皮脂气体采集及其红外光谱增强装置的制作方法

本发明属于疾病早期诊断器械，具体涉及一种皮脂气体采集及其红外光谱增强装置。

背景技术：

1、物质能量代谢是生命体的特征之一。人体在新陈代谢过程中，汗腺分泌细胞吸收血液中的水、无机盐和尿素等以汗液排出体外，皮脂腺通过解体的腺细胞与胞质内的脂滴形成皮脂排出体外。当汗液和皮脂排出到体表的同时会有气体散发出来，就是我们常说的体味。当人体患有某种疾病时，其血液中会生成与该疾病相关的血液标志物，这些血液标志物是诊断疾病的重要依据。当患者血液中出现特定的与疾病相关的物质时，会通过诸如汗液和皮脂类的代谢产物排出体外，同时会散发出特定的气体。例如，糖尿病患者的脂肪在肝脏中氧化产生酮体，发出烂苹果的气味；慢性肾炎或肝病患者由于尿素氮、肌酐等潴留于血中散发出氨味；帕金森氏病(parkinson’s disease，pd)患者的皮脂气体中包含紫苏醛等有机气体，出现类似于“麝香”的体味；阿尔兹海默症患者身体散发出甲醛气体等。

2、诸如癌症、帕金森氏病、阿尔兹海默症等人体罹患的很多慢性疾病，其发病是一个缓慢进展的过程，有的病程长达10年甚至更久才会出现症状。以pd为例，2015年，英国广播公司报道，乔伊护士在其患pd的丈夫出现相关体征和症状前12年，就闻到了他身体散发出来的特殊的味道。2019年，英国爱丁堡大学著名pd专家tilo kunath博士也研究证实了人体皮脂中含有的马尿酸(c9h9no3)、紫苏醛(c10h14o)、二十烷(c20h42)和十八烷(c18h38)等4种有机成分与pd密切相关。如果能够在患者发病早期就及时检测到这些特定的气体，那么就会给未病诊治提供依据，进而实现疾病的早诊早治，意义重大。

3、然而，人体的体味很难检测。首先，体味是人体汗液、皮脂等释放出气体的混合物，含有有机挥发性成分，其含量很少且采集困难。现有人体皮脂气体的采集方法均是采用纱布在人的皮肤上擦拭采集皮脂，而后通过热解析附方式析出气体，采集过程繁琐复杂，对设备要求非常高，且气体在析出过程中会混入无法去除的杂质，严重影响检测准确度；其次，针对皮脂气体分析无法避开价格昂贵、操作复杂的气相色谱仪，大大增加了皮脂气体分析的门槛和难度；第三，人体皮脂气体成分复杂，属挥发性有机化合物(volatile organiccompounds，voc)，现有voc的检测方法仅能测试voc的总浓度，但无法确定其成分含量。

4、目前，国内、外对人体皮脂气体的采集和分析还受皮脂采样方式、检测仪器和分析方法的限制，复杂、成本高且无法达到很好的效果。

技术实现思路

1、本发明针对人体皮脂气体采集困难、分析准确率低的难题，公开一种皮脂气体采集及其红外光谱增强装置，将微机电系统(micro-electro-mechanical system，mems)、功能二维材料及金属表面等离子体共振技术相结合，制备出外形、大小类似于常规创可贴的皮脂气体采集及其红外光谱增强装置，将其贴于人体上3-5分钟即可实现人体微量皮脂气体的采集，同时，该装置可以对皮脂气体微弱的红外光谱进行增强，进一步提高皮脂气体红外光谱的辨识度，为实现基于人体皮脂气体的疾病诊断提供一种简便、高效、准确的装置。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种皮脂气体采集及其红外光谱增强装置，包括固定带及设于固定带上的固定框架，所述固定框架内设有纳米气敏芯。

3、所述纳米气敏芯包括基底，所述基底的材料为红外线透过率90％以上的光学窗口材料，优选为caf2晶体，以确保纳米气敏芯能够透过红外光并保持85％以上的红外透过率；所述基底上表面附着具有气敏性的二维材料，以吸附皮脂气体并使红外光透过；同时，所述基底上表面还设有纳米金属阵列，在红外光的照射下产生表面等离子体增强效应，对吸附在二维材料上的皮脂气体的红外光谱进行增强。

4、所述纳米金属阵列是由一种单元结构形成的微小金属阵列，或由多种不同单元结构组合形成的微小金属阵列，金属优选为金或银，所述单元结构是由一对等腰三角形组成的蝴蝶结结构、细长的矩形结构或其它等离子体共振峰在4.7μm-10.5μm的结构，单元结构的高度为80nm-120nm；上述不同结构对应不同的等离子体共振峰，不同共振峰的等离子体共振实现对不同皮脂气体红外光谱的增强；由多种不同单元结构组合形成的微小金属阵列使其等离子体共振峰较由一种单元结构形成的微小金属阵列的等离子体共振峰范围更宽，实现对皮脂气体红外光谱多个特征峰的增强。

5、所述固定框架上还设有透气保护层，具体优选为粘接于固定框架外缘上的透气保护纱布，以防止人体测试时皮肤接触到纳米气敏芯，防止杂质的渗入。

6、所述纳米气敏芯基底上表面附着单层或多层的二维材料，所述二维材料为二硫化钼、石墨烯、碳纳米管或其它具有气敏性的二维材料，使纳米气敏芯可以吸附皮脂气体且增加气体吸附的灵敏度和稳定性。

7、所述固定带优选为长条形胶带，使得所述皮脂气体采集及其红外光谱增强装置的外形及大小类似于创可贴，方便使用。

8、本发明具有以下有益效果：

9、1)本发明将mems、气敏二维材料及金属表面等离子体共振技术相结合，在红外高透材料上制备气敏二维材料及微形金属阵列，突破了基于金属表面等离子体共振红外光谱仅限于液体和固体应用的检测局限，将其扩展到气体检测，在增加皮脂气体吸附灵敏度和稳定性的同时对气体的红外光谱进行增强；

10、2)为疾病的超早期诊断提供了一种无创伤的诊断仪器和方法；

11、3)该装置外形及大小类似于创可贴，皮脂气体采集过程就像操作创可贴一样无创、便捷、高效。

技术特征：

1.皮脂气体采集及其红外光谱增强装置，其特征在于，包括固定带及设于固定带上的固定框架，所述固定框架内设有纳米气敏芯。

2.根据权利要求1所述的皮脂气体采集及其红外光谱增强装置，其特征在于，所述纳米气敏芯包括基底，所述基底的材料为红外线透过率90％以上的光学窗口材料，所述基底上表面附着单层或多层具有气敏性的二维材料，同时所述基底上表面还设有纳米金属阵列。

3.根据权利要求2所述的皮脂气体采集及其红外光谱增强装置，其特征在于，所述基底的材料为caf2晶体。

4.根据权利要求2所述的皮脂气体采集及其红外光谱增强装置，其特征在于，所述纳米金属阵列是由一种单元结构形成的微小金属阵列，或由多种不同单元结构组合形成的微小金属阵列，所述单元结构是由一对等腰三角形组成的蝴蝶结结构、细长的矩形结构或其它等离子体共振峰在4.7μm-10.5μm的结构，单元结构的高度为80nm-120nm。

5.根据权利要求4所述的皮脂气体采集及其红外光谱增强装置，其特征在于，所述纳米金属阵列的金属为金或银。

6.根据权利要求1所述的皮脂气体采集及其红外光谱增强装置，其特征在于，所述固定框架上还设有透气保护层。

7.根据权利要求6所述的皮脂气体采集及其红外光谱增强装置，其特征在于，所述透气保护层为粘接于固定框架上表面外缘上的透气保护纱布。

8.根据权利要求2所述的皮脂气体采集及其红外光谱增强装置，其特征在于，所述纳米气敏芯基底上表面附着的二维材料为二硫化钼、石墨烯、碳纳米管或其它具有气敏性的二维材料。

9.根据权利要求1所述的皮脂气体采集及其红外光谱增强装置，其特征在于，所述固定带为长条形胶带。

10.根据权利要求4所述的皮脂气体采集及其红外光谱增强装置，其特征在于，所述纳米金属阵列由4种大小和间距不同的蝴蝶结形单元结构组成，蝴蝶结形单元结构包括2个大小相等的等腰三角形，2个等腰三角形顶角对应的顶点相对、间距为b，且以平行于三角形底边的直线对称，金属为金，金的厚度为80nm，4种蝴蝶结形单元结构中三角形的底边长度l分别为80nm、90nm、100nm和116nm，高h分别为100nm、120nm、135nm和150nm，两三角形顶点间距b分别为46nm、75nm、95nm和120nm，4种蝴蝶结阵列内部的横向间距t分别为60nm、100nm、300nm和500nm，4种蝴蝶结阵列内部的纵向间距s分别为1μm，4种蝴蝶结阵列之间的横向间距th为600nm，4种蝴蝶结阵列之间的纵向间距sl为2μm。

技术总结
本发明针对人体皮脂气体采集困难、分析准确率低的难题，公开一种皮脂气体采集及其红外光谱增强装置，将微机电系统、功能二维材料及金属表面等离子体共振技术相结合，制备出外形、大小类似于常规创可贴的皮脂气体采集及其红外光谱增强装置，将其贴于人体上3‑5分钟即可实现人体微量皮脂气体的采集，同时，该装置可以对皮脂气体微弱的红外光谱进行增强，进一步提高皮脂气体红外光谱的辨识度，为实现基于人体皮脂气体的疾病诊断提供一种简便、高效、准确的装置。

技术研发人员：郝惠敏,郝惠静
受保护的技术使用者：惠泽（山西）科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13