一种植物多参数检测的三维结构自适应传感器及其制备方法

本发明涉及了一种三维结构自适应传感器，涉及生物传感器，具体涉及一种植物多参数检测的三维结构自适应传感器及其制备方法。

背景技术：

1、活性氧(ros)和矿物质离子作为植物小分子，对植物生长、生理代谢和逆境响应具有重要意义。当植物受到逆境胁迫时，其含量发生异常变化。因此，监测植物小分子浓度变化是在病虫害发生前获取植物逆境胁迫信息的关键策略之一。不仅如此，小分子浓度变化信息也可以作为植物生长环境条件(如光照、水、营养基质等)调节的重要依据。ros在非生物和生物胁迫感知、不同环境信号的整合以及胁迫响应网络的激活中发挥着至关重要的作用。h2o2是植物中主要的ros之一，与超氧阴离子自由基(o2·-)和羟基自由基(oh·)等其他ros相比，h2o2相对稳定。此外，无机营养离子参与酶促反应、能量代谢和植物生理调节。其中，k+是植物细胞中最丰富的无机化学物质之一，比细胞液中的钠离子(na+)和钙离子(ca2+)更稳定。k+能促进植物的光合作用以及提高养分的吸收，还可以直接控制和影响细胞渗透压，参与植物细胞内稳态的控制过程。植物质外体ph对于植物细胞的生命活动至关重要。正常条件下，植物质外体保持弱酸性状态，ph值变化范围通常在5.5-5.7之间，而细胞质保持弱碱性，ph值变化范围通常在7.0-7.4之间。这样内(细胞质)碱外(质外体)酸，就形成了跨质膜的质子梯度和电化学梯度，为物质的跨膜运输提供驱动力。在病原微生物入侵等逆境条件下，质外体会发生碱化，并作为一种重要信号在植物体内转导胁迫信息，从而引起植物的胁迫响应。

2、传统的植物小分子检测方法，如色谱、分光光度法和组织染色法等，操作复杂，易对植物造成损害。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供一种植物多参数检测的三维结构自适应传感器及其制备方法。本发明三维结构自适应植入式传感器可实时获取植物体内h2o2、k+、ph的动态变化信息，对植物的生理健康监测和生长环境管理具有重要意义。针对植物果实、叶片、茎秆等不同部位体表形态和曲率不同的问题，本发明还通过简单的折纸工艺，对传感器的三维结构进行自适应式调整，促使其顺利植入植物根茎叶果实等不同形态部位。同时，传感器和植物体表充分接触，从而实现较好的固定。

2、本发明采用的技术方案是：

3、一、一种植物多参数检测的三维结构自适应传感器：

4、传感器包括通过折纸工艺具有三维结构后一侧表面黏附于植物体表的柔性衬底。

5、传感器包括用于检测植物体内小分子物质含量且依次均匀间隔分布在柔性衬底的另一侧表面的第一工作电极、第二工作电极、第三工作电极、参比电极和对电极，第一工作电极、第二工作电极、第三工作电极、参比电极和对电极分别电连接多信号传导电路。

6、传感器包括粘贴在第一工作电极、第二工作电极、第三工作电极、参比电极和对电极的中部的绝缘聚酰亚胺胶带。

7、所述的柔性衬底具体为其中一侧形成等腰三角形并沿等腰三角形的轴线轴对称的片状结构，柔性衬底的另一侧的边垂直于自身的对称轴；第一工作电极、第二工作电极、第三工作电极、参比电极和对电极沿垂直于柔性衬底的对称轴的长度方向在柔性衬底上依次均匀间隔分布并共同构成沿等腰三角形的轴线轴对称的结构，第一工作电极、第二工作电极、第三工作电极、参比电极和对电极的其中一端在靠近柔性衬底的其中一侧的顶角处均匀间隔分布，第一工作电极、第二工作电极、第三工作电极、参比电极和对电极的其中一端的连线和柔性衬底的其中一侧的顶角的两侧边形成等腰三角形，且底边小于等于2.7mm；第一工作电极、第二工作电极、第三工作电极、参比电极和对电极的另一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、第二工作电极、第三工作电极、参比电极和对电极的其中一端作为传感区域接触植物体内，另一端均电连接多信号传导电路。

8、所述的绝缘聚酰亚胺胶带粘贴在第一工作电极、第二工作电极、第三工作电极、参比电极和对电极所在的柔性衬底的一侧表面的中部，第一工作电极、第二工作电极、第三工作电极、参比电极和对电极的两端均不被绝缘聚酰亚胺胶带覆盖；第一工作电极、第二工作电极、第三工作电极、参比电极和对电极的其中一端未被绝缘聚酰亚胺胶带覆盖的区域的尺寸均相同，第一工作电极、第二工作电极、第三工作电极、参比电极和对电极的另一端未被绝缘聚酰亚胺胶带覆盖的区域的尺寸均相同。

9、绝缘聚酰亚胺胶带用于电极导电部分绝缘，使每一个单独的电极保留相同面积的工作区域。

10、所述的柔性衬底为聚酰亚胺pi(polyimide)柔性衬底；第一工作电极、第二工作电极、第三工作电极、参比电极和对电极均为激光诱导石墨烯lig(laser-induced graphene)电极。

11、二、三维结构自适应传感器的制备方法，包括：

12、步骤s1：将聚酰亚胺pi薄膜固定于铜板表面，在聚酰亚胺pi薄膜表面通过激光诱导切割制备获得带有五个激光诱导石墨烯lig电极的柔性衬底，然后在五个激光诱导石墨烯lig电极的中部粘贴绝缘聚酰亚胺胶带进行绝缘，第五个激光诱导石墨烯lig电极直接作为对电极。

13、步骤s2：在第一个激光诱导石墨烯lig电极的传感区域的表面电化学沉积铂纳米颗粒pt nps作为传感层，然后在传感层上均匀滴加全氟磺酸型聚合物nafion作为抗干扰层，在常温下晾干制备获得过氧化氢h2o2电极，即第一工作电极。

14、步骤s3：在第二个激光诱导石墨烯lig电极的传感区域的表面电聚合聚(3，4-乙撑二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐pedot:pss作为离子电子换能器，然后在离子电子换能器上均匀滴加k+载体溶液形成钾离子k+选择性膜，在常温下晾干制备获得钾离子k+电极，即第二工作电极。

15、步骤s4：在第三个激光诱导石墨烯lig电极的传感区域的表面电化学沉积聚苯胺，制备获得ph电极，即第三工作电极。

16、步骤s5：在第四个激光诱导石墨烯lig电极的传感区域的表面沉积银ag，然后滴加氯化铁fecl3溶液，在常温下晾干制备获得参比电极，从而制备获得自适应传感器。

17、步骤s6：撤去铜板，将自适应传感器通过折纸工艺进行三维结构设计后电连接多信号传导电路，制备获得具有尖端的三维结构自适应植入式传感器。

18、传感器具备反应可逆性的离子选择敏感膜，用于工作电极离子检测赋能；具有良好电催化效果的贵金属颗粒，用于植物体内活性分子电催化检测。

19、所述的步骤s1中，在聚酰亚胺pi薄膜表面通过激光诱导切割具体为在激光功率为2％～16％、扫描速率为5％～30％、像素密度为500～1000ppi下进行激光诱导切割，激光诱导切割完成后五个激光诱导石墨烯lig电极工作端的连线至柔性衬底工作端顶角的垂直距离为1mm，然后粘贴绝缘聚酰亚胺胶带，使得传感区域中的五个激光诱导石墨烯lig电极的其中一端的长度相同，均为0.5～1.5mm。

20、聚酰亚胺pi薄膜的厚度可选50～120μm。聚酰亚胺pi薄膜上的电极图案由五根均匀分布的电极组成，电极线宽为300μm，导电长度为5mm，间距300μm。

21、所述的步骤s2中，电化学沉积铂纳米颗粒pt nps具体为采用循环伏安法法cv在电位范围为-0.4v～+0.5v，扫描速率为50～100mv s-1，扫描圈数为10～20圈下，使用溶液为1～10mm的四氯铂酸钾k2ptcl4溶液和电解质为0.1～0.5m的硫酸钠na2so4进行电化学沉积；全氟磺酸型聚合物nafion滴加的体积为0.2μl。

22、所述的步骤s3中，聚(3，4-乙撑二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐pedot:pss具体为0.01m/l的3，4-乙撑二氧噻吩edot和0.1m/l的聚苯乙烯磺酸钠napss混合而成的混合物溶液，3，4-乙撑二氧噻吩edot和聚苯乙烯磺酸钠napss的体积比为1：1；k+载体溶液作为钾离子k+选择性膜的前驱体具体为溶解于660μl环己酮溶液中的0.50wt.％四苯基硼酸钠natpb、32.75wt.％高分子量聚氯乙烯pvc、64.75wt.％双(2-乙基己基)癸二酸酯dos和2.00wt.％钾离子k+载体的混合物。

23、电聚合聚(3，4-乙撑二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐pedot:pss具体为采用恒电流法在电流为14μa、时间为700s下电镀成膜；k+载体溶液滴加的体积为2μl。

24、所述的步骤s4中，聚苯胺具体为含有0.1m苯胺的1m氯化氢hcl溶液；电化学沉积聚苯胺具体为采用循环伏安法法cv在电位范围为-0.2v～+0.1v、扫描速率为100mv s-1、扫描圈数为60圈下进行电化学沉积。

25、所述的步骤s5中，沉积银ag具体为采用多电流阶跃法在电流为-0.001ma、-0.005ma、-0.01ma、-0.05ma、-0.1ma和-0.2ma，时间间隔为30s下，使用浓度分别为250m m、750mm和500mm的硝酸银agno3、硫代硫酸钠na2s2o3和亚硫酸氢钠nahso3的混合溶液进行沉积，硝酸银agno3、硫代硫酸钠na2s2o3和亚硫酸氢钠nahso3的体积比为1：1：1。

26、滴加的氯化铁fecl3溶液的浓度为0.1m，滴加量为10μl。

27、本发明是基于三维结构自适应植入式传感器，不同功能的工作电极、对电极、参比电极位于在同一柔性基底上，随后根据植物果实、根茎叶不同的形态对器件的三维结构进行设计，使其以微创的方式刺破植物表皮并插入植物组织，可起到传感和固定的双重功能；传感器通过导线与电化学测量仪器相连，可以实现原位、实时、微创且持续的植物生理活性小分子检测。本发明可进行检测的营养离子指标可大致分为三大类：植物营养元素(如k+)、物逆境胁迫应答指标(如h2o2)、植物内环境稳态指标(如ph)。通过对这些植物活性小分子的原位、在体监测，能够及时地反映出植物的健康状态或逆境响应情况。

28、本发明的有益效果是：

29、本发明构建了h2o2、k+、ph动态监测的三维结构自适应植入式传感器，传感器可以依附于植物的果实、叶片、茎等不同部位表面，通过简单折纸方案，对传感器进行三维结构适应性调整，以适应植物根茎叶不同的形态，通过可植入式柔性电极刺破植物表皮插入植物组织，进而实现较低创面的传感器植入过程，同时实现植物小分子的原位检测和三维传感器在植物体表的固定的双重作用；将信号传导电路与电极连接，以同步检测多种植物体内参数，从而实现对植物活性、逆境响应、营养状态的实时监测。