第一章 緒論

學習目標

第一節 概述

有關生物電的研究構成一門專門學科，稱為電生理學（electrophysiology），它是生理學的一個分支。電生理學的研究領域包括細胞和組織的電學特性及其在不同條件下的變化、生物電現象和各種生理功能的關系以及不同功能單元之間的電活動的相互關系等。

電生理技術（electrophysiological techniques）則是以多種形式的能量（電、聲等）刺激生物體，測量、記錄和分析生物體發生的電現象（生物電）和生物體的電特性的技術，是電生理學研究的主要技術。例如：心電圖、腦電圖、肌電圖、視網膜電圖、胃腸電圖等，它們均已被廣泛地應用于臨床，成為診斷和預測疾病的重要手段；細胞內記錄、細胞外記錄、電壓鉗、膜片鉗等技術在科研領域也廣泛地被采用，成為揭示生命現象的細胞機制的重要手段。

生物電活動是機體的一種基本生命現象，它產生的基礎是細胞膜上的離子通道。人們通常用電學和電子學方法對生物電信號進行測量，涉及到很多的電生理知識。因此，首先我們需要對生物電學的一些基本概念進行了解。

一、電荷（electric charge）

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

二、電壓或電位差（voltage，V）

電壓，也稱作電勢差或電位差，是衡量單位電荷在靜電場中由于電勢不同所產生的能量差的物理量。其大小等于單位正電荷因受電場力作用從A點移動到B點所作的功，電壓的方向規定為從高電位指向低電位的方向。從電生理角度來看，當電荷在一個跨絕緣物上積聚不同時就產生了電位差。例如，細胞跨膜電位就是由于較多的陰離子聚集在內表面而引起的。

電壓的國際單位制為伏特（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中，“電勢差”和“電位差”則普遍應用于一切電現象當中。在電路中，任意兩點之間的電位差稱為這兩點的電壓。

三、電流（current，I）

電學上規定電流方向為正電荷流動的方向，亦即陽離子運動的方向。當兩個不同電壓的源端被隔開時，電位差就可保持下去。若在它們之間設置一個導電途徑，就會有電荷從正端到負端流動，這種沿導體移動的單位時間內通過導體截面的電荷數量稱為電流，單位為安培（ampere，A）。在細胞膜上有許多離子通道，可看作一般電路中連接細胞內外的特殊導體，它們可以允許通過某些特定離子。因此，離子通過通道進行跨膜移動時也將產生電流，稱為離子通道電流（ion channel current）。

四、電阻（resistance，R）

在物理學中，用電阻來表示導體對電流阻礙作用的大小，其單位為歐姆（ohm，Ω）。導體的電阻越大，表示導體對電流的阻礙作用越大。不同的導體，電阻一般不同，電阻是導體本身的一種特性。簡單的電阻與時間及電壓無關，這類電阻稱歐姆電阻，服從歐姆定律。

五、電導（electric conductance，G）

電導是表述導體導電性能的物理量。在直流電路中它表示電阻的倒數，歐姆是測量電阻的單位，它就是歐姆的倒數。電導單位是西門子（siemens，S），簡稱西，符號S。對于純電阻線路，電導與電阻的關系方程為G=1/R，其中G為物體電導，導體的電阻越小，電導就越大。

通常隨溶液中鹽濃度的升高和電極之間距離減少電導值增加。隨電極間非導電物質的增加，電極間距離延長及黏液濃度升高，電導值降低。透過生物膜的電導與膜質無關，而與細胞膜離子通道有關。

六、歐姆定律（ohm′s law）

在同一電路中，導體中的電流跟導體兩端的電壓成正比，跟導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。歐姆定律表述了兩點間的電導或電流與電阻和電壓之間的相互關系，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律上的。當給一個確定的電阻增加電壓時，流過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藏量。電容是非導體（絕緣體）的一種性質。一般來說，電荷在電場中會受力而移動，當導體之間有了介質，則阻礙了電荷移動而使得電荷累積在導體上，造成電荷的累積儲存，儲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。

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