一种柔性的食品盐度传感器及制备方法

1.本发明涉及传感器领域，特别是一种柔性的食品盐度传感器及制备方法。


背景技术：

2.基于目前人类对健康的要求以及重视程度越来越高，便携式测量系统和智能监测设备通过在健康检测、自我健康管理等领域提供了解决方案。为了定量获得人体每天摄入的营养物质的元素量，目前对于检测食物的盐度传感器中，传统的盐度计往往通过测量液体的电导率来判断溶液中的离子浓度，并不能测量某单一离子浓度，缺乏辨识度，且由于材质硬、缺乏灵活性、或在有毒电解质中寿命有限等问题，限制了可检性和可携带性。
3.综上所述，现有的盐度计存在不能测量某单一离子浓度，缺乏辨识度，缺乏灵活性以及限制了可检性和可携带性的问题。


技术实现要素：

4.本发明是为了解决现有的盐度计存在不能测量某单一离子浓度，缺乏辨识度，缺乏灵活性以及限制了可检性和可携带性的问题，进而提供一种柔性的食品盐度传感器及制备方法。
5.本发明的技术方案是：
6.一种柔性的食品盐度传感器，它包括三个铜线、三个导电银浆、还原氧化石墨烯基底电极、pvb薄膜、钠离子选择透过膜、银/氯化银参比电极、钾离子选择透过膜、多线程排线、柔性衬底和电路板；
7.多线程排线、三个铜线、三个导电银浆和还原氧化石墨烯基底电极由下至上依次安装在柔性衬底上；
8.还原氧化石墨烯基底电极包括环形还原氧化石墨烯基底电极、圆形还原氧化石墨烯基底电极和三个还原氧化石墨烯基底电极杆；
9.环形还原氧化石墨烯基底电极的左上方和正下方分别对应加工有一号缺口和二号缺口，
10.且环形还原氧化石墨烯基底电极位于二号缺口处的两端均与一个还原氧化石墨烯基底电极杆的一端连接，
11.环形还原氧化石墨烯基底电极的内部设置有圆形还原氧化石墨烯基底电极，且沿二号缺口处延伸出一个与圆形还原氧化石墨烯基底电极的正下方固定连接的另一个还原氧化石墨烯基底电极杆，
12.三个还原氧化石墨烯基底电极杆并排设置且每两个相邻的还原氧化石墨烯基底电极杆之间有间距，三个还原氧化石墨烯基底电极杆的另一端分别通过一个导电银浆与每一个铜线的一端连接，三个铜线的另一端均与多线程排线的一端中部垂直固定连接,多线程排线的另一端与电路板的排线口连接；
13.位于一号缺口一侧的下方环形还原氧化石墨烯基底电极的左侧端面上布满钾离
子选择透过膜，位于一号缺口另一侧的右上方环形还原氧化石墨烯基底电极的右侧端面上布满钠离子选择透过膜，圆形还原氧化石墨烯基底电极的端面上布满银/氯化银参比电极，且银/氯化银参比电极上布满pvb薄膜。
14.一种柔性的食品盐度传感器的制备方法，它包括以下步骤：
15.步骤一、还原氧化石墨烯基底电极的制备：
16.将带有遮罩图形的掩模板贴在干净的pet薄膜上，在pet薄膜上涂布一层氧化石墨烯的水浓缩液，氧化石墨烯的浓度为2.7wt％，室温下干燥12h后，去除掩模板，在pet薄膜上形成带有电极图案的氧化石墨烯薄膜，然后在100℃的油浴条件下，利用氢碘酸还原氧化石墨烯膜10分钟，还原过程中，还原氧化石墨烯膜紧贴pet薄膜上并形成还原氧化石墨烯基底电极，并用无水乙醇和去离子水清洗附着在pet薄膜上的还原氧化石墨烯膜，且在室温干燥2h；
17.步骤二、钠离子选择透过膜溶液的制备：
18.将钠离子载体x、na-tfpb粉末、pvc粉末和dos的溶液进行充分混合，得到白色悬浮混合液，取白色悬浮混合液溶解于n-甲基吡咯烷酮中，制备成钠离子选择透过膜溶液；
19.步骤三、钾离子选择透过膜溶液的制备：
20.将缬氨霉素、natpb粉末、pvc粉末和dos的溶液进行充分混合，得到白色悬浮混合液，取白色悬浮混合液溶解于四氢呋喃中，制备成钾离子选择透过膜溶液；
21.步骤四、pvc溶液的制备：
22.将pvc粉末和nacl溶解在甲醇中，充分溶解后得到pvc溶液；
23.步骤五、柔性的食品盐度传感器的制备：
24.将步骤二制备的钠离子选择透过膜溶液、步骤三制备的钾离子选择透过膜溶液分别滴注在与其对应的环形还原氧化石墨烯基底电极的右侧端面和环形还原氧化石墨烯基底电极的左侧端面上，将ag/agcl油墨涂覆在圆形还原氧化石墨烯基底电极上，室温下干燥一整夜，待钠离子选择透过膜溶液、钾离子选择透过膜溶液和ag/agcl油墨干燥后，形成钠离子选择透过膜、钾离子选择透过膜和银/氯化银参比电极，钠离子选择透过膜和环形还原氧化石墨烯基底电极的右侧端面构成全固态钠离子选择电极，钾离子选择透过膜和环形还原氧化石墨烯基底电极的左侧端面构成全固态钾离子选择电极，在银/氯化银参比电极上涂覆一层pvc溶液，并正在80摄氏度条件下干燥30分钟，形成pvc薄膜，圆形还原氧化石墨烯基底电极、银/氯化银参比电极和pvc薄膜构成参比电极；
25.步骤六、柔性的食品盐度传感器制备完成：
26.全固态钠离子选择电极、全固态钾离子选择电极和参比电极制成柔性的食品盐度传感器电极阵列。
27.本发明与现有技术相比具有以下效果：
28.本发明的一种柔性的食品盐度传感器及制备方法采用还原氧化石墨烯基底电极低维高比表面积、高导电材料作为基底电极，电极材料作为电活性材料可以在选择性电极中同时作为固态转接层与基底电极，消除了以往选择性电极的界面，能高效的将离子传输信号转化为电信号，有利于电极电势的稳定并提高电极的检测限，确保所述选择性电极具有优异的准确度，减小外界环境的干扰，柔性的食品盐度传感器能满足日常生活中对食物的盐度测试，并且能准确测试单一离子浓度，弥补了传统盐度传感器的缺陷，且整个器件柔
软可控，能满足绝大部分应用场合，器件整体集成在电路板中，将检测与数据分析集成，方便使用，整个器件制作成本低，无毒无害，使用方便，解决了现有的盐度计存在不能测量某单一离子浓度，缺乏辨识度，缺乏灵活性以及限制了可检性和可携带性的问题。
附图说明
29.图1是本发明的立体图；
30.图2是图1在a处的局部放大图；
31.图3是本发明一种电路板的示意图；
32.图4是本发明另一种电路板的示意图；
33.图5是本发明离子浓度测试曲线的示意图；
34.图6是本发明对钠离子浓度的测试辨识度的示意图，其中中插图为钠离子浓度大小与电势差进行线性拟合的示意图。
具体实施方式
35.具体实施方式一：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式的一种柔性的食品盐度传感器，其特征在于：它包括三个铜线1、三个导电银浆2、还原氧化石墨烯基底电极3、pvb薄膜4、钠离子选择透过膜5、银/氯化银参比电极6、钾离子选择透过膜7、多线程排线8、柔性衬底9和电路板；
36.多线程排线8、三个铜线1、三个导电银浆2和还原氧化石墨烯基底电极3由下至上依次安装在柔性衬底9上；
37.还原氧化石墨烯基底电极3包括环形还原氧化石墨烯基底电极3-1、圆形还原氧化石墨烯基底电极3-2和三个还原氧化石墨烯基底电极杆3-3；
38.环形还原氧化石墨烯基底电极3-1的左上方和正下方分别对应加工有一号缺口3-4和二号缺口3-5，
39.且环形还原氧化石墨烯基底电极3-1位于二号缺口3-5处的两端均与一个还原氧化石墨烯基底电极杆3-3的一端连接，
40.环形还原氧化石墨烯基底电极3-1的内部设置有圆形还原氧化石墨烯基底电极3-2，且沿二号缺口3-5处延伸出一个与圆形还原氧化石墨烯基底电极3-2的正下方固定连接的另一个还原氧化石墨烯基底电极杆3-3，
41.三个还原氧化石墨烯基底电极杆3-3＝并排设置且每两个相邻的还原氧化石墨烯基底电极杆3-3之间有间距，三个还原氧化石墨烯基底电极杆3-3的另一端分别通过一个导电银浆2与每一个铜线1的一端连接，三个铜线1的另一端均与多线程排线8的一端中部垂直固定连接,多线程排线8的另一端与电路板的排线口10连接；
42.位于一号缺口3-4一侧的下方环形还原氧化石墨烯基底电极3-1的左侧端面上布满钾离子选择透过膜7，位于一号缺口3-4另一侧的右上方环形还原氧化石墨烯基底电极3-1的右侧端面上布满钠离子选择透过膜5，圆形还原氧化石墨烯基底电极3-2的端面上布满银/氯化银参比电极6，且银/氯化银参比电极6上布满pvb薄膜4。
43.如此设置将银/氯化银参比电极6上布满pvb薄膜4是因为pvb薄膜4轻薄，银/氯化银参比电极6能提供稳定的电位。
44.如此设置导电银浆2是为了保证还原氧化石墨烯基底电极杆3-3和三个铜线1在导电银浆2的作用下能稳定粘接不脱落。
45.如此设置是三个导电银浆2、钠离子选择透过膜5、银/氯化银参比电极6和钾离子选择透过膜7均为薄膜状。
46.具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的柔性衬底9为透明的pet薄膜、聚酰亚胺薄膜或聚丙烯薄膜，其中pet薄膜的厚度为w1，w1＝80um。其他与具体实施方式一相同。
47.具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的三个还原氧化石墨烯基底电极杆3-3的宽度均为w2，w2＝2mm。
48.其他与具体实施方式一或二相同。
49.具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的圆形还原氧化石墨烯基底电极3-2的直径为r，r＝6mm。其他与具体实施方式一、二或三相同。
50.具体实施方式五：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式的一种柔性的食品盐度传感器的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：
51.步骤一、还原氧化石墨烯基底电极3的制备：
52.将带有遮罩图形的掩模板贴在干净的pet薄膜上，在pet薄膜上涂布一层氧化石墨烯的水浓缩液，氧化石墨烯的浓度为2.7wt％，室温下干燥12h后，去除掩模板，在pet薄膜上形成带有电极图案的氧化石墨烯薄膜，然后在100℃的油浴条件下，利用氢碘酸还原氧化石墨烯膜10分钟，还原过程中，还原氧化石墨烯膜紧贴pet薄膜上并形成还原氧化石墨烯基底电极3，并用无水乙醇和去离子水清洗附着在pet薄膜上的还原氧化石墨烯膜，且在室温干燥2h；
53.步骤二、钠离子选择透过膜溶液的制备：
54.将钠离子载体x、na-tfpb粉末、pvc粉末和dos的溶液进行充分混合，得到白色悬浮混合液，取白色悬浮混合液溶解于n-甲基吡咯烷酮中，制备成钠离子选择透过膜溶液；
55.步骤三、钾离子选择透过膜溶液的制备：
56.将缬氨霉素、natpb粉末、pvc粉末和dos的溶液进行充分混合，得到白色悬浮混合液，取白色悬浮混合液溶解于四氢呋喃中，制备成钾离子选择透过膜溶液；
57.步骤四、pvc溶液的制备：
58.将pvc粉末和nacl溶解在甲醇中，充分溶解后得到pvc溶液；
59.步骤五、柔性的食品盐度传感器的制备：
60.将步骤二制备的钠离子选择透过膜溶液、步骤三制备的钾离子选择透过膜溶液分别滴注在与其对应的环形还原氧化石墨烯基底电极3-1的右侧端面和环形还原氧化石墨烯基底电极3-1的左侧端面上，将ag/agcl油墨涂覆在圆形还原氧化石墨烯基底电极3-2上，室温下干燥一整夜，待钠离子选择透过膜溶液、钾离子选择透过膜溶液和ag/agcl油墨干燥后，形成钠离子选择透过膜5、钾离子选择透过膜7和银/氯化银参比电极6，钠离子选择透过膜5和环形还原氧化石墨烯基底电极3-1的右侧端面构成全固态钠离子选择电极，钾离子选择透过膜7和环形还原氧化石墨烯基底电极3-1的左侧端面构成全固态钾离子选择电极，在银/氯化银参比电极6上涂覆一层pvc溶液，并正在80摄氏度条件下干燥30分钟，形成pvc薄膜，圆形还原氧化石墨烯基底电极3-2、银/氯化银参比电极6和pvc薄膜构成参比电极；
61.步骤六、柔性的食品盐度传感器制备完成：
62.全固态钠离子选择电极、全固态钾离子选择电极和参比电极制成柔性的食品盐度传感器电极阵列。
63.如此设置是还原氧化石墨烯是通过氢碘酸还原涂敷在柔性基板上的氧化石墨烯获得，还原氧化石墨烯导电性高，且能紧贴在柔性基板表面不脱落，构成的基底电极轻薄。
64.具体实施方式六：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式的步骤一中还原氧化石墨烯基底电极3可替换为石墨烯，碳纳米管，pedot，石墨电极膜或碳纳米管薄膜。
65.其他与具体实施方式五相同。
66.具体实施方式七：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式的步骤二中钠离子选择透过膜溶液的制备是将55.0mg na-tfpb粉末、100mg的na离子载体x、3.3g的pvc粉末、和6.545g的dos溶液混合，充分搅拌，得到白色悬浮混合液，取100mg白色悬浮混合液分散于660ul n-甲基吡咯烷酮中，在60℃水浴条件下混合溶解，制备成钠离子选择透过膜溶液。其他与具体实施方式五或六相同。
67.具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤三中钾离子选择透过膜溶液的制备将200.0mg缬氨霉素、50.0mgna-tpb粉末、3.27gpvc粉末赫尔6.47g的dos溶液混合，充分搅拌，得到白色悬浮混合液，取100mg白色悬浮混合液分散于320ul四氢呋喃中，在室温下搅拌混合溶解，制备成钾离子选择透过膜溶液。其他与具体实施方式五、六或七相同。
68.具体实施方式九：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式的步骤二中的n-甲基吡咯烷酮可由可由环己酮，n-甲基吡咯烷酮或四氢呋喃代替，步骤三中的四氢呋喃均可由环己酮，n,n-二甲基甲酰胺或n-甲基吡咯烷酮代替。其他与具体实施方式五、六、七或八相同。
69.具体实施方式十：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤四中pvc溶液的制备将79mg pvb粉末和50mg nacl溶解在1.0ml甲醇中充分溶解得到pvc溶液。其他与具体实施方式五至九任意一项相同。
70.具体实施方式十一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的银/氯化银参比电极6中银:氯化银＝40％:60％。其他与具体实施方式五至十任意一项相同。
71.具体实施方式十二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤一中还原氧化石墨烯基底电极3的电阻率为4.2
×
10-4
ω
·
m。如此设置是还原氧化石墨烯基底电极3的导电性好。其他与具体实施方式五至十一任意一项相同。
72.具体实施方式十三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤一中氧化石墨烯的水浓缩液是通过改进的hummer’s方法制备。其他与具体实施方式五至十二任意一项相同。
73.实施例一：
74.将柔性的食品盐度传感器中的钠离子选择透过膜5、银/氯化银参比电极6和钾离子选择透过膜7浸入到被测试液体中，钠离子选择透过膜5与钾离子选择透过膜7分别会与银/氯化银参比电极6形成电位差，点位差通过外接电路传输到电路板，电路板对电信号调节并放大，通过得到的电位差既能测试被测液体中钠离子和钾离子浓度。
75.实施例二：
76.将制备的电极通过多线程排线8连接到电路板，将连接后的电路板连接到电脑端，通过读取全固态钠离子选择电极、全固态钾离子选择电极和参比电极的电势差即可测量溶液中的离子浓度，在本实例中，将制备的全固态钠离子选择电极和全固态钾离子选择电极浸润到钠离子浓度为10-100mm的nacl溶液中，测试10次全固态钠离子选择电极与参比电极的电势差，得到离子浓度测试曲线(见图5)。在不同时间对不同目标离子浓度的溶液测量，可发现在每个不同的钠离子浓度溶液中均能保持稳定电势差，测量的电势差随着溶液中被测离子的浓度增加而增大，不同浓度之间的电势差具有台阶性跳跃，表明传感器的灵敏度高(见图6)。再对10-200mm的nacl溶液进行测量，对na离子浓度的测试辨识度良好，其平均电势差大小从0.139v增大到0.225v，并对其浓度大小与电势差进行线性拟合，其电势差大小与浓度log[na
+
]几乎呈直线，表明制备柔性电极测试线性度良好(见图6)，这对不同浓度的溶液测量具有优势性并且能减少由于电极需要校准带来的测量误差。
[0077]
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业技术人员，未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。