренней — поэлектродам и электролитам, внешней — по электродам, проводамотведения и входному сопротивлению измерительного прибораRвх ) приводит к следующим процессам:8— ионы трехвалентного железа стремятся принять электроны,поставщиком которых является электрод;— ионы двухвалентного железа стремятся высвободить электроны, которые перемещаются на электрод;— на границе растворов со стороны трехвалентного железа создается большее «электронное давление», что дает потенциальнуювозможность для организации электронного тока в замкнутой внутренней электрической цепи (от трех- к двухвалентному железу);— динамика окислительно-восстановительного процесса провоцирует движение электронов (т.е.
появление электрического тока)по внешней замкнутой электрической цепи, электроны движутся отраствора с меньшей валентностью к раствору с большей валентностью.Электроды в данной электрохимической системе играют рольэлектрических донорных и акцепторных проводников, при этом насопротивлении Rвх протекающий ток создает падение напряжения,называемое окислительно-восстановительным потенциалом ϕо-в .Для однозначного толкования значений окислительно-восстановительных потенциалов в измерениях для материала электродапринято использовать благородный (инертный) металл — платину,практически не растворимую в исследуемой среде.
Ионные процессы при таких электродах отделены от электронных процессов.Значение потенциала окислительно-восстановительной системыописывается выражениемϕо-в = ϕ0о-в +RT aolg ,авzFгде ϕо-в — стандартный окислительно-восстановительный потенциал при активностях окислительной и восстановленной форм, равных 1; ao , aв — активность окисленной и восстановленной формсоответственно.В зависимости от свойств реагирующих компонентов окислительно-восстановительных систем регистрируемое значение окислительно-восстановительного потенциала может достигать значений в сотни милливольт.9Эквивалентная структурная схема системы «биообъект — электролит — электрод — измерительный прибор» может быть представлена в соответствии с рис.
4.Рис. 4. Эквивалентная схема измерительной цепи:EБО и Eэх — биоэлектрический и электрохимический потенциалы системы; Rэ ,Cэ , Rвх , Cвх – эквивалентные параметры электрода в отведении и цепи входа из-мерительного прибораПри более подробном анализе отведения необходимо учитыватьхарактеристики импеданса тканей и органов БО, а также участка«кожа — электрод».
Реакция жидкостей биологического происхождения и электродного контактного вещества (как проводников2-го рода) на низких и крайне низких частотах носит характерактивного сопротивления, зависящего от площади электрода. В отдельных случаях (например, для микроэлектродов) значения эквивалентной емкости отведения Сэ могут достигать десятков микрофарад, а эквивалентного сопротивления Rэ — десятков мегаом.Таким образом, потенциал отведения и измерительной ячейки вцелом определяется как электрогенезом БО, так и доминирующимив отведении электрохимическими процессами.При проектировании и эксплуатации электродных систем установление реальных характеристик ϕсм , Rэ , Cэ , а также их возможных временных изменений представляется актуальной задачей, поскольку при совпадении частотного диапазона изменения параметров БО и собственно электрода разделение биоэлектрического иэлектрохимического сигналов становится проблематичным.Соотношение временных характеристик биопотенциалов (ритмики биопотенциалов) с реальной динамикой потенциала смеще10ния позволяет разделить все множество биоэлектрических электродов на две основные группы:— электроды с дрейфом собственного потенциала (поляризующиеся электроды, электроды 1-го рода),— электроды со стабильным собственным потенциалом (неполяризующиеся электроды, электроды 2-го рода).В соответствии с ГОСТ 24878–81, 25995–83 [3] терминологически определены также классификационные признаки электродов взависимости от следующих факторов:особенности их участия в съеме биоэлектрического напряжения;наличия на них встроенных активных элементов;природы проведения электрического тока;кратности их применения;места наложения или введения;исследуемого источника биоэлектрического поля и др.Основные характеристики проводящихэлектродов 1-го родаВ практике электрофизиологических измерений наиболее широко применяются контактные проводящие электроды 1-го рода,называемые также поляризующимися (поляризуемыми) (рис.
5).Такие электроды выполняют из различных электропроводных материалов: металлов, сплавов, электропроводных неметаллов. Наиболее широко используются металлические материалы: серебро(чаще — серебряное покрытие), его сплавы, коррозионно-стойкиестали, вольфрам, пищевое олово и т. д. Рабочая площадь электродов для большинства клинических случаев определяется в соответствии с мощностью и размерами электрогенного органа и установлена нормативными документами (ГОСТ 25995).
Характернойконструктивной особенностью таких электродов является наличиеполости, назначение которой — удержание при измерениях электродного контактного вещества.Общие технические требования и методы испытаний электродов определены ГОСТ 25995. Для электродов ЭКГ, ЭЭГ и ЭМГстандартом установлены такие важные электрические параметры,11Рис. 5. Разновидности конструкций электродов 1-го рода:а — ЭКГ-электроды; б — ЭЭГ-электродыкак разность электродных потенциалов (не более 100 мВ), дрейфразности электродных потенциалов (не более 250 мкВ), напряже12ние шума (не более 30 мкВ), напряжение шума движения (не более100 мкВ для электродов ЭКГ).
Этим стандартом установлены такжесхемы испытаний электродов.Основным недостатком электродов 1-го рода является нестабильность (дрейф) потенциала поляризации, поскольку непосредственное взаимодействие проводника 1-го рода с проводниками2-го рода (гидратация катионов металла потовыми выделениями,электродным контактным веществом) носит нестационарный и неуправляемый характер.Наличие потенциала смещения и его динамика в реальном процессе измерения ограничивают область применения поляризующихся электродов измерением сравнительно быстро протекающихэлектрофизиологических процессов мышц, головного мозга, сенсорных систем, на клеточном уровне — потенциалов возбуждения. Некоторое повышение стабильности собственного потенциала электрода может быть достигнуто уменьшением растворимостиэлектрода в электролите, для чего электрод покрывают слоем труднорастворимой соли (например, на серебряный электрод наносятхлорид серебра Ag|AgCl). При этом в электродной системе предусматриваются конструктивные элементы (полости), обеспечивающие сохранение на время измерения гарантированного объема ЭКВс заданными свойствами.Конструкция слабополяризующихся одноразовых электродов1-го рода (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
