基于生物电信号存在的测量难点,故对医用叉指生物电极的性能提出了相应的需求:1)由于生物电具有频率低甚至接近直流的特点,所以生物医用电极一般要求具有良好的导电性能;2)电极电位稳定,极化电位小,电位波动小;3)电极自身阻抗值小;4)不易产生运动伪迹;5)安放简易且不易脱落;6)无毒无害,对人体刺激小等。目前常用的电极包括有,湖北血糖测试叉指电极,标准氢电极,湖北血糖测试叉指电极、饱和甘汞电极,湖北血糖测试叉指电极、Cu/CuSO4 电极以及Pb/PbCl2 电极等,但它们自身的特性和缺陷以及应用范围不尽相同。柔性叉指电极自身的延展性实现与生物组织的良好接触以保证信号监测质量。湖北血糖测试叉指电极
丝网印刷银/氯化银电极用作参比电极时,其性能一般通过电位稳定性、电位漂移率、使用寿命、水合期、保质期等来表征。此外由于银/氯化银电极还可用作生物医用电极,所以当丝网印刷银/氯化银电极用作医用电极时,接触阻抗、信噪比等也可对电极性能进行表征。电位稳定性是指其电位随时间的波动性,波动性越小稳定性越好,参比电极和医用电极的稳定性都直接影响着测量的准确性与可靠性。电极的漂移率指的是其电势在恒定条件下改变的速率,漂移率越低,电极性能越好。使用寿命是指银/氯化银电极在维持工作状态下的有效时间。使用寿命根据应用而存在不同,所需寿命通常可以在几分钟到一年的范围内。如在分析化学中所需电极是一次性的,则其使用寿命可能是几分钟,而对于某些需长期检测的应用而言,其使用寿命应至少几个月。江苏血糖测试叉指电极叉指电极主要为指状或梳状的面内有周期性图案。其中,激励电极和感应电极相互交错排布。
在电化学生物传感器中,由相对交叉排列的微叉指电极之间产生一个平行板电容场,由打开的电极,向被测材料提供单边测试区域,两电极板和之间产生电场线。叉指电极原理为,传感器产生的电场线穿透到被测物中并改变传感器的阻抗,由于传感器表现为电容,容抗则成为系统性能的函数。因此,通过测量被测物对传感器的电容电抗,可以评估系统的性能。由于叉指传感器的电极是共面的,因此被测电容会给出很高的信噪比,为了获得较强的信号,该传感器的电极重复平面阵列。
叉指电极性能的影响因素主要有两部分,一部分是电极构成材料,主要材料有金、银、ITO 等,金、银电极性能较好,但是其价格较昂贵,性价比较低,而ITO电极不仅成本低,而且性能也不错,是目前叉指电极研究较热的材料。另一部分影响因素则是电极结构,主要有叉指数、指长、指宽比、指间距以及电极厚度等,这些参数都会给传感器的检测效果带来很大影响。用电化学方法在叉指电极上沉积纳米 ZnO,随后将链酶亲和素修饰在纳米 ZnO 上,并将生物素化的球菌抗体固定到传感器的表面。又指型电容具有特殊的平面电极结构,表面空间电场特性良好,是表面电容传感器的理想选择。
溅射或蒸发工艺后的金属层表面光滑,微米尺寸的电极具有较大的基线噪声和波动,因此增加电极的比面积可以增加电极和溶液的有效接触面积,从而来降低电极的阻抗和噪声。通常所采用的电极表面修饰材料有: TiN、Ir、铂黑碳纳米管等,在修饰到裸金或铂电极上后,电极表面出现纳米结构,增加了电极表面的粗糙度。TiN 通过反应溅射法在氮气和氟气混合气体中粘附到金或铂电极上, TiN 具有规则的柱状纳米结构,表现出稳定的电学和机械特性,被采用在商业化生产的叉指电极上。相比之下,采用阴极氧化方法加工的Ir虽然具有较大的表面电荷负载,但是其电荷注入能力较差,不适合用于刺激电极,此外其电学特性不稳定,表面是现不规则的龟裂结构。出于铂黑采用恒电流或恒电压电镀方法修饰到电极表面,装置和电镀液成本较低,操作简单,较多采用。电镀铂黑后的电极表面出现棉絮状的纳米结构,比面积达到电极几何面积的 10~100 倍,在实验中具有较好的效果。然而相比TiN,电极表面的铂黑颗粒容易脱落,电极寿命较短。对医用叉指电在低成本、可设计、柔性化等方面等提出更高的要求。河北MEMS叉指电极
叉指电极阵列以玻璃基为衬底具有良好的生物相容性。湖北血糖测试叉指电极
对于柔性叉指电极,电极层的厚度和电极材料对失效形式也有较大影响。金属层较厚时,拉伸导致的机械损伤往往会令导体完全裂开,使得电流中断。相较而言,较薄的金属层在受到较大的拉应力时,虽然会在电极层中产生微裂纹,但这些裂纹不会从电极的一端延伸到另一端,虽然电极的阻值有所增大,但仍能够保持导电路径的连通。电极断路主要发生在柔性电极中,在反复拉伸、扭转、弯曲实验中电极容易发生断路现象,该种方式导致的电极失效时间与电极金属层材料和微观结构、电极金属层厚度以及电极金属层缺陷有很大关系。湖北血糖测试叉指电极
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