汗液传感器及其制备方法与流程

本申请涉及传感器技术领域，具体涉及一种汗液传感器及其制备方法。

背景技术：

可穿戴生物传感器可实现人体多种指标的连续、无创检测，在现代医疗中扮演着越来越重要的角色。汗液作为一种生物流体，含有丰富的生物标记物可用于监测生理状态和诊断相关疾病，同时由于汗液由体表的汗腺产生而便于无创收集，已在移动健康诊断、运动监测等领域有了广泛应用。目前，国内外研究者围绕可穿戴汗液传感器开展了许多的工作，并取得了一系列成果，但多数的可穿戴汗液传感器都面临汗液难以快速收集、传输困难以及新旧汗液混合造成信号干扰等问题，导致无法得到准确的汗液检测结果。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本申请提供一种汗液传感器及其制备方法，可以有效解决汗液难收集、难传输、易混合污染的问题。

为解决上述技术问题，本申请提供一种汗液传感器，包括多孔疏水层、电极层与多孔亲水层，所述多孔疏水层、所述电极层及所述多孔亲水层依次层叠设置，所述多孔疏水层用于接触体表，使得汗液透过所述多孔疏水层向所述多孔亲水层定向输送以经过所述电极层进行检测。

其中，所述电极层设有沿厚度方向贯穿所述电极层的多个通孔，进入所述电极层的汗液经所述多个通孔向所述多孔亲水层输送。

其中，所述电极层包括第一电极与第二电极，所述第一电极与第二电极上均设有所述多个通孔。

其中，所述电极层中的电极表面具有与汗液检测成分对应的修饰材料。

其中，所述多孔疏水层与所述多孔亲水层均为静电纺丝纳米纤维膜。

其中，所述多孔疏水层的平均孔径大于所述多孔亲水层的平均孔径，所述多孔疏水层的厚度小于所述多孔亲水层的厚度。

本申请还提供一种汗液传感器的制备方法，包括：

a.提供多孔亲水层与电极层；

b.将所述电极层贴附于所述多孔亲水层的一侧表面；

c.在所述电极层的背向所述多孔亲水层的一侧形成多孔疏水层，得到所述汗液传感器，其中，所述多孔疏水层用于接触体表，以使汗液透过所述多孔疏水层向所述电极层及所述多孔亲水层定向输送。

其中，所述步骤a中，提供多孔亲水层的过程，包括：

提供亲水型聚合物；

通过第一静电纺丝工艺将所述亲水型聚合物纺制形成纳米纤维膜，得到所述多孔亲水层。

其中，所述步骤a中，提供电极层的过程，包括：

提供基底层；

在所述基底层上形成第一图案化金属层，所述第一图案化金属层包括第一电极图案与第二电极图案，所述第一电极图案与所述第二电极图案分别包括多个通孔；

在所述第一图案化金属层上形成封装层；

除去所述封装层的覆盖所述第一电极图案与所述第二电极图案的部分，以及除去所述基底层的与所述多个通孔对应的部分；

在所述第一电极图案或所述第二电极图案上形成第二图案化金属层，所述第二图案化金属层的图案与下方的电极图案一致，使得未覆盖所述第二图案化金属层的电极图案对应为第一电极，覆盖所述第二图案化金属层的电极图案对应为第二电极；

根据待检测的汗液成分对所述第一电极和所述第二电极中的对应电极进行表面修饰，得到所述电极层。

其中，在所述步骤a中，所述电极层在一基板上进行制作，所述步骤b，包括：

将所述电极层从所述基板上转印贴附至所述多孔亲水膜的一侧表面。

其中，所述步骤c，包括：

提供疏水型聚合物；

在所述电极层的背向所述多孔亲水层的一侧，通过第二静电纺丝工艺将所述疏水型聚合物纺制形成附着在所述多孔亲水层上的纳米纤维膜，得到所述多孔疏水层并得到所述汗液传感器。

本申请还提供一种汗液传感器，采用如上所述的汗液传感器的制备方法制备得到。

本申请的汗液传感器包括多孔疏水层、电极层与多孔亲水层，多孔疏水层、电极层及多孔亲水层依次层叠设置，多孔疏水层用于接触体表，使得汗液透过多孔疏水层向多孔亲水层定向输送以经过电极层进行检测。本申请利用多孔疏水层与多孔亲水层之间形成的润湿性梯度，使得汗液可以在传感器内部定向传输并经过电极层进行检测，有效解决汗液难收集、难传输、易混合污染的问题。

本申请的汗液传感器的制备方法，通过提供多孔亲水层与电极层，将电极层贴附于多孔亲水层的一侧表面，并在电极层的背向多孔亲水层的一侧形成多孔疏水层，从而得到汗液传感器，其中，多孔疏水层用于接触体表，以使汗液透过多孔疏水层向电极层及多孔亲水层定向输送。本申请先将电极层贴附于多孔亲水层的一侧表面，再在电极层的背向多孔亲水层的一侧形成多孔疏水层，制备工艺简单，有利于实现汗液传感器的一体化封装，提高汗液传感器的使用性能。

附图说明

图1是根据第一实施例示出的汗液传感器的结构分解示意图；

图2是根据第二实施例示出的汗液传感器的制备方法的流程示意图；

图3(a)至图3(e)是根据第二实施例示出的汗液传感器的制备方法的部分工艺示意图；

图4是根据第二实施例制备得到的多孔亲水层的sem形貌图及水接触角测试图；

图5是根据第二实施例制备得到的多孔疏水层的sem形貌图及水接触角测试图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本申请的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点及功效。

在下述描述中，参考附图，附图描述了本申请的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本申请的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本申请的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本申请。

虽然在一些实例中术语第一、第二等在本文中用来描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件与另一个元件进行区分。

再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“a、b或c”或者“a、b和/或c”意味着“以下任一个：a；b；c；a和b；a和c；b和c；a、b和c”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。

第一实施例

图1是根据第一实施例示出的汗液传感器的结构分解示意图。请参考图1，本实施例的汗液传感器包括多孔疏水层11、电极层12与多孔亲水层13，多孔疏水层11、电极层12及多孔亲水层13依次层叠设置并相互接触，多孔疏水层11用于接触体表，使得汗液透过多孔疏水层11向多孔亲水层13定向输送以经过电极层12进行检测。由于多孔疏水层11与多孔亲水层13之间形成润湿性梯度，可以促使汗液在传感器内部沿箭头指示方向定向传输并经过电极层12进行检测，更易于收集、传输汗液，已检测过的旧汗液也不能反向渗透和传输而被重复检测，避免汗液易混合污染的问题。同时，体表的污染物如油污等不能通过多孔疏水层11，避免对传感器造成污染。

为使汗液顺利通过电极层12，在电极层12中设有供汗液通过的通道，在本实施例中，电极层12设有沿厚度方向贯穿电极层12的多个通孔123，进入电极层12的汗液经多个通孔123向多孔亲水层13输送。在本实施例中，电极层12采用两电极体系，包括第一电极121与第二电极122，其中，第一电极121作为工作电极，采用如金(au)、铜(cu)、碳等导电层，第二电极122作为参比电极和对电极，采用如银/氯化银(ag/agcl)等导电层。在本实施例中，第一电极121与第二电极122为半圆形，直径不小于3mm，第一电极121与第二电极122上均设有多个通孔123以供汗液通过。可以理解，电极的形状、大小及排布方式可根据实际使用需求进行调整，不以图示为限。

进一步地，为实现对汗液中特定成分的检测，电极层12中的电极表面具有与汗液检测成分对应的修饰材料，也即第一电极121与第二电极122表面均具有修饰材料。汗液传感器通过电化学原理检测汗液中的不同成分，对于汗液中的离子成分如钠离子、钾离子等，可通过特定的离子交换膜如钠离子载体、钾离子载体等修饰第一电极121，使用聚乙烯醇缩丁醛包覆第二电极122，从而在检测时输出膜电位随离子浓度的变化曲线；对于汗液中的有机成分如葡萄糖、乳酸等，可通过相应的酶如葡萄糖氧化酶、乳酸氧化酶等修饰第一电极121，使用聚乙烯醇缩丁醛包覆第二电极122，从而在检测时输出氧化还原电流随目标检测成分浓度的变化曲线。

多孔疏水层11与多孔亲水层13具有供汗液穿透的连通孔结构，为使汗液更顺利进入多孔疏水层11，并被顺利引导进入多孔亲水层13，多孔疏水层11的平均孔径大于多孔亲水层13的平均孔径，并且多孔疏水层11的厚度小于多孔亲水层13的厚度，也即多孔疏水层11较薄且孔洞较大。如此，汗液从体表排出后，可以穿透多孔疏水层11进入电极层12，后续可以借由多孔亲水层13与多孔疏水层11之间的润湿性梯度及多孔亲水层13的毛细作用进入多孔亲水层13，并且已检测过的旧汗液无法反向渗透，从而实现汗液的定向收集及传输。

在本实施例中，多孔疏水层11与多孔亲水层13均为静电纺丝纳米纤维膜，也即采用静电纺丝工艺制作形成的纳米纤维膜，纺丝时，沿厚度方向逐层堆积纳米纤维，从而形成一定厚度的膜并形成内部的孔洞，多孔疏水层11的厚度小于多孔亲水层13的厚度，例如，多孔疏水层11的厚度为5-50μm，多孔亲水层13的50-100μm。多孔疏水层11的纤维直径大于多孔亲水层13的纤维直径，例如，多孔亲水层13的纤维直径在200nm左右，多孔疏水层11的纤维直径在1μm左右，从而使得纤维堆积后的平均孔径存在差异，也即多孔疏水层11的平均孔径大于多孔亲水层13的平均孔径。

本实施例的汗液传感器在使用时，使多孔疏水层11接触体表，汗液在产生后首先接触位于体表的多孔疏水层11，由于润湿性梯度的存在，并借由排汗过程的压力及汗液传感器本身贴附于体表时产生的压力，汗液可以穿透多孔疏水层11并沿膜厚度方向往多孔亲水层13一侧移动，进而经过位于两层膜中间的电极层12，对汗液中的特定成分进行检测。随后，汗液通过第一电极121与第二电极122上的通孔123继续向上传输进入多孔亲水层13，进而排出，避免与新产生的汗液混合造成信号干扰。同时，体表的污染物如油污等不能通过该双面膜，避免对传感器造成污染。

本申请的汗液传感器包括多孔疏水层、电极层与多孔亲水层，多孔疏水层、电极层及多孔亲水层依次层叠设置，多孔疏水层用于接触体表，使得汗液透过多孔疏水层向多孔亲水层定向输送以经过电极层进行检测。本申请利用多孔疏水层与多孔亲水层之间形成的润湿性梯度，使得汗液可以在传感器内部定向传输并经过电极层进行检测，有效解决汗液难收集、难传输、易混合污染的问题。

第二实施例

图2是根据第二实施例示出的汗液传感器的制备方法的流程示意图。请参考图2，本实施例的汗液传感器的制备方法，包括：

步骤310，提供多孔亲水层与电极层。

在本实施例中，提供多孔亲水层的过程，包括：

提供亲水型聚合物；

通过第一静电纺丝工艺将亲水型聚合物纺制形成纳米纤维膜，得到多孔亲水层。

其中，选用亲水型聚合物作为纺丝原料，例如选用亲水型聚合物醋酸纤维素(ca)。首先，将ca溶解于丙酮/n,n-二甲基乙酰胺的混合溶剂中，浓度为15％，其中，丙酮与n,n-二甲基乙酰胺的体积比为2:1。接着，取部分溶液置于10ml注射器中，流速设为0.5ml/h，施加15kv的电压，在15cm的收丝距离下收集纤维得到纳米纤维膜，并控制膜厚度约为100μm。为进一步改善ca纳米纤维膜的亲水性，将ca纳米纤维膜用等离子体(plasma)处理15min，得到多孔亲水层。

在本实施例中，提供电极层的过程，包括：

提供基底层；

在基底层上形成第一图案化金属层，第一图案化金属层包括第一电极图案与第二电极图案，第一电极图案与第二电极图案分别包括多个通孔；

在第一图案化金属层上形成封装层；

除去封装层的覆盖第一电极图案与第二电极图案的部分，以及除去基底层的与多个通孔对应的部分；

在第一电极图案或第二电极图案上形成第二图案化金属层，第二图案化金属层的图案与下方的电极图案一致，使得未覆盖第二图案化金属层的电极图案对应为第一电极，覆盖第二图案化金属层的电极图案对应为第二电极；

根据待检测的汗液成分对第一电极和第二电极中的对应电极进行表面修饰，得到电极层。

其中，请参考图3(a)，首先在基板51上先后旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)和聚酰亚胺(pi)分别作为牺牲层(图未示)和基底层52，基板51例如为硅基板，加热固化后，请参考图3(b)，采用磁控溅射法在基底层52的表面依次生长厚度为5-10nm铬(cr)层和100-150nm的金(au)层，得到cr/au金属层53。接着，请参考图3(c)，对金属层53进行光刻，得到第一图案化金属层，第一图案化金属层包括第一电极图案531与第二电极图案532，第一电极图案531与第二电极图案532分别包括多个通孔533，该多个通孔533贯穿至基底层52的表面。随后，请参考图3(d)，在第一图案化金属层上旋涂pi，固化后得到封装层55，再利用反应离子(等离子束)刻蚀封装层55，选择性去除封装层55的覆盖第一电极图案531与第二电极图案532的部分，使第一电极图案531与第二电极图案532的区域裸露，同时控制第一电极图案531与第二电极图案532的图案直径不小于3mm，以及，选择性去除基底层52中的与多个通孔533对应的部分，使得多个通孔533贯穿电极层的上下表面。之后，请参考图3(e)，采用磁控溅射法整面生长厚度为150-200nm的ag，使其覆盖第二电极图案532与封装层55，之后对ag层进行图案化，保留与第二电极图案532对应的部分，再滴加氯化铁(fecl3)溶液对图案化后的ag层进行刻蚀，得到位于第二电极图案532上方的第二图案化金属层56，也即ag/agcl层，第二图案化金属层56的图案与下方的第二电极图案532一致，其中，未覆盖第二图案化金属层56的第一电极图案531对应为第一电极，也即工作电极，覆盖第二图案化金属层56的第二电极图案532对应为第二电极，也即参比电极和对电极。实际实现时，第二图案化金属层56也可设置在第一电极图案531上，则此时第二电极图案532对应为第一电极。

对于汗液中的离子成分如钠离子、钾离子等，可通过特定的离子交换膜如钠离子载体、钾离子载体等修饰工作电极，也即修饰第一电极，从而在检测时输出膜电位随离子浓度的变化曲线，对于汗液中的有机成分如葡萄糖、乳酸等，可通过相应的酶如葡萄糖氧化酶、乳酸氧化酶等修饰工作电极，从而在检测时输出氧化还原电流随目标检测物浓度的变化曲线。

在一实施例中，汗液传感器件用于检测汗液中钠离子的含量及浓度变化。具体地，使用3,4-乙烯二氧噻吩和聚(4-苯乙烯磺酸钠)的混合溶液作为电解液，以电化学沉积的方式将聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(pedot/pss)沉积在第一电极(cr/au电极)上，作为离子-电子导电转换元件。接着，选用钠离子载体(naionophorex)作为离子选择性膜，制备离子选择性电极，作为钠离子敏感材料。具体地，将naionophorex(1％)、四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠(0.55％)、聚氯乙烯(33％)、双(2-乙基己基)癸二酸酯(65.45％)溶解于四氢呋喃中，配置成浓度为15％的溶液，滴涂于沉积了pedot/pss的第一电极上，控制用量在10-50μl/cm²，室温干燥，完成第一电极的表面修饰。

使用聚乙烯醇缩丁醛包覆第二电极(ag/agcl电极)进行表面修饰，具体地，将聚乙烯醇缩丁醛(79.1mg)、氯化钠(50mg)、聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物(2mg)和多壁碳纳米管(0.2mg)溶解于1ml甲醇中，滴涂于ag/agcl参比电极之上，室温干燥，完成第二电极的表面修饰。

在另一实施例中，汗液传感器件用于检测汗液中葡萄糖的含量及浓度变化。具体地，将葡萄糖氧化酶溶于磷酸缓冲液(ph＝7.2)中，浓度为10-50mg/ml，随后与1％的壳聚糖溶液(溶剂为2％乙酸水溶液)按照体积比1:2混合，得到混合酶液；在第一电极(cr/au电极)上电化学沉积普鲁士蓝，随后在第一电极区域滴涂上述酶液，控制用量在10-50μl/cm²。在4℃下干燥后，利用戊二醛蒸汽在30℃下交联1h以固酶，得到葡萄糖酶传感器。完成第一电极的表面修饰。第二电极的表面无需进行修饰，采用ag/agcl电极。

值得注意的是，上述两种应用实例分别对应汗液中的离子和生物质两类主要成分的通用制备策略，基于该通用策略对其中个别材料及配比做出更改，可实现相同类别其它成分的检测。

例如，当需要检测汗液中的钾离子，则可沿用检测钠离子的通用策略，制备钾离子选择性电极，其中离子-电子导电转换元件和第二电极(参比电极)的制备方式与上述钠离子选择性电极的相关方法相同。只需将敏感材料制备方法替换如下：将缬氨霉素(2％)、四苯基硼酸钠(0.5％)、聚氯乙烯(32.7％)、双(2-乙基己基)癸二酸酯(64.7％)溶解于环己酮中，滴涂于沉积了pedot/pss的工作电极上，室温干燥即可。而若想检测汗液中的乳酸，则可沿用检测葡萄糖的通用策略，制备乳酸酶电极，其中只需将其中的葡萄糖氧化酶替换为乳酸氧化酶即可。

在对电极进行表面修饰改性后，利用丙酮溶解pmma牺牲层，将电极层从基板51上剥离备用。

步骤320，将电极层贴附于多孔亲水层的一侧表面。

其中，将电极层从基板上通过转印的方式贴附至多孔亲水层的一侧表面。贴附时，将电极层的上表面，也即仅刻蚀掉通孔对应部分的基底层的表面用水浸润，再贴附于多孔亲水层的一侧表面，自然干燥即可。

步骤330，在电极层的背向多孔亲水层的一侧形成多孔疏水层，得到汗液传感器，其中，多孔疏水层用于接触体表，以使汗液透过多孔疏水层向电极层及多孔亲水层定向输送。

在本实施例中，在电极层的背向多孔亲水层的一侧形成多孔疏水层的过程，包括：

提供疏水型聚合物；

在电极层的背向多孔亲水层的一侧，通过第二静电纺丝工艺将疏水型聚合物纺制形成附着在多孔亲水层上的纳米纤维膜，得到多孔疏水层并得到汗液传感器。

其中，选用疏水型聚合物作为纺丝原料，例如选用热塑性聚氨酯(tpu)。首先，将tpu溶解于n,n-二甲基甲酰胺中，浓度为15％。接着，取部分溶液置于10ml注射器中，流速0.5ml/h，电压15kv，收丝距离15cm，在电极层的背向多孔亲水层的一侧收集纤维得到tpu纳米纤维膜，控制膜厚度约为100μm。纺制完成后，tpu纳米纤维膜与ca纳米纤维膜的表面紧密结合，将电极层固定在两层纳米纤维膜之间，保证电极层与多孔亲水层、多孔疏水层之间紧密接触，形成一体式封装的汗液传感器，大大简化器件结构。

实际实现时，也可以通过将事先纺制好的tpu纳米纤维膜通过水溶胶等贴合剂贴附在ca纳米纤维膜上，从而在电极层的背向多孔亲水层的一侧形成多孔疏水层，将电极层固定在两层纳米纤维膜之间，贴合剂的厚度小于或等于电极层，保证电极层与多孔亲水层、多孔疏水层之间紧密接触。

请参考图4，采用上述静电纺丝工艺得到的多孔亲水膜的纤维直径在200nm左右，对水的接触角为0°，展现出极好的亲水性。请参考图5，采用静电纺丝得到的多孔疏水膜的纤维直径在1μm左右，对水的接触角为140°左右，展现出极好的疏水性。可以理解，以上关于制作多孔疏水层与多孔亲水层的纺丝工艺仅为示例，通过优化静电纺丝工艺调整纤维直径、分布及孔结构等参数，可以优化汗液传感器对液体的定向传输功能。

采用碱液对汗液传感器进行液体输送效果测试。将tpu多孔疏水层朝上，下方放置一片ph试纸，并在tpu多孔疏水层表面滴加0.01m的氢氧化钠溶液，由于润湿性梯度的存在，液滴可透过tpu多孔疏水层而渗入ca多孔亲水层，并在ca多孔亲水层内铺展，随后接触下方的ph试纸，使其变色。作为比对试验，将ca多孔亲水层朝上，下方放置一片ph试纸，并在ca多孔亲水层表面滴加0.01m的氢氧化钠溶液，观察可见，液滴直接在ca多孔亲水层内铺展，且不能从亲水一侧扩散至疏水一侧，因此不能透过tpu多孔疏水层而与下方的ph试纸接触。简言之，本发明制备的汗液传感器可以实现对水相溶液的单向传输。

本申请还提供一种汗液传感器，采用如上所述的汗液传感器的制备方法制备得到。

本申请的汗液传感器的制备方法，通过提供多孔亲水层与电极层，将电极层贴附于多孔亲水层的一侧表面，并在电极层的背向多孔亲水层的一侧形成多孔疏水层，从而得到汗液传感器，其中，多孔疏水层用于接触体表，以使汗液透过多孔疏水层向电极层及多孔亲水层定向输送。本申请先将电极层贴附于多孔亲水层的一侧表面，再在电极层的背向多孔亲水层的一侧形成多孔疏水层，制备工艺简单，有利于实现汗液传感器的一体化封装，提高汗液传感器的使用性能。

上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。