第一章 緒論

學(xué)習(xí)目標(biāo)

第一節(jié) 概述

有關(guān)生物電的研究構(gòu)成一門專門學(xué)科，稱為電生理學(xué)（electrophysiology），它是生理學(xué)的一個(gè)分支。電生理學(xué)的研究領(lǐng)域包括細(xì)胞和組織的電學(xué)特性及其在不同條件下的變化、生物電現(xiàn)象和各種生理功能的關(guān)系以及不同功能單元之間的電活動(dòng)的相互關(guān)系等。

電生理技術(shù)（electrophysiological techniques）則是以多種形式的能量（電、聲等）刺激生物體，測(cè)量、記錄和分析生物體發(fā)生的電現(xiàn)象（生物電）和生物體的電特性的技術(shù)，是電生理學(xué)研究的主要技術(shù)。例如：心電圖、腦電圖、肌電圖、視網(wǎng)膜電圖、胃腸電圖等，它們均已被廣泛地應(yīng)用于臨床，成為診斷和預(yù)測(cè)疾病的重要手段；細(xì)胞內(nèi)記錄、細(xì)胞外記錄、電壓鉗、膜片鉗等技術(shù)在科研領(lǐng)域也廣泛地被采用，成為揭示生命現(xiàn)象的細(xì)胞機(jī)制的重要手段。

生物電活動(dòng)是機(jī)體的一種基本生命現(xiàn)象，它產(chǎn)生的基礎(chǔ)是細(xì)胞膜上的離子通道。人們通常用電學(xué)和電子學(xué)方法對(duì)生物電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，涉及到很多的電生理知識(shí)。因此，首先我們需要對(duì)生物電學(xué)的一些基本概念進(jìn)行了解。

一、電荷（electric charge）

帶正負(fù)電的基本粒子，稱為電荷，帶正電的粒子叫正電荷（cation，以“+”表示），帶負(fù)電的粒子叫負(fù)電荷（anion，以“-”表示）。電荷的多少叫電荷量，也就是物質(zhì)、原子或電子等所帶的電的量。電荷的符號(hào)是Q，單位是庫(kù)侖（C），簡(jiǎn)稱庫(kù)。帶有同種電荷的物體之間會(huì)互相排斥，帶有異種電荷的物體之間會(huì)互相吸引。

二、電壓或電位差（voltage，V）

電壓，也稱作電勢(shì)差或電位差，是衡量單位電荷在靜電場(chǎng)中由于電勢(shì)不同所產(chǎn)生的能量差的物理量。其大小等于單位正電荷因受電場(chǎng)力作用從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)所作的功，電壓的方向規(guī)定為從高電位指向低電位的方向。從電生理角度來(lái)看，當(dāng)電荷在一個(gè)跨絕緣物上積聚不同時(shí)就產(chǎn)生了電位差。例如，細(xì)胞跨膜電位就是由于較多的陰離子聚集在內(nèi)表面而引起的。

電壓的國(guó)際單位制為伏特（V），常用的單位還有毫伏（mV）、微伏（μV）、千伏（kV）等。需要指出的是，“電壓”一詞一般只用于電路當(dāng)中，“電勢(shì)差”和“電位差”則普遍應(yīng)用于一切電現(xiàn)象當(dāng)中。在電路中，任意兩點(diǎn)之間的電位差稱為這兩點(diǎn)的電壓。

三、電流（current，I）

電學(xué)上規(guī)定電流方向?yàn)檎姾闪鲃?dòng)的方向，亦即陽(yáng)離子運(yùn)動(dòng)的方向。當(dāng)兩個(gè)不同電壓的源端被隔開時(shí)，電位差就可保持下去。若在它們之間設(shè)置一個(gè)導(dǎo)電途徑，就會(huì)有電荷從正端到負(fù)端流動(dòng)，這種沿導(dǎo)體移動(dòng)的單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體截面的電荷數(shù)量稱為電流，單位為安培（ampere，A）。在細(xì)胞膜上有許多離子通道，可看作一般電路中連接細(xì)胞內(nèi)外的特殊導(dǎo)體，它們可以允許通過(guò)某些特定離子。因此，離子通過(guò)通道進(jìn)行跨膜移動(dòng)時(shí)也將產(chǎn)生電流，稱為離子通道電流（ion channel current）。

四、電阻（resistance，R）

在物理學(xué)中，用電阻來(lái)表示導(dǎo)體對(duì)電流阻礙作用的大小，其單位為歐姆（ohm，Ω）。導(dǎo)體的電阻越大，表示導(dǎo)體對(duì)電流的阻礙作用越大。不同的導(dǎo)體，電阻一般不同，電阻是導(dǎo)體本身的一種特性。簡(jiǎn)單的電阻與時(shí)間及電壓無(wú)關(guān)，這類電阻稱歐姆電阻，服從歐姆定律。

五、電導(dǎo)（electric conductance，G）

電導(dǎo)是表述導(dǎo)體導(dǎo)電性能的物理量。在直流電路中它表示電阻的倒數(shù)，歐姆是測(cè)量電阻的單位，它就是歐姆的倒數(shù)。電導(dǎo)單位是西門子（siemens，S），簡(jiǎn)稱西，符號(hào)S。對(duì)于純電阻線路，電導(dǎo)與電阻的關(guān)系方程為G=1/R，其中G為物體電導(dǎo)，導(dǎo)體的電阻越小，電導(dǎo)就越大。

通常隨溶液中鹽濃度的升高和電極之間距離減少電導(dǎo)值增加。隨電極間非導(dǎo)電物質(zhì)的增加，電極間距離延長(zhǎng)及黏液濃度升高，電導(dǎo)值降低。透過(guò)生物膜的電導(dǎo)與膜質(zhì)無(wú)關(guān)，而與細(xì)胞膜離子通道有關(guān)。

六、歐姆定律（ohm′s law）

在同一電路中，導(dǎo)體中的電流跟導(dǎo)體兩端的電壓成正比，跟導(dǎo)體的電阻阻值成反比，這就是歐姆定律，基本公式是I=V/R。其中，V為電壓，I為電流，R為電阻。也可表述為I=GV，G為電導(dǎo)。歐姆定律表述了兩點(diǎn)間的電導(dǎo)或電流與電阻和電壓之間的相互關(guān)系，該定律在電生理中占有極其重要的地位，歐姆定律是建立在線性規(guī)律上的。當(dāng)給一個(gè)確定的電阻增加電壓時(shí)，流過(guò)電阻上的電流也線性地增加。

七、電容（capacitance，C）

電容亦稱作“電容量”，是指在給定電位差下的電荷儲(chǔ)藏量。電容是非導(dǎo)體（絕緣體）的一種性質(zhì)。一般來(lái)說(shuō)，電荷在電場(chǎng)中會(huì)受力而移動(dòng)，當(dāng)導(dǎo)體之間有了介質(zhì)，則阻礙了電荷移動(dòng)而使得電荷累積在導(dǎo)體上，造成電荷的累積儲(chǔ)存，儲(chǔ)存的電荷量則稱為電容，記為C。

電容量C=Q/V，其中，Q為電量，V為電壓。

在國(guó)際單位制里，電容的單位是法拉（faraday，F(xiàn)），簡(jiǎn)稱法。由于法拉這個(gè)單位太大，所以常用的電容單位有毫法（mF）、微法（μF）、納法（nF）和皮法（pF）等，換算關(guān)系是：1F=103 mF=106 μF=109 nF=1012pF。