电化学高熵生物电极及性能探究.pdf

电化学高熵生物电极及性能探究

摘要

电生理信号是生物体最重要的一种信号，可以为多种疾病的治疗诊断提供更

加可靠的信息。生物电极是捕获和分析电生理信号的主要组成部分，而电极材料

直接决定电生理信号监测质量。高熵合金(HighEntropyAlloy，HEA)是一种前沿

的、新型的金属合金材料，它至少含有5种金属元素，这些金属元素之间的组合

丰富，能够满足不同的应用需求，倍受生物传感领域关注。

本文提出使用电沉积制备高熵合金薄膜，基于薄膜开发出一种阻抗低、生物

相容性好、易用性高的新型电极，用于电生理信号监测。主要研究内容如下：

1.采用恒电位电沉积方法在Ti基底上制备了Fe-Co-Ni-Cu-Zn高熵合金薄膜，

使用SEM、EDS、XRD、XPS等表征验证了HEA薄膜的微观形貌与结构组成。

研究结果证实了五种金属元素的共沉积，具有单一的FCC固溶相结构，元素分布

均匀，形貌组成一致。HEA薄膜表现出明显的软磁特征，饱和磁化强度（Ms）

为23.22emu/g，矫顽力为90Oe。HEA薄膜也表现出比Ti基底更优越的电学性

能，电阻率为4.67mΩ·cm。此外，还讨论了造成HEA薄膜的元素成分差异的原

+

因，发现高浓度的H会抑制Fe对Ni、Co元素异常沉积的影响，并反向抑制Fe、

Co、Cu、Zn等元素的沉积，促进Ni元素的沉积。

2.将高熵合金薄膜进一步制备成高熵生物电极。研究了高熵生物电极的阻抗

性能，在20Hz~500kHz范围内阻抗为25~45mΩ，比Ti基底（36~60mΩ）表现出

更好的阻抗性能。研究了高熵生物电极的皮肤-电极接触阻抗，其具有与Ag/AgCl

凝胶电极相似的阻抗性能（1kHz下HEA为7.4kΩ，凝胶电极为2.2kΩ），并明显

优于Au（1kHz下为21kΩ）、Ti（1kHz下为10.6kΩ）、Cu（1kHz下为11kΩ）等

金属电极。研究了电极与人体之间的生物相容性，模拟肌电监测过程，使用电极

持续贴附在皮肤上8h，人体皮肤无红肿，刺激等现象，表现出良好的生物相容性。

3.将生物电极应用于人体的电生理信号监测，成功采集到高质量、稳定的

EMG、ECG、EOG信号。高熵生物电极采集EMG信号的峰值及RMS值均大于

商用凝胶电极（30磅时峰值分别为0.503mV，0.305mV；RMS值为0.13mV，

0.097mV），并且高熵电极表现出与商用电极相当的信噪比值（分别为13.55dB，

14.5dB）。采集ECG信号呈现出典型的心电特征波形，能清晰完整显示PQRST波

群，并表现出与Ag/AgCl凝胶电极相当的峰值检测能力（R波分别为0.174mV，

0.176mV；T波分别为0.0321mV，0.037mV）。采集EOG信号表现出明显的人体

眼睛眨动特征信号，高熵电极呈现出与商用电极相似的信号监测趋势，特征信号

相关性达R=0.941，能监测到EOG信号的微小波动。

关键词：电化学沉积，高熵合金薄膜，高熵生物电极，电生理监测

Explorationofelectrochemicalhigh-entropybioelectrodes

andtheirperformance

ABSTRACT

Electrophysiologicalsignalsareoneofthecriticalsignalsforlivingorganismsand

providereliableinformationforthemedicalanddiagnosistreatmentofdiseases.

Bioelectrodesarethemaincomponentforcapturingelectrophysiologicalsignals,and

electrodematerialsdirec