汗液乳酸传感器及其制备方法

1.本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种汗液乳酸传感器及其制备方法。


背景技术：

2.在训练过程中实时监测运动员的机体参数，不仅可以反映出运动员的身体状况，还有助于量化训练负荷、合理制定训练计划和评估训练结果。有研究表明，汗液与作为传统监测手段的血液中所包含的生物标志物成分类似，且存在相关性，同时运动过程中皮肤上很容易产生汗液。因此，汗液监测可能是实时监测运动员生理状况的最佳方法。在运动期间，交感神经会发生兴奋并释放乙酰胆碱递质，该神经递质会作用于汗腺，进而使得汗腺活动和汗液分泌增加。人体汗液中含有各种电解质(na
+
、cl-、k
+
、ca
2+
、mg
2+
)、代谢产物(乳酸、葡萄糖、皮质醇)和微量元素(fe
3+
、cu
2+
)等，可以反映人体水合状态、电解质平衡和运动代谢，进而评估身体机能、优化训练负荷强度并制定恢复策略。
3.其中，乳酸监测对一些特定人群至关重要，尤其是那些经常容易出现缺氧状况的人，比如为了提高训练耐力而经常进行高强度运动的运动员。汗液中的乳酸浓度取决于运动类型、持续时间、强度和出汗率等。而当运动负荷达到一定程度时会使得乳酸浓度急剧上升，该点称为乳酸阈，即有氧和无氧运动之间的分水岭。乳酸阈是衡量运动员所能承受的最大运动强度的有效指标，对于指导运动员的训练过程具有非常重要的意义。但同时，当乳酸浓度急剧上升时会突然改变体液的酸碱度，并对人体健康造成不利影响，如癫痫发作、败血症、肾功能衰竭、肿瘤、脑中风和恐慌症等。因此，监测汗液中的乳酸不仅可以指导运动员的训练，还可以及时对其在运动过程中可能出现的疾病进行预警。
4.绝大多数乳酸传感器是基于金和铂这种金属电极材料，金属材质比表面积较小，往往不能很好地固定酶传感器所使用的特异性氧化酶，因此酶传感器灵敏度仍然存在较大的提升空间。综上所述，如何提高酶传感器灵敏度成为了需要关注的问题。相比于金属，激光诱导石墨烯(laser-induced graphene,lig)作为一类三维多孔碳纳米材料，表现出优异的物理和化学性质，如高载流子迁移率、高导热性和大比表面积等。因此，多孔lig可以更好地固定各种蛋白质，如酶、抗体和受体等，在电化学应用中具有很大的应用潜力。除此之外，lig的形状通过软件控制，可以用来制作较为复杂的图案，并且制作过程简单省时。利用上述优点，目前已有用于生物标志物检测的电化学lig电极和可穿戴电子设备的相关研究。
5.但是，作为一种重要的生物标志物，目前还没有基于lig的乳酸传感器被报道过。为了增强酶与电极表面的接触，目前大多数基于lig的酶传感器采用混合溶液固定法，即在制备过程中将酶和固定剂配置成混合溶液(大约1ml)，如基于lig的葡萄糖氧化酶传感器。然而，混合溶液固定法虽然工艺简单，但势必会造成巨大的浪费。并且乳酸氧化酶比葡萄糖氧化酶价格昂贵得多(大约200倍)，并且在配置混合溶液的过程中更容易失活。同时，由于lig的比表面积较大，仅需少量酶溶液(大约3μl)就足以达到预期灵敏度。因此，在进行乳酸酶传感器的修饰时如果采用混合溶液固定法，将造成巨大的浪费。由于上述原因，基于lig的乳酸酶传感器的制备依旧存在尚未解决的困难。因此，研制一款基于lig的乳酸酶传感器
是具有重要意义的。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种汗液乳酸传感器及其制备方法，能够减少乳酸酶的用量，降低生产成本。
7.为达到上述目的，本发明提供一种汗液乳酸传感器，包括衬底以及由下往上依次设置在所述衬底上的lig电极层、普鲁士蓝接触层、第一粘性层、乳酸酶传感层及第二粘性层，所述第一粘性层及所述第二粘性层将所述乳酸酶传感层包覆在内；
8.其中，所述衬底的材质为聚酰亚胺，所述衬底的一部分通过激光诱导技术转化为所述lig电极层。
9.可选的，所述第一粘性层及第二粘性层均包括壳聚糖与单臂碳纳米管。
10.可选的，所述衬底的厚度介于0.1mm-0.25mm之间。
11.可选的，所述lig电极层为疏松多孔的不定形多层结构。
12.基于同一发明构思，本发明还提供了一种汗液乳酸传感器的制备方法，包括：
13.提供一衬底，所述衬底的材质为聚酰亚胺，通过激光诱导技术将所述衬底的一部分转化为lig电极层；
14.在所述lig电极层上形成一普鲁士蓝接触层；
15.分别调配好粘性溶液以及乳酸酶溶液；
16.将部分所述粘性溶液滴涂于所述普鲁士蓝接触层上以形成第一粘性层；
17.将所述乳酸酶溶液滴涂于所述第一粘性层上以形成乳酸酶传感层；
18.将剩余部分所述粘性溶液滴涂于所述乳酸酶传感层上以形成第二粘性层，所述第二粘性层将所述乳酸酶传感层包覆在内。
19.可选的，利用化学合成法在所述lig电极层上沉积所述普鲁士蓝接触层。
20.可选的，所述粘性溶液的调配方法具体包括：
21.称量10mg浓度为1％的壳聚糖溶于1ml浓度为2％的醋酸溶液中，加入磁绊子搅拌1小时，得到壳聚糖溶液；
22.将单臂碳纳米管溶液与所述壳聚糖溶液以2mg/ml的比例混合，超声搅拌30分钟，得到所述粘性溶液。
23.可选的，将2mg/ml比例的单臂碳纳米管溶液与所述壳聚糖溶液在一离心管中混合，超声搅拌时用封口膜封住所述离心管。
24.可选的，所述乳酸酶溶液的调配方法具体包括：
25.将乳酸氧化酶以50mg/ml的比例溶于ph等于5的pbs缓冲液中得到所述乳酸酶溶液。
26.可选的，所述粘性溶液及所述乳酸酶溶液滴涂后在-4℃下避光干燥。
27.在本发明提供的一种汗液乳酸传感器及其制备方法中，具有至少以下有益效果之一：
28.1)通过采用类似于“三明治”结构将所述乳酸酶传感层包覆在所述第一粘性层及所述第二粘性层之间，能够极大地减少乳酸酶的用量，降低生产成本；
29.2)使用柔性材料聚酰亚胺作为衬底，具有良好的柔韧性和绝缘性，在制备柔性电
子产品时可以省略lig转移步骤，巧妙地将lig的诱导和电子产品的制造合二为一，同时传感器在弯折条件下仍然能够实现乳酸传感，应用场景更广泛；
30.3)lig电极层为疏松多孔的不定形多层结构，有利于充分固定乳酸酶；
31.4)采用壳聚糖和单臂碳纳米管制作粘性层，壳聚糖用于提高乳酸酶传感层的粘性和接触性，单臂碳纳米管则可以增大乳酸酶传感层的比表面积，进而增大整个传感器的比表面积，从而提高了乳酸传感的灵敏度；
32.5)lig电极层在制造过程中可以通过计算机软件控制，从而获得图案化的lig电极层，该过程简单、快速，具有大规模生产潜力。
附图说明
33.本领域的普通技术人员将会理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。其中：
34.图1为本发明一实施例提供的汗液乳酸传感器的示意图。
35.附图中：
36.1-衬底；2-lig电极层；3-普鲁士蓝接触层；4-第一粘性层；5-乳酸酶传感层；6-第二粘性层。
具体实施方式
37.为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在与本发明所能产生的功效及所能达成的目的相同或近似的情况下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
38.如在本发明中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，除非内容另外明确指出外。如在本发明中所使用的，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。如在本发明中所使用的，术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。如在本发明中所使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征。
39.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
40.请参照图1，本实施例提供了一种汗液乳酸传感器，包括衬底1以及由下往上依次设置在衬底1上的lig电极层2、普鲁士蓝接触层3、第一粘性层4、乳酸酶传感层5及第二粘性层6，第一粘性层4及第二粘性层6将乳酸酶传感层5包覆在内；
41.其中，衬底1的材质为聚酰亚胺，衬底1的一部分通过激光诱导技术转化为lig电极层2。
42.通过采用类似于“三明治”结构将乳酸酶传感层5包覆在第一粘性层4及第二粘性层6之间，能够极大地减少乳酸酶的用量，降低生产成本。
43.本实施例中，衬底1的材质为聚酰亚胺，聚酰亚胺在一定激光功率下进行照射后，经过光化学和热化学等过程，含碳的前驱体可转变为lig，而其他部分以气体形式散发出去，气体的产生同时也促进了lig三维多孔结构的形成。lig电极层2为疏松多孔的不定形多层结构，有利于充分固定乳酸酶，同时使用柔性材料聚酰亚胺作为衬底1，具有良好的柔韧性和绝缘性，在制备柔性电子产品时可以省略lig转移步骤，巧妙地将lig的诱导和电子产品的制造合二为一，同时传感器在弯折条件下仍然能够实现乳酸传感，应用场景更广泛。
44.优选的，衬底1的厚度介于0.1mm-0.25mm之间。
45.优选的，利用化学合成法在lig电极层2上沉积普鲁士蓝接触层3。
46.优选的，第一粘性层4及第二粘性层6均包括壳聚糖与单臂碳纳米管，壳聚糖用于提高乳酸酶传感层5的粘性和接触性，单臂碳纳米管则可以增大乳酸酶传感层5的比表面积，进而增大整个传感器的比表面积，提高乳酸传感的灵敏度。当然，第二粘性层6也可以只采用壳聚糖，本技术对此不作限制。
47.此外，本发明实施例还提供了一种汗液乳酸传感器的制备方法，包括：
48.s1、提供一衬底1，衬底1的材质为聚酰亚胺，通过激光诱导技术将衬底1的一部分转化为lig电极层2；
49.s2、在lig电极层2上形成一普鲁士蓝接触层3；
50.s3、分别调配好粘性溶液以及乳酸酶溶液；
51.s4、将部分粘性溶液滴涂于普鲁士蓝接触层3上以形成第一粘性层4；
52.s5、将乳酸酶溶液滴涂于第一粘性层4上以形成乳酸酶传感层5；
53.s6、将剩余部分粘性溶液滴涂于乳酸酶传感层5上以形成第二粘性层6，第二粘性层6将乳酸酶传感层5包覆在内。
54.首先，执行步骤s1，提供一衬底1，衬底1的材质为聚酰亚胺，通过激光诱导技术将衬底1的一部分转化为lig电极层2。具体的，聚酰亚胺在一定激光功率下进行照射后，经过光化学和热化学等过程，含碳的前驱体可转变为lig，而其他部分以气体形式散发出去，气体的产生同时也促进了lig三维多孔结构的形成。lig电极层2为疏松多孔的不定形多层结构，有利于充分固定乳酸酶，同时使用柔性材料聚酰亚胺作为衬底1，具有良好的柔韧性和绝缘性，使得传感器在弯折条件下仍然能够实现乳酸传感，使用更广泛。
55.然后执行步骤s2，在lig电极层2上形成一普鲁士蓝接触层3。优选的，利用化学合成法在lig电极层2上沉积普鲁士蓝接触层3。
56.接着执行步骤s3，分别调配好粘性溶液以及乳酸酶溶液。
57.本实施例中，粘性溶液的调配方法具体包括：
58.称量10mg浓度为1％的壳聚糖溶于1ml浓度为2％的醋酸溶液中，加入磁绊子搅拌1
小时，得到壳聚糖溶液；
59.将单臂碳纳米管溶液与壳聚糖溶液以2mg/ml的比例混合，超声搅拌30分钟，得到粘性溶液。
60.优选的，将2mg/ml比例的单臂碳纳米管溶液与壳聚糖溶液在一离心管中混合，超声搅拌时用封口膜封住离心管以防止醋酸挥发。
61.本实施例中，离心管可预先通过去离子水中超声清洗，再利用氮气吹干待用。
62.本实施例中，乳酸酶溶液的调配方法具体包括：
63.将乳酸氧化酶以50mg/ml的比例溶于ph等于5的pbs缓冲液中得到乳酸酶溶液。
64.然后执行步骤s4，将部分粘性溶液滴涂于普鲁士蓝接触层3上，在-4℃下避光干燥，以形成第一粘性层4。本实施例中，滴涂于普鲁士蓝接触层3上的粘性溶液为4μl，可通过移液枪进行操作。
65.再执行步骤s5，将乳酸酶溶液滴涂于第一粘性层4上，在-4℃下避光干燥，以形成乳酸酶传感层5。本实施例中，滴涂于第一粘性层4上的乳酸酶溶液也为4μl，可通过移液枪进行操作。
66.最后执行步骤s6，将剩余部分如4μl粘性溶液滴涂于乳酸酶传感层5上，在-4℃下避光干燥，以形成第二粘性层6，第二粘性层6将乳酸酶传感层5包覆在内。
67.综上，本发明实施例提供了一种汗液乳酸传感器及其制备方法，通过采用类似于“三明治”结构将乳酸酶传感层5包覆在第一粘性层4及第二粘性层6之间，能够极大地减少乳酸酶的用量，降低生产成本。同时，使用柔性材料聚酰亚胺作为衬底1，并利用激光诱导技术生成疏松多孔的lig电极层2，不仅有利于充分固定乳酸酶，还具有良好的柔韧性和绝缘性，在制备柔性电子产品时可以省略lig转移步骤，巧妙地将lig的诱导和电子产品的制造合二为一，同时传感器在弯折条件下仍然能够实现乳酸传感，应用场景更广泛。
68.上述描述仅是对本发明较佳实施方式的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于本发明的保护范围。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若这些修改和变型属于本发明及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种汗液乳酸传感器，其特征在于，包括衬底以及由下往上依次设置在所述衬底上的lig电极层、普鲁士蓝接触层、第一粘性层、乳酸酶传感层及第二粘性层，所述第一粘性层及所述第二粘性层将所述乳酸酶传感层包覆在内；其中，所述衬底的材质为聚酰亚胺，所述衬底的一部分通过激光诱导技术转化为所述lig电极层。2.根据权利要求1所述的汗液乳酸传感器，其特征在于，所述第一粘性层及第二粘性层均包括壳聚糖与单臂碳纳米管。3.根据权利要求1所述的汗液乳酸传感器，其特征在于，所述衬底的厚度介于0.1mm-0.25mm之间。4.根据权利要求1所述的汗液乳酸传感器，其特征在于，所述lig电极层为疏松多孔的不定形多层结构。5.一种汗液乳酸传感器的制备方法，其特征在于，包括：提供一衬底，所述衬底的材质为聚酰亚胺，通过激光诱导技术将所述衬底的一部分转化为lig电极层；在所述lig电极层上形成一普鲁士蓝接触层；分别调配好粘性溶液以及乳酸酶溶液；将部分所述粘性溶液滴涂于所述普鲁士蓝接触层上以形成第一粘性层；将所述乳酸酶溶液滴涂于所述第一粘性层上以形成乳酸酶传感层；将剩余部分所述粘性溶液滴涂于所述乳酸酶传感层上以形成第二粘性层，所述第二粘性层将所述乳酸酶传感层包覆在内。6.根据权利要求5所述的汗液乳酸传感器的制备方法，其特征在于，利用化学合成法在所述lig电极层上沉积所述普鲁士蓝接触层。7.根据权利要求5所述的汗液乳酸传感器的制备方法，其特征在于，所述粘性溶液的调配方法具体包括：称量10mg浓度为1％的壳聚糖溶于1ml浓度为2％的醋酸溶液中，加入磁绊子搅拌1小时，得到壳聚糖溶液；将单臂碳纳米管溶液与所述壳聚糖溶液以2mg/ml的比例混合，超声搅拌30分钟，得到所述粘性溶液。8.根据权利要求7所述的汗液乳酸传感器的制备方法，其特征在于，将2mg/ml比例的单臂碳纳米管溶液与所述壳聚糖溶液在一离心管中混合，超声搅拌时用封口膜封住所述离心管。9.根据权利要求5所述的汗液乳酸传感器的制备方法，其特征在于，所述乳酸酶溶液的调配方法具体包括：将乳酸氧化酶以50mg/ml的比例溶于ph等于5的pbs缓冲液中得到所述乳酸酶溶液。10.根据权利要求5所述的汗液乳酸传感器的制备方法，其特征在于，所述粘性溶液及所述乳酸酶溶液滴涂后在-4℃下避光干燥。

技术总结
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种汗液乳酸传感器及其制备方法，汗液乳酸传感器包括衬底以及由下往上依次设置在衬底上的LIG电极层、普鲁士蓝接触层、第一粘性层、乳酸酶传感层及第二粘性层，第一粘性层及第二粘性层将乳酸酶传感层包覆在内；其中，衬底的材质为聚酰亚胺，衬底的一部分通过激光诱导技术转化为LIG电极层。通过采用类似于“三明治”结构将乳酸酶传感层包覆在第一粘性层及第二粘性层之间，能够极大地减少乳酸酶的用量，降低生产成本。并且，LIG电极层具有海绵状多孔结构，有利于充分固定乳酸酶，同时使用柔性材料PI作为衬底，具有良好的柔韧性和绝缘性，使得传感器在弯折条件下仍然能够实现乳酸传感，使用更广泛。泛。泛。


技术研发人员：秦亚杰 冯久勍
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：2023.05.12
技术公布日：2023/8/16