CN116908259A - 一种活体在线实时监测植物体内化学成分的生物传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生物传感器技术领域，具体为一种活体在线实时监测植物体内化学成分的生物传感器。本发明生物传感器把工作电极和参比电极安装在两块基板中间的液体腔内，避免电极插拔植物时受损，提高传感器耐用性；利用微管流技术通过液流微通道把植物体内的液体吸入到液体腔，实时监测植物体内化学成分，保证标定环境和测试环境不变，提高测量准确性。采用多微液流通道，无需工作/参比电极在植物体内测量部位的微米级别的精准定位，提高测定效率和现场的实用性。本生物传感器可实现对植物活体内化学成分的在线监测，对被检测样本不造成本质伤害；得到的数据可实时准确动态的反映植物体内化学成分信息，实际操作简单，有利于植物种植现场的广泛应用。
Description
技术领域
本发明属于生物传感器技术领域，具体涉及一种活体在线实时监测植物体内化学成分的生物传感器。
背景技术
活体在线实时监测植物体内化学成分的变化对植物正常生长发育起着重要作用。目前，在植物生理学研究中，传统的植物体内化学成分（如，各种离子，蛋白质，激素等）检测多采用光化学诱导荧光法、高效液相色谱法（HPLC）、色谱-质谱联用技术等离体静态分析方法。这类方法需要对植物材料离体取样，通过检测浸提液中化学物质浓度来推测植株体内的含量，所以需对样品进行复杂的前处理，耗时长同时对样品提取纯度要求较高，并且这种离体检测反应的只是植物体内的某一时刻的静态浓度或累积效应，无法对植物进行长时间实时动态分析。而随着研究的深入，人们希望获得植物体在生长发育过程及环境适应过程中植物体内化学成分的实时动态变化信息，以便更加全面、清晰的了解植物的生理活动规律，从而更好的指导农业生产。因此有必要发明设计新型可靠现场兼容的检测仪器，实现对植物生长过程中植物体内化学物质的原位实时监测。
当前，微电极生物传感技术普遍用于植物体内各种化学成分的原位实时监测。微电极传感器具有三电极体系，包括参比电极、对电极和工作电极。这些电极集成在很微小的微电极的尖端（几十微米），所以电极传感部分的面积很小，需要采用更高端的仪器（如，电化学工作站等）来放大测得的电信号，仪器成本随之增加，不利于农业种植现场大面积适用。此外，检测时首先把微电极的尖端精准的原位刺穿到植株的测量部位。例如，利用微电极生物传感器测量植物维管液体的离子浓度，需要精准的把微电极传感部分（工作、参比和对电极）原位插入到植株维管里，但没有其他设备（如，显微镜，显微操作器等）的补助，只靠人工实现这个目的十分艰难；一旦电极偏离维管，电极表面可能接触其他物质（如，植物细胞），测得的数据不是维管的离子浓度。这还导致标定环境(电极无接触)和测试环境（电极接触物体）不同，产生测量误差，降低了在农业现场的实用性。另外，微电极的反复插拔可能导致工作电极敏感膜和参比电极金属膜的摩擦破损和脱落，降低传感器的耐用性。因此，开发一种活体在线实时监测植物体内化学成分的现场兼容耐用的生物传感器对植物农业生产意义重大。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种活体在线实时监测植物体内化学成分的生物传感器。
本发明提供的活体在线实时监测植物体内化学成分的生物传感器，包括工作电极和参比电极，以及根据电极的尺寸设计的一对基板；
所述一对基板，宽幅大于电极的宽幅，长度是根据植物测量部位深度进行选择；
所述一对基板，其平面上分别开设有凹槽，用于分别安装工作电极和参比电极；两个基板安装有电极的面粘合在一起（电极部分可以对齐，也可以不对齐,但为了避免电极短路，推荐不对齐），或者，在一块基板上开设有凹槽，用于分别安装工作电极和参比电极，另一块基板不开设凹槽；两个基板的面粘合在一起；两个基板中间形成空腔（如为方形等），称为液体腔；工作电极和参比电极通过引线引出至生物传感器外；两块基板对合，把电极设置在中间的空腔内，对于电极也起到保护作用，避免电极插拔植物时损伤电极。这可以保证标定环境和测试环境不变，提高测试准确性；
所述液体腔，其两侧（即基板左右两侧）设有多个微液流通道，通往电极，利用微管流技术通过液流通道把植物体内的液体吸到液体腔，由电极对实时监测植物体内化学成分。
所述工作电极、参比电极的数量可以是各一个或各多个，它们形状可以是圆形，椭圆形，三角形，方形，多边形；所述一对基板的形状可以方形，三角形， 圆形， 椭圆形， 多边形；为了对被检测样本不造成本质伤害，基板大小尺寸越小越好，但需要容纳所有电极在基板液体腔内。
为了促进微管流，不提高制造难度、成本的条件下，微液流通道的截面面积越小越好，每侧通道数根据实际测量面积进行选择。
所述液体腔的大小尺寸范围根据电极数量和尺寸来选择。
具体地：
本发明中，微液流通道的直径范围0.01 - 1毫米 ，每侧通道数范围 1 - 20个 。优选直径范围0.1 - 0.5毫米 ，每侧通道数范围 5 - 10个。
本发明中，工作电极、参比电极直径尺寸范围 0.1 - 10毫米，基板的尺寸范围 1（宽） X 2（长） - 20（宽） X 40（长）毫米。电极直径尺寸优选范围 1 - 5毫米，基板的优选尺寸范围2（宽） X 5（长）毫米 - 10（宽） X 20（长）毫米。
本发明中，液体腔的大小尺寸范围 1（宽） X 1（长） - 20（宽） X 20（长）毫米。优选液体腔的大小尺寸范围 2（宽） X 2（长）毫米 - 10（宽） X 10（长）毫米。
本发明中，所述基板材料可以为塑料、陶瓷、金属或复合材料等。
本发明生物传感器的使用操控过程为：生物传感器竖切切入植物茎的测量部分（如维管），使电极的微液流通道进入到植物测量部分，把液体吸入到液体腔，由电极对实时监测植物体内化学成分（参考图3）。
使用本发明设计的生物传感器，无需工作/参比电极在植物体内测量部位的微米级别的精准定位。
应用本发明的生物传感器可实现对植物活体内化学成分的在线监测，对被检测样本不造成本质伤害；得到的数据结果可实时准确动态的反映植物体内化学成分的信息，实际操作简单，不需要其他设备补助，有利于植物种植现场的广泛应用。
本发明设计的生物传感器，既可以解决以往利用微电极的耐用性问题，又可以解决以往常用电极在植物体内的精准定位的难题，提高现场的实用性；还可确保标定环境和测试环境不变，提高测试准确性。本发明可以适用于植物的根、茎、果实或叶片的原位在线实时监测。
附图说明
图1为本发明生物传感器的结构图示。
图2为本发明多通道生物传感器的结构图示。
图3 植物维管的化学成分(离子，蛋白质，激素等)测量应用场景图示。
图中标号： 1为工作电极，2为基板, 3为电极引线, 4为参比电极，5为液体腔，6为微液流通道，7为工作电极，8为工作电极二，9为工作电极三，10为工作电极四， 11为生物传感器，12为维管，13为维管液体的流动方向，14为植物外皮。
实施方式
下面通过具体实施结合附图进一步介绍本发明。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例
如图1所示，一种活体在线实时监测植物体内钾离子浓度的单通道生物传感器，其中微液流通道的直径为0.2毫米，每侧通道数6个。 其中工作电极、参比电极直径尺寸各为1毫米，基板的尺寸为 2（宽） X 5毫米。其中液体腔的大小尺寸为 2（宽） X 3（长）毫米。工作电极为钾离子选择性电极，参比电极为银/氯化银电极。本发明单通道生物传感器后面连接蓝牙无线模块电路，可以实时检测的数据传输到手机或电脑。单通道生物传感器竖切切入植物茎的维管，使电极的微液流通道进入到植物维管，把液体吸入到液体腔，由电极对实时监测植物体内钾离子浓度，数据传输到手机或个人电脑，分析监控植物的生长健康状态（参考图3）。
实施例
如图2所示，一种活体在线实时监测植物体内PH/钾/钙/钠离子浓度的多通道生物传感器，其中微液流通道的直径为0.4毫米，每侧通道数6个。 其中工作电极直径尺寸各为1毫米, 参比电极直径尺寸为2毫米，基板的尺寸为 4（宽） X 10（长）毫米。其中液体腔的大小尺寸为 4（宽） X 6（长）毫米。工作电极分别为PH电极（7），钾离子选择性电极（8），钙离子选择性电极（9）钠离子选择性电极（10），参比电极为银/氯化银电极。本发明多通道生物传感器后面连接蓝牙无线模块电路，可以实时检测的数据传输到手机或电脑。多通道生物传感器竖切切入植物茎的维管，使电极的微液流通道进入到植物维管，把液体吸入到液体腔，由电极对实时监测植物体内PH/钾/钙/钠离子浓度，数据传输到手机或个人电脑，综合分析监控植物的生长健康状态。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种活体在线实时监测植物体内化学成分的生物传感器，其特征在于，包括工作电极和参比电极，以及根据电极的尺寸设计的一对基板；
所述一对基板，宽幅大于电极的宽幅，长度是根据植物测量部位深度进行选择；
所述一对基板，其平面上分别开设有凹槽，用于分别安装工作电极和参比电极；两个基板安装有电极的面粘合在一起，或者，在一块基板上开设有凹槽，用于分别安装工作电极和参比电极，另一块基板不开设凹槽；两个基板的面粘合在一起；两个基板中间形成空腔，称为液体腔；工作电极和参比电极通过引线引出至生物传感器外；两块基板对合，把电极设置在中间的空腔内，对于电极也起到保护作用，避免电极插拔植物时损伤电极；
所述液体腔，其两侧设有多个微液流通道，通往电极，利用微管流技术通过液流通道把植物体内的液体吸到液体腔，由电极对实时监测植物体内化学成分。
2.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述工作电极、参比电极的数量是各一个或各多个，基板大小尺寸在容纳所有电极在基板液体腔内的前提下尽可能的小。
3.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，微液流通道的截面面积在不提高制造难度、成本的条件下尽可能的小；每侧通道数量根据实际测量面积进行选择。
4.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述液体腔的大小尺寸范围根据电极数量和尺寸来选择。
5.根据权利要求2所述的生物传感器，其特征在于，所述单个工作电极、参比电极直径尺寸范围为 0.1 - 10毫米，基板的尺寸范围 1 X 2 - 20 X 40毫米。
6.根据权利要求3所述的生物传感器，其特征在于，微液流通道的直径范围0.01 - 1毫米 ，每侧通道数范围 1 - 20个 。
7.根据权利要求4所述的生物传感器，其特征在于，所述液体腔的大小尺寸范围 为 1X 1 - 20 X 20毫米。
8.根据权利要求4所述的生物传感器，其特征在于，所述基板材料为塑料、陶瓷、金属或复合材料。
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