Ю.Н. Орлов, О.Н. Суглобова - Исследование характеристик биоэлектрических электродов (1060036), страница 4
Текст из файла (страница 4)
5 мл/ч. Существуют такжеконструкции электродов 2-го рода, где вместо асбестовой нити используется пористая керамическая вставка либо микрокапилляр.Штатное рабочее положение электрода 2-го рода — вертикальное, капилляром вниз, что исключает затекание внешнего электролита во внутреннюю полость электрода. В режиме измерения с тойже целью предусматривают превышение уровня электролита в корпусе электрода над уровнем жидкой внешней среды.
Наличие капилляра и вертикальное, капилляром вниз, положение электрода врежиме измерения обеспечивают стабильность состава и концентрации внутреннего электролита.Наличие специфических измерительных задач привело к разработке большого количества разновидностей электродов 2-го рода(рис. 9, в). Например, с целью гарантирования стабильности величины собственного потенциала электрода может предусматриваться термостатирование измерительной ячейки проточной подогреваемой водой (рис.
9, г).При температуре 20 ◦ С потенциал образцового хлорсеребряного электрода относительно нормального водородного электрода составляет 201 ± 3 мВ, нестабильность потенциала при этом не превышает ±1 мВ (см. приложение 3).22Наличие в структуре электрода ионного проводника (растворасоли АgСl) и электрического сопряжения электрода с БО через капилляр с малым проходным сечением повышает внутреннее (выходное) сопротивление электрода до 10. . . 20 кОм, что увеличиваетнапряжение шума и определяет пороговую чувствительность измерений с помощью электрода 2-го рода.За счет внутреннего электролита электрода обеспечиваетсянадежный гальванический контакт с БО, при этом отпадает потребность в дополнительном ЭКВ. Более важным в примененииэлектродов 2-го рода является продуманная организация контакта«электролит электрода — проводящие растворы БО», посколькуналичие такого контакта может приводить как к непосредственному воздействию электролита электрода на БО, так и появлениюконтактного диффузионного потенциала.В качестве пары cеребра с хлоридом серебра возможно такжесочетание серебра с бромидом, иодидом, сульфатом, сульфидом,карбонатом или оксалатом серебра.
В качестве электролита при измерениях непосредственно на БО допускается также применение0,9 %-ного раствора NaCl, например:Ag, AgCl | 0,9 %-ный NaCl || БО.Изменение состава и концентрации соли внутреннего электролита приведет в этом случае к изменению собственного потенциалаэлектрода, однако в симметричной измерительной ячейке это изменение не будет иметь существенного значения.Среди конструкций хлорсеребряных электродов получили распространение также каломельные (на основе ртути Hg и соли —каломели ртути Hg2 Cl2 ) электроды. С учетом специфики применяемых материалов в медицине такие электроды используются ограниченно.Электроды 2-го рода в микроисполнении позволяют осуществлять съем медленно изменяющихся биоэлектрических потенциалов клетки (дрейфа мембранного потенциала покоя). Технология изготовления таких электродов состоит в том, что стекляннуютрубку диаметром 1.
. . 2 мм нагревают и вытягивают до разрыва,получая диаметр суженной части, не превышающий несколько микрометров. Затем трубку заполняют электролитом. Конец трубки,23имеющий меньший диаметр, предназначен для контактированияс БО. В части трубки, имеющей исходный диаметр, размещаютметаллический электрод, покрытый его труднорастворимой солью(Ag, AgCl) и образующий вместе с электролитом электрод 2-го рода.Организация отведения клеточных биопотенциалов при указанныхразмерах микроэлектродов осуществляется с помощью микроманипулятора в поле зрения микроскопа.Стабильность собственного потенциала электрода определяетвозможность применения его при измерении квазистационарныхпотенциалов, поскольку при этом инструментальная ошибка, связанная с динамикой собственного потенциала электрода, уменьшается:dϕБОdϕэ,dtdtdϕБОdϕэгде— скорость изменения биопотенциала;— скоростьdtdtизменения потенциала электрода.Высокая стабильность электродных потенциалов позволяеттакже использовать электроды 2-го рода в качестве электродовсравнения, определяя с их помощью потенциал или стабильностьпотенциала любого другого измерительного электрода (см.
лабораторную работу № 1).В комплекте с ионно-обменными либо ионно-селективными измерительными электродами электроды 2-го рода широко применяются в методиках ионометрии (например, рН-метрии).Электроды 2-го рода в литературе часто называют неполяризующимися, понимая под этим сохранение равенства потенциалаэлектрода своему равновесному значению в следующих случаях:1) при замыкании-размыкании цепи измерительной ячейки; 2) приизменении подаваемого на электрод биопотенциала; 3) при действии внешних источников энергии (например, дефибрилятора).Во всех этих случаях величина тока, протекающего через электрод,не должна превышать указанных значений (cм. с.
21).Для уточнения области применения электродов 2-го рода представляет интерес изучение амплитудно-частотных и фазовых характеристик электрода в широком, актуальном для характеристики БО,диапазоне частот.24Методы и техника контрольно-поверочных операцийСИМН с электродами 2-го родаКонтрольно-поверочные операции (КПО) средств измерениямедицинского назначения (проверка на работоспособность и поверочные операции) в соответствии с нормативными документамиосуществляются раздельно для электродной части и измерительного усилителя.
Так, методы испытаний электродов описаны вГОСТах 25995, 17792. Методы испытаний приборов для измерениябиоэлектрических потенциалов определены в другом нормативномдокументе: ГОСТ 19687.Если на этапе изготовления и выпуска СИМН проведение КПОподдерживается метрологической службой предприятия и являетсярегламентной работой, то во время эксплуатации СИМН в учреждениях здравоохранения проведение КПО по организационноэкономическим причинам затруднено. В связи с изложенным выше представляется целесообразной разработка упрощенных КПОСИМН, проведение которых возможно на рабочих местах медицинским персоналом.Одним из важных принципов, на которых базируется разработка методов и средств метрологического обеспечения, являетсяпринцип подобия. Сущность принципа подобия состоит в том, чтоструктурно схемы поверочных и измерительных процедур должныбыть идентичны.
С другой стороны, средства измерения медицинского назначения проектируются, изготовляются и эксплуатируются с учетом идеологии биотехнических систем (БТС), в которуюзаложены принципы адекватности, единства информационной среды и идентификации сигналов. Таким образом, разработка методови средств КПО должна базироваться одновременно на принципахподобия, адекватности, единства информационной среды, идентификации сигналов.Рассмотрим средства и методику реализации КПО СИМН применительно к устройству для измерения квазистационарных биопотенциалов, включающему в себя систему электродов 2-го рода,усилитель биопотенциалов и регистратор сигналов.Основным структурным элементом КПО является имитаторбиоэлектрических сигналов (ИБС), в котором:251) структура канала передачи сигналов от ИБС к усилителю подобна биотехнической измерительной структуре;2) в канале передачи физической величины используются всевходящие в БТС элементы в полном соответствии с их целевойфункцией;3) в качестве физической величины, являющейся выходным сигналом ИБС, используется разность электрических потенциалов;4) выходные характеристики электрогенной структуры ИБС подобны выходным характеристикам электрогенной структуры БО;5) параметры выходных сигналов ИБС соответствуют ряду значений потенциалов БО в диапазоне «норма — патология» (единицы— десятки милливольт);6) используются ориентированные на специфику рабочего места пользователя образцовые средства (например, стандартные медицинские растворы).Такой ИБС реализован как электрохимический источник энергии — концентрационный элемент, работа которого основана наобразовании диффузионного потенциала ϕд между двумя растворами с заранее известными свойствами.
Причиной возникновениядиффузионного потенциала является различие в скоростях ионов,диффундирующих через границу двух сред с различной концентрацией соли. Так, коэффициенты диффузии ионов Na, К и Cl вводном растворе составляют соответственно 13,34; 19,58 и 20,33(106 ∙ см2 ) [4].Диффузионный потенциал ϕд определяется исходной зависимостью:∞RT λ∞a1а − λкϕд =,∞ lnF λ∞+λa2акгде R — газовая постоянная; T — температура раствора, K; F — по∞стоянная Фарадея; λ∞а , λк — предельные подвижности анионов икатионов (табличные данные); a1 , a2 — химическая активность потенциалообразующих ионных компонентов первого и второго растворов.Химическая активность вычисляется какa = f C.26Здесь f — коэффициент активности (табличные данные); С — молярная концентрация, определяемая по уравнениюC=103 ω/100,M (1 − ω/100)где ω — концентрация раствора, %; M — молярная масса.Конструкционной основой ИБС является концентрационныйэлемент, содержащий две емкости, заполняемые растворами P0 иPx , контактирующими через пассивную разделительную мембрану М (рис.
10). В ИБС используются широко распространенные вмедицинской практике стандартные растворы NaCl с различнойконцентрацией (ωx = 0,9; 3; 5; 10; 30; 35 %). В качестве опорного(неизменяемого) используется водный раствор NaCl (P0 ) с концентрацией соли ω0 = 0,9 %. Экспериментальная проверка значенийдиффузионного потенциала корректна при соблюдении условияRвх Rк.э , где Rвх — сопротивление цепи входа измерительногоустройства, Rк.э — внутреннее сопротивление концентрационного элемента.
Точность воспроизведения значений диффузионногопотенциала в этом случае определяется лишь точностью приготовления растворов. Набор стандартных растворов NaCl с известнойконцентрацией позволяет получить последовательность фиксированных калибровочных напряжений. Для перечисленных стандартных концентраций последовательности ωx = 3, 5, 10, 30 и 35 %вычисленные значения ϕд соответственно равны 5,84; 8,60; 12,81;21,12 и 22,54 мВ.Процедура КПО заключается в приготовлении (или использовании) готовых растворов NaCl (P0 и Px ), заполнении ими ячеекконцентрационного элемента и введении электродов Э1 и Э2 в контакт с поверхностью растворов.
Методика КПО сводится к проверке точности передачи и воспроизведения любого фиксированногозначения потенциала в диапазоне 0. . . 22,54 мВ и к оценке линейности амплитудной характеристики прибора по трем фиксированнымзначениям потенциалов.Таким образом, сопоставление величин известных потенциалов ИБС и выходных сигналов измерительного прибора позволяет27Рис. 10.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
