一种用于汗液葡萄糖检测的无线无源柔性传感装置及方法与流程

本发明涉及一种无线无源的电化学检测技术，尤其涉及一种用于汗液葡萄糖检测的无线无源柔性传感装置及方法。

背景技术：

汗液是人体体表分泌的常见液体，是一个较为复杂的液体环境，含有诸如葡萄糖等与人体生理特征相关的物质。这些物质包含着丰富的生理信息，通过对汗液中的这些物质的分析，就可以实现对人体运动状态和健康状况的无创监测。汗液中的葡萄糖浓度和血液中的葡萄糖浓度存在一定的相关性，通过检测汗液中的葡萄糖浓度，可以在一定程度上去对应血糖浓度，实现血糖的无创监测。

目前关于可穿戴汗液葡萄糖检测，国内外已经有了一些相关的研究。但是，已经报道的可穿戴汗液葡萄糖传感装置几乎都是采用电池供电，运用蓝牙通信技术进行数据传输，这些装置由于电池的限制，无法做到进一步的小型化，柔性化，和集成化，无法给人无感且舒适的贴皮式穿戴体验。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述的设备存在的问题，提供一种用于汗液葡萄糖检测的无线无源柔性传感装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于汗液葡萄糖检测的无线无源柔性传感装置，包括可重复使用的电路和可更换的电极两个部分，其中可重复使用的电路部分包括第一基底和加工在第一基底上且依次相连的nfc天线、nfc芯片及其外围电路、单片机最小系统、afe芯片及其外围电路、连接器；可更换的电极部分为葡萄糖电极；葡萄糖电极安装到连接器上，将该传感装置放置于人体体表皮肤上时，人体体表皮肤汗液中的葡萄糖分子在葡萄糖电极上被催化氧化，反应产生的响应电流通过连接器传到afe芯片及其外围电路，经过信号调理后转换为电压信号，送入单片机最小系统进行模数转换，转换后的数据传输至nfc芯片及其外围电路；具有nfc模块的移动终端通过天线之间的电感耦合与nfc天线及nfc芯片及其外围电路发生无线数据交互以及能量传输，读取到包含葡萄糖浓度信息的电压转换数据。

进一步的，将具有nfc模块的移动终端靠近nfc天线在2cm以内，nfc芯片及其外围电路就可以通过天线之间的电感耦合获取电能，给单片机最小系统和afe芯片及其外围电路提供最高3.3v的电压。

进一步的，所述葡萄糖电极在第二基底采用印刷电子工艺印刷有对电极、参比电极和工作电极。

进一步的，所述工作电极上进行了多层修饰，从下而上依次是普鲁士蓝层、传感层、以及隔离层。

进一步的，所述普鲁士蓝层通过电化学方法沉积而成。

进一步的，所述传感层的制作方法如下：

将1wt％的壳聚糖溶解在质量分数为2％的醋酸溶液中，再加入2mg/ml单壁碳纳米管后超声处理，获得悬浮溶液；将10mg/ml葡萄糖氧化酶溶液和悬浮溶液按1:2体积比混合均匀后，滴加到普鲁士蓝层表面，干燥后形成传感层。

进一步的，所述混合溶液中还添加了单壁碳纳米管。

进一步的，所述隔离层采用全氟磺酸隔离层。

本发明的另一目的是提供一种应用上述用于体表汗液葡萄糖检测的无线无源柔性传感装置进行汗液葡萄糖浓度检测的方法，包括如下步骤：

(1)用该传感装置检测不同浓度的葡萄糖标准样品溶液：

配置不同浓度的葡萄糖标准样品溶液；将具有nfc模块的移动终端靠近nfc天线，使传感装置工作；在葡萄糖电极表面依次滴加配制号的不同浓度的葡萄糖标准样品溶液，移动终端持续接收传感装置测得的电流信号，每个浓度下记录电流信号平稳后的值，作为该浓度下的电流响应，测完每个浓度后冲洗葡萄糖电极表面并干燥；

(2)建立葡萄糖标准样品溶液浓度与电流信号的标准曲线：

换用至少三片葡萄糖电极，重复步骤(1)中的测量过程，得到每片葡萄糖电极在不同浓度的葡萄糖标准样品溶液下的电流响应；得到葡萄糖标准样品溶液浓度与传感器电流响应之间的关系曲线，该关系曲线用于通过测得的电流值来计算真实汗液中的葡萄糖浓度；

(3)在体测试汗液中的葡萄糖浓度：

将待测的葡萄糖电极插入连接器，在葡萄糖电极的表面垫上一层多孔海绵，用于短暂的吸收和贮存汗液；并在无线无源柔性传感装置与皮肤接触的表面贴上一层医用的硅凝胶，露出葡萄糖电极的传感区域，用酒精棉清洁目标皮肤区域，并将无线无源柔性传感装置贴附于皮肤表面；在固定好无线无源柔性传感装置后，使用者开始进行体育运动，当体表开始分泌汗液时，葡萄糖电极表面通过多孔海绵吸收到来自皮肤表面的汗液，汗液中的葡萄糖在葡萄糖电极上被催化氧化，产生电流信号；将具有nfc模块的移动终端靠近nfc天线，传感装置测得的电流信号数据便会通过nfc天线传输到移动终端，利用步骤(2)得到的葡萄糖标准样品溶液浓度与传感器电流响应之间的关系曲线，移动终端计算出使用者溶液中葡萄糖的浓度信息，并在移动终端上实时显示浓度值，绘制相应的浓度曲线。

本发明相对于现有的可穿戴汗液葡萄糖传感装置具有以下有益效果：方案完全舍弃了电池供电，采用nfc的方式来进行能量传输和数据交互，相较于传统的传感装置，本发明大大简化了硬件的结构设计，使得系统可以做到进一步的轻薄化，集成化和小型化。装置的硬件电路部分采用柔性的聚酰亚胺材质作为基底，整个电路部分可以多次重复使用；电极部分采用柔性可拉伸的聚二甲基硅氧烷作为基底，使得整个系统做到了完全的柔性化，配合柔性且具有生物亲和性的硅凝胶，可以和皮肤完美地贴合，给人近乎无感且舒适的贴皮式穿戴体验，进行实时的汗液葡萄糖浓度的检测。同时，由于目前智能手机已经普及开来，并且大部分的智能手机里都集成了nfc模块，因此该装置可以和具有nfc模块的智能手机配合使用，实现无线的能量和数据传输，传输到手机端的数据可以进一步分析、处理、保存和上传。根据以上优点，本发明可以广泛应用于基于汗液葡萄糖传感的无创健康监测和疾病诊断，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明中用于体表汗液葡萄糖检测的无线无源柔性传感装置的整体结构框图；

图2是本发明中葡萄糖电极结构图；

图3是本发明中智能手机界面图；

图4是本发明中用于体表汗液葡萄糖检测的无线无源柔性传感装置的的工作流程图；

图5是本发明中测试不同浓度葡萄糖标准溶液的结果图；

图6是本发明中测试得到的葡萄糖标准溶液浓度和电流响应的线性图；

图7是本发明中测试得到的葡萄糖溶液重复性曲线；

图8是本发明中测试得到的葡萄糖溶液稳定性曲线；

图9是本发明中测试得到的葡萄糖溶液特异性曲线；

图10是本发明中所做的在体葡萄糖检测结果。

图中：检测电路nfc天线1、nfc芯片及其外围电路2、单片机最小系统3、afe芯片及其外围电路4、连接器5、葡萄糖电极6、第一基底7、第二基底61，对电极62、参比电极63、工作电极64、普鲁士蓝层65、传感层66、隔离层67。

具体实施方式

以下结合附图和具体实例对本发明作详细描述，但并不是限制本发明。

如图1所示，本发明提供一种用于汗液葡萄糖检测的无线无源柔性传感装置，包括可重复使用的电路和可更换的电极两个部分，其中可重复使用的电路部分包括第一基底7和加工在第一基底7上且依次相连的nfc(即nearfieldcommunication，近场通讯)天线1、nfc芯片及其外围电路2、单片机最小系统3、afe(analogfrontend，模拟前端)芯片及其外围电路4、连接器5；可更换的电极部分为葡萄糖电极6，葡萄糖电极6安装到连接器5上；汗液中的葡萄糖分子在葡萄糖电极6上被催化氧化，反应产生的响应电流通过连接器5传到afe芯片及其外围电路4，经过信号调理后转换为电压信号，送入单片机最小系统3进行模数转换，转换后的数据传输至nfc芯片及其外围电路2；具有nfc模块的移动终端通过天线之间的电感耦合与nfc天线1及nfc芯片及其外围电路2发生无线数据交互以及能量传输，读取到包含葡萄糖浓度信息的电压转换数据。

进一步的，将具有nfc模块的移动终端靠近nfc天线1在2cm以内，nfc芯片及其外围电路2就可以通过天线之间的电感耦合获取电能，给单片机最小系统3和afe芯片及其外围电路(4)提供最高3.3v的电压

进一步的，如图2所示，所述葡萄糖电极6采用印刷电子工艺印刷在第二基底61刷有对电极62、参比电极63和工作电极64。所述工作电极64上进行了多层修饰，从下而上依次是普鲁士蓝层65、传感层66以及隔离层67。所述普鲁士蓝层65通过电化学方法沉积而成。所述传感层66的制作方法如下：将1wt％的壳聚糖溶解在质量分数为2％的醋酸溶液中，再加入2mg/ml单壁碳纳米管后超声处理，获得悬浮溶液；将10mg/ml葡萄糖氧化酶溶液和悬浮溶液按1:2体积比混合均匀后，滴加到普鲁士蓝层65表面，干燥后形成传感层66。所述隔离层67采用全氟磺酸隔离层。

本发明的另一目的是提供一种应用上述用于体表汗液葡萄糖检测的无线无源柔性传感装置进行汗液葡萄糖浓度检测的方法，包括如下步骤：

(1)用该传感装置检测不同浓度的葡萄糖标准样品溶液：

配制不同浓度的葡萄糖标准样品溶液；将具有nfc模块的移动终端靠近nfc天线1，使传感装置工作；在葡萄糖电极6表面依次滴加配制号的不同浓度的葡萄糖标准样品溶液，移动终端持续接收传感装置测得的电流信号，每个浓度下记录电流信号平稳后的值，作为该浓度下的电流响应，测完每个浓度后冲洗葡萄糖电极6表面并干燥；

(2)建立葡萄糖标准样品溶液浓度与电流信号的标准曲线：

换用至少三片葡萄糖电极6，重复步骤(1)中的测量过程，得到每片葡萄糖电极6在不同浓度的葡萄糖标准样品溶液下的电流响应；得到葡萄糖标准样品溶液浓度与传感器电流响应之间的关系曲线，该关系曲线用于通过测得的电流值来计算真实汗液中的葡萄糖浓度；

(3)在体测试汗液中的葡萄糖浓度：

在待测的葡萄糖电极6插入连接器5，在葡萄糖电极6的表面垫上一层多孔海绵，用于短暂的吸收和贮存汗液；并在无线无源柔性传感装置与皮肤接触的表面贴上一层医用的硅凝胶，露出葡萄糖电极6的传感区域，用酒精棉清洁目标皮肤区域，并将无线无源柔性传感装置贴附于皮肤表面；在固定好无线无源柔性传感装置后，使用者开始进行体育运动，当体表开始分泌汗液时，葡萄糖电极6表面通过多孔海绵吸收到来自皮肤表面的汗液，汗液中的葡萄糖在葡萄糖电极6上被催化氧化，产生电流信号；将具有nfc模块的移动终端靠近nfc天线1，传感装置测得的电流信号数据便会通过nfc天线1传输到移动终端，利用步骤(2)得到的葡萄糖标准样品溶液浓度与传感器电流响应之间的关系曲线，移动终端计算出使用者汗液中葡萄糖的浓度信息，并在移动终端上实时显示浓度值，绘制相应的浓度曲线。

图3是具有nfc模块的移动终端的界面示意图，将移动终端的nfc模块贴近传感装置上的nfc天线1，通过线圈耦合，移动终端与无线无源柔性传感装置之间发生能量传递和数据交互，移动终端上可以显示从传感装置实时读取的葡萄糖浓度数据，并将检测结果实时的显示在移动终端界面上。

下面通过实施例再进一步详细描述本发明。

实施例：

利用该无线无源的柔性传感装置进行汗液中葡萄糖浓度的分析，包括如下步骤：

(1)工作电极64的生化修饰：

通过循环伏安法(cyclicvoltammetry，以下简称cv)沉积一层普鲁士蓝层65，溶液中包含2.5mm三氯化铁，100mm氯化钾，2.5mm铁氰化钾，以及100mm盐酸，cv的扫描范围为0-0.5v，扫描速度为0.02v/s；将1wt％的壳聚糖溶解在2％质量分数的醋酸溶液中，加入2mg/ml单壁碳纳米管后超声处理30min，得到悬浮溶液，将10mg/ml葡萄糖氧化酶溶液和悬浮溶液，按照1:2体积比混合均匀后，取3μl滴加到普鲁士蓝层65表面，在室温下干燥形成传感层66；在传感层66表面滴加0.5％全氟磺酸，待其干燥后即可形成一层较为稳固的薄膜，可将前面两个步骤中的物质固定在工作电极表面而不至于轻易脱落；

(2)电路的设计：

用于体表汗液葡萄糖检测的无线无源柔性传感装置的nfc天线1的共振频率为13.56mhz，nfc芯片采用恩智浦的nt3h2111，可以通过天线耦合能量，并通过内部的能源管理模块调制成3.3v的电压输出，给后端的单片机及模拟前端供电。单片机选用的是ti公司的超低功耗msp430fr5959，用于电化学传感的afe芯片选用的是ti公司的超低功耗lmp91002。在实际使用中，具有nfc模块的移动终端选用的是三星的galaxys5手机；

整个传感装置的工作流程如图4所示。能量传输从智能手机的nfc模块出发，通过天线的互感传递至传感装置的nfc天线1，与nfc天线连接的nfc芯片从nfc天线1处获得能量，并将能量通过内部电源管理电路继续向后端电路传输，后端的单片机在nfc芯片提供的能量下工作，向afe芯片发送控制指令。葡萄糖电极在有葡萄糖分子存在的情况下，催化葡萄糖氧化，产生响应电流信号并传递至afe芯片，afe即通过内部调理电路将响应电流信号转换为电压信号，并将该信号送至单片机的片内模数转换端口，单片机在执行了电压信号转换操作后将转换数据传输至nfc芯片的内部存储空间，智能手机的应用程序软件(smartphoneapplication，以下简称app)通过调用内部nfc驱动相关的应用程序接口(abbreviationforapplicationprogramminginterface，以下简称api)来读取nfc芯片内部存储数据，并将结果显示在智能手机界面上；

(3)传感器的灵敏度测试：

配制浓度为100μm、200μm、300μm、400μm、500μm的葡萄糖标准样品溶液。将待测的葡萄糖电极6插入连接器5，将三星s5靠近nfc天线1，使传感装置正常工作。在电极表面依次滴加配制好的100μm到500μm的浓度葡萄糖标准样品溶液，再依次滴加配制好的400μm到100μm的浓度葡萄糖标准样品溶液，移动终端持续接收传感装置测得的电流信号，每个浓度下记录100s的检测数据，取后30s的数据作为该浓度下的电流响应，测完每个浓度需要用去离子水冲洗电极表面并用氮气吹干，所得到的灵敏度测试的结果如图5所示，可看到所有浓度的葡萄糖溶液的测试结果表现出了良好的梯度，灵敏度为0.714na/μm；

(6)传感器的线性和重复性测试：

配制浓度为100μm、200μm、300μm、400μm、500μm的葡萄糖标准样品溶液。将待测的葡萄糖电极6插入连接器5，将三星s5靠近nfc天线1，使传感装置正常工作。在电极表面依次滴加配制好的100μm到500μm的浓度葡萄糖标准样品溶液，手机端持续接收传感装置测得的电流信号，每个浓度下记录40s的检测数据，取第40s的数据作为该浓度下的电流响应，测完每个浓度需要用去离子水冲洗电极表面并用氮气吹干。用5片不同的葡萄糖电极6，重复以上测量过程，得到每个葡萄糖电极6在5种不同葡萄糖浓度下的电流响应。得到葡萄糖标准样品溶液浓度与传感器电流响应之间的线性关系曲线(图6)，可以看到五组测试结果拟合的很好，斜率为-0.716na/μm，r²为0.99，该关系曲线用于通过测得的电流值来计算真实汗液中的葡萄糖浓度。此外，还得到5片葡萄糖传感器6的重复性曲线(图7)，重复性曲线中绘制了多组葡萄糖溶液的响应结果进行了对照，可以看到多组葡萄糖溶液的检测结果基本吻合，具备良好的重复性；

(7)传感器的稳定性测试：

配制浓度为300μm的葡萄糖标准样品溶液，将待测的葡萄糖电极6插入连接器5，将三星s5靠近nfc天线1，使传感装置正常工作。在电极表面滴加配制好的300μm浓度的葡萄糖标准样品溶液，智能手机持续接收传感装置测得的电流信号，每个浓度下记录180min的检测数据，取后120min的数据作为该浓度下的电流响应，测完每个浓度需要用去离子水冲洗电极表面并用氮气吹干，所得到的稳定性测试的结果如图8所示，从图中可以看出葡萄糖电极响应电流的波动为16.69μa/h，具有良好的稳定性；

(8)传感器的特异性测试：

分别配制磷酸盐缓冲对、10mm乳酸溶液、10mm氯化钠溶液、10mm氯化钾溶液、1mm氯化钙溶液、10μm抗坏血酸溶液、ph＝6的mcllvaine缓冲液与100μm的葡萄糖溶液进行特异性测试，将待测的葡萄糖电极6插入连接器5，将三星s5靠近nfc天线1，使传感装置正常工作。在电极表面依次滴加待测溶液，智能手机持续接收传感装置测得的电流信号，每种溶液记录120s的检测数据，取后60s的数据作为该浓度下的电流响应，测完每个浓度需要用去离子水冲洗电极表面并用氮气吹干，所得到的特异性测试结果如图9所示，从图中可以看出，在添加了其他溶液之后，使用传感装置所得到的葡萄糖响应结果没有受到太大的影响，证明该电极对葡萄糖具备良好的特异性；

(9)在体的汗液葡萄糖测试：

将待测的葡萄糖电极6插入连接器5，在葡萄糖电极6的表面垫上一层多孔海绵，用于短暂的吸收和贮存汗液。并在整个传感装置的底部贴上一层医用的硅凝胶，露出葡萄糖电极6的传感区域，用酒精棉清洁受试者的目标皮肤区域，并将传感装置贴附于皮肤表面(上臂)。在体的汗液葡萄糖测试在健身房完成，在固定好传感装置后，受试者开始进行踩单车运动，运动持续35分钟，前20分钟为高强度运动，中间10分钟为低强度运动，最后5分钟停止运动。当体表开始分泌汗液时，葡萄糖电极表面通过多孔海绵吸收到来自皮肤表面的汗液，汗液中的葡萄糖在葡萄糖电极6上被催化氧化，产生电流信号。每分钟开始时，受试者打开三星s5上相应的app，将手机靠近传感装置的nfc天线1，传感装置测得的电流信号数据便会通过nfc天线1传输到移动终端，利用步骤6得到的葡萄糖标准样品溶液浓度与传感器电流响应之间的关系曲线，移动终端可以计算出受试者该分钟汗液中葡萄糖的浓度，并在软件界面上实时显示浓度值，绘制相应的浓度曲线。在我们实际测试中，每分钟的测试持续40s，并取第40s的葡萄糖浓度作为该分钟葡萄糖浓度结果。当测试结束后，受试者取下传感装置，取下多孔海绵和葡萄糖电极6，将传感装置表面的汗渍清理干净以备下次使用。已经使用的多孔海绵和葡萄糖电极6需要丢弃。所得的35分钟在体测试的葡萄糖浓度曲线如图10所示，可以看到，随着受试者运动时间的递增，检测到的汗液葡萄糖浓度呈现出下降趋势，这与专业仪器所测试的结果相符合。