U = (волт, v). Електричното поле въздейства върху зарядите със сила и ги принуждава да се движат

електрод (в дясно).

Б) използват се електроди от химически инертни метали, най.често от платина;

В) увеличава се площта на електрода (електролитно развитие на площта на електрода чрез платиниране);

Г) по възможност, използва се променлив ток с висока честота;

Д) Най-често прилаганият начин за намаление на поляризацията е да се използват електроди с понижена поляризуемост (т.н. неполяризуеми електроди) (Фиг. 4.4.1). Например, сребърният неполяризуем електрод се състои от стъклен съд, който съдържа наситен разтвор на KCl и потопена в него сребърна тел. Сребърната тел (чувствителен електрод) е покрита със слой от неразтворима сол на същия метал (AgCl). На дъното на съда има филтърно прозорче през което се осъществява галваничния контакт на електрода с изследваната течна среда. Ако чувствителният електрод е катод (-), към него се движат Ag⁺ йони, той се окислява и върху него се отлагат атоми Ag. Ако електродът е анод (+), към него се движат Cl^-, той се въстановява и върху него се отделя AgCl. И в двата случая, електролизата не променя химичния състав на електродната повърхност - няма поляризация. Освен сребърен, чувствителният електрод може да бъде от живак, като се покрие със слой от каломел (Hg₂Cl₂). Така се получава каломелов неполяризуем електрод.

1. Определяне активността на даден йон в средата. Активността на важни биокатиони в дадена среда може да се определи с помощта на йон-селективни електроди. Когато активността на йона е ниска, тя практически съвпада с неговата концентрация. Най-важното качество на електродите от такъв вид е тяхната избирателна чувствителност. Това ще рече, че те дават показания, зависещи от концентрацията на даден вид йон, без да се влияят от присъствието на други йони в разтвора. В медицинската практика тези електроди се използват за измерване концентрацията на К⁺, Na⁺, Ca²⁺ и др. йони. Йон-селективният електрод (Фиг.4.4.2) съдържа корпус, йон-селективна мембрана и вътрешна спомагателна система. Йон-селективната мембрана представлява полимер (поливинилхлорид) съдържащ молекулите на вещество (йонофор), което специфично улавя и пренася определяните йони. При калиевия електрод, мембраната съдържа валиномицин, специфичен преносител (йонофор) на K⁺. При калциевия електрод мембраната съдържа йонофора А23187, който е специфичен преносител за Ca²⁺. Така, специфичността на йон-селективния електрод се основава на избирателната пропускливост на мембраната за дадения йон. Спомагателната система представлява 0.1 М разтвор на хлорна сол на определяния катион и неполяризуем електрод, потопен в този разтвор.




Фиг. 4. 4. 3. Устройство на кислороден електрод (в дясно) и на електрод за СО₂ (в ляво).

Когато йон-селективният електрод се потопи в среда, съдържаща неизвестната концентрация С на определяния йон, между спомагателната система на електрода и външната среда възниква електрично напрежение - електроден потенциал Е_ел. Той също се дава с формулата на Нернст (1). Измерването на концентрацията на йона става, като в средата се потопят два електрода, измервателен (йон-селективен) и сравнителен (неполяризуем сребърен или каломелов електрод). Потенциалът на сравнителния електрод спрямо разтвора е постоянен и не зависи от промените в концентрацията на определяния йон. Потенциалът на йон-селективния електрод зависи от концентрацията на йона, съгласно формулата на Нернст. За да се определи търсената концентрация, с подходящ миливолтметър се измерва електричното напрежение между двата електрода, което е функция на търсената концентрация.

По-принцип, най-точният измервателен електрод за [H⁺] е т.н. водороден електрод. Той представлява платинена нишка, потопена в разтвора, която непрекъснато се обдухва с газообразен водород. Съгласно уравнението на Нернст (1), електродният потенциал на този електрод зависи логаритмично от концентрацията на водородните катиони [H⁺], т.е., от рН на разтвора. Тъй като водородният електрод много трудно може да се поддържа и калибрира, в масовата практика се използва друг тип измервателен електрод с подобни свойства. Това е т.н. стъклен рН-електрод, чийто строеж е представен на Фиг. 4.4.2.

Стъкленият рН-електрод съдържа корпус (съд от дебело стъкло), селективна мембрана и вътрешна спомагателна система. Мембраната представлява тънка пластинка от стъкло съдържащо литий (електродно стъкло), запоена за долната част на корпуса. Благодарение на литиевите примеси, мембраната е селективно проницаема за водородните катиони Н⁺, като в същото време тя не позволява на останалите йони да преминат през нея. Вътре в съда се съдържа 0.1 n разтвор на НCl в който е потопен неполяризуем сребърен електрод (спомагателна система). Спрямо средата този електрод има електроден потенциал Е_ел, който зависи от активността на водородните йони а_Н+ съгласно формулата на Нернст Е_ел = Е_{ел о} + (RT/F). ln (а_Н+). Тук Е_ело e стандартния потенциал на електрода, получаващ се при активност на водородните катиони а_Н+ = 1 mol. От горната формула се вижда, че поради множителя RT/F електродният потенциал на стъкления рН-електрод зависи и от температурата. Счита се, че с достатъчна точност активността а_Н+ е равна на концентрацията на водородните катиони [H⁺]. Като се използва десетичен вместо натурален логаритъм, формулата за електродния потенциал на стъкления рН-електрод за температура от 20^оС добива вида

Е_ел = Е_{ел o} + 0.058 lg [H⁺] = Е_{ел o} - 0.058. pH
Е_ел е всъщност електричното напрежение между стъкления и сравнителния електрод, което се измерва с миливолтметър, градуиран направо в единици рН. Например, при нарастване на рН на разтвора с единица, потенциалът на стъкления електрод ще намалее с 58 mv. По този начин, рН на разтворите може да се измери в обхвата от рН 1 до рН 14.

При много съвременни рН-метри се използва т.н. комбиниран електрод, който представлява стъклен и сравнителен електрод, монтирани в общ корпус. С това се намалява обема на пробата, чийто рН се измерва.

В електронните рН-метри, зависимостта на електродния потенциал от температурата на разтвора се компенсира автоматично. При някои уреди, компенсацията се извършва ръчно, като тази температура се задава чрез променлив потенциометър.

Стъкленият електрод има широко приложение при измерване на рН, поради точността и удобството на работа с него. Освен това, неговите показания не зависят от присъствието на допълнителни вещества – окислители, редуктори, колоиди, електролити и др. в средата. Единственият му недостатък е, че той има много високо електрическо съпротивление, от порядъка на 1000 М, поради това, че стъклената мембрана представлява електричен изолатор. Това налага измерването на електродния потенциал да става чрез специални усилватели с високоомен вход.

Микроелектродите се използват за измерване на биопотенциала на клетки с по-големи размери (животински, растителни клетки, но не еритроцити и бактерии). Микроелектродите имат устройство, подобно на неполяризуемия сребърен електрод (Фиг. 4.4.1) и съдържат външен стъклен съд и вътрешен неполяризуем електрод Ag/AgCl. Предният край на стъкления съд се изтънява докато се превърне в силно заострена стъклена капилярка (диаметър няколко μm), с която под микроскоп и с помощта на микроманипулатор се пробива мембраната на клетката. При това електричния потенциал в цитоплазмата се изравнява с потенциала на сребърния електрод. Този потенциал се измерва по отношение на неполяризуем електрод, поставен във външната среда, където са суспендирани клетките.

Важно значение за биохимията има измерването на т.н. редокс (окислително-възстановителен) потенциал. Ако в даден разтвор се намират разтворени две вещества (окислител и окисляемо вещество – редокс система), от окисляемото вещество непрекъснато ще се прехвърлят електрони към окислителя. От този род са голям брой биохимични процеси, например пренасянето на електрони в окислителната верига на митохондриите. Ако в този разтвор потопим подходящ метален електрод, неговата контактна повърхност също ще участва в реакцията и ще придобие електроден потенциал, съответстващ на способността на окислително-възстановителната двойка да отделя електрони. Потенциалът на този електрод (редокс-потенциалът) се измерва по отношение на допълнителен неполяризуем електрод.
4.5. Физични основи на пасивната и активна електродиагностика. Електрография и

евокирани потенциали.

Цитоплазмата на клетките има електричен потенциал, който се отличава силно от този на извънклетъчната среда. Това означава, че от двете страни на клетъчната мембрана съществува електрично напрежение, равно на разликата между тези два потенциала. По исторически причини, електричното напрежение от двете страни на клетъчната мембрана се означава като биопотенциал на клетка. Главната причина за генерирането на това електрично напрежение е по-високата концентрация на калиевите йони (K⁺) вътре в клетките по отношение на тази концентрация извън клетките. При невъзбудимите клетки, както и при възбудимите клетки в покой, биопотенциалът е постоянно равен на около 60-70 mv със знак (-) в цитоплазмата.

Електровъзбудимите клетки (нервни, мускулни и рецепторни) могат за кратко време да променят своя биопотенциал. В момент на дразнене възбудимите клетки сменят знака и променят големината на своя биопотенциал, който става около +30 mv със знак (+) в цитоплазмата. Това се означава като електрична деполяризация на клетката. Деполяризацията на клетката е много важен момент, защото тя отразява промяната на биологичната дейност на клетката.

В тъкани и органи, състоящи се от голям брой възбудими клетки (сърдечен мускул, мозък), деполяризацията може да настъпи в група възбудими клетки, намиращи се в обособена част на органа (Фиг. 4.5.1). Така, в определен момент органът се разделя на две части, едната електрически възбудена и друга част, намираща се в покой. Между двете части на органа, възбудената и невъзбудената, възниква електрично напрежение, което поражда електричен ток. Мембраните на клетките обаче са електрични изолатори, ето защо само електричните товари, разположени в извънклетъчната среда участват в протичането на този ток. Погледнато отвън, възбудената част на органа е заредена отрицателно с електричен товар -Q, а невъзбудената – с положителен товар +Q. Напрежението, което възниква между възбудената и невъзбудената част на органа има значителна стойност от около 100 mv и се нарича биопотенциал на тъкан (орган). Това пространствено разделяне на електричните заряди вътре в обема на органа може да се представи като електричен дипол (двуполюсник), това е вектор с големина Р = Q.d и посока от (-) към (+), т.е., от възбудената към невъзбудената част на органа (Фиг. 4.5.1). В тази формула d е разстоянието между възбудената и невъзбудената част на органа.

Електричният дипол на органа представлява източник на електрично напрежение (нещо като батерия или акумулатор). Двата пространствено разделени заряда на дипола създават силно електрично поле наблизо и далеч от себе си. Особено силен е електричният дипол на сърцето, понеже съдържа голямо количество възбудими мускулни клетки. Понеже тъканите около сърцето представляват електропроводяща среда, това напрежение се провежда (пренася) от сърцето до повърхността на тялото, където може да се измери с два електрода, намиращи се в контакт с кожата. Напрежението между тези електроди обаче е слабо (от 1 mv до десети от mv), ето защо преди да се регистрира то се подава на подходящ електронен усилвател за да се усили по големина и мощност.

Съобразно функционалната активност на органа, локалната деполяризация се премества от една част на органа към друга. В съответствие с това биопотенциалът на органа се мени по големина и посока в течение на времето. Това означава, че с времето ще се мени и електричния дипол Р на органа, както и електричното напрежение между двата външни електрода. На Фиг. 4.5.2 е даден пример за това, как възбудената част на една тъкан (орган) се премества и съобразно с това се мени електричното напрежение между двата външни електрода Е₁ и Е₂. Електродът Е₁ е сравнителен или опорен, а електродът Е₂ е измервателен. Когато фронтът на възбуждение се приближава към измервателния електрод Е₂, върху него се регистрира положителен импулс, а при отдалечаване - отрицателен. Електродите Е₁ и Е₂ се обозначават като електрически отвеждания.

По този начин, електричната активност на органа носи клинична информация за неговото състоянието и функциониране. За целите на диагностиката, биопотенциалите на отделни възбудими органи (сърце, мускул, стомах, главен мозък, око и др.) се регистрират като функция на времето. От формата на получената крива линия се извлича информация за състоянието на тези органи. Този метод за електродиагностика на някои органи е известен като пасивна електрография.

Пасивната електрография на сърцето (електрокардиографията – ЕКГ, ECG) се основава на подобен начин на измерване. Периодичното свиване на сърцето се предизвиква от равномерни електрични импулси, които се генерират в неговия сино-атриален възел (точка О на Фиг. 4.5.3). За определено време (40 ms) генерираният импулс достига до атриовентрикуларния възел (точка 1 на Фиг. 4.5.3) и продължава да се разпространява по проводящата тъкан на сърцето. На Фиг. 4.5.3 е показано времето в ms, необходимо за придвижването на импулса от сино-атриалния възел до различните точки на сърцето и тяхното деполяризиране.

За един цикъл на сърдечната дейност, електричният дипол на сърцето се мени по посока и големина, като неговият връх описва сложна пространствена крива - векторкардиограма (Фиг. 4.5.3). Векторкардиограмата съдържа два кръга – вътрешен и външен, вътрешният от които се дължи на деполяризация и свиване на предсърдията, а външния – на деполяризация и свиване на камерите. Проекцията на този вектор върху пространствената ос, съединяваща двата външни измервателни електрода, представлява електрично напрежение, което може да се измери, усили и запише като функция на времето - линейна електрокардиограма. На Фиг. 4.5.4 е показана една линейна електрокардиограма, получена при измерване на електричното напрежение между два електрода (отвеждания), единият поставен върху лявата, другият върху дясната ръка на пациента (1-во нормално отвеждане). На същата фигура са показани времевите интервали и сегменти върху тази електрокардиограма, които имат клинично значение. Напреженията, измерени върху три пространствени оси (лява ръка-дясна ръка, дясна ръка-ляв крак и ляв крак-лява ръка) образуват т.н. триъгълник на Айнтхофен. Регистрирането на линейните електрокардиограми върху тези три оси позволява да се получи векторната кардиограма.



Фиг. 4. 5. 3. Преместване на възбуждението в отделните части на сърцето, номерирани от т. 0 до т. 4 (в ляво). В дясно е показана векторкардиограмата на сърцето, т.е, съответната промяна на електричния дипол на сърцето. В кръгчетата е показано времето (в ms) за достигане на възбуждението.
От показаните фигури се вижда, че върхът Р отговаря на електричното възбуждане (деполяризация) и свиване на предсърдието; QRS – комплексът отговаря на деполяризацията и свиването на камерите (миокарда). Установено е, че Т-върхът описва възстановяването на потенциала на покой (реполяризацията) на сърцето. В някои случаи след върха Т се регистрира и допълнителен връх, обозначаван с буквата U.

Важна величина при пасивната електродиагностика на сърцето е т.н. електричен вектор на сърцето . Условно, под тази величина се разбира векторът на електричния дипол на сърцето в момента на най-силна деполяризация на сърдечния мускул. На фиг. 4.5.3 това е векторът ОR (отсечката, съединяваща точките О и R). Посоката, определена от този вектор се нарича електрична ос на сърцето и се дефинира чрез ъгъла, който векторът сключва с една мислена хоризонтална права, минаваща през сърцето (Фиг. 4.5.5). В норма той е насочен от дясното рамо към левия крак (ъгъл от около +30^о), но при при някои пациенти може да бъде силно променен в зависимост от това, дали сърцето е изместено, завъртяно или някоя от стените му има променена дебелина.

По подобен начин се регистрират и биопотенциалите на мускулната тъкан, мозъка, стомаха и ретината на окото.

Дейността на мозъчните клетки също се съпровожда с промяна на електричния потенциал по тяхната повърхност (вълни на електрична активност) и генериране на електрични токове. Тези биопотенциали на мозъка се регистрират чрез електроди, поставени плътно върху главата на пациента и свързани с електроенцефалограф (ЕЕГ, EEG). Той измерва и усилва потенциалите и ги представя като функция на времето върху екран. Регистрираните потенциали имат различна амплитуда (между 1 и 10 μv) и честота, и съобразно с това се обозначават като алфа-вълни (8-12 Hz) и бета-вълни (13-30 Hz) (фиг. 4. 5. 6.). Понякога се регистрират и високочестотни вълни до 100 Hz, означавани като гама-вълни. В последствие са открити и крайно нискочестотни вълни, означавани като тета (4-7 Hz) и делта-вълни (0.5-3 Hz).

Делта вълните се регистрират при дълбок сън без сънища и при дълбока хипноза. Тета-вълните са характерни за състоянието на недълбок сън със сънуване и при хипноза. Алфа-вълните се генерират в състояние на сензорен покой (затворени очи), почивка, при релаксация на умствената дейност и при усещане за благополучие и уют. Тяхното отсъствие е признак на стрес и тревога. Бета-вълните възникват при стимулиране на сетивните органи и на умствената дейност. Те винаги се съпровождат от отделяне на стрес-хормони. Отсъствието на бета-вълни е признак за депресия, слабо внимание и лошо запаметяване.

Колкото честотата на импулсите е по-ниска, толкова тяхната амплитуда е по-голяма и по-широка е зоната, която те обхващат. Мозъчните дялове с повишена амплитуда на съответния вид вълни се представят на екрана на монитора с цвят, различен от цвета на дяловете, където тези вълни отсъстват. Картината на ЕЕГ-записа има характерна форма при някои състояния и заболявания, като страх и тревога, лош сън, епилепсия, инсулт, мозъчен тумор. ЕЕГ също дава дефиниция на мозъчна смърт при пациенти, които могат да служат като дарители на органи.

Фиг. 4. 5. 4. В ляво: линейна електрокардиограма при отвеждане лява ръка – дясна ръка. За един цикъл от сърдечната дейност, електрокардиограмата съдържа пет върха (зъбци) отбелязани с латинските букви P, Q, R, S и T. Точките 0, 1, 2 , 3 и 4 отговарят на моментите на възбуждение, посочени на фиг. 4. 5. 3. В дясно: Нормални стойности на времевите интервали и сегменти върху линейната електрокардиограма, получавана при 1-во нормално отвеждане.