★??研究背景

預計環境變化會引起牡蠣的應激反應，影響其活力和肉質。然而，實時監測牡蠣的應激水平仍然具有挑戰性。在本研究中，中國農業大學張小栓教授團隊開發了一種柔性生物阻抗傳感器系統，用于實時監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的性能進行了評價。結果表明，該柔性傳感器系統具有較高的精度和穩定性。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測應用，為監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，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：柔性傳感器系統設計

采用柔性電極監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。考慮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

系統精度和穩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定。然而，為了避免破壞牡蠣的體內平衡，對傳感器系統施加了1Vp-p的激勵電壓。此外，測試了柔性電極的彎曲穩定性和吸水穩定性，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實現了牡蠣生物阻抗和相位角的監測。

圖 4：系統性能測試

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。空氣暴露和低溫脅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轉變為純電阻狀態。在此條件下，牡蠣的相位角逐漸接近0?，生物阻抗降低。

根據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、溫度波動和缺氧環境下同步變化，以響應牡蠣的應激水平。根據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來適應內外環境的變化。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化。交叉驗證結果表明，gamma值為6的多項式核函數(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