一种内置式植物信息微纳监测装置

1.本发明属于传感器与植物技术领域，具体涉及一种内置式植物信息微纳监测装置。


背景技术：

2.植物信息的检测传统采用针对采摘及处理后植物组织的化学方法，此种方法虽然精度高，但是对被测对象是破坏性的，且需要预处理，以及仪器的配合；或是采用图像、光学等方法，这些方法虽然几乎对被测对象没有负面影响，但是受环境影响较大、装置复杂昂贵，并且需要后期通过算法进行数据处理及提高精度。此外，植物信息通常检测的是某个阶段，如成熟期果实的品质、生长期叶片的病变等，或者定期进行检测，不能实现长期实时的信息监测。
3.因此本发明提出一种基于分子印迹修饰的纳米探针的内置式植物信息监测装置，区别于普通装置，该内置式植物信息监测装置质量轻、体积小、植物相容性好、能够自供电、并能实时发送信息。本发明通过分子印迹修饰的纳米探针阵列检测植物信息，通过采集温差、摩擦与振动的能量实现自供电，通过微型wifi向pc实时发送检测的数据。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种测量植物信息的装置，该装置可以独立工作，测量精确，受环境影响小，并且能实时监测并传输信息。
5.为了实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种内置式植物信息微纳监测装置，安置在植物上，检测植物数据传输至pc端进行分析处理，包括装置主体、微型微控制器、电源模块、通信模块、检测模块以及保护层；
6.所述电源模块将环境中的温差、摩擦与振动转化为电势能储存于超级电容器中，超级电容器为微型微控制器和通信模块供电；
7.检测模块包括分子印迹修饰的纳米探针，分子印迹修饰的纳米探针将被测信息转化为电信号发送给微型微控制器,微型微控制器对接收到的信号进行处理和计算，得出检测值，并通过通信模块连续发送给pc端，实现植物信息的实时监测；
8.微型微控制器、电源模块、通信模块、检测模块封装在装置主体后，装置主体的外部表面涂覆有保护层。
9.作为优选，微控制器、通信模块、电源模块的输出端、检测模块的输出端等都集成在微型pcb上，微型pcb的线宽为30μm以下，微控制器采用尺寸≤1.6mm
×
2.0mm，超低功耗模式运行时电流≤209μa的微控制器。微型微控制器可以采用飞思卡尔kinetis kl 03微控制器,尺寸仅1.6mm
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2.0mm，超低功耗模式运行时电流为209μa。
10.作为优选，通信模块采用尺寸≤1.5mm x 1.4mm的通信模块。例如atmel的attiny20单片机。
11.作为优选，配合电源模块使用的装置主体包括吸光材料、储热物质、热端、疏水薄
膜、摩擦生热部、介电层、电极、冷端和散热层，吸光材料位于储热物质的上方，热端位于储热物质的下方，热端的下方贴附有一层疏水薄膜，热端均位于摩擦生热部的上方，摩擦生热部的下方连接有介电层，微型pcb位于介电层的下方，超级电容器位于微型pcb上，电极位于与超级电容器上且与介电层抵接，冷端位于微型pcb的下方，散热层位于冷端的下方，电源模块的热端和冷端配合扩大温差，吸光材料将太阳光转化为热能，储热物质储存热能，叶片内的液体在疏水薄膜和介电层之间流动，摩擦产生的热提高热端的温度，叶片的振动增加叶片中液体在该区域的摩擦次数，摩擦产生的电通过电极导出至超级电容器。
12.作为优选，分子印迹修饰的纳米探针采用金纳米颗粒修饰的碳纳米管制备，分子印迹修饰的纳米探针通过金纳米颗粒增强导电性与生物相容性，通过碳纳米管增强纳米探针的检测性能。
13.作为优选，所述检测模块中的分子印迹修饰的纳米探针通过以下工艺制成，
14.第一步：使用over-plating工艺制备金属微电极阵列；
15.第二步：通过金纳米颗粒修饰的碳纳米管纳米复合材料制备纳米探针，将碳纳米管纳米片与金的前驱体反应，获得金纳米颗粒修饰的碳纳米管纳米片，然后将该复合材料碾磨后制备成悬浮液，接着将混合物离心后再重新分散，最后，将得到的纳米探针组装到电极表面；
16.第三步：使用印迹聚合物作为分子识别材料，通过原位电聚合技术在纳米探针上形成分子印迹薄膜，将纳米探针浸入选定的单体溶液中，将单体自组装到探针表面，再将探针取出，用无水乙醇和蒸馏水冲洗，然后将探针浸入印迹聚合物溶液中进行自组装，最后将自组装好的探针浸入含有单体和印迹聚合物的缓冲溶液中进行循环伏安扫描，最终得到分子印迹修饰的纳米探针。
17.作为优选，装置主体上下之间采用非封闭式的连接框架进行连接。
18.作为优选，装置主体上部的热端采用导热好的金属外壳，封装外侧涂覆的纳米纤维素基超疏水涂料保护层为首先对纳米纤维素进行微米-纳米结构重构，再进行疏水化改性，最后将改性后的材料制备成的纳米纤维素基超疏水涂料保护层。
19.本发明具有的有益效果：
20.1、本装置处于叶片内部，可以实时监测植物的生长数据，由于涂层的存在，不会影响被测对象的生长，相容性好。
21.2、由于装置是内置式，因此传感器直接接触被测信息，测量准确，不受外界条件的影响。
22.3、检测与处理功能集成在装置上，不需要外部复杂的装置结构。
附图说明
23.图1为本发明的装置示意图。
24.图2为本发明的温差电池系统示意图。
25.图中：a1、电源模块，a2、保护层，a3、检测模块，a4、通信模块，a5、微控制器，1、纳米纤维素基超疏水涂料保护层，2、吸光材料，3、储热物质，4、热端，5、微型pcb，6、超级电容，7、冷端，8、散热层，9、疏水薄膜，10、连接框架，11、介电层，12、电极。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明作进一步说明。
27.如图1所示，一种内置式植物信息微纳监测装置，安置在植物上，检测植物数据传输至pc端进行分析处理，包括装置主体、微控制器a5、电源模块a1、通信模块a4、检测模块a3以及保护层a2；本实施例中的微控制器为微型微控制器；
28.所述电源模块将环境中的温差、摩擦与振动转化为电势能储存于超级电容器中，超级电容器为微控制器和通信模块供电；
29.检测模块包括分子印迹修饰的纳米探针，分子印迹修饰的纳米探针将被测信息转化为电信号发送给微控制器,微控制器对接收到的信号进行处理和计算，得出检测值，并通过通信模块连续发送给pc端，实现植物信息的实时监测；
30.微控制器、电源模块、通信模块、检测模块封装在装置主体后，装置主体的外部表面涂覆有保护层。
31.基于分子印迹修饰的纳米探针的内置式植物信息监测装置具体工作内容如下：
32.电源模块a1将环境中的温差、摩擦与振动转化为电势能储存于超级电容器中，为微型微控制器和通信模块a4供电。检测模块a3利用分子印迹修饰的纳米探针，将被测信息转化为电信号发送给微型微控制器a5进行处理。a5对接收到的信号进行处理和计算，得出检测值，通过通信模块a4连续发送给pc端，实现植物信息的实时监测。装置外部表面为保护层a2，封装装置，防止装置受损，以及防止装置对植物产生的不良反应。
33.微控制器、通信模块、电源模块的输出端、检测模块的输出端等都集成在微型pcb上，微型pcb的线宽为30μm以下，微控制器采用尺寸≤1.6mm
×
2.0mm，超低功耗模式运行时电流≤209μa的微控制器。微型微控制器可以采用飞思卡尔kinetis kl 03微控制器,尺寸仅1.6mm
×
2.0mm，超低功耗模式运行时电流为209μa。
34.通信模块采用尺寸≤1.5mm x 1.4mm的通信模块。例如atmel的attiny20单片机。
35.电源系统的结构示意图如图2所示，在本实施例中保护层a2具体确定为纳米纤维素基超疏水涂料保护层1，
36.配合电源模块使用的装置主体包括吸光材料2、储热物质3、热端4、疏水薄膜9、摩擦生热部、介电层11、电极12、冷端7和散热层8，吸光材料位于储热物质的上方，热端位于储热物质的下方，热端的下方贴附有一层疏水薄膜，热端均位于摩擦生热部的上方，摩擦生热部的下方连接有介电层，微型pcb5位于介电层的下方，超级电容器6位于微型pcb上，电极位于与超级电容器上且与介电层抵接，冷端位于微型pcb的下方，散热层位于冷端的下方，电源模块的热端和冷端配合扩大温差，吸光材料将太阳光转化为热能，储热物质储存热能，叶片内的液体在疏水薄膜和介电层之间流动，摩擦产生的热提高热端的温度，叶片的振动增加叶片中液体在该区域的摩擦次数，摩擦产生的电通过电极导出至超级电容器。
37.分子印迹修饰的纳米探针采用金纳米颗粒修饰的碳纳米管制备，该探针通过金纳米颗粒增强导电性与生物相容性，通过碳纳米管增强纳米探针的检测性能，实现被测物质的超高灵敏分析。步骤如下：
38.第一步：使用over-plating工艺制备金属微电极阵列。
39.第二步：通过金纳米颗粒修饰的碳纳米管纳米复合材料制备纳米探针。将碳纳米管纳米片与金的前驱体反应，获得金纳米颗粒修饰的碳纳米管纳米片，然后将该复合材料
碾磨后制备成悬浮液，接着将混合物离心后再重新分散，最后，将得到的纳米探针组装到电极表面。
40.第三步：使用印迹聚合物作为分子识别材料，通过原位电聚合技术在纳米探针上形成分子印迹薄膜。将纳米探针浸入选定的单体溶液中，将单体自组装到探针表面，再将探针取出，用无水乙醇和蒸馏水冲洗，然后将探针浸入印迹聚合物溶液中进行自组装，最后将自组装好的探针浸入含有单体和印迹聚合物的缓冲溶液中进行循环伏安扫描，最终得到有印迹聚合物膜的纳米探针。
41.将电极的输出端集成在微型pcb上，通过放大电路等对信号调制后发送给微控制器进一步处理。若有多个探针阵列，则将其排布在装置边缘，使其与植物体液充分接触。探针阵列仅敏感元件部分暴露在体液中，其余部分封装在装置内部，用棕榈蜡密封。
42.本实施例中的装置主体采用金属和塑料外壳封装，装置的上部，电源模块所使用的温差电池的热端，采用导热好的金属外壳，其余部分采用导热较差、质量轻的塑料外壳。封装时采用上下四角之间通过连接框架连接的方式形成非封闭式结构，封装外侧采用纳米纤维素基超疏水涂料保护层1，首先对纳米纤维素进行微米-纳米结构重构，再进行疏水化改性，最后将改性后的材料制备成涂料，该涂层具有耐磨、耐酸、耐碱等特性，可与植物相容。