CN117883077A - 一种用于动物热应激检测的可穿戴贴片、制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于动物热应激检测的可穿戴贴片、制备方法。所述可穿戴贴片包括柔性衬底和设计在所述柔性衬底上的电极，所述电极包括：汗液诱导电极，温度传感电极，第一工作电极，第二工作电极，参比电极。汗液诱导电极用于促进动物皮肤出汗，温度传感电极、第一工作电极和第二工作电极分别用于检测汗液的温度、pH和K⁺浓度。本发明基于电化学可穿戴传感器原理，构建了能够用于动物汗液中多种物质连续监测的可穿戴贴片。传感器通过导线与电化学测量仪器相连，利用汗液诱导电极刺激动物汗液分泌，实现原位、实时、无创且持续的代谢物和温度检测。

Description

一种用于动物热应激检测的可穿戴贴片、制备方法

技术领域

本发明涉及可穿戴电化学传感分析技术领域，具体涉及一种用于动物热应激检测的可穿戴贴片、制备方法。

背景技术

热应激是一种非特异性生理反应，经常在动物中发生。正常情况下，动物对环境温度的适应能力有限，当环境温度超过其耐受范围时，动物容易发生热应激现象。动物健康和热应激之间存在密切的关系，在热应激条件下，动物容易出现生理紊乱，包括体温升高、呼吸速率加快、脱水和免疫功能受损。这些影响会导致动物的耐力下降，表现受损，并增加与热有关的疾病的风险。

传统的热应激管理通常采用物理环境控制和营养管理等多种方法。这些传统的方法虽然操作便捷，但往往难以满足日益增长的精确管理和持续监测的需求。热应激生物标志物的现代精确健康管理方法，包括传统的医学测试，通常涉及侵入性和耗时的程序。

在众多的分析物中，汗液中含有多种化学成分和指标，包括电解质、葡萄糖、乳酸等，与健康和生理状态有着显著的相关性。然而，目前大多数传感器只涉及单个分析物的传感，且无法实现实时监测(Zhao，et，al.，A flexible nonenzymatic sweat glucosesensor based on Au nanoflowers coated carbon cloth，Sensors and Actuators B：Chemical，VOL 388，August 2023，133798)。到目前为止，迫切需要一种可行的、多重的管理方法，以实现对动物热应激现象导致的健康问题进行精确的个体管理。

目前市场上并无成型的利用电化学可穿戴贴片用于动物汗液多重分析并实现精确健康管理的设备。在现有的应用电化学可穿戴传感器检测汗液的技术中，公开号为CN116626117A、发明名称为“一种柔性可穿戴式电化学传感器用于汗液皮质醇检测的制备方法”的发明申请公开了一种柔性可穿戴式电化学传感器的制备方法，以及利用所述传感器用于人汗中皮质醇传感的检测方法。该方法得到的柔性传感器具有较大的传感表面积和优异的灵敏度。但该传感器制备复杂，且无法实现汗液中多种代谢物的实时分析。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种用于动物热应激检测的可穿戴贴片、制备方法。

一种用于动物热应激检测的可穿戴贴片，包括柔性衬底和设计在所述柔性衬底上的电极，每个电极包括作为工作区域的传感区域和作为非工作区域的导电连接区域，所述电极包括：

汗液诱导电极，用于诱导接触的动物皮肤分泌汗液，包括阳极汗液诱导电极和阴极汗液诱导电极，在电流作用下，阳极汗液诱导电极和阴极汗液诱导电极之间形成电流回路；所述阳极汗液诱导电极修饰有含类胆碱的阳极凝胶，在电渗作用下类胆碱进入皮肤刺激汗液分泌；

温度传感电极，用于检测汗液温度；

第一工作电极，为用于检测汗液pH的pH检测电极；

第二工作电极，为用于检测汗液中K⁺浓度的K⁺检测电极；

参比电极，为用于第一工作电极和第二工作电极的参比电极。

各个电极的传感区域用于进行传感检测对应的指标，尾端用于外接信号检测电路，也就是检测时连接电化学工作站，传感区域与尾端用于连接电化学工作站的区域之间的部分为作为非工作区域的导电连接区域。优选的，作为非工作区域的导电连接区域表面进行绝缘处理。绝缘处理的方式可以使用现有技术中常规的绝缘处理方式，比如，使用聚酰亚胺胶带进行表面处理实现绝缘。

优选的，所述柔性衬底为聚酰亚胺材质，在聚酰亚胺柔性衬底表面通过激光诱导切割制备获得带有激光诱导石墨烯的各电极。

激光诱导石墨烯技术的原理主要基于激光辐射在塑料基材表面的光热效应和化学还原作用，在光热效应与化学还原的协同作用下，石墨氧化物分解为氧气和其它挥发分子，同时碳原子重新排列形成二维石墨烯结构。

进一步优选的，激光诱导切割的功率、速度和每英寸点数分别为5％～10％、10％～20％和500～800。其中的功率和速度的比例为占各自最大设置参数的的百分比。

汗液诱导电极用于诱导动物皮肤出汗，所以，具有促进动物皮肤出汗的物质都可以使用，比如，类胆碱，类胆碱可以为乙酰胆碱、醋甲胆碱、卡巴胆碱和贝胆碱中的至少一种。

优选的，阳极汗液诱导电极的传感区域上修饰的阳极凝胶为加入有类胆碱的琼脂糖凝胶，其中类胆碱的质量百分比为0.1％～10％；阴极汗液诱导电极的传感区域上修饰阴极凝胶，阴极凝胶也为琼脂糖凝胶，但使用同样质量百分比的NaCl替代类胆碱。使用时，阳极汗液诱导电极和阴极汗液诱导电极形成一个回路，所述阳极汗液诱导电极修饰有含类胆碱的阳极凝胶，在电渗作用下类胆碱进入皮肤刺激汗液分泌。

所述第一工作电极的传感区域修饰有金纳米粒子和聚苯胺薄膜，先在第一工作电极的传感区域电沉积一层金纳米粒子，然后在苯胺溶液中利用循环伏安法修饰一层聚苯胺薄膜。

所述第二工作电极的传感区域先在3，4-乙烯二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸钠溶液中电沉积一层聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)，然后再形成一层K⁺选择性膜。所述K⁺选择性膜为缬氨霉素K⁺选择性膜。

所述参比电极的传感区域修饰时，先沉积一层银，然后滴加氯化铁溶液，之后滴加溶解有聚乙烯醇缩丁醛和NaCl的甲醇溶液。参比电极用于在检测时给第一工作电极和第二工作电极提供稳定的标准电势，维持检测体系的稳定。

本发明又提供了所述用于动物热应激检测的可穿戴贴片的制备方法，包括：

(1)在柔性衬底上通过激光诱导切割形成各个电极；

(2)对各个电极进行功能修饰，形成具有不同功能的电极。

其中，阳极汗液诱导电极的传感区域上修饰的阳极凝胶为加入有类胆碱的琼脂糖凝胶，其中类胆碱的质量百分比为0.1％～10％；阴极汗液诱导电极的传感区域上修饰阴极凝胶，阴极凝胶也为琼脂糖凝胶，但使用同样质量百分比的NaCl替代类胆碱；

所述第一工作电极的传感区域修饰有金纳米粒子和聚苯胺薄膜，先在第一工作电极的传感区域电沉积一层金纳米粒子，然后在苯胺溶液中利用循环伏安法修饰一层聚苯胺薄膜；

所述第二工作电极的传感区域先在3，4-乙烯二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸钠溶液中电沉积一层聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)，然后再形成一层K⁺选择性膜。

本发明还提供了一种动物热应激监测方法，包括以下步骤：

(1)将所述用于动物热应激检测的可穿戴贴片贴附在待检测动物皮肤上，将各个电极连接至便携式电化学工作站；

(2)通过各电极检测并记录待检测动物汗液的pH、K⁺浓度和温度；

(3)根据检测的pH、K⁺浓度和温度情况判断待检测动物的热应激状态。

待检测动物需要是可以通过皮肤出汗的动物，比如马、猪、羊、牛等。

检测时，pH的检测范围为4～8；K⁺浓度为1～32mM。温度检测在动物汗液正常温度范围内都可以检测。检测时间可以是短时间的检测，比如几分钟，也可以长时间的检测，比如几个小时。

比如，在检测马时，在25min内记录马汗液的pH，K⁺和温度的变化情况，以此来判断马匹热应激状态。当测试得到的温度小于40.5℃，且pH大于4和K⁺浓度大于3mM时，动物不存在热应激风险；当测试得到的温度超过40.5℃，且pH大于4或K⁺浓度大于3mM时，动物存在轻微的热应激风险；而监测的温度超过40.5℃，且pH小于4和K⁺浓度小于3mM时，动物存在严重的热应激风险，需要对其进行降温或者营养物质的补充。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明基于电化学可穿戴传感器原理，构建了能够用于动物汗液中多种物质连续监测的可穿戴贴片。传感器通过导线与电化学测量仪器相连，利用汗液诱导电极刺激动物汗液分泌，实现原位、实时、无创且持续的代谢物和温度检测；

(2)本发明所述传感器集成了激光诱导石墨烯传感电极阵列、汗液诱导、离子感应模块。该集成系统能够同时检测汗液中的pH、K⁺和温度，具有较高的准确性、稳定性和重复性。

附图说明

图1为本发明用于动物热应激检测的可穿戴贴片的电极示意图。

图2为传感器的开路电位响应曲线图和标准曲线图。其中，图2(a)为传感器在pH在4～8的开路电位响应曲线图；图2(b)为传感器在pH在4～8的开路电位响应标准曲线图；图2(c)为传感器在K⁺浓度为1～32mM的开路电位响应曲线图；图2(d)为传感器在K⁺浓度为1～32mM的开路电位响应标准曲线图；图2(e)为传感器在温度为25～40℃时电阻响应曲线图；图2(f)为传感器在温度为25～40℃时电阻响应标准曲线图。

图3是监测动物汗液中pH、K⁺和温度的传感系统的示意图。

附图标记：1、柔性衬底；2、汗液诱导电极；3、温度传感电极；4、第一工作电极；5、参比电极；6、第二工作电极。

具体实施方式

实施例1

步骤一、传感器(本发明用于动物热应激检测的可穿戴贴片)的设计：

利用计算机绘图软件(CorelDRAW)设计电极形状。所设计的电极依次均匀间隔分布在聚酰亚胺(PI)柔性衬底1的表面。电极包括汗液诱导电极2，温度传感电极3，第一工作电极4，参比电极5和第二工作电极6。所述电极贴片的形状设计为正方形，且边长为4cm。

汗液诱导电极2用于诱导接触的动物皮肤分泌汗液，包括阳极汗液诱导电极和阴极汗液诱导电极，在电流作用下，阳极汗液诱导电极和阴极汗液诱导电极之间形成电流回路。阳极汗液诱导电极修饰有含乙酰胆碱的阳极凝胶，在电渗作用下乙酰胆碱进入皮肤刺激汗液分泌。汗液诱导电极2需要释放乙酰胆碱来刺激动物皮肤出汗，所以整个传感区域范围较大。阳极汗液诱导电极和阴极汗液诱导电极的传感区域在外围，合围住其他电极的传感区域，从而便于刺激动物皮肤出汗后其他电极来检查汗液。

温度传感电极用于检测汗液温度。第一工作电极为用于检测汗液pH的pH检测电极。第二工作电极为用于检测汗液中K⁺浓度的K⁺检测电极。参比电极为用于第一工作电极和第二工作电极的参比电极。

各个电极的传感区域用于进行传感检测对应的指标，尾端用于外接信号检测电路，也就是检测时连接电化学工作站，传感区域与尾端用于连接电化学工作站的区域之间的部分为作为非工作区域的导电连接区域。

汗液诱导电极2，温度传感电极3，第一工作电极4，参比电极5和第二工作电极6另一端(尾端)沿柔性衬底的另一侧的边的长度方向依次均匀间隔分布；第一工作电极4，参比电极5，第二工作电极6保持相同的工作区域。作为非工作区域的导电连接区域，即图1中虚线框出的范围，表面进行绝缘处理，绝缘聚酰亚胺胶带用于电极非工作区域导电部分绝缘。

步骤二、柔性贴片的制作：

将柔性衬底1(PI薄膜)固定于铜板表面，并放置于激光切割机中。在PI薄膜表面通过激光诱导切割机制备获得带有LEG(激光诱导石墨烯)制备的汗液诱导电极2，温度传感电极3，第一工作电极4，参比电极5和第二工作电极6的柔性衬底。激光切割的功率、速度和每英寸点数分别为8％、15％和800。然后在汗液诱导电极2，温度传感电极3，第一工作电极4，参比电极5和第二工作电极6的非工作区域贴上绝缘聚酰亚胺胶带进行绝缘。

步骤三、电极的功能化修饰：

(1)在步骤二所制备两根汗液诱导电极2传感区域，图1中左边为阳极汗液诱导电极，右边为阴极汗液诱导电极，分别修饰阳极凝胶和阴极凝胶。使用时，阳极汗液诱导电极和阴极汗液诱导电极形成一个回路；所述阳极汗液诱导电极修饰有含类胆碱的阳极凝胶，在电渗作用下类胆碱进入皮肤刺激汗液分泌。

制备阳极凝胶时，首先制备1％(w/w)的琼脂糖溶液，持续搅拌加热至250℃。待混合物完全溶解后，将溶液冷却至150℃，然后将1％(w/w)乙酰胆碱加入上述化合物中。之后，冷却后的混合物缓慢流入预制的模具中，直到在4℃下完全凝固。与阳极凝胶相比，阴极凝胶的制备方法相似，而以1％(w/w)NaCl代替乙酰胆碱，即形成汗液诱导电极2。

(2)在步骤二所制备的第一工作电极4传感区域上，首先在电化学工作站上利用线性扫描伏安法在10mM氯金酸溶液中进行金纳米粒子的电沉积，沉积电位和时间分别设置为-0.8V和60s。紧接着，在0.1M苯胺溶液中利用循环伏安法修饰聚苯胺薄膜，循环电压和循环圈数分别设置为-0.2～1.0V和12圈，即用于pH传感的第一工作电极4。在修饰金纳米粒子和聚苯胺薄膜后，用于pH检测，所检测体系中的H⁺可以穿过聚苯胺薄膜引起电位变化，从而实现pH测定。

(3)在步骤二所制备的参比电极5传感区域表面上在0.5M AgNO₃、1M Na₂S₂O₃和0.5M NaHSO₃溶液中沉积银，然后滴加0.1M氯化铁溶液。之后，将60mg聚乙烯醇缩丁醛和60mg NaCl在1mL甲醇中强烈搅拌溶解，将配制的参比溶液滴加6μL在电极上干燥过夜，从而获得自制的参比电极5。参比电极提供了稳定的标准电势，维持检测体系的稳定，作为第一工作电极和第二工作电极检测时的参比电极。

(4)在步骤二所制备的第二工作电极6传感区域中，首先在含有0.05M 3，4-乙烯二氧噻吩和0.5M聚苯乙烯磺酸钠的溶液中施加20μA恒定电流并维持10min，从而电沉积聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT：PSS)。然后，将2％(w/w)缬氨霉素、64.7％(w/w)癸二酸二异辛酯、32.7％(w/w)聚氯乙烯、0.6％(w/w)四苯基硼酸钠混合制备K⁺选择性膜。然后将选择性膜溶于400μL环己酮中，并滴6μL加在电极干燥，即形成用于K⁺传感的第二工作电极6。

在修饰聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)和K⁺选择性膜后用于K⁺传感。所检测体系中的K⁺可以穿过K⁺选择性膜引起电位变化，从而实现K⁺测定。

(5)温度传感电极3为用于检测汗液温度的温度电极。温度传感电极无需修饰即可用于温度传感，在温度改变时，石墨烯电极上的碳原子排布发生变化，电极电阻相应发生变化，以此来实现温度传感。

实施例2

本发明实施例2提供一种检测实施例1制备的传感器性能的方法：

将实施例1中得到的电极与电化学工作站连接。具体的，将贴片上汗液诱导电极2，温度传感电极3和第一工作电极4分别连接在工作电极夹上，参比电极5连接参比电极夹。通过开路电位法对不同水平的pH和K⁺进行分析。

如图2(a)和图2(b)所示，在pH为4～8范围内呈现良好的线性关系。如图2(c)和图2(d)所示，在K⁺浓度为1～32mM的范围内，传感器的开路电压在连续检测中随K⁺浓度的增大而增大，呈良好的线性关系。图2(e)和图2(f)显示了在温度为25～40℃范围内，传感呈现出良好的线性关系。

实施例3

如图3所示，在实际应用场景中，在动物养殖场内选取容易发生热应激反应的马为例子进行监测，并连接至便携式电化学工作站。在25min内记录马汗液中pH，K⁺和温度的变化情况，以此来判断马匹热应激状态。当测试得到的温度小于40.5℃，且pH大于4和K+浓度大于3mM时，动物不存在热应激风险；，当测试得到的温度超过40.5℃时，且pH大于4或K⁺浓度大于3mM时，动物存在轻微的热应激风险；而监测的温度超过40.5℃，且pH小于4和K⁺浓度小于3mM时，动物存在严重的热应激风险，需要对其进行降温或者营养物质的补充。因此，所得到的传感器可以为动物热应激提供及时、个性化的监测，从而实现对动物进行精准的健康管理。

Claims (10)

1.一种用于动物热应激检测的可穿戴贴片，包括柔性衬底和设计在所述柔性衬底上的电极，每个电极包括作为工作区域的传感区域和作为非工作区域的导电连接区域，其特征在于，所述电极包括：

汗液诱导电极，用于诱导接触的动物皮肤分泌汗液，包括阳极汗液诱导电极和阴极汗液诱导电极，在电流作用下，阳极汗液诱导电极和阴极汗液诱导电极之间形成电流回路；所述阳极汗液诱导电极修饰有含类胆碱的阳极凝胶，在电渗作用下类胆碱进入皮肤刺激汗液分泌；

温度传感电极，用于检测汗液温度；

第一工作电极，为用于检测汗液pH的pH检测电极；

第二工作电极，为用于检测汗液中K+浓度的K+检测电极；

参比电极，为用于第一工作电极和第二工作电极的参比电极。

2.根据权利要求1所述用于动物热应激检测的可穿戴贴片，其特征在于，作为非工作区域的导电连接区域表面进行绝缘处理，且端部用于外接信号检测电路。

3.根据权利要求1所述用于动物热应激检测的可穿戴贴片，其特征在于，所述柔性衬底为聚酰亚胺材质，在聚酰亚胺柔性衬底表面通过激光诱导切割制备获得带有激光诱导石墨烯的各电极。

4.根据权利要求3所述用于动物热应激检测的可穿戴贴片，其特征在于，激光诱导切割的功率、速度和每英寸点数分别为5％～10％、10％～20％和500～800。

5.根据权利要求1所述用于动物热应激检测的可穿戴贴片，其特征在于，阳极汗液诱导电极的传感区域上修饰的阳极凝胶为加入有类胆碱的琼脂糖凝胶，其中类胆碱的质量百分比为0.1％～10％；阴极汗液诱导电极的传感区域上修饰阴极凝胶，阴极凝胶也为琼脂糖凝胶，但使用同样质量百分比的NaCl替代类胆碱；

所述第一工作电极的传感区域修饰有金纳米粒子和聚苯胺薄膜，先在第一工作电极的传感区域电沉积一层金纳米粒子，然后在苯胺溶液中利用循环伏安法修饰一层聚苯胺薄膜；

所述第二工作电极的传感区域先在3，4-乙烯二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸钠溶液中电沉积一层聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)，然后再形成一层K⁺选择性膜。

6.根据权利要求5所述用于动物热应激检测的可穿戴贴片，其特征在于，所述K⁺选择性膜为缬氨霉素K⁺选择性膜。

7.根据权利要求1所述用于动物热应激检测的可穿戴贴片，其特征在于，类胆碱为乙酰胆碱、醋甲胆碱、卡巴胆碱和贝胆碱中的至少一种。

8.根据权利要求1所述用于动物热应激检测的可穿戴贴片，其特征在于，所述参比电极的传感区域修饰时，先沉积一层银，然后滴加氯化铁溶液，之后滴加溶解有聚乙烯醇缩丁醛和NaCl的甲醇溶液。

9.权利要求1～8任一所述用于动物热应激检测的可穿戴贴片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

(1)在柔性衬底上通过激光诱导切割形成各个电极；

(2)对各个电极进行功能修饰，形成具有不同功能的电极。

10.一种动物热应激监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将权利要求1～8任一所述用于动物热应激检测的可穿戴贴片贴附在待检测动物皮肤上，将各个电极连接至便携式电化学工作站；

(2)通过各电极检测并记录待检测动物汗液的pH、K⁺浓度和温度；

(3)根据检测的pH、K⁺浓度和温度情况判断待检测动物的热应激状态。