本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種汗液乳酸快速檢測裝置。

背景技術(shù)：

疲勞是一種非常復(fù)雜的生理和心理現(xiàn)象，它并非由單一的、明確的因素構(gòu)成，目前對疲勞的定義也有很大的差異。一般來說，疲勞是勞動的結(jié)果，是勞動者在連續(xù)工作一段時間后，由于長時期的緊張的腦力或體力活動導(dǎo)致整個身體的機(jī)能降低。從生物醫(yī)學(xué)理論上講，勞動是能量消耗的過程，這個過程持續(xù)到一定程度，中樞神經(jīng)系統(tǒng)將產(chǎn)生抑制作用，繼中樞神經(jīng)系統(tǒng)疲勞后，就是反射運(yùn)動神經(jīng)系統(tǒng)的疲勞，反映出動作的靈敏性降低，作業(yè)效率下降。長時間強(qiáng)度運(yùn)動中，肌肉在不斷地運(yùn)動，然后不斷地消耗能量和脂肪，加快人體體液循環(huán)和代謝過程，此時，血液不能足夠快地向肌肉供應(yīng)氧氣，不能滿足肌肉收縮的高能量需求，一旦可用的氧氣耗盡，運(yùn)動中的肌肉就會發(fā)酵產(chǎn)生乳酸，同時也會通過汗腺排出大量汗液，通過汗液蒸發(fā)為機(jī)體散熱和維持機(jī)體熱平衡。

曾對汗液成分進(jìn)行了分析檢測，不少文獻(xiàn)中記載運(yùn)動過程中產(chǎn)生的乳酸，少部分會隨著汗液排出，且隨著運(yùn)動時間的延長，乳酸在汗液中的濃度比例就越大。另外，奧博尼基于生物力學(xué)的理論作了進(jìn)一步的分析，由于乳酸分解后會產(chǎn)生液體，滯留在肌肉組織中未被血液帶走，使肌肉腫脹，進(jìn)而壓迫肌肉間血管，使得肌肉供血越發(fā)不足。倘若在緊張活動之后，能夠及時休息，液體就會被帶走；若休息不充分，繼續(xù)活動又會促使液體增加。若在一段時間內(nèi)持續(xù)使用某一塊肌肉，肌肉間液體積累過多而使肌肉腫脹嚴(yán)重，結(jié)果是肌肉內(nèi)纖維物質(zhì)的形成，這將影響肌肉的正常收縮，甚至造成永久性損傷。2014年7期的《青海教育》刊登了一篇名為“乳酸堆積導(dǎo)致疲勞的機(jī)理與消除”，其中，記載了“在進(jìn)行大強(qiáng)度運(yùn)動時，肌細(xì)胞中由于乳酸積累導(dǎo)致人體ph值下降，酶的活性收到抑制，從而導(dǎo)致糖酵解和脂肪代謝減緩或中斷，供能系統(tǒng)被破壞，產(chǎn)生疲勞”。因此，可以通過檢測乳酸來分析判斷疲勞程度，體育界(運(yùn)動醫(yī)學(xué))中為了判斷個性化的體內(nèi)乳酸代謝狀態(tài)，科學(xué)選拔體育人才，會在運(yùn)動中進(jìn)行多采點間隔性乳酸測定，為科學(xué)合理的強(qiáng)度訓(xùn)練提供重要依據(jù)。

目前，乳酸的測定方法常用的有化學(xué)法和酶法，化學(xué)法準(zhǔn)確性較差，操作繁雜，檢測效率較低；酶法有脫氫酶法和氧化酶法，脫氫酶法又包括紫外法和偶聯(lián)四氮唑鹽的比色法，也存在諸多問題，例如用乳酸脫氫酶將乳酸氧化成丙酮酸的同時nad還原成nadh，需要偶聯(lián)alt和谷氨酸將底物丙酮酸除去以加速反應(yīng)，或偶聯(lián)pms和nbt用比色測定，但反應(yīng)無終點，較難判定；氧化酶法靈敏度較高，精確度也較高，但是該方法存在的問題是需要大型血液生化分析儀或紫外分光光度計等特殊裝置，需要采集指尖血測定乳酸含量，設(shè)備成本較高，檢測時間較長，還會給檢測者帶來痛苦，檢測極為不方便，無法滿足人們即時檢測體內(nèi)乳酸含量變化的需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種汗液乳酸快速檢測裝置，其無需采血，可持續(xù)監(jiān)控檢測人體乳酸量，具有檢測靈敏度較高，穩(wěn)定性較強(qiáng)，攜帶方便等特點。

本發(fā)明通過以下技術(shù)手段解決上述技術(shù)問題：

一種汗液乳酸快速檢測裝置，包括從下到上依次設(shè)置的柔性襯底層、電極層、隔離層和電子監(jiān)控層，所述柔性襯底層由多孔柔性材料制成；所述電極層包括對電極、工作電極、參比電極和反應(yīng)腔，所述對電極包括依次連接的第一碳糊導(dǎo)線、碳糊電極ⅰ和碳糊電極ⅱ，所述工作電極包括依次連接的第二碳糊導(dǎo)線、碳糊電極ⅲ和反應(yīng)電極，所述反應(yīng)電極包括氧化酶層和附在氧化酶層上的三維石墨烯復(fù)合材料層，所述參比電極包括依次連接的銀導(dǎo)線、銀/氯化銀電極ⅰ和銀/氯化銀電極ⅱ，所述碳糊電極ⅱ、反應(yīng)電極和銀/氯化銀電極ⅱ位于反應(yīng)腔內(nèi)，所述反應(yīng)腔外設(shè)有絕緣層，所述絕緣層覆蓋碳糊電極ⅰ、碳糊電極ⅲ和銀/氯化銀電極?。凰龈綦x層粘貼在絕緣層上，所述電子監(jiān)控層安裝在隔離層上用于監(jiān)控電極層的反應(yīng)變化。

進(jìn)一步，所述電子監(jiān)控層包括用于控制電極層電壓的電壓控制單元、用于測量電極層電流的電流測量單元和用于數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)化、儲存的數(shù)據(jù)整理單元。進(jìn)一步，所述氧化酶層中含有乳酸氧化酶、檸檬酸、殼聚糖和羧甲基纖維素。

進(jìn)一步，所述氧化酶層中的乳酸氧化酶、檸檬酸、殼聚糖和羧甲基纖維素重量比為8:0.3:0.5:1.2。

進(jìn)一步，所述三維石墨烯復(fù)合材料是將納米tio2均勻分散于石墨烯上制成，所述三維石墨烯復(fù)合材料層具有空心微球網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，孔徑分布在20nm～40nm，比表面積1500m²/g～1650m²/g。

進(jìn)一步，所述三維石墨烯復(fù)合材料的制備方法如下：

石墨烯的制備，以馬尾藻為原料，切段，清洗，干燥，氣流粉碎至微米粒徑后，將粉碎的馬尾藻加入(c2h302)2ni溶液中，攪拌9h，過濾后將濾渣烘干，加入活化劑均勻混合后，再加入1.2倍體積的去離子水超聲5min～8min，常溫下浸漬13h～15h后，減壓過濾烘干得到殘渣，將殘渣置于烘箱中烘干后，粉碎轉(zhuǎn)入水平管式爐中，通入氬氣，緩慢升溫至860℃～950℃煅燒1.0～1.5h,冷卻至常溫后，加入酸溶液中清洗，再加入乙醇或去離子水中清洗，烘干得到具有多孔三維結(jié)構(gòu)的石墨烯。

三維石墨烯復(fù)合材料的制備，稱取納米tio2溶于去離子水中，配置成質(zhì)量濃度為0.2g/ml～0.3g/ml的溶液，稱取石墨烯加入溶液中，攪拌混勻，超聲分散得到分散液，轉(zhuǎn)入到反應(yīng)釜中，將反應(yīng)釜置于180℃水浴下水熱反應(yīng)32h，得到反應(yīng)液，反應(yīng)液冷卻至常溫后進(jìn)行減壓抽濾，用無水乙醇洗滌濾渣，將洗滌后的濾渣烘干后，轉(zhuǎn)入至馬弗爐中于550℃～800℃煅燒3h～5h，得到由納米顆粒相互粘連圍繞形成的具有空心微球網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的三維石墨烯復(fù)合材料。

進(jìn)一步，所述石墨烯制備步驟中將干燥后的馬尾藻氣流粉碎至80μm～150μm。

進(jìn)一步，所述石墨烯制備步驟中的活化劑為碳酸鈉、氫氧化鈉、碳酸鉀中的一種。

進(jìn)一步，所述石墨烯制備步驟中的酸溶液為鹽酸、硝酸、磷酸中的一種。進(jìn)一步，所述三維石墨烯復(fù)合材料制備步驟中稱取的納米tio2與石墨烯的重量比為1:7～1:9。

本發(fā)明的汗液乳酸快速檢測裝置采用了柔性襯底，可拉伸性強(qiáng)，適宜穿戴，可以對人體運(yùn)動產(chǎn)生的乳酸進(jìn)行實時、精確的檢測。當(dāng)人體有汗液流過乳酸快速檢測裝置時，汗液中的乳酸被氧化酶層中的乳酸氧化酶氧化，發(fā)生氧化還原反應(yīng)從而改變電流大小，三維石墨烯復(fù)合材料層充當(dāng)電極表面和乳酸氧化酶的氧化還原中心的導(dǎo)電元件，實現(xiàn)了電子傳遞，使得電極層能夠檢測到電流的變化，并通過電子測量裝置整理算出相應(yīng)的乳酸含量，實現(xiàn)對人體乳酸的實時、精確檢測。該乳酸快速檢測裝置檢測乳酸時無需采血，避免采血造成的創(chuàng)傷，穩(wěn)定性較強(qiáng)，可實現(xiàn)持續(xù)監(jiān)控檢測人體乳酸量的目的。

本發(fā)明的汗液乳酸快速檢測裝置中的氧化酶層中的檸檬酸作為乳酸氧化酶的增活劑，有利于提高該檢測裝置乳酸檢測的靈敏度；殼聚糖可以作為乳酸氧化酶的?；顒?，以延長該檢測裝置的使用壽命，同時殼聚糖對乳酸具有吸附作用，再次提高了檢測的靈敏度；羧甲基纖維素為親水高分子，結(jié)合殼聚糖能夠有效地提高氧化酶層的水合滲透性，進(jìn)一步提高檢測速率和靈敏度。

本發(fā)明的汗液乳酸快速檢測裝置采用了三維石墨烯復(fù)合材料修飾電極，石墨烯具有獨特的結(jié)構(gòu)特點和良好的電子遷移率，其與納米二氧化鈦混合經(jīng)過超聲分散，水熱反應(yīng)，煅燒后，納米二氧化鈦顆粒均勻分散在石墨烯上，具有豐富的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積，能夠迅速靈敏地檢測到氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的電子變化，有效地提升了該汗液乳酸快速檢測裝置的靈敏性和實時性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種汗液乳酸快速檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一種汗液乳酸快速檢測裝置中電極層的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，柔性襯底層1、電極層2、對電極21、第一碳糊導(dǎo)線211、碳糊電極ⅰ212、碳糊電極ⅱ213、工作電極22、第二碳糊導(dǎo)線221、碳糊電極ⅲ222、反應(yīng)電極223、參比電極23、銀導(dǎo)線231、銀/氯化銀電極ⅰ232、銀/氯化銀電極ⅱ233、反應(yīng)腔24、隔離層3、電子監(jiān)控層4、電壓控制單元41、電流測量單元42、數(shù)據(jù)整理單元43、絕緣層5。

具體實施方式

以下將結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明：

如圖1和圖2所示，本發(fā)明的一種汗液乳酸快速檢測裝置，包括從下到上依次設(shè)置的柔性襯底層1、電極層2、隔離層3和電子監(jiān)控層4，柔性襯底層1由多孔柔性材料制成；電極層2包括對電極21、工作電極22、參比電極23和反應(yīng)腔24，對電極21包括依次連接的第一碳糊導(dǎo)線211、碳糊電極ⅰ212和碳糊電極ⅱ213，工作電極22包括依次連接的第二碳糊導(dǎo)線221、碳糊電極ⅲ222和反應(yīng)電極223，反應(yīng)電極223包括氧化酶層和附在氧化酶層上的三維石墨烯復(fù)合材料層，參比電極23包括依次連接的銀導(dǎo)線231、銀/氯化銀電極ⅰ232和銀/氯化銀電極ⅱ233，碳糊電極ⅱ213、反應(yīng)電極223和銀/氯化銀電極ⅱ233位于反應(yīng)腔24內(nèi)，反應(yīng)腔24外設(shè)有絕緣層5，絕緣層5覆蓋碳糊電極ⅰ212、碳糊電極ⅲ222和銀/氯化銀電極ⅰ232；隔離層3粘貼在絕緣層5上，電子監(jiān)控層4安裝在隔離層3上用于監(jiān)控電極層2的反應(yīng)變化。

其中，電子監(jiān)控層4包括用于控制電極層2電壓的電壓控制單元41、用于測量電極層2電流的電流測量單元42和用于數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)化、儲存的數(shù)據(jù)整理單元43。通過電子監(jiān)控層4可以實時監(jiān)測乳酸含量。

氧化酶層中含有乳酸氧化酶、檸檬酸、殼聚糖和羧甲基纖維素，氧化酶層中的乳酸氧化酶、檸檬酸、殼聚糖和羧甲基纖維素重量比為8:0.3:0.5:1.2。檸檬酸作為乳酸氧化酶的增活劑，有利于提高該檢測裝置乳酸檢測的靈敏度；殼聚糖可以作為乳酸氧化酶的?；顒?，以延長該檢測裝置的使用壽命，又可以進(jìn)一步提高檢測的靈敏度；羧甲基纖維素為親水高分子，結(jié)合殼聚糖能夠有效地提高氧化酶層的水合滲透性，進(jìn)一步提高檢測速率和靈敏度。

三維石墨烯復(fù)合材料是將納米tio2均勻分散于石墨烯上制成，石墨烯是以馬尾藻為固相碳源，經(jīng)過化學(xué)活化和高溫煅燒制得，為具有多孔三維結(jié)構(gòu)的石墨烯，在該石墨烯上超聲分散納米tio2，進(jìn)行水熱反應(yīng)后，煅燒得到由納米顆粒相互粘連圍繞形成的具有空心微球網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的三維石墨烯復(fù)合材料，其孔徑分布在20nm～40nm，比表面積1500m²/g～1650m²/g。當(dāng)人體有汗液流過乳酸快速檢測裝置時，汗液中的乳酸被氧化酶層中的乳酸氧化酶氧化，發(fā)生氧化還原反應(yīng)從而改變電流大小，三維石墨烯復(fù)合材料充當(dāng)電極表面和乳酸氧化酶的氧化還原中心的導(dǎo)電元件，實現(xiàn)了電子傳遞，使得電極層能夠檢測到電流的變化，并通過電子測量裝置整理算出相應(yīng)的乳酸含量，實現(xiàn)對人體乳酸的實時、精確檢測。該乳酸快速檢測裝置檢測乳酸時無需采血，避免采血造成的創(chuàng)傷，穩(wěn)定性較強(qiáng)，可實現(xiàn)持續(xù)監(jiān)控檢測人體乳酸量的目的。

三維石墨烯復(fù)合材料制備實施例一

將馬尾藻切成小段，反復(fù)浸泡清洗干凈后，減壓干燥至含水量在5％以下，經(jīng)過氣流粉碎至80μm～150μm的微米粒徑后；稱取50g粉碎的馬尾藻加入1l的濃度為0.5mol/l的(c2h302)2ni溶液中，室溫下攪拌9h，過濾將濾渣烘干，加入活化劑碳酸鈉均勻混合后，再加入1.2倍體積的去離子水超聲5min，于常溫下浸漬15h后，減壓過濾烘干得到殘渣；將殘渣放入水平管式爐中，通入氬氣，以每分鐘升溫10℃的速度緩慢升溫至860℃煅燒1.5h,冷卻取出；加入鹽酸溶液中清洗，再加入乙醇中清洗，烘干得到石墨烯。

稱取5g納米tio2溶于去離子水中,配置成質(zhì)量濃度為0.2g/ml的溶液，稱取35g石墨烯加入溶液中，攪拌混勻，于頻率20khz、功率100w的條件下，超聲分散0.5h得到分散液，轉(zhuǎn)入到反應(yīng)釜中，將反應(yīng)釜置于180℃水浴下水熱反應(yīng)32h，得到反應(yīng)液，反應(yīng)液冷卻至常溫后進(jìn)行減壓抽濾，用無水乙醇洗滌濾渣，將洗滌后的濾渣烘干后，轉(zhuǎn)入至馬弗爐中于550℃煅燒3h，得到三維石墨烯復(fù)合材料。

將本實施例的石墨烯分別進(jìn)行全掃描電子顯微鏡檢測和透射電子顯微鏡檢測，發(fā)現(xiàn)該石墨烯具有片層狀多孔三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每一片層包含數(shù)層石墨烯，相互交聯(lián)形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。將本實施例制備得到的三維石墨烯復(fù)合材料進(jìn)行全掃描電子顯微鏡檢測和透射電子顯微鏡檢測，發(fā)現(xiàn)該三維石墨烯復(fù)合材料是由納米顆粒相互粘連圍繞形成的多孔棒球狀結(jié)構(gòu)，采用常規(guī)孔徑和比表面積的測量方法，測得本實施例制備得到的三維介孔石墨烯的孔徑分布在20nm～60nm，比表面積為1500m²/g。

三維石墨烯復(fù)合材料制備實施例二

將馬尾藻切成小段，反復(fù)浸泡清洗干凈后，減壓干燥至含水量在5％以下，經(jīng)過氣流粉碎至80μm～150μm的微米粒徑后；稱取40g粉碎的馬尾藻加入0.8l的濃度為0.5mol/l的(c2h302)2ni溶液中，室溫下攪拌9h，過濾將濾渣烘干，加入活化劑氫氧化鈉均勻混合后，再加入1.2倍體積的去離子水超聲6min，于常溫下浸漬14h后，減壓過濾烘干得到殘渣；將殘渣放入水平管式爐中，通入氬氣，以每分鐘升溫10℃的速度緩慢升溫至950℃煅燒1.0h,冷卻取出；加入硝酸溶液中清洗，再加入去離子水中清洗，烘干得到石墨烯。

稱取4g納米tio2溶于去離子水中,配置成質(zhì)量濃度為0.25g/ml的溶液，稱取32g石墨烯加入溶液中，攪拌混勻，于頻率25khz、功率100w的條件下，超聲分散0.6h得到分散液，轉(zhuǎn)入到反應(yīng)釜中，將反應(yīng)釜置于180℃水浴下水熱反應(yīng)32h，得到反應(yīng)液，反應(yīng)液冷卻至常溫后進(jìn)行減壓抽濾，用無水乙醇洗滌濾渣，將洗滌后的濾渣烘干后，轉(zhuǎn)入至馬弗爐中于700℃煅燒5h，得到三維石墨烯復(fù)合材料。

將本實施例的石墨烯分別進(jìn)行全掃描電子顯微鏡檢測和透射電子顯微鏡檢測，發(fā)現(xiàn)該石墨烯具有片層狀多孔三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每一片層包含數(shù)層石墨烯，相互交聯(lián)形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。將本實施例制備得到的三維石墨烯復(fù)合材料進(jìn)行全掃描電子顯微鏡檢測和透射電子顯微鏡檢測，發(fā)現(xiàn)該三維石墨烯復(fù)合材料是由納米顆粒相互粘連圍繞形成的空心棒球狀結(jié)構(gòu)和空心微球狀結(jié)構(gòu)的混合物，采用常規(guī)孔徑和比表面積的測量方法，測得本實施例制備得到的三維介孔石墨烯的孔徑分布在20nm～50nm，比表面積為1580m²/g。

三維石墨烯復(fù)合材料制備實施例三

將馬尾藻切成小段，反復(fù)浸泡清洗干凈后，減壓干燥至含水量在5％以下，經(jīng)過氣流粉碎至80μm～150μm的微米粒徑后；稱取60g粉碎的馬尾藻加入1.2l的濃度為0.5mol/l的(c2h302)2ni溶液中，室溫下攪拌9h，過濾將濾渣烘干，加入活化劑碳酸鉀均勻混合后，再加入1.2倍體積的去離子水超聲8min，于常溫下浸漬13h后，減壓過濾烘干得到殘渣；將殘渣放入水平管式爐中，通入氬氣，以每分鐘升溫8℃的速度緩慢升溫至900℃煅燒1.3h,冷卻取出；加入磷酸溶液中清洗，再加入去離子水中清洗，烘干得到石墨烯。

稱取4g納米tio2溶于去離子水中,配置成質(zhì)量濃度為0.3g/ml的溶液，稱取36g石墨烯加入溶液中，攪拌混勻，于頻率30khz、功率100w的條件下，超聲分散0.6h得到分散液，轉(zhuǎn)入到反應(yīng)釜中，將反應(yīng)釜置于180℃水浴下水熱反應(yīng)32h，得到反應(yīng)液，反應(yīng)液冷卻至常溫后進(jìn)行減壓抽濾，用無水乙醇洗滌濾渣，將洗滌后的濾渣烘干后，轉(zhuǎn)入至馬弗爐中于800℃煅燒4h，得到三維石墨烯復(fù)合材料。

將本實施例的石墨烯分別進(jìn)行全掃描電子顯微鏡檢測和透射電子顯微鏡檢測，發(fā)現(xiàn)該石墨烯具有片層狀多孔三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每一片層包含數(shù)層石墨烯，相互交聯(lián)形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。將本實施例制備得到的三維石墨烯復(fù)合材料進(jìn)行全掃描電子顯微鏡檢測和透射電子顯微鏡檢測，發(fā)現(xiàn)該三維石墨烯復(fù)合材料是由納米顆粒相互粘連圍繞形成的空心微球狀結(jié)構(gòu)，采用常規(guī)孔徑和比表面積的測量方法，測得本實施例制備得到的三維介孔石墨烯的孔徑分布在20nm～40nm，比表面積為1650m²/g。

以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。本發(fā)明未詳細(xì)描述的技術(shù)、形狀、構(gòu)造部分均為公知技術(shù)。