CN107271517B - 一种汗液乳酸快速检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及医学检测技术领域，尤其涉及一种汗液乳酸快速检测装置，包括柔性衬底层、电极层、隔离层和电子监控层，柔性衬底层由多孔柔性材料制成，电极层包括对电极、工作电极、参比电极和反应腔，工作电极包括第二碳糊导线、碳糊电极Ⅲ和反应电极，反应电极包括氧化酶层和三维石墨烯复合材料层，三维石墨烯复合材料是将纳米TiO2均匀分散于石墨烯上制成，三维石墨烯复合材料层具有空心微球网络结构，孔径分布在20nm～40nm，比表面积1500m2/g～1650m2/g，隔离层粘贴在绝缘层上，电子监控层包括电压控制单元、电流测量单元和数据整理单元。本发明的检测装置无需采血，可持续监控检测人体乳酸量，具有检测灵敏度较高，稳定性较强，携带方便等特点。

Description

一种汗液乳酸快速检测装置
技术领域
本发明涉及医学检测技术领域，尤其涉及一种汗液乳酸快速检测装置。
背景技术
疲劳是一种非常复杂的生理和心理现象，它并非由单一的、明确的因素构成，目前对疲劳的定义也有很大的差异。一般来说，疲劳是劳动的结果，是劳动者在连续工作一段时间后，由于长时期的紧张的脑力或体力活动导致整个身体的机能降低。从生物医学理论上讲，劳动是能量消耗的过程，这个过程持续到一定程度，中枢神经***将产生抑制作用，继中枢神经***疲劳后，就是反射运动神经***的疲劳，反映出动作的灵敏性降低，作业效率下降。长时间强度运动中，肌肉在不断地运动，然后不断地消耗能量和脂肪，加快人体体液循环和代谢过程，此时，血液不能足够快地向肌肉供应氧气，不能满足肌肉收缩的高能量需求，一旦可用的氧气耗尽，运动中的肌肉就会发酵产生乳酸，同时也会通过汗腺排出大量汗液，通过汗液蒸发为机体散热和维持机体热平衡。
曾对汗液成分进行了分析检测，不少文献中记载运动过程中产生的乳酸，少部分会随着汗液排出，且随着运动时间的延长，乳酸在汗液中的浓度比例就越大。另外，奥博尼基于生物力学的理论作了进一步的分析，由于乳酸分解后会产生液体，滞留在肌肉组织中未被血液带走，使肌肉肿胀，进而压迫肌肉间血管，使得肌肉供血越发不足。倘若在紧张活动之后，能够及时休息，液体就会被带走；若休息不充分，继续活动又会促使液体增加。若在一段时间内持续使用某一块肌肉，肌肉间液体积累过多而使肌肉肿胀严重，结果是肌肉内纤维物质的形成，这将影响肌肉的正常收缩，甚至造成永久性损伤。2014年7期的《青海教育》刊登了一篇名为“乳酸堆积导致疲劳的机理与消除”，其中，记载了“在进行大强度运动时，肌细胞中由于乳酸积累导致人体PH值下降，酶的活性收到抑制，从而导致糖酵解和脂肪代谢减缓或中断，供能***被破坏，产生疲劳”。因此，可以通过检测乳酸来分析判断疲劳程度，体育界(运动医学)中为了判断个性化的体内乳酸代谢状态，科学选拔体育人才，会在运动中进行多采点间隔性乳酸测定，为科学合理的强度训练提供重要依据。
目前，乳酸的测定方法常用的有化学法和酶法，化学法准确性较差，操作繁杂，检测效率较低；酶法有脱氢酶法和氧化酶法，脱氢酶法又包括紫外法和偶联四氮唑盐的比色法，也存在诸多问题，例如用乳酸脱氢酶将乳酸氧化成丙酮酸的同时NAD还原成NADH，需要偶联ALT和谷氨酸将底物丙酮酸除去以加速反应，或偶联PMS和NBT用比色测定，但反应无终点，较难判定；氧化酶法灵敏度较高，精确度也较高，但是该方法存在的问题是需要大型血液生化分析仪或紫外分光光度计等特殊装置，需要采集指尖血测定乳酸含量，设备成本较高，检测时间较长，还会给检测者带来痛苦，检测极为不方便，无法满足人们即时检测体内乳酸含量变化的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种汗液乳酸快速检测装置，其无需采血，可持续监控检测人体乳酸量，具有检测灵敏度较高，稳定性较强，携带方便等特点。
本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：
一种汗液乳酸快速检测装置，包括从下到上依次设置的柔性衬底层、电极层、隔离层和电子监控层，所述柔性衬底层由多孔柔性材料制成；所述电极层包括对电极、工作电极、参比电极和反应腔，所述对电极包括依次连接的第一碳糊导线、碳糊电极Ⅰ和碳糊电极Ⅱ，所述工作电极包括依次连接的第二碳糊导线、碳糊电极Ⅲ和反应电极，所述反应电极包括氧化酶层和附在氧化酶层上的三维石墨烯复合材料层，所述参比电极包括依次连接的银导线、银/氯化银电极Ⅰ和银/氯化银电极Ⅱ，所述碳糊电极Ⅱ、反应电极和银/氯化银电极Ⅱ位于反应腔内，所述反应腔外设有绝缘层，所述绝缘层覆盖碳糊电极Ⅰ、碳糊电极Ⅲ和银/氯化银电极Ⅰ；所述隔离层粘贴在绝缘层上，所述电子监控层安装在隔离层上用于监控电极层的反应变化。
进一步，所述电子监控层包括用于控制电极层电压的电压控制单元、用于测量电极层电流的电流测量单元和用于数据采集、转化、储存的数据整理单元。进一步，所述氧化酶层中含有乳酸氧化酶、柠檬酸、壳聚糖和羧甲基纤维素。
进一步，所述氧化酶层中的乳酸氧化酶、柠檬酸、壳聚糖和羧甲基纤维素重量比为8:0.3:0.5:1.2。
进一步，所述三维石墨烯复合材料是将纳米TiO2均匀分散于石墨烯上制成，所述三维石墨烯复合材料层具有空心微球网络结构，孔径分布在20nm～40nm，比表面积1500m2/g～1650m2/g。
进一步，所述三维石墨烯复合材料的制备方法如下：
石墨烯的制备，以马尾藻为原料，切段，清洗，干燥，气流粉碎至微米粒径后，将粉碎的马尾藻加入(C2H302)2Ni溶液中，搅拌9h，过滤后将滤渣烘干，加入活化剂均匀混合后，再加入1.2倍体积的去离子水超声5min～8min，常温下浸渍13h～15h后，减压过滤烘干得到残渣，将残渣置于烘箱中烘干后，粉碎转入水平管式炉中，通入氩气，缓慢升温至860℃～950℃煅烧1.0～1.5h,冷却至常温后，加入酸溶液中清洗，再加入乙醇或去离子水中清洗，烘干得到具有多孔三维结构的石墨烯。
三维石墨烯复合材料的制备，称取纳米TiO2溶于去离子水中，配置成质量浓度为0.2g/mL～0.3g/mL的溶液，称取石墨烯加入溶液中，搅拌混匀，超声分散得到分散液，转入到反应釜中，将反应釜置于180℃水浴下水热反应32h，得到反应液，反应液冷却至常温后进行减压抽滤，用无水乙醇洗涤滤渣，将洗涤后的滤渣烘干后，转入至马弗炉中于550℃～800℃煅烧3h～5h，得到由纳米颗粒相互粘连围绕形成的具有空心微球网络结构的三维石墨烯复合材料。
进一步，所述石墨烯制备步骤中将干燥后的马尾藻气流粉碎至80μm～150μm。
进一步，所述石墨烯制备步骤中的活化剂为碳酸钠、氢氧化钠、碳酸钾中的一种。
进一步，所述石墨烯制备步骤中的酸溶液为盐酸、硝酸、磷酸中的一种。进一步，所述三维石墨烯复合材料制备步骤中称取的纳米TiO2与石墨烯的重量比为1:7～1:9。
本发明的汗液乳酸快速检测装置采用了柔性衬底，可拉伸性强，适宜穿戴，可以对人体运动产生的乳酸进行实时、精确的检测。当人体有汗液流过乳酸快速检测装置时，汗液中的乳酸被氧化酶层中的乳酸氧化酶氧化，发生氧化还原反应从而改变电流大小，三维石墨烯复合材料层充当电极表面和乳酸氧化酶的氧化还原中心的导电元件，实现了电子传递，使得电极层能够检测到电流的变化，并通过电子测量装置整理算出相应的乳酸含量，实现对人体乳酸的实时、精确检测。该乳酸快速检测装置检测乳酸时无需采血，避免采血造成的创伤，稳定性较强，可实现持续监控检测人体乳酸量的目的。
本发明的汗液乳酸快速检测装置中的氧化酶层中的柠檬酸作为乳酸氧化酶的增活剂，有利于提高该检测装置乳酸检测的灵敏度；壳聚糖可以作为乳酸氧化酶的保活剂，以延长该检测装置的使用寿命，同时壳聚糖对乳酸具有吸附作用，再次提高了检测的灵敏度；羧甲基纤维素为亲水高分子，结合壳聚糖能够有效地提高氧化酶层的水合渗透性，进一步提高检测速率和灵敏度。
本发明的汗液乳酸快速检测装置采用了三维石墨烯复合材料修饰电极，石墨烯具有独特的结构特点和良好的电子迁移率，其与纳米二氧化钛混合经过超声分散，水热反应，煅烧后，纳米二氧化钛颗粒均匀分散在石墨烯上，具有丰富的三维导电网络结构和巨大的比表面积，能够迅速灵敏地检测到氧化还原反应产生的电子变化，有效地提升了该汗液乳酸快速检测装置的灵敏性和实时性。
附图说明
图1是本发明一种汗液乳酸快速检测装置的结构示意图；
图2是本发明一种汗液乳酸快速检测装置中电极层的结构示意图；
其中，柔性衬底层1、电极层2、对电极21、第一碳糊导线211、碳糊电极Ⅰ212、碳糊电极Ⅱ213、工作电极22、第二碳糊导线221、碳糊电极Ⅲ222、反应电极223、参比电极23、银导线231、银/氯化银电极Ⅰ232、银/氯化银电极Ⅱ233、反应腔24、隔离层3、电子监控层4、电压控制单元41、电流测量单元42、数据整理单元43、绝缘层5。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：
如图1和图2所示，本发明的一种汗液乳酸快速检测装置，包括从下到上依次设置的柔性衬底层1、电极层2、隔离层3和电子监控层4，柔性衬底层1由多孔柔性材料制成；电极层2包括对电极21、工作电极22、参比电极23和反应腔24，对电极21包括依次连接的第一碳糊导线211、碳糊电极Ⅰ212和碳糊电极Ⅱ213，工作电极22包括依次连接的第二碳糊导线221、碳糊电极Ⅲ222和反应电极223，反应电极223包括氧化酶层和附在氧化酶层上的三维石墨烯复合材料层，参比电极23包括依次连接的银导线231、银/氯化银电极Ⅰ232和银/氯化银电极Ⅱ233，碳糊电极Ⅱ213、反应电极223和银/氯化银电极Ⅱ233位于反应腔24内，反应腔24外设有绝缘层5，绝缘层5覆盖碳糊电极Ⅰ212、碳糊电极Ⅲ222和银/氯化银电极Ⅰ232；隔离层3粘贴在绝缘层5上，电子监控层4安装在隔离层3上用于监控电极层2的反应变化。
其中，电子监控层4包括用于控制电极层2电压的电压控制单元41、用于测量电极层2电流的电流测量单元42和用于数据采集、转化、储存的数据整理单元43。通过电子监控层4可以实时监测乳酸含量。
氧化酶层中含有乳酸氧化酶、柠檬酸、壳聚糖和羧甲基纤维素，氧化酶层中的乳酸氧化酶、柠檬酸、壳聚糖和羧甲基纤维素重量比为8:0.3:0.5:1.2。柠檬酸作为乳酸氧化酶的增活剂，有利于提高该检测装置乳酸检测的灵敏度；壳聚糖可以作为乳酸氧化酶的保活剂，以延长该检测装置的使用寿命，又可以进一步提高检测的灵敏度；羧甲基纤维素为亲水高分子，结合壳聚糖能够有效地提高氧化酶层的水合渗透性，进一步提高检测速率和灵敏度。
三维石墨烯复合材料是将纳米TiO2均匀分散于石墨烯上制成，石墨烯是以马尾藻为固相碳源，经过化学活化和高温煅烧制得，为具有多孔三维结构的石墨烯，在该石墨烯上超声分散纳米TiO2，进行水热反应后，煅烧得到由纳米颗粒相互粘连围绕形成的具有空心微球网络结构的三维石墨烯复合材料，其孔径分布在20nm～40nm，比表面积1500m2/g～1650m2/g。当人体有汗液流过乳酸快速检测装置时，汗液中的乳酸被氧化酶层中的乳酸氧化酶氧化，发生氧化还原反应从而改变电流大小，三维石墨烯复合材料充当电极表面和乳酸氧化酶的氧化还原中心的导电元件，实现了电子传递，使得电极层能够检测到电流的变化，并通过电子测量装置整理算出相应的乳酸含量，实现对人体乳酸的实时、精确检测。该乳酸快速检测装置检测乳酸时无需采血，避免采血造成的创伤，稳定性较强，可实现持续监控检测人体乳酸量的目的。
三维石墨烯复合材料制备实施例一
将马尾藻切成小段，反复浸泡清洗干净后，减压干燥至含水量在5％以下，经过气流粉碎至80μm～150μm的微米粒径后；称取50g粉碎的马尾藻加入1L的浓度为0.5mol/L的(C2H302)2Ni溶液中，室温下搅拌9h，过滤将滤渣烘干，加入活化剂碳酸钠均匀混合后，再加入1.2倍体积的去离子水超声5min，于常温下浸渍15h后，减压过滤烘干得到残渣；将残渣放入水平管式炉中，通入氩气，以每分钟升温10℃的速度缓慢升温至860℃煅烧1.5h,冷却取出；加入盐酸溶液中清洗，再加入乙醇中清洗，烘干得到石墨烯。
称取5g纳米TiO2溶于去离子水中,配置成质量浓度为0.2g/mL的溶液，称取35g石墨烯加入溶液中，搅拌混匀，于频率20kHz、功率100w的条件下，超声分散0.5h得到分散液，转入到反应釜中，将反应釜置于180℃水浴下水热反应32h，得到反应液，反应液冷却至常温后进行减压抽滤，用无水乙醇洗涤滤渣，将洗涤后的滤渣烘干后，转入至马弗炉中于550℃煅烧3h，得到三维石墨烯复合材料。
将本实施例的石墨烯分别进行全扫描电子显微镜检测和透射电子显微镜检测，发现该石墨烯具有片层状多孔三维网络结构，每一片层包含数层石墨烯，相互交联形成三维网络结构。将本实施例制备得到的三维石墨烯复合材料进行全扫描电子显微镜检测和透射电子显微镜检测，发现该三维石墨烯复合材料是由纳米颗粒相互粘连围绕形成的多孔棒球状结构，采用常规孔径和比表面积的测量方法，测得本实施例制备得到的三维介孔石墨烯的孔径分布在20nm～60nm，比表面积为1500m2/g。
三维石墨烯复合材料制备实施例二
将马尾藻切成小段，反复浸泡清洗干净后，减压干燥至含水量在5％以下，经过气流粉碎至80μm～150μm的微米粒径后；称取40g粉碎的马尾藻加入0.8L的浓度为0.5mol/L的(C2H302)2Ni溶液中，室温下搅拌9h，过滤将滤渣烘干，加入活化剂氢氧化钠均匀混合后，再加入1.2倍体积的去离子水超声6min，于常温下浸渍14h后，减压过滤烘干得到残渣；将残渣放入水平管式炉中，通入氩气，以每分钟升温10℃的速度缓慢升温至950℃煅烧1.0h,冷却取出；加入硝酸溶液中清洗，再加入去离子水中清洗，烘干得到石墨烯。
称取4g纳米TiO2溶于去离子水中,配置成质量浓度为0.25g/mL的溶液，称取32g石墨烯加入溶液中，搅拌混匀，于频率25kHz、功率100w的条件下，超声分散0.6h得到分散液，转入到反应釜中，将反应釜置于180℃水浴下水热反应32h，得到反应液，反应液冷却至常温后进行减压抽滤，用无水乙醇洗涤滤渣，将洗涤后的滤渣烘干后，转入至马弗炉中于700℃煅烧5h，得到三维石墨烯复合材料。
将本实施例的石墨烯分别进行全扫描电子显微镜检测和透射电子显微镜检测，发现该石墨烯具有片层状多孔三维网络结构，每一片层包含数层石墨烯，相互交联形成三维网络结构。将本实施例制备得到的三维石墨烯复合材料进行全扫描电子显微镜检测和透射电子显微镜检测，发现该三维石墨烯复合材料是由纳米颗粒相互粘连围绕形成的空心棒球状结构和空心微球状结构的混合物，采用常规孔径和比表面积的测量方法，测得本实施例制备得到的三维介孔石墨烯的孔径分布在20nm～50nm，比表面积为1580m2/g。
三维石墨烯复合材料制备实施例三
将马尾藻切成小段，反复浸泡清洗干净后，减压干燥至含水量在5％以下，经过气流粉碎至80μm～150μm的微米粒径后；称取60g粉碎的马尾藻加入1.2L的浓度为0.5mol/L的(C2H302)2Ni溶液中，室温下搅拌9h，过滤将滤渣烘干，加入活化剂碳酸钾均匀混合后，再加入1.2倍体积的去离子水超声8min，于常温下浸渍13h后，减压过滤烘干得到残渣；将残渣放入水平管式炉中，通入氩气，以每分钟升温8℃的速度缓慢升温至900℃煅烧1.3h,冷却取出；加入磷酸溶液中清洗，再加入去离子水中清洗，烘干得到石墨烯。
称取4g纳米TiO2溶于去离子水中,配置成质量浓度为0.3g/mL的溶液，称取36g石墨烯加入溶液中，搅拌混匀，于频率30kHz、功率100w的条件下，超声分散0.6h得到分散液，转入到反应釜中，将反应釜置于180℃水浴下水热反应32h，得到反应液，反应液冷却至常温后进行减压抽滤，用无水乙醇洗涤滤渣，将洗涤后的滤渣烘干后，转入至马弗炉中于800℃煅烧4h，得到三维石墨烯复合材料。
将本实施例的石墨烯分别进行全扫描电子显微镜检测和透射电子显微镜检测，发现该石墨烯具有片层状多孔三维网络结构，每一片层包含数层石墨烯，相互交联形成三维网络结构。将本实施例制备得到的三维石墨烯复合材料进行全扫描电子显微镜检测和透射电子显微镜检测，发现该三维石墨烯复合材料是由纳米颗粒相互粘连围绕形成的空心微球状结构，采用常规孔径和比表面积的测量方法，测得本实施例制备得到的三维介孔石墨烯的孔径分布在20nm～40nm，比表面积为1650m2/g。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (9)

1.一种汗液乳酸快速检测装置，其特征在于，包括从下到上依次设置的柔性衬底层、电极层、隔离层和电子监控层，所述柔性衬底层由多孔柔性材料制成；
所述电极层包括对电极、工作电极、参比电极和反应腔，所述对电极包括依次连接的第一碳糊导线、碳糊电极Ⅰ和碳糊电极Ⅱ，所述工作电极包括依次连接的第二碳糊导线、碳糊电极Ⅲ和反应电极，所述反应电极包括氧化酶层和附在氧化酶层上的三维石墨烯复合材料层，所述参比电极包括依次连接的银导线、银/氯化银电极Ⅰ和银/氯化银电极Ⅱ，所述碳糊电极Ⅱ、反应电极和银/氯化银电极Ⅱ位于反应腔内，所述反应腔外设有绝缘层，所述绝缘层覆盖碳糊电极Ⅰ、碳糊电极Ⅲ和银/氯化银电极Ⅰ；
所述隔离层粘贴在绝缘层上，所述电子监控层安装在隔离层上用于监控电极层的反应变化；
所述三维石墨烯复合材料是将纳米TiO2均匀分散于石墨烯上制成，所述三维石墨烯复合材料层具有空心微球网络结构，孔径分布在20nm～40nm，比表面积1500m2/g～1650m2/g。
2.根据权利要求1所述的一种汗液乳酸快速检测装置，其中，所述电子监控层包括用于控制电极层电压的电压控制单元、用于测量电极层电流的电流测量单元和用于数据采集、转化、储存的数据整理单元。
3.根据权利要求2所述的一种汗液乳酸快速检测装置，其中，所述氧化酶层中含有乳酸氧化酶、柠檬酸、壳聚糖和羧甲基纤维素。
4.根据权利要求3所述的一种汗液乳酸快速检测装置，其中，所述氧化酶层中的乳酸氧化酶、柠檬酸、壳聚糖和羧甲基纤维素重量比为8:0.3:0.5:1.2。
5.根据权利要求4所述的一种汗液乳酸快速检测装置，其中，所述三维石墨烯复合材料的制备方法如下：
石墨烯的制备，以马尾藻为原料，切段，清洗，干燥，气流粉碎至微米粒径后，加入(C2H302)2Ni溶液中，搅拌9h，过滤后将滤渣烘干，加入活化剂均匀混合后，再加入去离子水超声5min～8min，常温下浸渍13h～15h后，减压过滤烘干得到残渣，将残渣置于烘箱中烘干后，粉碎转入水平管式炉中，通入氩气，缓慢升温至860℃～950℃煅烧1.0h～1.5h,冷却至常温后，加入酸溶液中清洗，再加入乙醇或去离子水中清洗，烘干得到具有多孔三维结构的石墨烯；
三维石墨烯复合材料的制备，称取纳米TiO2溶于去离子水中，配置成质量浓度为0.2g/mL～0.3g/mL的溶液，称取石墨烯加入溶液中，搅拌混匀，超声分散得到分散液，转入到反应釜中，将反应釜置于180℃水浴下水热反应32h，得到反应液，反应液减压抽滤后，用无水乙醇洗涤滤渣，将洗涤后的滤渣烘干后，转入至马弗炉中于550℃～800℃煅烧3h～5h，得到由纳米颗粒相互粘连围绕形成的具有空心微球网络结构的三维石墨烯复合材料。
6.根据权利要求5所述的一种汗液乳酸快速检测装置，其中，所述石墨烯制备步骤中将干燥后的马尾藻气流粉碎至80μm～150μm。
7.根据权利要求6所述的一种汗液乳酸快速检测装置，其中，所述石墨烯制备步骤中的活化剂为碳酸钠、氢氧化钠、碳酸钾中的一种。
8.根据权利要求7所述的一种汗液乳酸快速检测装置，其中，所述石墨烯制备步骤中的酸溶液为盐酸、硝酸、磷酸中的一种。
9.根据权利要求8所述的一种汗液乳酸快速检测装置，其中，所述三维石墨烯复合材料制备步骤中称取的纳米TiO2与石墨烯的重量比为1:7～1:9。
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