★??研究背景

預計環(huán)境變化會引起牡蠣的應激反應，影響其活力和肉質。然而，實時監(jiān)測牡蠣的應激水平仍然具有挑戰(zhàn)性。在本研究中，中國農業(yè)大學張小栓教授團隊開發(fā)了一種柔性生物阻抗傳感器系統(tǒng)，用于實時監(jiān)測牡蠣在不同應激方案下的生物阻抗和相位角。為了適應牡蠣標本的雙殼結構，采用了3個生物阻抗測量位置，即右-右殼、左-左殼和左-右殼。首先建立了基于主成分分析結合支持向量機(PCA-SVM)的應力水平預測模型，并對柔性傳感器系統(tǒng)的性能進行了評價。結果表明，該柔性傳感器系統(tǒng)具有較高的精度和穩(wěn)定性。最佳預測位置(右-右-殼)的平均準確率、召回率和f1得分分別為95.15%、93.94%和93.94%。本研究結果可推廣到其他活體動物應激監(jiān)測應用，為監(jiān)測活體動物健康狀況提供一種手段。

★? 文章解析

研究采用兩個柔性電極對牡蠣的生物阻抗和相位角進行了無損測量。采用Right-Right-Shell、Left-Left-Shell和Left-Right-Shell三種生物阻抗測量位置來適應牡蠣的雙殼結構，如圖1(a)、(b)和(c)所示。圖1(d)為牡蠣的生物阻抗傳感機制。電極粘附在牡蠣殼表面，激發(fā)信號通過電極和牡蠣殼傳導到牡蠣組織和細胞。生物組織的細胞膜具有電容性，而細胞內液和細胞外液具有電阻性。在低頻時，激勵信號難以通過具有大電容抗的細胞膜。隨著頻率的增加，電流穿過細胞膜，形成內部導電電路，導致生物阻抗和細胞膜容抗降低。本研究采用矢量電壓/電流法測量牡蠣的生物阻抗和相角，如圖1(e)所示。

圖1：生物阻抗測量位置和傳感機制

設計了一種尺寸為130 mm × 60 mm × 25 mm的基于柔性生物阻抗電極(尺寸為50 mm × 50 mm)的傳感器系統(tǒng)，用于獲取活體牡蠣的生物阻抗和相角信息。主要包括控制器(Arduino Nano)、存儲模塊(MicroSD模塊)、通信模塊(JDY-31)、生物阻抗測量模塊(AD5933)和柔性生物阻抗傳感電極，如圖2所示。

圖 2：柔性傳感器系統(tǒng)設計

采用柔性電極監(jiān)測牡蠣的生物阻抗和相位角，如圖3(a)所示。柔性電極的厚度為1089.699 μm，各層厚度如圖3(b)所示。非織造布層、導電層、凝膠層、包封層的厚度從下到上依次為332.704 μm、56.697 μm、603.727 μm、96.571 μm。凝膠層被設計得更厚，以提高電極的柔韌性、粘性和吸水性。柔性電極的非織造布纖維尺寸約為27 μm。軋制點采用熱軋工藝生產。非織造布層具有絕緣、透氣性和不透水性，有效地將電極與環(huán)境水隔離，如圖3(c)和(d)所示。致密導電碳膜層與摻雜碳纖維長絲的硅膠層的結合，在傳感器系統(tǒng)與牡蠣之間形成了有效的導電通道，如圖3(e)和(f)所示。如圖3(g)所示，透明硅膠造成的直徑約為25 μm?？紤]牡蠣自身水分的影響，采用接觸角儀測試電極的吸水性能。初始電極接觸角為71.14?，10分鐘后逐漸減小至穩(wěn)定(36.09?)。左接觸角略大于右接觸角。結果表明，良好的親水性可以提高電極的柔韌性和導電性，同時減少電極粘附位置的位移和凝膠層水分的損失，如圖6(h)所示。

圖 3：柔性電極形貌表征

系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性的性能分析如圖4所示。首先，在激勵電壓為2 Vp-p、1 Vp-p、0.4Vp-p和0.2 Vp-p的情況下，使用標準電阻對所設計的柔性生物阻抗傳感器系統(tǒng)的精度進行了校準和測試。如圖4(a)所示，在激勵電壓為2 Vp-p和1Vp-p的情況下，測量結果在每個頻率下都更加穩(wěn)定。然而，為了避免破壞牡蠣的體內平衡，對傳感器系統(tǒng)施加了1Vp-p的激勵電壓。此外，測試了柔性電極的彎曲穩(wěn)定性和吸水穩(wěn)定性，如圖4(b)和(c)所示。在每個頻率下，隨著彎曲角度的增大，電極阻抗和相位角逐漸增大。電極阻抗和相位角隨著吸水率的增加而逐漸減小。吸水后電極相角比吸水前增大。雖然與牡蠣阻抗相比，測量的電極阻抗可以忽略不計，但長期運行時更重要的是關注電極阻抗的穩(wěn)定性。如圖44(d)所示，在最大彎曲(135?)和吸水(3 mL)后，測量電極阻抗和相位角近30,000 s。最大彎曲和吸水后電極阻抗的相對變化率分別為4.82%和1.18%。相角的相對變化率分別為2.38%和2.43%。電極阻抗和相角變化不顯著，柔性電極仍能正常工作。因此，設計的柔性生物阻抗傳感器系統(tǒng)實現(xiàn)了牡蠣生物阻抗和相位角的監(jiān)測。

圖 4：系統(tǒng)性能測試

圖 5：生物阻抗和相位角在不同測量位置的變化

牡蠣在不同測量位置的生物阻抗和相位角的動態(tài)變化如圖5所示。三個測量位置的生物阻抗和相位角結果隨時間的變化相似。牡蠣的生物阻抗和相位角先增大后減小，最后逐漸穩(wěn)定。在左-左殼體位置測得的生物阻抗和相位角范圍較大。原因可能是牡蠣的左殼凹凸不平，阻礙了電流的傳輸。牡蠣的生物阻抗隨頻率的增加而減小，而相位角則相反。在低頻時，激勵信號僅通過細胞外液，從而丟失細胞內信息。相反，在高頻率下，信號可以穿過細胞膜，導致更小的生物阻抗和更大的相角。隨著頻率的增加，細胞膜的電容特性減弱，導致高頻之間生物阻抗和相角值的可變性降低。因此，生物阻抗和相位角隨頻率的動態(tài)變化反映了牡蠣細胞膜的電容特性。在脅迫期開始時，生物阻抗和相位角有輕微增大的趨勢。一方面，可能是牡蠣在無水環(huán)境中的水分耗散降低了組織電導率。另一方面，實驗準備期引發(fā)的牡蠣細胞應力損傷得到修復。這使得生物阻抗從最初的下降中恢復。但隨著脅迫水平的增加，牡蠣的生存能力相應降低?？諝獗┞逗偷蜏孛{迫改變了牡蠣細胞膜的流動性，引起組織損傷。牡蠣組織變質，細胞膜溶解破裂。牡蠣組織逐漸從電阻和電容混合狀態(tài)轉變?yōu)榧冸娮锠顟B(tài)。在此條件下，牡蠣的相位角逐漸接近0?，生物阻抗降低。

根據(jù)皮質醇和乳酸分析活牡蠣的應激水平，如圖6所示。皮質醇和乳酸在空氣暴露、溫度波動和缺氧環(huán)境下同步變化，以響應牡蠣的應激水平。根據(jù)皮質醇和乳酸的變化，將牡蠣的應激水平分為急性應激期(S1)、適應性應激期(S2)和穩(wěn)定應激期(S3)。急性應激期和適應應激期皮質醇和乳酸的日平均變化均高于穩(wěn)定應激期。在早期應激期，由于空氣暴露和低溫，牡蠣能夠通過各種代謝調節(jié)來適應內外環(huán)境的變化。然而，慢性應激會降低牡蠣的活力和身體代謝水平，導致皮質醇和乳酸水平的緩慢變化。

圖 6：生理指標的動態(tài)變化

圖 7：基于PCA-SVM的應激預測

如圖7所示，在使用SVM模型預測牡蠣的應力水平之前，對模型因子進行交叉驗證優(yōu)化。交叉驗證結果表明，gamma值為6的多項式核函數(shù)(poly)最適合SVM模型。在右-右-殼、左-右-殼和左-左-殼測量位置的準確度分別為93.94%、93.94%和90.91%。與更厚、更不均勻的左殼相比，電極與右殼表面的粘附更緊密，電流路徑更穩(wěn)定。在右-右殼和左-右殼測量位置預測精度較高。

審核編輯：劉清