微电极及其应用

微电极及其应用

微电极是指工作面积很小的电极，电极面积大小的界限并不十分严格。微电极包括两种涵义：①指电极的微型化。如微型化离子选择性电极，用于直接观察体液甚至细胞内某些重要离子的活度变化。玻璃毛细管(尖端内径在百万分之一米以下)电极，在微操纵仪控制下，安臵在细胞表面附近或插入细胞内以观察单个细胞的电活动。在医学上微电极是研究细胞的一种工具。②指在电化学分析中电极面积很小但整个电极并非微型化的一类电极。如极谱法和伏安法中用的指示电极、滴汞电极、悬汞电极，库仑滴定中的指示电极、微铂电极等也称为微电极。这类电极由于电极面积极小，电流密度很大，容易发生浓差极化。微电极具有极高的传质速率。以微盘电极为例，在恒电位电解时，电极表面既有垂直方向的轴向扩散，也有来自各个方向的径向扩散。在线性 伏安法和循环伏安法中，微电极也显示了特殊的伏安曲线。由于电极的边缘效应，电极传质速率较快，在常规扫描速率下，电极电解速率与反应物扩散速率大致相当。当电流达到稳态，此时得到的伏安图为平台型，而不像常规电极那样成峰性曲线。只有在快扫描速率下，反应物在电极表面的电解速率大于其扩散速率时，使表面浓度降低，才能获得峰性伏安图。

由于微电极的电极表面极小，其电化学性质具有许多常规电极所没有的独特优点。另一方面，因为微电极本身的体积也非常小，可以将其插入动物体内进行实时、体内连续分析，直接取得体内化学活动信息，在生命科学研究中获得了重要的应用。

1

一、钾、钠离子分析：钾、钠离子是维持正常生命活动所必须的几种主要离子，也是人体液内含量最高的几种阳离子。钾离子在细胞内液中约占阳离子总量的77%，而细胞外部液体中的阳离子中的阳离子主要为钠离子，约占阳离子总量的92%。它们对维持细胞的正常物质代谢、细胞渗透压和酸碱平衡、以及维持神经肌肉的兴奋具有重要作用。测定生物体内和细胞中钾、钠离子含量，不仅为生理研究提供直接信息，而且在医学诊断方面具有重要临床价值。

l959年，Hinke研制成功以玻璃为活性材料的钾离子选择性微电极1。由于玻璃微电极制备困难，内阻高，实际应用不大。1971年，Walker制成以离子交换剂四对氯苯硼钾为活性材料的液膜型微电极

2

。这种微电极制备容易，内阻低，在生理研究中获得了广泛的应用3。

但是它对钠选择性差，因此在生理研究中的应用，特别是细胞外测定中的应用受到了一定限制。1966年，Simon等发现了一个选择性相当优越的缬氨霉素K+选择性电极4。1976年，Oehme等制成相应的微电极，它能完全满足细胞内外测定对选择性的要求，但是该电极的内阻很高，在生理研究中也受到了很大的限制5，1979年Wuhrmann等制成改进型钾微电极，但其内阻的降低极其有限6。在生理研究中，人们期望一种不但选择性好、而且内阻低的钾离子选择性微电极。有人7等报道一个选择性好、内阻低的缬氨霉素钾离子选择性微电极，讨论各种因素对电极性能的影响。研究了离子选择性液膜微电极膜流失机理和钾离子选择性微电极寿命8。将双管钾离子选择性微电极

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应用在生物医学中的I．大白鼠大脑细胞外[K十]e与血压间的关系。

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有人利用微型钾离子选择性电极，通过测定细胞外间隙中K+的浓度变化，研究了中枢神经系统功能正常的情况下，K+作为反馈剂的作用，并由此而了解到K+在人脑病理和危急状态下的重要作用。

近年来，钠离子的生理病理作用愈来愈受到生物医学工作者的重视，钠离子选择电极在生物医学中的应用日益增加。除了用钠电极测量体液(血液、尿液、唾液、汗液)及体表面钠离子来进行疾病的诊断及治疗中的监测外，许多学者用钠玻璃微电极研究心肌及神经细胞内钠离子的生理、病理作用。研制了钠离子选择性双管微电极

10-13

，

采用N，N’一双二苄基一3，6-二氧杂辛二酰胺为活性物质，癸二酸二丁酯为增塑剂，研制了尖端直径2．5 m的PVC膜钠离子选择性双管复合型微电投，探讨了该微电极在生物医学测量中的适用性，并在临床微量试样中作了初步应用，测定了产妇脐带血、官颈粘液(妇科检查)及健康人血清中的Na+浓度。

二、活体pH测定：在生命活动过程中。生物体内不断的产生酸性和碱性代谢产物。此外，还有相当数量的酸性或碱性物质从外界进入体内。但是，在正常生理情况下，机体内含有酸性和碱性物质，总是保持一定的数量和比例。例如，人体液中的酸碱度（pH）总是稳定在一个狭窄的范围内，波动不超过0.1pH单位。当机体pH偏离正常值时，机体将发生故障，严重时可导致死亡。所以，pH的测定，对于了解机体组织细胞的代谢情况和生理机能具有十分重要的作用。

用双阻离子选择性微电极测量NO3-营养对水稻根系质外体pH

3

值的影响14。从一个新的角度研究水稻NO3-营养的基因型差异以及质外体对作物吸收NO3-的作用，为今后深入研究水稻对NO3-的转运、吸收和调节机制提供理论依据。采用氧化铱为氧离子敏感膜15，以极化电解的方式将敏感膜附着于铂丝上，制备铂-氧化铱化学修改性微型pH电极，筛选性能优良的电极用于菌斑pH的原位检测，并与蜂式微型pH电极的检测进行对比。自制的铂一氧化铱化学修饰性微型pH电极对H＋选择性好、性能稳定、响应范围广、响应时间短，在牙菌斑pH的原位检测中显示了良好的可行性。亦研制可用于测定菌斑pH值的微pH电极16-20。研制锑膜微电极作为pH固体传感器21，应用在实际样品的测定中取得较好的结果。研制了聚苯胺修饰Pt微电极pH传感器22。由电聚合法用聚苯胺修饰碳纤维电极作为pＨ敏感电极23，并成功地应用于在体pＨ测定以及水果内微区pＨ测定。采用电化学聚合法将聚苯胺修饰在碳纤维微柱电极上，制成对pH具有能斯特响应的超微型pH传感器24-30，与pH玻璃电极比较，发现它具有响应快、稳定性高、重现性好及选择性高等特点。用该超微pH传感器首次实现了对芸苔属植物活体柱头乳突细胞和花粉粒表面微环境的pH值测定。为生物学家深入研究花粉萌发的生理过程和机理提供了十分有用的信息。

三、钙离子和其他物质分析：钙在人体的含量很高，成人体内含钙总量约为1200g。虽然99%的钙积存于骨骼及牙齿中，但体液中的微量钙离子具有重要的生理作用。例如，钙作为酶的激活剂和抑制剂，参与多种酶促反应，并且与心肌和骨骼肌肉的收缩和舒张

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有密切关系。目前已证实许多痰病与体内钙离子变化有关。困此，生物体中钙离子的研究成为生理，生化、病理及临床等学科感兴趣的课题。近年来，许多学者报道了用钙离子选择性微电极进行钙的生理，病理研究31-35。用自制的钙离子选择性微电极（Ca2+-ISME）测定游离钙，拟反映体内钙被吸收的真实水平36。方法建立了血清样品中钙离子测定方法，并进行三种具有代表意义的站钙剂的大鼠药代动力学对比研究。经灌胃给药，定时取血，制备血清并测定其钙离子浓度。用钙离子选择性微电极分别测试人牙菌斑

37-40

、唾液

中游离钙的检测Ca2＋。用自制的基于中性载体ＥＴＨ１００１的钙离子选择性微电极41测定大鼠血钙浓度－时间曲线，对新的钙制剂ＡＳＡ和对照药物葡萄糖酸钙的生物利用度进行对比。用双管钙离子选择性微电极42动态检测大鼠脑梗塞后脑细胞外钙离子改变及硝苯吡啶对钙离子的影响。将Ca2＋敏感性微电极应用在心肌胞浆Ca2

＋

活度检测中43-45。

四、测定各种其他离子的微型选择性电极也有很多应用46-50。在

丘脑底核（STN）电刺激治疗帕金森病术中51，应用微电极（MER）记录、分析针道沿途各核团电生理学特性，确认STN内各亚区范围、边界及STN与周围结构的边界并制图，为提高靶点定位的精确度提供依据.方法：STN电刺激术治疗帕金森病30例，植入刺激电极45个.在影像学定位基础上，应用MER记录、分析各核团细胞电信号的波形、频率、幅值、背景噪声，有无诱发放电、微刺激反应，所获数据结合CT/MRI资料，参考SchaltenbrandWahren脑图谱行针道

5

制图，描画STN内部运动亚区和非运动亚区范围、边界及STN与周围结构的边界，确定最终理想靶点.结果：记录131个针道并制图，平均每个针道记录时间20 min，每植入1个刺激电极需记录291个针道.STN细胞电信号为高频、高幅及背景噪声较高的簇状放电，平均放电频率(49±13) Hz，平均细胞密度(58±14) 个/mm，上、下界间平均长度(58±08) mm；运动相关细胞多位于背外侧部，下肢偏内侧，上肢偏外侧，亦可记录到“震颤同步细胞”.最终靶点与初步靶点的更换率为89％。术中应用MER针道制图，可更精确地确认STN内运动亚区和非运动亚区的范围、边界及STN与周围结构的边界，提高了靶点定位的精确度，也有助于对基底节各神经核团电生理特性的了解。

特别值得提出的是微型碳纤维电极。采用这种微型碳纤维电极，可以将其植入动物体内进行活体组织的连续测定。监测时间可达一个月之久。用微量移液枪头制备碳纤维微电极

52-55

，表明该电极电

化学性能优良，噪声低、响应快速、灵敏度高，能满足单细胞检测及其它微环境分析的要求。测定5-羟色胺在碳纤维微电极上的电化学行为。有人

56-60

利用碳纤维微电极，采用各种伏安法测量脑组织

中多巴胺及儿茶胺等物质的浓度变化，从而对脑神经的传导机制等问题，得出了十分有意义的结果61-65。

用聚甘氨酸修饰碳纤维微电极66-70差示脉冲伏安法测定尿酸。用电聚合方法将亚甲基绿（MG）修饰在碳纤维电极（直径7μm）上，并用该修饰电极测定了乳酸脱氢酶（LDH）活性。研究证明该修饰

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微电极稳定性好、灵敏度高、测定干扰小。

展望：微电极在生理研究和医学临床分析领域显示了重要作用

71-75

，使得测定人体血液、尿样、汗液中的多种离子和气体变得十分

容易。目前，测定人体体液中的阳离子已成为常规分析，但测定一些阴离子（如HCO3-、PO43-等）的技术还有待于改进。微电极电化学是一门正在迅速发展的前沿学科,随着制备技术的发展和完善,微电极必将被更普遍地应用,并将和生物科学、材料科学等学科产生更为紧密的联系,在更多的领域发挥越来越重要的作用。 参考文献：

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