銀-氯化銀柔性腦電電極的制備及其評(píng)價(jià)

秦路丹， 李明哲， 李廣利， 段晏文*

(武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430072)

目前新型醫(yī)療診斷設(shè)備和大數(shù)據(jù)技術(shù)不斷發(fā)展，因此，基于腦電(EEG)等生物電信號(hào)的可穿戴設(shè)備引起了業(yè)界廣泛的關(guān)注[1]。而隨著微電子和信號(hào)處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，發(fā)展高性能、一次性使用的柔性腦電電極成為了亟需突破的關(guān)鍵技術(shù)。腦電信號(hào)很微弱，其幅值范圍是0.5～100 μV[2,3]，頻率范圍在0.5～30 Hz之間[4]。為了記錄高質(zhì)量的腦電信號(hào)，同時(shí)避免使用時(shí)消毒的成本，值得研究一次性柔性電極或電極陣列，以及由它制備的腦電信號(hào)采集器件如一次性電極帽。應(yīng)用于人體頭皮或前額上的腦電電極應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：(1)電極電位一致性好，且隨時(shí)間的穩(wěn)定性好；(2)電極材料抗極化能力強(qiáng)，最好采用Ag/AgCl電極材料；(3)電極-皮膚阻抗低，一般要求小于20 kΩ(10 Hz下)[5]；(4)導(dǎo)電漿料涂層與柔性基底附著性良好，具備不易脫離等特性[6]。

現(xiàn)有的柔性電極一般采用絲網(wǎng)印刷或噴墨打印技術(shù)，將導(dǎo)電漿料或油墨按預(yù)先設(shè)計(jì)好的圖案印刷到聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)和聚酰亞胺(PI)等柔性基底上[1,6]。現(xiàn)在使用的導(dǎo)電漿料主要有碳漿、銅漿、銀漿和鎳漿等[7,8]，這些漿料主要應(yīng)用于電子工業(yè)和汽車(chē)工業(yè)。由于這些漿料制備的電極均屬可極化電極，其極化阻抗易把噪音信號(hào)引入到測(cè)量記錄電路中。同時(shí)極化阻抗還會(huì)造成測(cè)量基線(xiàn)不穩(wěn)，不適合低頻范圍的生物電信號(hào)記錄。雖有文獻(xiàn)報(bào)道[9,10]通過(guò)各種方法制備納米銀，從而制備成納米銀導(dǎo)電漿料，但側(cè)重于涂層導(dǎo)電性的改進(jìn)，而忽略了其他方面的發(fā)展。例如，Scalisi等[11]發(fā)展了一種基于噴墨印刷技術(shù)制備的柔性銀電極，用于測(cè)量人體皮膚的表面肌電信號(hào)，旨在提高電極的分辨率和導(dǎo)電性能等。但適合腦電記錄的柔性電極，特別是柔性Ag/AgCl電極，卻鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。另一方面，現(xiàn)有的柔性電極評(píng)價(jià)方法集中在附著性[10,12,13]、機(jī)械性能[10]、導(dǎo)電性[10 - 12]等方面，這些方法并不完善，缺乏電化學(xué)特性的研究，例如電極電位、電極-皮膚阻抗[13,14]，且不完全適合腦電電極。目前，我國(guó)僅僅對(duì)一次性使用心電電極有明確的規(guī)定，即“一次性使用心電電極標(biāo)準(zhǔn)(YY/T 0196-2005)”[15]，并且為醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其中明確指出對(duì)于一次性使用心電電極的交流阻抗、直流失調(diào)電壓和除顫過(guò)載恢復(fù)等性能的要求。然而，對(duì)于測(cè)量腦電信號(hào)的腦電電極，卻沒(méi)有任何國(guó)際或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)可供參考。因此，急需建立一套系統(tǒng)的柔性腦電電極的評(píng)價(jià)方法。

本文通過(guò)絲網(wǎng)印刷技術(shù)將自制的Ag/AgCl銀導(dǎo)電漿料印刷在PI柔性塑料基片上，制備了Ag/AgCl柔性腦電電極。建立并發(fā)展了一套系統(tǒng)評(píng)價(jià)柔性腦電電極的表面形貌、電極電位和時(shí)間響應(yīng)、電極電位一致性和穩(wěn)定性、電極-皮膚阻抗以及涂層附著性的方法。該方法系統(tǒng)、實(shí)用，以期為發(fā)展新型柔性腦電電極及制定相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)提供技術(shù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與材料

DHG -9140A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司)；Zeiss掃描電子顯微鏡(SEM,德國(guó)Sigma);Keithley六位半數(shù)字多用表(美國(guó)，吉時(shí)利儀器公司);1260型阻抗相位/增益分析儀(英國(guó),Solartron)。

Ag/AgCl導(dǎo)電漿料為武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院神經(jīng)電極實(shí)驗(yàn)室自制，并且已申請(qǐng)專(zhuān)利(申請(qǐng)公布號(hào)為CN 103192070 A)，該漿料的主要組成成分和比例是：15%～70%Ag/AgCl粉末，1%～15%粘結(jié)劑，15%～70%醇、醚類(lèi)稀釋劑等[16];PI柔性塑料基片(厚度為0.3 mm);Ag/AgCl粉末電極、GT20導(dǎo)電膏及GT5磨砂導(dǎo)電膏，均購(gòu)于武漢格林泰克科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

圖1 柔性腦電電極的實(shí)物圖Fig.1 The photo of flexible EEG electrodes

1.2.1Ag/AgCl柔性腦電電極的制備PI柔性塑料基片用無(wú)水乙醇擦拭后，將其固定在絲網(wǎng)印刷機(jī)的臺(tái)面上，再將Ag/AgCl導(dǎo)電漿料倒在100目網(wǎng)版上，手動(dòng)進(jìn)行絲網(wǎng)印刷。然后將柔性塑料基片放入150 ℃電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱燒結(jié)30 min，待溫度降至室溫后取出，即得Ag/AgCl柔性電極。圖1為以PI塑料基片為基底，通過(guò)絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備的Ag/AgCl柔性腦電電極的實(shí)物圖。其中電極上端圓圈部分(A)的直徑為0.8 cm(面積為0.5 cm2)，用作檢測(cè)窗口，測(cè)量時(shí)該檢測(cè)窗口與醫(yī)用導(dǎo)電膏或人體皮膚等接觸，下端的長(zhǎng)方形部分(B)用于與導(dǎo)線(xiàn)連接。

1.2.2形貌表征首先肉眼觀(guān)察電極表面的涂層是否光滑平整，有無(wú)明顯的突起和較大的固體顆粒。然后對(duì)涂層表面和截面進(jìn)行掃描電鏡(SEM)表征，放大倍數(shù)分別為8 000和1 000，并測(cè)量涂層的厚度。

1.2.3電極電位/時(shí)間響應(yīng)實(shí)驗(yàn)前，將10個(gè)柔性電極放置于GT20導(dǎo)電膏表面穩(wěn)定1 h后，將待測(cè)柔性電極和Ag/AgCl粉末電極(參比電極)連接到Keithley六位半數(shù)字萬(wàn)用表，記錄4 min內(nèi)電極電位隨時(shí)間的響應(yīng)。該實(shí)驗(yàn)中使用的Ag/AgCl粉末電極是電極電位穩(wěn)定、抗極化能力強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)電極，可以用作對(duì)照和參比，判斷工作電極電位的一致性和穩(wěn)定性[17]。電極的平衡電位定義為4 min內(nèi)電極電位的平均值。電極的極差電位定義為不同電極間的平衡電位的差值，反映電極電位的一致性。

為了考察電極電位的穩(wěn)定性，還分別測(cè)量這10個(gè)柔性電極相對(duì)于Ag/AgCl粉末參比電極4 h、7 h后4 min內(nèi)的電極電位變化。電位漂移值定義為4 min內(nèi)最大電位與最小電位的差值，可反映電極電位隨時(shí)間的穩(wěn)定性。

1.2.4電極-皮膚阻抗為了考察柔性腦電電極實(shí)際應(yīng)用的阻抗大小，本實(shí)驗(yàn)采用電化學(xué)阻抗方法測(cè)量電極在人體前額的電極-皮膚阻抗。具體步驟：一對(duì)柔性電極的表面預(yù)先涂覆GT20導(dǎo)電膏，放置于受試者的前額，固定兩個(gè)電極距離為5 cm，按壓以防電極脫落?？紤]到角質(zhì)層會(huì)帶來(lái)較大的電極-皮膚阻抗，還測(cè)試了經(jīng)GT5磨砂導(dǎo)電膏皮膚預(yù)處理后的電極-皮膚阻抗。為了對(duì)比，同時(shí)還測(cè)試柔性電極在GT20導(dǎo)電膏表面的阻抗。應(yīng)該指出，電極與GT20或前額皮膚接觸部分僅為柔性電極的檢測(cè)窗口(如圖1，面積0.5 cm2)。上述所有阻抗測(cè)試均采用兩電極體系，每組試驗(yàn)使用的是一對(duì)柔性電極，一對(duì)電極之間的距離均為5 cm，測(cè)試儀器為Solartron 1260阻抗相位/增益分析儀，施加10 mV的正弦擾動(dòng)電壓信號(hào)，掃描頻率范圍為1 Hz～100 kHz。本試驗(yàn)招募5名健康成年人作為志愿者，其年齡為24～29歲，4男1女(實(shí)驗(yàn)前，被試人員簽署武漢大學(xué)神經(jīng)電極實(shí)驗(yàn)室知情同意書(shū))。

1.2.5電極涂層的附著性測(cè)試通過(guò)肉眼觀(guān)察在三種不同強(qiáng)度的外力破壞下涂層的顆粒脫落情況，評(píng)價(jià)柔性電極涂層的附著性。三種不同強(qiáng)度的破壞分別為：(1)用3M膠帶粘柔性電極表面上的涂層，模擬實(shí)際使用過(guò)程中電極與皮膚不同程度的摩擦；(2)把柔性電極浸泡在純水中24 h，模擬電極與導(dǎo)電膠長(zhǎng)時(shí)間接觸；(3)把柔性電極浸泡在純水中，超聲1 min，其破壞強(qiáng)度大于實(shí)際使用情況。柔性電極的附著性?xún)?yōu)劣分為4個(gè)級(jí)別：++涂層無(wú)明顯變化；+涂層邊緣有少量顆粒脫落；-少量顆粒脫落；--大部分顆粒脫落。根據(jù)觀(guān)察顆粒脫落情況，記錄附著性的級(jí)別。

2 結(jié)果與討論

2.1 柔性電極的形貌表征

肉眼觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，電極表面的涂層光滑平整，沒(méi)有明顯的突起和較大的固體顆粒，如圖1所示。圖2左為柔性電極表面涂層的掃描電鏡(SEM)圖，可以清楚地看到柔性電極表面涂層的固體顆粒的直徑在1 μm左右，銀粉固體顆粒之間連接在一起，這有利于保證涂層的導(dǎo)電性良好。同時(shí)，微觀(guān)形貌表明該涂層具有多孔結(jié)構(gòu)，與平面結(jié)構(gòu)相比，多孔結(jié)構(gòu)增大了涂層的電化學(xué)面積，增加了與電解質(zhì)接觸的機(jī)會(huì)。涂層橫截面SEM(圖2 右)表明，涂層的厚度約為37.40 μm，且涂層緊密附著在PI柔性塑料基片上，沒(méi)有起皺、分離等痕跡，說(shuō)明該導(dǎo)電漿料與PI塑料基片之間附著性良好。

圖2 柔性電極的掃描電鏡(SEM)圖像Fig.2 The SEM images of flexible electrode The left is surface,and the right is cross section.

2.2 電極電位/時(shí)間響應(yīng)

圖3為柔性電極在GT20導(dǎo)電膏上穩(wěn)定1 h后電極電位隨時(shí)間的響應(yīng)曲線(xiàn)。從圖中可見(jiàn)，開(kāi)始時(shí)電極電位隨時(shí)間延長(zhǎng)而下降，變化幅度較大，但隨著時(shí)間繼續(xù)推移，電極電位的變化逐漸減小，并趨于平穩(wěn)。原因可能是：電極涂層與GT20醫(yī)用導(dǎo)電膏的接觸有一個(gè)由干到濕的過(guò)程，開(kāi)始階段電位下降顯著，當(dāng)GT20導(dǎo)電膏中的Cl-逐漸擴(kuò)散到涂層的多孔結(jié)構(gòu)中，最終形成可逆性好的電極/電解質(zhì)界面，即Ag/AgCl/Cl-界面，因此電極電位趨于平穩(wěn)。10個(gè)柔性電極相對(duì)于Ag/AgCl粉末參比電極的平衡電位為0.97±0.20 mV，且最大平衡電位不超過(guò)1.5 mV，證實(shí)了柔性電極的電位與參考的Ag/AgCl粉末電極的電位相近，呈現(xiàn)的是Ag/AgCl的電化學(xué)界面性能。

由于腦電記錄采用差分放大的原理，這就要求記錄電極的極差電位越低越好。如圖4所示，10個(gè)柔性電極放置在GT20導(dǎo)電膏上1 h、4 h和7 h后，測(cè)量4 min內(nèi)的平衡電位。1 h、4 h和7 h的最大極差電位分別是0.609 mV、0.121 mV和0.326 mV，最大極差均不超過(guò)0.7 mV，說(shuō)明柔性Ag/AgCl腦電電極的極差電位非常小，反映了電極電位一致性良好。

這里需要說(shuō)明的是，把Ag/AgCl粉末參比電極和柔性腦電電極連接到Keithley數(shù)字萬(wàn)用表上時(shí)，Ag/AgCl粉末參比電極接紅線(xiàn)，是正極，柔性腦電電極接黑線(xiàn)為負(fù)極，測(cè)試結(jié)果均為正值。而用三電極體系測(cè)試開(kāi)始電位時(shí)，兩者之間的電位差是負(fù)值?？梢?jiàn)，在測(cè)試電極電位/時(shí)間響應(yīng)曲線(xiàn)時(shí)，Ag/AgCl粉末參比電極和柔性腦電電極接線(xiàn)正好相反，故測(cè)試結(jié)果的數(shù)據(jù)應(yīng)該均為負(fù)值。

2.3 電極電位穩(wěn)定性

電極電位穩(wěn)定性直接影響EEG記錄的基線(xiàn)平穩(wěn)和信號(hào)噪音。圖5為電極電位隨時(shí)間的穩(wěn)定性，隨著時(shí)間的推移，平衡電極電位呈下降趨勢(shì)，越來(lái)越接近粉末Ag/AgCl參比電極的電極電位，且電極電位漂移值也隨時(shí)間逐漸降低，4 h后趨于穩(wěn)定。1 h后電極在4 min的時(shí)間范圍內(nèi)的平衡電位為0.966±0.200 mV，電極電位的漂移值最大，為48.8±36.0 μV；7 h后平衡電位為0.357±0.117 mV，電極電位的漂移值最小，為6.7±4.8 μV。這說(shuō)明柔性電極具有非常穩(wěn)定的電極電位，有利于保持腦電記錄基線(xiàn)平穩(wěn)，減少信號(hào)噪音。還應(yīng)該注意4 h、7 h電極電位的漂移值均不超過(guò)10 μV，說(shuō)明柔性電極可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定記錄腦電信號(hào)。

2.4 電極-皮膚阻抗

電極-皮膚阻抗是反映電極-皮膚界面的信號(hào)傳輸?shù)年P(guān)鍵參數(shù)，直接關(guān)系到腦電信號(hào)的噪音大小。一般而言，電極-皮膚阻抗愈大，電極記錄腦電信號(hào)噪音愈大，反之亦然。如圖6所示，在電極與被試者的前額接觸的(A組，電極-GT20-皮膚)試驗(yàn)中，100 kHz下5名被試者的電極-皮膚阻抗的平均值為0.488±0.044 kΩ，而10 Hz下為53.3±34.0 kΩ。GT5磨砂處理后(B組，電極-GT20-處理后皮膚)，100 kHz阻抗出現(xiàn)輕微的下降(0.400±0.052 kΩ)，而10 Hz下的阻抗則出現(xiàn)顯著下降，阻抗為4.4±2.0 kΩ，顯然這與GT5去除了高阻抗的角質(zhì)層有關(guān)。皮膚經(jīng)磨砂導(dǎo)電膏GT5預(yù)處理后，電極皮膚阻抗小于5 kΩ，下降了約92%。值得指出，這與腦電記錄“金標(biāo)準(zhǔn)”濕電極的電極-皮膚阻抗相當(dāng)(5 kΩ以?xún)?nèi))[18]，完全可以滿(mǎn)足腦電記錄對(duì)電極阻抗的要求。

圖3 柔性電極放置在GT20導(dǎo)電膏上1 h后的電極電位隨時(shí)間的響應(yīng)曲線(xiàn)(vs.Ag/AgCl粉末電極)(n=10) Fig.3 The electrode potential variation with time(vs.Ag/AgCl sintered electrode) for flexible electrodes placed on the conductive gel GT20 after 1 h(n=10) 1-10:representing 10 flexible electrodes.

圖4 柔性電極放置在GT20導(dǎo)電膏上1 h、4 h和7 h后，4 min內(nèi)的平衡電位(vs.Ag/AgCl粉末電極)(n=10) Fig.4 The equilibrium potential(vs.Ag/AgCl sintered electrode) for ten flexible electrodes tested on conductive gel GT20 within 4 min,after 1 h,4 h and 7 h stabilization(n=10)

圖5 柔性電極放置在GT20導(dǎo)電膏上1 h、4 h和7 h后，4 min內(nèi)的平均平衡電位和漂移值(vs.Ag/AgCl粉末電極)(n=10) Fig.5 The equilibrium potential and the shifting potential(vs.Ag/AgCl sintered electrode) for ten flexible electrodes tested on conductive gel GT20 within 4 min,after 1 h,4 h and 7 h stabilization(n=10)

圖6 10 Hz和100 kHz下，柔性電極在電極-GT20-皮膚界面(A)、電極-GT20-處理后皮膚界面(B)、電極-GT20界面(C)的阻抗比較(n=5)Fig.6 A comparison of flexible electrodes’ interface impedance on the electrode-GT20-skin interface(A),electrode-GT20-prepared skin interface(B) and electrode-GT20 interface(C),at 10 Hz and 100 kHz(n=5)

電極-GT20-皮膚(A組)阻抗與電極-GT20(C組)阻抗相比，100 kHz下其阻抗相差不大；而10 Hz下，A組阻抗顯著增大(從 0.331 kΩ到53.3 kΩ)，表明是皮膚的影響。皮膚具有電容性，阻抗隨著頻率的降低而顯著增大(Z=1/2πCf)，因此10 Hz下，A組阻抗較C組阻抗出現(xiàn)了161倍的大幅增加。需要特別說(shuō)明的是，在測(cè)試電極-皮膚阻抗試驗(yàn)中，用的是一對(duì)柔性腦電電極，得到的阻抗值是一對(duì)電極的阻抗，單個(gè)柔性腦電電極的電極-皮膚阻抗約為報(bào)道值的一半。例如，電極-GT20-皮膚(A組)試驗(yàn)中，在100 kHz時(shí)的阻抗為53.3 kΩ，則一個(gè)柔性腦電電極的阻抗值為26.75 kΩ，接近20 kΩ的標(biāo)準(zhǔn)；皮膚經(jīng)磨砂處理后，B組單個(gè)電極的阻抗小于2.5 kΩ。

柔性腦電電極在GT20導(dǎo)電膏上的阻抗，從高頻100 kHz(0.347±0.016 kΩ)到低頻10 Hz(0.331±0.016 kΩ)，柔性電極的阻抗變化不大。此時(shí)，100 kHz主要反映電極本身的導(dǎo)電性，10 Hz還會(huì)反映電極/電解質(zhì)界面的影響，因此說(shuō)明柔性腦電電極-電解質(zhì)界面的阻抗很小，呈現(xiàn)非極化電極的特點(diǎn)。由于電極材料Ag/AgCl本身就具有非極化的優(yōu)點(diǎn)，并且該電極涂層是多孔結(jié)構(gòu)，更有利于與電解質(zhì)的接觸充分，增大電化學(xué)面積，進(jìn)而增強(qiáng)其抗極化性能?？紤]到電極有效面積的影響，10 Hz下電極在GT20導(dǎo)電膏上阻抗值為166 Ω·cm2。相比于皮膚的高阻抗值，該柔性電極本身的阻抗是可以忽略的。

2.5 涂層的附著性

柔性電極涂層的附著性反映了涂層的穩(wěn)定性，直接影響電極的性能和使用壽命。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)觀(guān)察柔性電極在三種不同強(qiáng)度外力破壞下涂層的顆粒脫落情況，借此評(píng)價(jià)涂層的附著性，結(jié)果見(jiàn)表1。膠帶粘和在純水中浸泡24 h，涂層均沒(méi)有顆粒脫落，但此涂層不能承受超聲的強(qiáng)外力。電極實(shí)際使用過(guò)程會(huì)出現(xiàn)與皮膚不同程度的摩擦，其破壞強(qiáng)度接近3M膠帶粘。另外實(shí)際使用電極會(huì)與醫(yī)用導(dǎo)電膏長(zhǎng)時(shí)間接觸，這種情況接近于在純水中浸泡24 h。截面SEM圖也表明電極涂層與PI塑料基片具有很好的附著性。這些都說(shuō)明電極涂層與PI具有良好的附著性，能滿(mǎn)足實(shí)際使用的要求。

表1 柔性腦電電極表面涂層的附著性測(cè)試結(jié)果

Note：The situation of particles on the coating:++No obviously change；+A few falling off on the edge；-A few falling off；--Most falling off.

3 結(jié)論

本文利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)，制備了一種基于PI塑料基片的Ag/AgCl柔性腦電電極，并建立了一套系統(tǒng)評(píng)價(jià)Ag/AgCl柔性腦電電極的方法。研究結(jié)果表明，該電極的涂層表面光滑，呈現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)，電極的平衡電極電位與Ag/AgCl粉末電極的相近，小于1.5 mV。同時(shí)，該柔性電極的電極電位具有良好的一致性和穩(wěn)定性，最大極差電位不超過(guò)0.7 mV，穩(wěn)定4 h后電位漂移值在10 μV/4min以?xún)?nèi)。此外，相比于皮膚的高阻抗，電極-導(dǎo)電膏的界面阻抗(166 Ω·cm2)可以忽略?？傊?，柔性Ag/AgCl腦電電極性能優(yōu)異，在生物電的監(jiān)測(cè)、可穿戴醫(yī)用設(shè)備等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。這套柔性腦電電極的評(píng)價(jià)方法系統(tǒng)、實(shí)用，將支撐新型柔性腦電電極的發(fā)展，并為制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)提供技術(shù)參考。