微电极.docx

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微电极

调研报告

微电极

【概述】

微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，生物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。

本文重点介绍微电极的原理、结构及应用。

【微电极的基本原理】

常用微电极有金属和玻璃两类，其电学性质不同，适用范围也略有差别。

金属微电极是一种高强度金属细针，尖端以外的部分用漆或玻璃绝缘。

金属电极丝由不锈钢、铂铱合金或碳化钨丝在酸性溶液中电解腐蚀而成，有多种成品可供选择，其缺点是微电极的几何形状与绝缘状态难以保持一致。

玻璃微电极由用户根据需要用硬质毛细管拉制而成。

用于测量细胞内静息电位和动作电位时，其尖端需小于0.5μm；用于测量细胞外活性区域非活性点电位时，其尖端可为1~5μm。

图1A所示为单管玻璃微电极的结构示意图。

在电极的粗端插入银—氯化银电极丝作为电气连接。

玻璃微电极尖端内的电解液，与被测组织液之间形成了液体接触界面，界面的两侧离子迁移率和浓度不同，可以形成电位差。

另一方面，由于电极尖端内径极小，因此形成高电极阻抗。

通常选用3mol/LKCl溶液灌注玻璃微电极，用以减小电极阻抗。

玻璃微电极可做成多管式，如图1B所示。

【微电极的临床应用】

（一）多管玻璃微电极的临床应用

上文提到的多管玻璃微电极，它是一种特殊的玻璃微电极，只在特定分析的时候才使用。

多管玻璃微电极主要用于观察在药物作用下的细胞生物电活动，是研究中枢功能与物质传递的重要手段。

其优点在于药物直接作用在较小范围，药物用量及其作用时间均可精确测定。

多管微电极由记录管、药物管和对照管等三部分组成。

记录管用以观察细胞电活动，其作用与单管微电极相同。

药物管用以向被观察细胞邻近的极小范围内，通过微电泳法导入离子化药物。

为避免管内高浓度药物不至于因浓度差而向组织液中弥散，药物管在不导出药物时，需加以与导出药物时极性相反的滞留电流，其大小常为毫微安的量级。

然而，滞留药物的电流将会导出同药物离子极性相反的非药物离子（例如溶液中的Cl-离子等），以致破坏被观察细胞附近局部组织的电中性。

对照管的一个作用是保持被观察细胞局部环境的电中性，方法是由它导出为达到电中性目的所需极性和数量的离子，如Na+离子。

它的另一作用是与微电泳药物的效应相对照。

当被观察细胞出现阳性反应时，为确定此反应是药物而不是电流的作用，需借对照管所灌注的、不会引起被观察细胞阳性反应的离子，通进与导入药物同样大小的电泳电流。

（二）普通微电极的临床应用

1.细胞外记录

细胞放电产生细胞外电流，从膜的静息区流向活动区，用细胞外电极能记录到这种间质性电流。

当一根细胞外微电极的尖端靠近神经元时（如图2），得到的记录在外形上近似于膜电位真正变化（细胞内记录得到的是单相波）的二次微分——一个短暂的双相峰波，带有一个小的第三相波（如图3）。

轴突的锋电位主要表现为正锋电位，迅速上升，缓慢衰减。

当微电极离活动神经元150~200μm时，开始记录出单相负锋电位，距离愈近，幅度愈大。

进一步接近胞体时，锋电位幅度可达1~5mV并呈双相正-负波形。

图2膜电位的细胞外记录

图3细胞外记录得到的膜电位波形

细胞外锋电位的第一个正成分可能是由于此时微电极位于电流从神经元出来并流到细胞间的部位。

第二个负成分表明，细胞电流方向出现倒转和靠近微电极的这部分神经元膜兴奋。

微电极位置适宜时，锋电位可能是三相的，正-负-正，这与神经元各部分的相继兴奋有关。

有时只记录到单相的正锋电位，因为靠近微电极的那部分膜并不永远是能活动的。

2.细胞内记录

细胞内微电极为记录单个细胞活动提供最好的方法，无论在细胞的静息期或活动期，都能获得有关膜电变化的完全定量的资料。

细胞内记录时（如图4），微电极尖端进入神经元内部的主要特征为出现负的膜电位，有时在直接穿入膜后可看到与机械损伤有关的高频发放。

如神经元的功能状态是令人满意的，这一发放历时很短，膜电位保持40mV以上的恒定值。

细胞内记录时，神经元的锋电位在膜电位的背景上产生，具有正的符号并且是单相的（如图5）。

此外，细胞内记录还可记到局部的、不导致神经元产生锋电位的突触电位。

图4膜电位的细胞内记录

图5细胞内记录得到的膜电位波形

微电极推进中常不可避免的造成神经元的损伤。

静息膜电位和动作电位的幅度较小，或迅速变小及持续期延长；锋电位立即转变成正后电位；以及高频放电等情况的出现，均表明神经元功能状态不佳，神经元受损或死亡。

由于胞膜本身具有黏液介质的性质，刺入电极所致的轻微损伤常可自行封合，所以微电极记到的电位仍能反映细胞膜两侧的真正电位差。

3.电压钳记录

细胞膜的静息电位和动作电位是由于离子流跨膜流动引起的。

为了了解各种不同离子在细胞活动过程中的跨膜流动规律，需要将欲研究的单一离子流从众多复合的离子流中分离出来。

利用离子通道启闭的电压依从性，电压钳记录采用灵敏的负反馈放大器，用胞内或轴突内注入电流的方法，人为的将一定空间的细胞膜的膜电位钳制在某一水平并维持一定时间，即可选择性的激活某一离子通道活动，来研究有关的某一跨膜离子流。

在电位钳制期间，由于膜电位恒定不变，从而消除了膜电容器充、放电产生的电容电流对跨膜离子电流的污染；在膜电位恒定的条件下，注入电流的大小，通过负反馈机制，恰好等于跨膜离子流的电流量，从而可据以测出有关离子流的方向、振幅和时程，并研究有关离子通道的启闭规律（如图6）。

图6电压钳实验装置的简图

在多细胞标本上，双微电极法是电压钳记录的方法之一。

双微电极法同时向细胞内刺入两个微电极，一个注入电流，另一个监测膜电位，可以避免细胞外液导电的短路效应，并且由于两个微电极之间的距离仅约0.2mm左右，易于保证电压钳在空间上的均匀性。

在游离的单细胞标本上，可用一个微吸管电极吸破细胞膜，使微吸管内液与细胞内液相通，以进行电压钳制，也可用双微电极刺入同一细胞进行电压钳制（如图7）。

前者适用于直径较小的细胞，并可改变细胞内液成分。

游离单细胞钳制效果较好，并可避免多细胞标本电压钳制过程中细胞间隙离子浓度变化本身所致的假象，是较理想的电压钳制记录法。

图7单细胞标本上的双微电极法

【微电极的发展历史与研究现状】

微电极是在20世纪30、40年代发展起来的。

微电极的发现，迅速的为可兴奋组织的显微生理学奠定了基础。

显微生理学不仅有可能研究高等动物器官深部的最小细胞的活动，而且能研究这些细胞的各个部分的活动。

较小的微电极细胞外记录时，可以研究参与中枢神经系统各个神经元的作用和意义；更小的微电极刺入细胞内进行细胞内记录时，可研究神经元本身的生理学、各结构部分的特性以及神经元膜的特性，直接揭露直接、顺向、逆向刺激及微量药物刺激细胞的规律性。

1939年，Cole、Curtis、Hodgkin、Huxley首次成功的进行了乌贼巨轴突的轴突内记录，揭开了细胞记录的新篇章。

此时的记录是将圆柱形的金属或玻璃微电极沿轴突走行，纵行刺入轴突内的。

第2年，一位年仅21岁的研究生Graham，开始在Gerard的实验室用微电极做细胞内穿刺，并于翌年即记录到了肌细胞的细胞内“真正电位”。

当时，她所用的微电极尖端直径约10μm，所记录到的静息电位平均为41mV，是有史以来最好的记录。

1942年，当Gerard在美国生理学会报告时，他们所用的微电极尖端平均直径为5~10μm，静息电位平均为54mV。

此时，他们已经意识到微电极尖端的高电阻使快速变化的动作电位记录失真。

1946年，在Graham离开之后，一位来自中国的研究生Ling在Gerard实验室学习拉制微电极，并与1947年使微电极的尖端直径小到1μm，阻抗高达100MΩ，所记录的肌纤维的静息电位达到78mV。

1948年，Hodgkin同Nastuk一起，改用3mol（而不是等渗）KCl充灌微电极，借以降低电极电阻和液体接头电位，并在微电极与放大器之间多加了一个阴极跟随器，借以减少栅极电容。

同年年底，他们即清楚的记录到超射达30~40mV的动作电位，并证明细胞外钠的缺如可降低动作电位幅值。

在Hodgkin和Nastuk的工作未发表之前，微电极细胞记录电位的技术即已迅速传播开来并蓬勃发展起来。

如今，微电极依然在记录各种细胞的静息电位和动作电位起着至关重要的作用。

不仅如此，如今研究人员还开发出了微电极组，实现同时对更多的神经元进行刺激和记录的功能。

微电极组可分为“二维微电极组”和“三维微电极组”。

图8所示即为利用微电极阵列记录皮层电图：

图8微电极阵列记录皮层电图

微电极不仅在科学研究中扮演着重要的角色，而且在治疗一些疾病时也起到了重要的作用。

例如，中国科学院曾研究过用于视网膜修复的微电极，利用体内植入电极对视细胞进行电刺激，能使患者的视力得到一定程度的恢复。

由于体内条件苛刻，电极要与组织长期共存并向提供适量的电刺激，因此必须要求其性质稳定，具有良好的生物相容性，能够长期工作而不易被体液腐蚀。

【参考文献】

《实验神经生物学》吕国蔚主编

《机能实验学》高兴亚汪晖戚晓红倪秀雄主编

《现代麻醉学》庄心良等主编

《用于视网膜修复的微电极研究》王淑静

《周围神经微电极的研究进展》李立钧张键陈统一陈中伟