СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИМПЕДАНСА ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОД - БИОЛОГИЧЕСКАЯ ЖИДКОСТЬ Российский патент 2011 года по МПК G01N27/07 

Изобретение относится к области биофизики и медицинской техники, а именно к исследованию электрического импеданса границы раздела металлический электрод - биологическая жидкость (БЖ). Способ позволяет точно определить удельный импеданс границы раздела металлический электрод - БЖ для различных сочетаний металлов и БЖ. Полученные результаты могут быть использованы для обоснованного выбора металлических электродов при разработке электродных устройств для кондуктометрических, реографических и импедансометрических исследований.

При проведении кондуктометрических и реографических исследований обычно встает проблема создания надежного электрического контакта с исследуемым биообъектом, выбора электродов с низким импедансом. Известно, что на границе раздела металлический электрод - БЖ всегда возникают поляризационные явления, которые обусловлены природой физико-химических взаимодействий между поверхностью металла и электролитом.

Поляризационные явления, возникающие на границе раздела металлический электрод - БЖ, приводят к возникновению двойного электрического слоя, обладающего свойствами активного сопротивления и емкостными свойствами. В результате измеренная величина импеданса характеризует не только свойства биологической ткани, а включает в себя и свойства границы раздела электрод - БЖ. В связи с этим электрическим свойствам электродов и определению их характеристик уделяется большое внимание. В большинстве случаев подходящие электроды выбирают интуитивно, методом проб и ошибок. Замечено, что в некоторых случаях полезно применять электроды большой площади или для уменьшения переходного сопротивления смачивать места контактов различными клеями, растворами и пастами, обладающими хорошими электропроводящими свойствами.

Граница раздела электрод - БЖ - это граница раздела двух проводников с разным типом проводимости. Металл - это проводник с электронным типом проводимости, биологическая жидкость - проводник с ионным типом проводимости. Электроды любого типа характеризуются тем, что на них происходит перенос электрических зарядов (электронов или ионов) через границу раздела фаз. В одной из смежных фаз заряды движутся в результате процессов электронной проводимости, а в другой реализуется электролитический механизм посредством переноса заряженных частиц (ионов) [Методы измерения в электрохимии. Т.1, ред. Э.Егер и А.Залкинд, М.: «Мир», 1977, стр.9-10].

Явление поляризации электрода с образованием двойного электрического слоя может быть обусловлено многими причинами. Известны четыре основных электрохимических процесса, обусловливающих поляризацию электродов: перенос ионов электролита к электродам в электрическом поле; химические реакции окисления и восстановления на электродах; диффузия ионов; перенос ионов металлов с поверхности электродов в электролит. На ход этих процессов может оказывать влияние измерительный ток или приложенная разность потенциалов. Следовательно, условия для поляризационных процессов и электрические характеристики электродов непостоянны. В настоящее время нет общепринятых представлений о методах создания и поддержания постоянства электрических характеристик контакта электрода с биологическими жидкостями. В результате наблюдается значительный разброс измеряемых свойств БЖ и тканей и невоспроизводимость результатов исследований. Особенно острой эта проблема становится при низкочастотных измерениях. Это связано с тем, что на низких частотах емкостное сопротивление границы раздела электрод - БЖ заметно увеличивается в соответствии с формулой Х_с=1/ωС, следовательно, увеличивается и импеданс электрода [Шван X.П., Форстер К.П. Воздействие высокочастотных полей на биологические системы. Электрические свойства и биофизические механизмы. // ТИИЭР - 1980. - Т.68, №1, - С.121-132].

Таким образом, на современном уровне развития, по-видимому, невозможно создать к биологическим объектам «неполяризующиеся электроды». В связи с выясненными обстоятельствами решение этой актуальной задачи необходимо искать на путях исключения влияния поляризации электродов на результаты измерений как, например, использование четырехэлектродных кондуктометрических ячеек или точного определения импеданса границы раздела электрод - БЖ, предлагаемого разработанным способом.

Известен способ импедансной спектроскопии электролитических материалов с использованием кондуктометрических ячеек [Импедансная спектроскопия твердых электролитических материалов / Составители: В.М.Жуковский, О.В.Бушкова. - Екатеринбург, 2000 г., С.19-20 http://geg.chem.usu.ru/win/analyt/impedance.htm]. В частности, рассмотрен «трехзондовый» метод, позволяющий исследовать импеданс твердых электролитов и исключить влияние электродного импеданса.

Однако рассматриваемый способ по существу основан на использовании четырехэлектродной ячейки с неподвижными электродами и позволяет исследовать импеданс твердых электролитов, но не позволяет исследовать импеданс границы раздела электрод - твердый электролит.

Известен также способ экспериментального исследования диэлектрической проницаемости проводящих жидкостей (с исключением импеданса границы раздела металлический электрод - электролит). Способ осуществляют путем использования измерительной ячейки с параллельными раздвижными цилиндрическими электродами [Иванова Е.Н., Никоноров А.Н., Соловьев В.Г. Использование измерительной ячейки с параллельными раздвижными цилиндрическими электродами для экспериментального исследования диэлектрической проницаемости проводящих жидкостей. // Вестник Новгородского Государственного университета, 1999, №13 http://www.admin.novsu.ac.ru/uni/vestnik.nsf/All/705D1204E2174A3DC3256ABC00402F1]. Это устройство представляет собой два параллельных цилиндрических платиновых электрода длиной 25 мм и диаметром 3 мм, погруженных на глубину 20 мм в сосуд с жидким электролитом. Расстояние между осями электродов можно плавно изменять с помощью червячной передачи и определять с точностью 0,1 мм. Так как расстояние между осями электродов значительно меньше длины электродов и размеров сосуда с исследуемой жидкостью, то авторы используют теорию двухпроводной линии для определения емкости и диэлектрической проницаемости исследуемой жидкости.

Согласно теоретическим предпосылкам, представленным авторами, данное устройство предназначено для определения емкости и диэлектрической проницаемости жидкости и не позволяет исследовать импеданс границы раздела металлический электрод - БЖ. При этом размеры электродов и расстояние между ними значительно меньше размеров сосуда с исследуемой жидкостью. Это значит, что для этих электродов использована модель бесконечного пространства, а два цилиндрических электрода представляют собой по существу токовый диполь. Так как в этой модели диаметр электрода сравним с межэлектродным расстоянием, то плотность тока и напряженность электрического поля у каждого из электродов будет неодинаковой. Плотность тока будет значительно больше со стороны, направленной к другому цилиндру, и меньше со стороны, направленной к стенкам сосуда. Поэтому определение удельного импеданса электрода в этой системе находится под сомнением и авторы такой задачи не ставят. Рассмотренный способ позволяет по измерениям общего импеданса, проведенным при разных расстояниях, исключить импеданс обоих электродов и определить импеданс исследуемого электролита.

Известен способ определения импеданса биологической жидкости и импеданса границы раздела металлический электрод - биологическая жидкость и устройство для его осуществления, описанное в работе [Челидзе Т.Л., Кикнадзе В.Д., Кевлишвили Г.Е., Чхаидзе В.Т. Диэлектрическая спектроскопия крови. Диэлектрические спектры нормальной крови человека. Биофизика. - 1973. - Т.18, №5. - С.932-935] - (прототип).

Для осуществления способа авторы использовали модифицированный мост MПП-300 с генератором Г3-33 и селективным индикатором нуля Ф-510, а на высоких частотах - мост Е-10-2. Одним из достаточно простых, но важных элементов является кондуктометрическая ячейка, позволяющая контролировать электродный эффект измерениями при двух расстояниях между электродами. Цилиндрическая кондуктометрическая ячейка с раздвижными электродами из платины дает возможность изменять межэлектродное расстояние.

На основе данных об импедансе, полученных для двух разных расстояний между электродами, можно рассчитать и исключить влияние электродного импеданса на результаты измерений импеданса БЖ. Или определить сумму электродных импедансов для двух последовательно соединенных электродов, исключая импеданс биологического объекта, путем решения системы уравнений

где Z_R - импеданс биологической жидкости;

Z_Э - импеданс границы раздела электрод - БЖ;

Z_об - импеданс между электродами, установленными в торцах камеры;

- импеданс между электродами, установленными на вдвое меньшем расстоянии.

Известный способ не позволяет точно определить импеданс границы раздела металлический электрод - БЖ для одного электрода по следующим причинам:

1. В рассмотренном способе определение импеданса границы раздела металлический электрод - БЖ осуществляется в кондуктометрической ячейке с использованием двухэлектродной схемы измерения. Поэтому изменение межэлектродных расстояний и исключение импеданса биологического объекта расчетным путем позволяет определить лишь общий импеданс для двух электродов, соединенных последовательно во встречном направлении друг относительно друга. Неидентичность электродов по химическому составу, их неоднородность, наличие механических напряжений может привести к неодинаковой степени поляризации, и поэтому их импеданс может отличаться. Следовательно, точность определения импеданса отдельного электрода находится под сомнением.

2. Известно, что наличие в измерительной схеме проводников из различных материалов приводит к появлению контактной разности потенциалов. Следовательно, одновременно с переменным током в измерительной цепи может действовать и постоянный ток небольшой силы, обусловленный контактной разностью потенциалов. В результате постоянная поляризационная ЭДС в двухэлектродной ячейке к каждому электроду будет приложена в противоположных направлениях. Поэтому условия поляризации на указанных электродах будут сильно отличаться, и их импеданс будет различным. Вследствие этого определение импеданса отдельного электрода из измеренной суммы импеданса для двух электродов простым ее делением на два будет неправомерно.

3. Граница раздела электрод - БЖ каждого из электродов кондуктометрической ячейки представляет собой гальванический полуэлемент. Следовательно, в случае неидентичности электродов по химическому составу, наличия механических напряжений, постоянные поляризационные ЭДС каждого из электродов будут действовать в разных направлениях. На одном электроде это приведет к уменьшению импеданса, а на другом - к увеличению. По этой причине нельзя определить импеданс одного электрода простым делением на два рассчитанную сумму импеданса для двух электродов.

Импеданс границы раздела металлический электрод - БЖ определяется поляризационными явлениями на электродах и зависит от типа используемого металла, наличия в нем различных примесей и от свойств исследуемых биологических жидкостей и тканей.

Во многих случаях при проведении кондуктометрических исследований в принципе невозможно использовать четырехэлектродные кондуктометрические ячейки, которые полностью исключают влияние поляризации на токовых электродах. Например, при проведении мостовых измерений, когда необходимо раздельно определить составляющие импеданса, всегда используют двухэлектродные ячейки.

Поэтому при разработке кондуктометрических датчиков и электродных устройств необходимо использовать материалы, обладающие наименьшим импедансом. Обоснованный выбор материала для электродных устройств позволит повысить точность кондуктометрических, реографических и импедансометрических медицинских исследований.

Цель изобретения - разработать способ точного определения импеданса границы раздела металлический электрод - биологическая жидкость (БЖ).

Способ определения импеданса границы раздела металлический электрод - БЖ осуществляют с использованием устройства, включающего измерительную кондуктометрическую камеру с тремя электродами, два из которых - крайние - неподвижно закреплены по торцам измерительной камеры. Один из неподвижно закрепленных электродов является исследуемым, второй электрод служит для создания тока в измерительной камере. Третий электрод подвижный, он закреплен на ползуне горизонтального перемещения препаратоводителя и его можно перемещать внутри измерительной камеры между неподвижными токовыми электродами. Причем расстояние от исследуемого электрода до подвижного измерительного электрода может быть измерено с точностью до 0,1 мм по нониусной шкале препаратоводителя. В состав устройства входит генератор синусоидальных колебаний (он создает ток необходимой частоты и силы), одна клемма которого «земля» присоединена к исследуемому электроду, а другая клемма генератора присоединена ко второму неподвижному электроду последовательно через токоограничивающий резистор и микроамперметр. Микроамперметр служит для контроля измерительного тока. Резистор является вспомогательным элементом и служит для ограничения и стабилизации тока. В состав устройства входит также милливольтметр, клемма «земля» которого присоединена к исследуемому электроду, а другая клемма - к подвижному измерительному электроду.

С помощью генератора переменного тока через неподвижные электроды в измерительной камере создают ток определенной силы и частоты. Вольтметром измеряют падение напряжения между исследуемым и подвижным измерительным электродом по мере его перемещения в измерительной камере. В результате измерений получают некоторую зависимость падения напряжения на импедансе границы раздела электрод - БЖ и импедансе БЖ. По полученным данным строят график зависимости падения напряжения от расстояния между исследуемым и подвижным измерительным электродом. Аппроксимируя полученный график до пересечения с осью напряжения, определяют падение напряжения на импедансе границы раздела металлический электрод - БЖ. Импеданс границы раздела электрод - БЖ рассчитывают, используя закон Ома

где U_Э - падение напряжения на импедансе границы раздела электрод - БЖ;

I_изм - измерительный ток через камеру;

Z_Э - искомый импеданс границы раздела металлический электрод - БЖ.

Устройство также позволяет определить по результатам проведенных измерений удельный импеданс исследуемой жидкости и однородность его распределения в измерительной камере.

В качестве генератора синусоидальных колебаний использован генератор Г3-112, в качестве вольтметра - милливольтметр типа В3-33. Для улучшения качества измерений в цепь тока включен резистор, который служит для ограничения и стабилизации тока. Для установки подвижного электрода в рабочее состояние (опускание в измерительную камеру) и в нерабочее состояние (подъем из камеры) используют ползун вертикального перемещения препаратоводителя.

Перечень чертежей иллюстративного материала

Фиг.1. Общий вид измерительной установки для определения импеданса границы раздела металлический электрод - БЖ.

1 - исследуемый электрод;

2 - подвижный измерительный электрод;

3 - измерительная камера с биологической жидкостью;

4 - неподвижный электрод для создания тока;

5 - диэлектрическая пластинка;

6 - нониусная шкала для измерения перемещений электрода;

7 - ползун горизонтального перемещения;

8 - микрометрический винт горизонтального перемещения;

9 - ползун вертикального перемещения;

10 - привод вертикального перемещения.

Фиг.2 Электрическая схема измерительной установки для определения импеданса границы раздела металлический электрод - БЖ.

1 - исследуемый электрод;

2 - подвижный измерительный электрод;

3 - измерительная камера с биологической жидкостью;

4 - неподвижный электрод для создания тока;

R - резистор ограничения и стабилизации тока;

мкА - микроамперметр для контроля тока;

В3-33 - милливольтметр;

Г3-112 - генератор синусоидальных колебаний.

Фиг.3. Графики изменения падения напряжения в зависимости от расстояния L между исследуемым и подвижным электродом.

Исследование границы раздела никель - физиологический раствор.

Измерительный ток I=3·10^-5 А.

Частоты 30 Гц, 100 Гц, 300 Гц, 1 кГц, 3 кГц.

Фиг.4. Графики изменения падения напряжения в зависимости от расстояния L между исследуемым и подвижным электродом.

Исследование границы раздела серебро - кровь.

Измерительный ток I=3·10^-4 А.

Частоты 30 Гц, 100 Гц, 300 Гц, 1 кГц, 3 кГц.

Фиг.5. Графики изменения падения напряжения в зависимости от расстояния L между исследуемым и подвижным электродом.

Исследование границы раздела нихром - плазма крови.

Измерительный ток I=3·10^-4 А.

Частоты 30 Гц, 100 Гц, 300 Гц, 1 кГц, 3 кГц.

Фиг.6. Графики изменения падения напряжения в зависимости от расстояния L между исследуемым и подвижным электродом.

Исследование границы раздела никель - кровь.

Измерительный ток I=10^-4 А.

Частоты 30 Гц, 100 Гц, 300 Гц, 1 кГц, 3 кГц.

Устройство содержит измерительную камеру 3 прямоугольной формы для биологической жидкости, по торцам которой установлены исследуемый электрод 1 и электрод 4 для создания тока через камеру (см. фиг.1). Между электродами 1 и 4 в измерительной камере находится подвижный измерительный электрод 2, закрепленный на ползуне горизонтального перемещения 7 с помощью диэлектрической пластинки 5. Подвижный измерительный электрод 2 может перемещаться вдоль измерительной камеры. Для точного перемещения подвижного измерительного электрода 2 использован стандартный препаратоводитель типа СТ-12 (элементы 6-10 на фиг.1 входят в конструкцию стандартного препаратоводителя). Перемещение измерительного электрода 2 вместе с ползуном 7 осуществляют с помощью микрометрического винта 8 и контролируют с точностью 0,1 мм по нониусной шкале 6. Для опускания в измерительную камеру 3 и подъема из нее подвижного измерительного электрода 2 служит ползун вертикального перемещения 9, который приводится в действие микрометрическим винтом 10.

Электрическая схема измерений импеданса границы раздела электрод - БЖ представлена на фиг.2. В качестве источника тока использован генератор синусоидальных колебаний Г3-112, причем клемма «земля» подключена к исследуемому электроду 1. Другая клемма («выход») генератора через резистор R ограничения и стабилизации тока и микроамперметр мкА подключена к неподвижному электроду 4 для создания тока в камере 3.

У милливольтметра В3-33 клемма «земля» подключена к исследуемому электроду 1, а другая клемма «вход» подключена к подвижному измерительному электроду 2.

Предложенное устройство позволяет реализовать способ определения импеданса границы раздела электрод - БЖ для конкретного исследуемого электрода на различных частотах и плотностях измерительного тока, а также импеданс исследуемой БЖ и импеданс неподвижного электрода 4 для создания тока.

Способ осуществляют следующим образом. В камере устанавливают обезжиренные и чистые образцы электродов, изготовленные из одного металла (см. фиг.2). Подвижный измерительный электрод 2 устанавливают вблизи исследуемого электрода 1 с помощью микрометрического винта 8 (см. фиг.1). По нониусной шкале 6 измеряют расстояние между исследуемым (1) и подвижным измерительным (2) электродами. Камеру заполняют биологической жидкостью. Включают установку: генератор и милливольтметр. Устанавливают необходимую частоту тока, например 300 Гц, и по микроамперметру устанавливают величину измерительного тока, например 100 мкА. Измеряют падение напряжения. При этом милливольтметр измеряет сумму падений напряжений, в которой одно из слагаемых - падение напряжения на границе раздела исследуемый электрод - БЖ (U_Э), а другое слагаемое - падение напряжения в биологической жидкости на участке от исследуемого электрода 1 до подвижного измерительного электрода 2 (U_жид).

После первого измерения перемещают подвижный измерительный электрод 2 на некоторое заданное расстояние (например, на 5 мм) от исследуемого электрода 1. Измеряют расстояние между электродами 1 и 2 по нониусной шкале с точностью 0.1 мм. Проводят второе измерение падения напряжения. При этом падение напряжения на границе раздела исследуемый металлический электрод - БЖ U_Э не должно меняться, а падение напряжения в биологической жидкости U_жид увеличится на ΔU_жид пропорционально увеличению расстояния ΔL, обусловленному перемещением измерительного электрода. Следовательно, и общий импеданс системы металлический электрод - БЖ увеличится на величину ΔZ_жид. В этом случае изменение падения напряжения на милливольтметре будет равно ΔU=I·ΔZ, где I - сила тока через измерительную камеру.

Таким образом проводят несколько (4-5) измерений. Если интервалы перемещений ΔL подвижного измерительного электрода равны и биологическая жидкость однородна, то общее падение напряжения в измерительной камере будет увеличиваться на одинаковые величины ΔU по мере удаления подвижного измерительного электрода от исследуемого электрода.

Результаты измерений представляют в виде графика зависимости падения напряжения, измеренного между исследуемым электродом 1 и подвижным измерительным электродом 2, то есть от расстояния L между данными электродами U=f(L) (см. фиг.3, 4, 5, 6). При этом если импеданс границы раздела исследуемый металлический электрод - БЖ будет равен нулю, то график изменения напряжения в измерительной камере должен начинаться с нуля в системе координат (L, U). Но в электролитах, в частности в физиологическом растворе и в биологических жидкостях, всегда наблюдается поляризация электродов. Поэтому процессы поляризации, которые происходят в непосредственной близости от электрода на расстояниях порядка 1 мкм, приводят к резкому возрастанию приэлектродного импеданса, которое проявляется в виде скачка напряжения в приэлектродной области. Величину этого резкого изменения падения напряжения на электродном импедансе можно определить графически, аппроксимацией графика изменения падения напряжения в жидкости до пересечения с осью напряжения. По определенной величине падения напряжения на импедансе границы раздела металлический электрод - БЖ можно рассчитать импеданс границы раздела электрод - БЖ (импеданс электрода), используя закон Ома по формуле

где U_Э - падение напряжения на импедансе границы раздела электрод - БЖ;

I_изм - измерительный ток через камеру.

Определение импеданса исследуемой биологической жидкости. По полученным результатам измерений напряжения на подвижном измерительном электроде для определения электродного импеданса на графике выбирают две точки, например вторую и последнюю, в которых проводили измерения. По выбранным точкам можно определить расстояние в БЖ в измерительной камере между заданными точками и падение напряжения на этом участке в исследуемой биологической жидкости. Следовательно, при известной величине тока и падения напряжения можно рассчитать импеданс биологической жидкости и с учетом геометрических размеров измерительной камеры определить удельный импеданс использованной биологической жидкости.

Наличие неоднородностей в исследуемой жидкости, например образование сгустков в нестабилизированной крови, обнаруживается по неравномерному увеличению падения напряжения по мере перемещения измерительного электрода вдоль камеры (см. фиг.6).

Апробирование предлагаемого «Способа определения импеданса границы раздела электрод - биологическая жидкость» проведено на кафедре физики и информатики Новосибирского государственного медицинского университета. Испытания были проведены с использованием электродов из различных металлов и с применением различных биологических жидкостей. Исследована также зависимость импеданса границы раздела металлический электрод - БЖ от параметров измерительного тока (частоты и плотности тока). Результаты электрофизических измерений представлены в таблицах и на графиках (фиг.3-6).

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности определения импеданса границы раздела металлический электрод - БЖ. Указанный технический результат достигнут благодаря введению в измерительную камеру третьего измерительного электрода, который по существу сканирует распределение потенциала в биологической жидкости между двумя токовыми электродами вдоль измерительной камеры.

Разработанный способ обладает существенной новизной, позволяет определить импеданс границы раздела металлический электрод - БЖ с высокой точностью и может быть использован в медицинской технике для выбора металла при разработке кондуктометрических датчиков и электродных устройств для медицинских исследований.

Пример 1 осуществления способа. Определение удельного импеданса границы раздела никель - физиологический раствор.

В измерительной камере 3 устанавливают в соответствии с фиг.1 три электрода из никеля: 1 - исследуемый электрод; 2 - подвижный измерительный электрод; 4 - неподвижный электрод для создания тока. Заполняют камеру 3 физиологическим раствором. Включают измерительные приборы: генератор Г3-112 и милливольтметр В3-33 в соответствии со схемой на фиг.2. Устанавливают измерительный ток определенной величины, например I=10^-4 A, и частотой ν=30 Гц. Перед началом измерений перемещают подвижный измерительный электрод 2 под визуальным контролем к исследуемому электроду 1. Расстояние между электродом 1 и электродом 2 устанавливают в пределах от 0,1 до 1,0 мм. Величину этого расстояния измеряют по нониусной шкале 6 ползуна горизонтального перемещения 7. После этого измеряют падение напряжения между исследуемым электродом 1 и подвижным измерительным электродом 2 при разных расстояниях между электродами. Для проведения каждого последующего измерения подвижный измерительный электрод перемещают с помощью микрометрического винта 8 на расстояние 5 мм от предыдущего и проводят измерение падения напряжения. Таким образом проводят измерения в 4-5 точках.

Результаты измерений представляют в виде графика зависимости U=f(L). На фиг.3 приведены результаты измерений падения напряжения на границе раздела никелевый электрод - физиологический раствор при разных расстояниях от исследуемого электрода. Это падение напряжения включает падение напряжения на импедансе границы раздела исследуемый никелевый электрод - физиологический раствор и падение напряжения в физиологическом растворе. На графиках фиг.3 представлены результаты измерения на 5 фиксированных частотах: 30, 100, 300, 1000 и 3000 Гц. Аппроксимируя полученные графики до пересечения с осью напряжений, получим величину падения напряжения на импедансе границы раздела исследуемый электрод - БЖ.

Результаты аппроксимации для всех частот приведены в таблице 1. Так, например, для частоты ν=30 Гц аппроксимация графика до оси ординат дает величину падения напряжения на импедансе границы раздела исследуемый электрод - БЖ, равную U_Э=20,2 мВ (0, 0202 В) (см. график фиг.3, табл.1, колонка 2). Учитывая величину измерительного тока I_изм=3·10^-5 (0,00003А) и используя закон Ома, можно рассчитать импеданс границы раздела электрод - БЖ по формуле Так, для приведенных выше условий Z_э=0,0202 В/0,00003А=673 Ом. Зная площадь исследуемого электрода (в данном случае S_Э=0,96 см²), можно определить удельный импеданс

В таблице 1 представлены результаты определения (путем аппроксимации графиков фиг.3) падения напряжения на границе раздела исследуемый электрод из никеля - физиологический раствор и рассчитанные по вышеприведенным формулам величины импеданса и удельного импеданса границы раздела электрод - физиологический раствор на заданных частотах при измерительном токе I=3·10^-5 А.

Таблица 1 Результаты определения падения напряжения и расчетов импеданса и удельного импеданса на границе раздела никелевый электрод - физиологический раствор Частота (ν), Гц 30 100 300 1000 3000 Падение напряжения на границе раздела электрод - БЖ (U_Э), мВ 20,2 8,8 4,6 2,0 1,0 Импеданс границы раздела электрод - БЖ (Z_Э), Ом 673 293 153 66 33 Удельный импеданс границы раздела электрод - БЖ (Z_уд), Ом/см² 701 305 159 69 34

Пример 2 осуществления способа. Определение удельного импеданса границы раздела серебряный электрод - кровь.

В измерительной камере устанавливают в соответствии с фиг.1 три серебряных электрода: 1 - исследуемый электрод; 2 - подвижный измерительный электрод; 4 - неподвижный электрод. Заполняют измерительную камеру 3 кровью. Включают генератор Г3-112 и милливольтметр В3-33 в соответствии со схемой на фиг.2. Устанавливают измерительный ток определенной величины, например I=3·10^-4 А, частота тока ν=30 Гц. Перед началом измерений перемещают подвижный измерительный электрод 2 под визуальным контролем к исследуемому электроду 1. Расстояние между электродом 1 и электродом 2 устанавливают в пределах от 0,1 до 1,0 мм. Величину этого расстояния определяют по нониусной шкале 6 ползуна горизонтального перемещения 7. После этого измеряют падение напряжения между исследуемым электродом 1 и подвижным измерительным электродом 2. Для проведения следующего измерения подвижный измерительный электрод перемещают с помощью привода микрометрического винта 8 на расстояние 5 мм и проводят измерение напряжения. Таким образом проводят измерения в 4-5 точках.

Результаты измерений представляют в виде графика зависимости U=f(L). На фиг.4 приведены графики изменений падения напряжения между исследуемым серебряным электродом 1 и подвижным измерительным серебряным электродом 2 при различных расстояниях от исследуемого электрода 1. Это падение напряжения включает падение напряжения на импедансе границы раздела исследуемый серебряный электрод - кровь и падение напряжения в крови.

На фиг.4 представлены в виде графиков результаты измерения падения напряжения на 5 фиксированных частотах: 30, 100, 300, 1000 и 3000 Гц. Аппроксимируя полученные графики до пересечения с осью напряжений, получим величину падения напряжения на импедансе границы раздела исследуемый серебряный электрод - кровь. Зная величину измерительного тока и используя закон Ома, определяем импеданс границы раздела на всех измеренных частотах по формуле

В таблице 2 представлены результаты определения падения напряжения на границе раздела исследуемый серебряный электрод - кровь и рассчитанные величины импеданса границы раздела исследуемый серебряный электрод - кровь на заданных частотах при силе тока I=3·10^-4 А. Измерив площадь рабочей поверхности исследуемого серебряного электрода (S_Э=0,96 см²), рассчитали удельный импеданс границы раздела по формуле

Таблица 2 Результаты определения падения напряжения, расчетов импеданса и удельного импеданса границы раздела серебряный электрод - кровь Частота (ν), Гц 30 100 300 1000 3000 Падение напряжения на границе раздела электрод - БЖ (U_Э), мВ 33 12,6 6,3 2 0,6 Импеданс границы раздела электрод - БЖ (Z_Э), Ом 110 42 21 6,6 2,0 Удельный импеданс границы раздела электрод - БЖ (Z_уд), Ом/см² 114,6 43,7 21,9 6,9 2,08

Пример 3 осуществления способа. Определение удельного импеданса границы раздела нихромовый электрод - плазма крови.

В измерительной камере устанавливают в соответствии с фиг.1 три электрода из нихрома: 1 - исследуемый электрод; 2 - подвижный измерительный электрод; 4 - неподвижный электрод. Заполняют измерительную камеру 3 плазмой крови. Включают генератор Г3-112 и милливольтметр В3-33 в соответствии со схемой на фиг.2. Устанавливают измерительный ток определенной величины, например I=3·10^-4, и его частоту ν=30 Гц. Перед началом измерений перемещают подвижный измерительный электрод 2 под визуальным контролем к исследуемому электроду 1. Расстояние между электродом 1 и электродом 2 устанавливают в пределах от 0,1 до 1,0 мм. Величину этого расстояния определяют по нониусной шкале 6 ползуна горизонтального перемещения 7. После этого измеряют падение напряжения между исследуемым нихромовым электродом 1 и подвижным измерительным нихромовым электродом 2. Для проведения следующего измерения подвижный измерительный электрод перемещают с помощью привода микрометрического винта 8 на расстояние 5 мм и проводят измерение падения напряжения. Таким образом проводят измерения в 4-5 точках.

Результаты измерений представляют в виде графика зависимости U=f(L). На фиг.5 приведены графики изменений падения напряжения между исследуемым нихромовым электродом 1 и подвижным измерительным нихромовым электродом 2 при различных расстояниях от исследуемого электрода 1 и на 5 фиксированных частотах: 30, 100, 300, 1000 и 3000 Гц. Это падение напряжения включает падение напряжения на импедансе границы раздела исследуемый нихромовый электрод - плазма крови и падение напряжения в плазме крови. Аппроксимируя полученные графики до пересечения с осью напряжений, получим величину падения напряжения на импедансе границы раздела исследуемый нихромовый электрод - плазма крови. Зная величину измерительного тока и используя закон Ома, определяем импеданс границы раздела для всех измеренных частот по формуле

В таблице 3 представлены результаты определения падения напряжения на границе раздела исследуемый нихромовый электрод - плазма крови и рассчитанные величины импеданса границы раздела нихромовый электрод - плазма крови на заданных частотах при силе тока I=3·10^-4 A. Измерив рабочую площадь исследуемого электрода, рассчитали удельный импеданс границы раздела по формуле Площадь рабочей поверхности электрода 0,96 см².

Определение импеданса исследуемой биологической жидкости. По полученным результатам измерений напряжения на подвижном измерительном электроде для определения электродного импеданса на графике (см. фиг.5), например, для частоты ν=100 Гц выбирают две точки, вторую и последнюю. По выбранным точкам определяем расстояние между точками и падение напряжения на этом участке в исследуемой биологической жидкости. Для выбранных точек I=25-5=20 мм;

U=90-63=27 мВ. По известной величине тока I=300 мкА и падения напряжения рассчитываем импеданс биологической жидкости

С учетом геометрических размеров измерительной камеры определяем удельный импеданс использованной биологической жидкости:

Наличие неоднородностей в исследуемой жидкости, например образование сгустков в нестабилизированной крови, обнаруживается по неравномерному увеличению падения напряжения по мере перемещения измерительного электрода вдоль камеры (см. фиг.6). На графике на частоте ν=1000 Гц имеется отклонение от прямой при L=15 мм, что связано с наличием сгустка крови в данной точке.

Таблица 3 Результаты определения падения напряжения и расчетов импеданса и удельного импеданса границы раздела нихромовый электрод - плазма крови Частота (ν), Гц 30 100 300 1000 3000 Падение напряжения на границе раздела электрод - БЖ (U_Э), мВ 180 83 42 20 9 Импеданс границы раздела электрод - БЖ (Z_Э), Ом 600 276 140 66 30 Удельный импеданс границы раздела электрод - БЖ (Z_уд), Ом/см² 625 287,5 145,9 68,7 31,2

Изобретение относится к области биофизики и медицинской техники и может быть использовано в медицине и медицинской технике при создании электродных устройств для диагностических и лечебных целей. Способ осуществляется с использованием измерительной камеры прямоугольной формы, которую заполняют биологической жидкостью. По торцам измерительной камеры установлены два одинаковых электрода: исследуемый электрод и второй электрод для создания тока. В средней части камеры находится третий подвижный электрод, который можно перемещать на определенные расстояния вдоль камеры с помощью стандартного препаратоводителя. Через крайние электроды в измерительной камере создают ток определенной силы и частоты с помощью генератора синусоидальных колебаний, например Г3-112. Между исследуемым и подвижным электродом измеряют падение напряжения с помощью милливольтметра типа В3-33. При этом милливольтметр регистрирует сумму падений напряжений на импедансе границы раздела исследуемый электрод - БЖ и на импедансе биологической жидкости на участке от исследуемого электрода до подвижного электрода. Перемещая подвижный электрод вдоль измерительной камеры от исследуемого электрода до электрода для создания тока в цепи, проводят 5-6 измерений через равные расстояния, причем в крайних положениях подвижный электрод не должен касаться неподвижных электродов. Результаты проведенных измерений представляют в виде графика зависимости U=f(L). Аппроксимация этой зависимости до пересечения с осью напряжения позволяет определить падение напряжения на поляризованной области исследуемого электрода. В этом случае импеданс границы раздела исследуемый электрод - биологическая жидкость (БЖ) можно рассчитать, используя закон Ома. Изобретение позволяет определить с высокой точностью удельный импеданс границы раздела металлический электрод - БЖ. 3 табл., 6 ил.

Способ раздельного определения импеданса границы раздела металлический электрод - биологическая жидкость (БЖ), включающий использование измерительной камеры с электродами, генератора переменного тока, отличающийся тем, что измерения проводят в трехэлектродной камере с электродами, выполненными из одного вида металла, причем крайние электроды неподвижные и один из них исследуемый, средний измерительный электрод можно перемещать с помощью микрометрического винта препаратоводителя и измерять его перемещение по нониусной шкале, измерительный ток в камере создают с помощью генератора переменного тока, причем генератор соединен последовательно с токоограничивающим резистором, микроамперметром и двумя крайними электродами измерительной камеры; милливольтметр подключен непосредственно к электродам измерительной камеры, при этом клеммы «земля» милливольтметра и генератора включены вместе к одному и тому же крайнему исследуемому электроду, а другая клемма милливольтметра подключена к подвижному измерительному электроду; при определенной частоте и силе измерительного тока проводят измерение падения напряжения между исследуемым электродом и подвижным измерительным электродом, при этом измеренное напряжение включает падение напряжения на электродном импедансе и импедансе БЖ; последовательно перемещая подвижный измерительный электрод через определенные расстояния, проводят 4-5 измерений, начиная измерения от исследуемого электрода, по результатам измерений падения напряжения между исследуемым электродом и подвижным измерительным электродом в зависимости от расстояния получают график U=f(L), аппроксимация которого до пересечения с осью напряжений дает падение напряжения на импедансе исследуемого электрода, затем рассчитывают импеданс границы раздела исследуемый электрод - БЖ и с учетом рабочей площади электрода определяют удельный импеданс границы раздела электрод - БЖ при заданной частоте и плотности тока.