二、探测系统

（一）玻璃微电极微电极作为生理学仪器探测系统的一部分，广泛应用于单细胞电活动的测量。微电极包括金属微电极（可用不锈钢丝、钨丝、铂丝等制作）和玻璃微电极。玻璃微电极技术首先由 Hogg 等（1934）应用于动物细胞，又为后人所完善和发展，今已广泛应用于电生理学的研究中。玻璃微电极的制备法有多种，这里只介绍最基本的。

玻璃毛细管的选择与预处理玻璃微电极是用已制备好的玻璃毛细管加热后拉制而成。毛细管以 GG-17 或 GG-95 的硬质玻璃管为佳。因为其软化点、化学稳定性和电阻率较高，而热膨胀系数较低。毛细管的外径一般为 1

—2mm，内径应近于总直径的 2/3。在我国，已有这种玻璃毛细管出售。买来的毛细管最好进行预处理，其方法如下：①用清洁液（浓硝酸和浓硫酸各250ml 配制而成）浸泡毛细管 1—2h；②取出后用自来水冲洗 30min；③放入盛有蒸馏水的烧杯中加热煮沸 10min；④再用蒸馏水反复冲洗 3 次；⑤取出后放入烘箱中烘干备用。

玻璃微电极的拉制使用设计合理的微电极拉制器拉制微电极十分方便而易于掌握。目前，国内外的微电极拉制器类型繁多，结构不尽一致，但拉制原理基本相同。基本分两大类：垂直型和水平型。当玻璃毛细管在固定的位置被可调的电热丝加热软化后，靠毛细管下面的重力或拉力，将毛细管拉成两根微电极，同时电热丝的电流立即被切断。可见，微电极拉制主要依靠调节电热丝的电流以控制温度以及其下的重力或拉力。多数拉制器采用电磁铁产生的拉力，其优点在于拉力可以调节。在毛细管未完全软化前，拉力可以调节得较小或仅依靠一定的重力，将毛细管慢慢拉长，待毛细管溶化后，再突然加大拉力，这样可以在毛细管温度较高时再迅速下拉，因而可以拉出尖端外径小于 0.5μm 的玻璃微电极。一只合格的微电极应包括茎部、肩部、锥部和端部四部分（图 1－34）。
微电极的充灌和保存拉制的微电极要灌注 3mol/L KCl 溶液。微电极的充灌方法较多，如加热减压法，直接充灌法等。如果所用玻璃毛细管内附数根玻璃微管，那么直接充灌法则极为简便，其方法是：取 5ml 注射器一只，内充 3mol/L 玻璃微电极 KCl 溶液。将长而细的针头或尖端较细的塑料管由微

电极茎部插入，直至肩部和锥部的交界处，用注射器将 KCl 溶液灌入微电极，溶液靠毛细管作用进入锥部和端部。注意微电极内不得有气泡。直接充灌法的成功率一方面取决于玻璃毛细管的预处理。如预处理良好，毛细管内洁净，则溶液易进入微电极锥部直达端部。另一方面也取决于 KCl 溶液纯净和清洁程度。一般要求 KCl 试剂为 A.R.二级分析试剂，用双蒸馏水配制，配制好的KCl 溶液需用分析滤纸过滤 2 次。

玻璃微电极的保存方法很多，比较简而易行的方法是用大培养皿保存，即取一培养皿，下放滤纸垫底，其上放置一块宽、高约为 1.5cm、长度与培养皿直径相等的泡沫塑料，其上每隔 0.5cm 切一小口。用自来水将滤纸和泡沫塑料完全浸湿，将充灌好的微电极置于泡沫塑料上的小切口内，加盖后放入冰箱中保存。用这种方法保存微电极的有效寿命大约是一周或一周以上。由于机械振动、表面张力、干燥、KCl 溶液出现杂质或沉淀物等原因，试图长期保存已充灌的微电极是难以作到的，因此，应尽可能地缩短充灌微电极和进行微电极实验之间的时间。

微电极阻抗的测量在细胞内记录的微电极实验中，微电极端部的直径是十分重要的参数。如端部直径过大，既不可能得到正确的静息电位数值，也不可能稳定地记录电位。因此，在实际应用中，必须了解微电极端部直径的大小。实验前，可在显微镜下用测微尺直接测量端部直径的数值。但更多的是采用测量阻抗法间接地了解直径的大小。在一般情况下，微电极的阻抗可以反映端部的粗细。因此，可以通过测量阻抗来判断微电极端部的内径。有些微电极放大器本身设有测量微电极阻抗的线路，可按照说明在实验前或实验中随时进行测量，较为方便。如不具此种微电极放大器，也可用电子管电压表（万用表）测量。一般说来，微电极端部直径在 0.5μm 左右，其阻抗为 10—50MΩ，端部越细，阻抗值越大。记录犬、猪、兔、豚鼠、大白鼠等心室肌细胞电活动的微电极的阻抗达 15—30MΩ即可。

（二）换能器换能器（传感器）是指将一种能量形式转变成另一种能量形式的装置。作为探测系统的组成部分，可将非电性质的生理现象，如机械、声、光、磁以及温度等能量形式转变为电信号。然后把这种电信号经过前置放大器放大，显示或记录在示波器或记录仪上。

换能器的种类繁多，如压电换能器、声电换能器、光电换能器以及温电换能器等。其中以压电换能器在生理学研究中应用最为广泛，它可以测量机体的各种压力变化（血压、胸内压、肺内压、心腔内压及消化管内压等），和在体及离体组织或器管的舒缩活动情况，这里将着重介绍。另外，目前能供生理学研究应用的商品换能器为数不多，因此，需根据实际需要，设计、制作符合实验要求的换能装置。

压电换能器压电换能器可用应变片制作，应变片有电阻丝应变片和半导体应变片两种，它们通常安装于惠斯登（Wheatstone）电桥的线路中（图1—35）。

图中 R1—R4 分别为 4 个电阻。在正常情况下 R1=R2，R3=R4，所以在 Y 点和 Z 点之间不存在电位差（e0），此为电桥平衡。如果 R1 和 R4 的阻值增加，而同时 R2 和 R3 的阻值降低，那么 Y 点和 Z 点之间便可记录到电位差，并且此电位差与电阻的变化是成比例的。

e0=E·△R/R

如果用电阻丝应变片元件代替 R1 和 R3，这就构成了电阻丝式应变片压电换能器的电桥电路。电阻丝应变片是一种力敏元件、具有压阻效应，受拉伸长时阻值变大，受压缩短时阻值变小。这种应变片的基本特性可从导线电阻公式出发加以推导。导线的直流电阻公式为：

R=ρl/A

式中ρ表示电阻率；l 表示导线的长度；A 表示导线的横截面积。对上方程式两边取自然对数得：

InR=Inρ+Inl-lnA

经微分后得：

△R = △ρ + △l − △A

R ρ l A

由此可见，电阻丝应变片电阻的变化受下述 3 种因素的影响：①电阻丝长度的相对变化，△l/l；②电阻丝截面积的相对变化，△A/A；③电阻丝电阻率的相对变化，△ρ/ρ。

主要由承受压力的压力室和应变片组成。压力室可用金属波纹管、波纹片或橡皮薄膜制作，其上有开口通过接管 g 与被测压力的部位连接。压力室外通过接管 h 与外界相通，可用来测定压差。两个应变片贴于弹性应变梁两侧。应变梁的一端可通过杠杆连于压力室底部正中，另一端固定。应变片连入惠斯登电桥。压电换能器的测压原理是：当压力室内的压力通过接管 g 随被测部位的变化而伸缩时，就推动或牵张弹性应变梁，其上、下的应变片也随之弯曲或伸直，电阻值也发生变化，电桥失去平衡，电信号输出。电信号输入记录系统，示波器或记录仪，就可记录下相应的压力变化。

毫无疑问，这种电阻丝式应变片压电换能器主要用于压力的测量。但如改变制作方法，将

应变片贴在用有机玻璃制做的弹性应变梁的上、下两侧，制成电阻应变心脏收缩幅度换能器（图 1—37），则可记录力或位移的变化。可见，同一种应变片力敏元件，设计制作不同，可以用来测量不同的指标参量。此外，也可用电抗元件电感器制作可变电感式换能器，来测量力或位移等非电量生理现象。

光电换能器这类换能器主要用光敏元件——光电管或光电池制作。基本原理是将光线强弱的变化转变为电流的变化。此变化的电流转变为电位，可直接引进示波器或记录仪。这类换能器也可用来测量位移或压力变化，甚至测量小动物的自发活动及脉搏的变化等，如光电池制作的压力换能器及拉力换能器。