本研究由Liangtao Yang、Yi Zhang等来自中国科学院深圳先进技术研究院（Shenzhen Institute of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences）的研究人员完成，合作者还包括德国柏林洪堡大学（Humboldt-Universität zu Berlin）和日本京都大学（Kyoto University）的研究人员。该论文于2022年4月14日发表在期刊《ACS Omega》上，论文标题为“Insight into the Contact Impedance between the Electrode and the Skin Surface for Electrophysical Recordings”。
本研究的核心科学问题在于：干电极（dry electrode）在生物电信号检测中虽然具有使用方便、无需导电膏或电解质等优点，但其信号质量往往不如传统的湿电极（wet electrode）和半干电极（semidry electrode）。这一现象背后的原因长期缺乏清晰的基础性理解，尤其是电极与皮肤界面阻抗（electrode−skin interface impedance）的组成和电学行为。为了揭示这一机制，研究者采用电化学阻抗谱（electrochemical impedance spectroscopy, EIS）结合等效电路拟合技术，系统比较了湿电极、半干电极和干电极在皮肤表面的阻抗特性，并考察了电位、使用时长和频率对阻抗的影响。研究的最终目标是为改进干电极的电生理信号采集性能提供理论依据。
在实验流程方面，研究首先进行了皮肤准备。实验对象包括活体大鼠和人类志愿者前臂皮肤。大鼠在实验前使用氯胺酮镇静以便安装电极，大鼠皮肤上的毛发被剪至0.8毫米并用酒精清洁；人类前臂皮肤同样用酒精清洁。实验在温度和湿度受控的环境中进行（25 °C，51%湿度）。阻抗测量使用CHI760E电化学工作站，采用三电极体系，其中两个湿电极分别作为对电极（counter electrode）和参比电极（reference electrode），而工作电极（working electrode）分别使用干电极、半干电极和湿电极。在电位实验中，电位范围为−0.1至0.2 V，测量频率为20 Hz；在使用时长实验中，测量持续120秒，频率同样为20 Hz；在频率实验中，频率范围为0.1 Hz至10 kHz。阻抗谱的拟合使用EIS Spectrum Analyzer软件完成。此外，研究者还测定了三种电极在大鼠皮肤和人类前臂上的开路电压（open circuit voltage, OCV）。
在结果方面，研究首先考察了电位对阻抗的影响。在大鼠皮肤上，干电极的阻抗最高，达到超过4个数量级（order of magnitude），几乎比湿电极高出约50%的数量级；半干电极的阻抗介于干电极和湿电极之间，且仅略高于湿电极。在人类前臂皮肤上，三种电极的整体阻抗均低于4个数量级，干电极仍然最高，但与其他两种电极的偏差小于0.5个数量级。此时半干电极显示出最低的阻抗，湿电极居中。在使用时长实验中，三类电极在120秒内阻抗均保持稳定，表明在此时间范围内电极−皮肤界面具有良好的稳定性。频率实验显示，随着频率降低，阻抗总体上升，其中干电极的阻抗增幅最大，且在约1 Hz时达到约5个数量级；半干电极在100 Hz时达到约3个数量级，湿电极在1000 Hz时达到约2.8个数量级。在人类前臂皮肤上，当频率超过100 Hz后，所有电极的阻抗快速下降，干电极在低频和高频之间的阻抗差异为1.8个数量级，大于湿电极的1.6个和半干电极的1.7个数量级。在高频范围内，湿电极显示出最大的阻抗。
阻抗差异的一个重要来源被归结为皮肤表面的毛发状况和电极固定方式。大鼠皮肤上残留的毛发减少了电极与皮肤的有效接触面积，而阻抗与接触面积成反比，因此导致更大的接触阻抗。相比之下，人类前臂毛发较少，接触面积更稳定。半干电极在人类前臂上表现出最小的阻抗，这可能得益于其良好的自粘固定方式，而湿电极和干电极则需要普通胶带固定。在大鼠皮肤上，由于毛发多、固定困难，且半干电极中胶状电解质（jellylike electrolyte）的流动性较差，难以像湿电极的凝胶（gel）那样穿透毛发层，因此半干电极的阻抗反而高于湿电极。
为了深入理解界面电学行为，研究者利用Nyquist图（Nyquist plots）和等效电路（equivalent circuit）拟合进行分析。大鼠皮肤上湿电极和半干电极的Nyquist图呈现一个半圆，而干电极由于毛发的存在，在高频区出现一个因接触面积减小导致的半圆，在中频区出现另一个由电极、毛发和皮肤构成的电容引起的半圆。人类前臂皮肤上，湿电极和半干电极的Nyquist图形状与大鼠皮肤相似，但干电极的图形因毛发较少而不同。拟合结果显示，湿电极的总阻抗小于800 Ω，半干电极约为1.5 kΩ，而干电极高达约80 kΩ；在人类前臂上，半干电极为20 kΩ，湿电极为35 kΩ，干电极约为50 kΩ。
等效电路分析中，湿电极和半干电极采用图7a所示的模型，该模型包含系统电阻R0和电极−皮肤界面电阻R1，以及常相位元件CPE1。拟合结果表明，湿电极和半干电极的R0值分别为271 Ω和248 Ω，差异很小，说明凝胶和胶状电解质的导电性差别不大。R1值分别为34464 Ω和21905 Ω，半干电极的界面电阻更小，这被归因于其胶粘固定方式提供了更稳定的皮肤接触。干电极则需要使用图7b所示的模型，其增加了电荷转移电阻（charge transfer resistance）R2。拟合结果显示，干电极的R0为692 Ω，R1为40359 Ω，R2为27632 Ω。这表明干电极不仅具有更大的界面电阻，还额外存在一个数值上甚至超过界面电阻的电荷转移电阻，这可能是其电生理信号质量较差的关键原因。
本研究的结论是：湿电极、半干电极和干电极的阻抗在120秒使用时长和−0.1至0.2 V电位范围内均保持稳定；干电极的阻抗随频率变化更为剧烈，且在低频下显著高于其他两类电极；干电极的等效电路中额外存在较大的电荷转移电阻，这解释了其相对较差的电生理性能。研究的意义在于，它从界面电化学的角度揭示了干电极信号质量下降的物理根源，为未来优化干电极材料和结构设计提供了理论基础。同时，研究也指出，在实际应用中，含凝胶的电极更适合多毛受试者，而干电极和半干电极更适合无毛或少毛的皮肤表面。
本研究的主要亮点包括：首次在相同实验条件下系统比较了湿、半干、干三种电极在大鼠和人类皮肤上的界面阻抗；通过等效电路拟合定量区分了界面电阻和电荷转移电阻的贡献；提出了干电极性能下降的关键机制在于额外的电荷转移电阻；并且在讨论中提出了单轨道迁移（single-orbital migration, SOM）的电荷迁移模型，与传统基于多层皮肤结构的混合轨道迁移（hybrid−orbital migration, HOM）模型相区别，强调了电极与表皮层之间的界面电荷行为。这些发现对于脑电图（EEG）、肌电图（EMG）和心电图（ECG）等非侵入式电生理信号采集系统的电极选择与优化具有直接参考价值。