生物電信號探測和刺激電極(五):電極極化

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這一講,基於電極接口的簡易電路模型,講一講什麼是電極極化,我們希望獲得的電極理想電學特性到底是什麼樣的呢?薈薈為您答疑解惑!

電極極化(Polarization)的定義法拉第電流通過時,電極電位相對可逆值的偏移從第二講我們知道,當一個電極處於平衡態時,電極電位等於其可逆值Erev。當直流電流(法拉第電流:來自氧化還原反應的電流)流經電極接口時,這一電流會流過RCT

(和電極接口等效電路里雙電層電容Cdl並聯的那位)。所以實際的電極電位,根據下圖,用歐姆定律大家都能算的出,即:

生物電信號探測和刺激電極(五):電極極化

生物電信號探測和刺激電極(五):電極極化

因此極化的程度可以用兩端的壓降來描述(電化學裡也稱為過電壓“over-potential”,用η來表示)。顯然在上圖中

生物電信號探測和刺激電極(五):電極極化

理想的非極化(non-polarizable)電極的RCT等於零,也就是說對於法拉第電流而言是不存在電阻的。顯然根據前一講的電路模型而言,對於非法拉第電流(雙電層電容充放電)流經的雙電層電容Cdl

也會被短路,所以總的接口阻抗為零。因此電流可以任意地流經電極接口,所以對於生物信號而言,各種頻段的電流信號均能無衰減的任意通過,信號不會失真。完美的電極系統!電極電位永遠保持在可逆值

相對應的理想極化電極(polarizable)不允許任何直流或法拉第電流流過,因此RCT無窮大。有時候理想極化電極也成為阻斷電極(block electrode)。即使在過電壓的作用下法拉第電荷也不會流過電極接口。電極和組織/電解液的連接方式在這種情況下是純電容耦合。

現實世界中的電極往往介於理想極化和非極化電極之間。任何流經電極電解液接口的電流都會受到法拉第阻抗的影響,從而產生過電壓(overpotential)。

我們希望尋找這樣一種電極系統(尤其是在記錄非常微弱的生物電信號時):該系統具有非常小的RCT,電流可以幾乎不受阻礙的流過接口,能量損耗很小,過電壓很小,幾乎是非極化的。

採用惰性金屬製成的電極更接近於理想極化電極。因為這些金屬是惰性的,幾乎不會和周圍電解液或組織發生化學反應。因此,惰性金屬常被用於製作植入式電極,由於和周圍組織發生化學反應很微弱,減小了組織毒性問題。帶來的問題在於靜態電流很難通過這種接口,因為RCT很大。能通過的非法拉第電流需要在雙電層電容上進行充放電。所以在設計植入式電極時,從生物相容性角度而言,需要惰性的極化電極系統,而從電學表現而言,需要非極化電極系統,而這本身是矛盾的。因此一個折中的辦法是採用極化電極,通過粗糙化電極表面從而降低較大的接口阻抗。

生物電信號探測和刺激電極(五):電極極化

這一講我們瞭解了我們尋覓的理想電極特性,下一講我們來聊一聊電極系統的瞬態響應

生物電信號探測和刺激電極(五):電極極化

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