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几种非银电极

已有 6740 次阅读 2008-12-28 21:25 |个人分类:未分类|系统分类:科研笔记

几种非银系电极研究新进展

中国医学科学院生物医学工程研究所     范振英

 

生物医学电极用量大,仅一次性使用心电电极国内年用量可能己经超过1亿,性能要求高,如心电、脑电、肌电等生物电检测电极,电阻抗断层成像电极等,都要求电极失调电压很小、电极交流阻抗较小、有一定的直流电流耐受度等。另外还要求生物相容性好,一般是属于2级。因此,现在大部分是使用具有非常优良的电极性质银/氯化银电极。但是这种电极允许通过的电流很小(一般应小于1微安)。另外,银的标准电位与焊锡中的铅、锡等金属的标准电位相差比较大,因此引出线较难用焊接解决,另外银的机械强度较低、价格较高。

近几年本人对非银系电极进行了研究,下面简要介绍其中用不锈钢、锡和锌为基材的三种:

                      一、制作方法

把制作电极的薄不锈钢板、锡箔或锌片等基材裁成大约6×30mm2的小片(当然也可以做成其他形状和大小),打去毛刺,再经过表面粗化、除油、酸浸、复镀、清洗等表面处理工艺, 使其表面形成一层电极电性能优良的活性物质。一端接上引线,另一端放入适当的电解质中,就成为完整的电极。

 

二、测试方法

因为单个电极无法进行测量,必须由两个电极组成电极对才能测量。下面所用的电极对有的是2个电极放入一个电解质中形成的电极对,有的是11个或者10个电极放入同一电解液,分别测量其中的某两个组成的电极对。

测量的方法和项目,基本上是按照一次性使用心电电极国家行业标准(YYT 0196—94)所规定的5项电性能要求和测量方法。

1、失调电压。它主要反映电极电位的一致性和时间稳定性。方法是把11个相同的电极放入同一电解质中,随意取一个做参照电极,用4位半数字表测量其他10个电极与它组成的10个电极对的电位差。考虑到非银系电极的失调电压和它们的时间稳定性比银/氯化银电极差,因此把失调电压的监测时间延长至4小时。

2、交流阻抗、内部噪音和模拟除颤恢复性能的测量。把上述在同一电解质中的11个电极随意取走1个,剩余的10个两两配对组成5个电极对,用心电电极电性能测试仪测量。其中,交流阻抗的激励源是10Hz100μA(峰—峰),一般除颤前的阻抗比除颤以后大,这里是除颤前的数值。内部噪音是记录从第1到第6分钟内0.15Hz100Hz的复合失调不稳定性和内部噪音的最大值。除颤恢复性能是一个10μ电容、充上200V电压,串联100Ω电阻通过电极对放电,监测不同时间电极对上的电压,本文用的是第5秒和第15秒的读数。并且要连续测量4次。

3、直流电流耐受度。在盛有电解液的3个或5个小烧杯中各放入两个电极组成电极对,把它们串连起来接在电性能测试仪的激励电流(400nA的直流)输出接线柱上,用该仪器的测量夹子每半小时逐个测量每个电极对的电压。共监测4个小时。

               

 三、测量结果和说明

使用电极进行物理量或化学量的测量时,电极所引起的的影响是越少越好。因此电极本身的上述电性能指标是越小越好

为了节约篇幅,仅把每项测量中的最大值和各电极对的最大读数进行平均所得的平均值列于下表。最大值说明这批样品最差的也不过如此,平均值反映它们的总体情况。

测量的是电极对,由于连接方向不同一些读数可能是正也可能是负,表中列出的是它们的绝对值。

顺便把一次性使用心电电极的5项电性能标准(YYT 0195—94列于后面做参考。

三种电极的测量结果

 

项目

条件或分项

不锈钢电极

锡箔电极

锌片电极

YY/T019694标准

直流失调电压

 

数量(对)

  10

  10

  10

 

时间(分)

3240

2240

2240

  12.5

最大值(mV

 14.1

 1.65

 15.5

  100 .

平均值(mV

6.55

 0.92

  8.97

 

交流阻抗

 

数量(对)

   5

  5

   5

 

最大值(Ω)

   164

 408

 323

 3000

平均值(Ω)

   150.4

 362.8

 265.6

 

 模拟除颤恢复性能

 

数量(对)

   5

  5

  5

 

  

   4

  4

  4

    4

最大值(mV

  17.1

  2.2

  7.1

  100

平均值(mV

   9.34

  1.76

  5.38

 

最大变化率(mV/s)

   0.82

  0.14

  0.51

   1.

平均变化率(mV/s)

   0.68

  0.11

  0.27

 

内部

 

噪音

数量(对)

   5

  5

  5

 

时间(分)

16

 16

 16

16

最大值(μV

  83

 32

 36

  150

平均值(μV

  36.2

 14.4

 30.0

 

直流电流耐受度

数量(对)

    5

   3

  3

  

时间(分)

 0240

 0240

 0240

 0240

最大值(mV

  22.0

  5.4

  16.7

  100

平均值(mV

   7.64

  2.53

  11.23

 

最大变化(mV

  16.2

  4.9

  12.3

  100

平均变化(mV

   6.06

  2.4

   9.6

 

 

四、分析和讨论

从上述测量结果可知,一些非银系电极也可以作到具有相当优良的电极性能。它们往往还具有个自的一些优点。比如,它们一般可以允许较大的电流通过,由于材料比较廉价可以在基材上复盖较多的活性物质,比较容易用焊锡来焊引出线,不锈钢的机械性能好,锡箔柔软、顺应性好等。不过,本文只是实验室研究结果,要真正用到实际中,还有许多问题需要解决。而且上面的数据是在短期内进行测量的真实记录,长期使用(如数月或数年)的效果怎样还没有深入研究。

 

 

说明:本文作者范振英是己退休的中国医学科学院生物医学工程所研究员,享受国家特殊津贴。研究电极30多年。欢迎与电极的研究和使用者互相交流。



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