一种基于毛细微流泵的汗液收集与检测贴片

1.本发明涉及汗液的检测，更具体地涉及一种基于毛细微流泵的汗液收集与检测贴片。


背景技术：

2.可穿戴式汗液传感器因其在无创连续监测生理参数方面的巨大潜力而迅速发展。在快速发展的同时，一些重大挑战仍有待解决。可穿戴式汗液传感器大多与皮肤表面直接接触，如果不能形成紧密的接触，分泌的汗液在皮肤表面容易蒸发或污染。为有效收集和检测汗液，目前大多数将微流体芯片与可穿戴式传感器集成，这也引出了汗液如何高效的从微流体通道腔室进入和排出的问题。
3.有的提出了一种手指驱动的微流控系统，通过手指按压将汗液从表皮引取到微腔室内。然而，这些设备需要额外的按压动作，这阻碍了使用中的实时监控。
4.另外有的在进出样口上安装吸附性聚合物或水凝胶，毛细作用和渗透原理自发驱动汗液流动，而微流体内部汗液流量由聚合物材料的孔隙度和水凝胶的亲水性决定，难以控制。
5.汗液速率很大程度上影响了传感器的检测准确性，也是重要的检测指标之一。目前缺乏有效控制汗液流速大小的同时检测汗液中标志物和流速的一体化自驱动贴片。


技术实现要素：

6.为了解决上述现有技术中的无法同时检测汗液中标志物和流速的问题，本发明提供一种基于毛细微流泵的汗液收集与检测贴片。
7.根据本发明的基于毛细微流泵的汗液收集与检测贴片，其包括pet薄膜、pdms薄膜、传感器组件和蛇形微柱阵列通道，其中，pet薄膜和pdms薄膜的周缘密封连接，传感器组件包括汗液标志物检测传感器和流速传感器，pet薄膜上形成有由工作电极、参比电极和对电极共同提供的汗液标志物检测传感器，pet薄膜上还形成有由插指电极提供的流速传感器，pdms薄膜上形成有进样腔室，汗液标志物检测传感器正对进样腔室中以对汗液的标志物进行测量，pdms薄膜上形成有蛇形微柱阵列通道，流速传感器正对蛇形微柱阵列通道以对汗液的流速进行测量。
8.优选地，pdms薄膜上形成有毛细止回阀，其位于进样腔室和蛇形微柱阵列通道之间以阻止汗液回流。
9.优选地，蛇形微柱阵列通道中的微柱具有相同或不同的长度和宽度。
10.优选地，蛇形微柱阵列通道中的相邻微柱之间具有相同或不同的距离。
11.优选地，工作电极通过ttf/cnt作为中介层修饰。
12.优选地，pdms薄膜上形成有汗液的进样口，工作电极直接对应于进样口设置。
13.优选地，pet薄膜上形成有汗液的出样口，其正对pdms薄膜上的出液腔室设置。
14.优选地，进样口和/或出样口具有水凝胶和亲水性聚合物材料以增加吸取汗液的
效率。
15.优选地，进样腔室和/或出液腔室内设置有若干起支撑作用的腔室微柱。
16.优选地，汗液标志物检测传感器和流速传感器通过pet薄膜上的电极连接处接到电化学工作站。
17.根据本发明的基于毛细微流泵的汗液收集与检测贴片，是一种结合了微流控技术制备成的简单易制的贴片，集成了汗液代谢物检测和流速检测的传感器实现多目标检测，可以有效地同时检测汗液中标志物乳酸和汗液流速，汗液标志物检测传感器展现了很好的检测灵敏度(7.36μa/mm
·
cm2，r2＝0.996)，而流速传感器可以检测0-60μl/min的检测范围。
附图说明
18.图1是根据本发明的一个优选实施例的基于毛细微流泵的汗液收集与检测贴片的剖面结构示意图；
19.图2是图1的透视图；
20.图3示出形成在pet薄膜上的传感器组件；
21.图4示出了汗液标志物检测传感器的工作电极的修饰；
22.图5示出了汗液标志物检测传感器的参比电极的修饰；
23.图6示出形成在pdms薄膜上的蛇形微柱阵列通道；
24.图7是蛇形微柱阵列通道的局部放大图；
25.图8示出三种通道；
26.图9示出三种通道的仿真效果对比；
27.图10示出两种通道的实验结果对比；
28.图11是流速传感器的标定结果图；
29.图12是汗液标志物检测传感器的电流响应结果图。
具体实施方式
30.下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
31.如图1所示，根据本发明的一个优选实施例的基于毛细微流泵的汗液收集与检测贴片包括周缘密封连接的pet薄膜10和pdms薄膜20，密封区域如图2的阴影部分所示。这里的pet薄膜10和pdms薄膜20其实就是两层塑料薄膜，pdms薄膜20即图2的阴影部分区域。这里的密封的方法包括化学键合，热压、焊接等。另外，汗液收集与检测贴片还包括形成在pet薄膜10上的传感器组件30和形成在pdms薄膜20上的蛇形微柱阵列通道40，传感器组件30包括汗液标志物检测传感器和流速传感器。
32.如图3所示，pet薄膜10上形成有工作电极2，参比电极3和对电极4，这三个电极共同提供电化学的汗液标志物检测传感器。另外，pet薄膜10上还形成有插指电极5，其提供流速传感器。这两个传感器通过pet薄膜10上的电极连接处1接到电化学工作站。另外，pet薄膜10上还形成有出样口11。这里的电极2，3，4，5可以通过光刻镀金的工艺进行制备，例如通过在100um的pet薄膜10上沉积金属，溅射30nmcr/50nmau，通过光刻和lift-off工艺(通常光刻在镀金前，lift-off工艺在镀金后)进行金属电极的图案化。应该理解，电极2，3，4，5也可以通过丝网印刷和喷墨打印等工艺进行制备。
33.特别地，汗液标志物检测传感器的电极2，3还需要进行修饰。
34.具体地，如图4所示，在金电极21上滴铸四硫富瓦烯和碳纳米管的混合试剂ttf/cnt 22作为电子传输中介层，减低乳酸氧化的电压值，减小干扰；在上层滴铸乳酸氧化酶、碳纳米管、壳聚糖的混合液23催化乳酸的氧化，产生电子转移；另外在最上层滴铸nafion试剂24作为保护层，由此得到工作电极2。
35.具体地，如图5所示，在金电极31上旋涂层均匀的ag/agcl墨水32，再加热干燥后滴加pvb/nacl混合液33作为保护层，由此得到参比电极3。
36.如图6所示，pdms薄膜20上形成有汗液进样口6，进样腔室8和出样腔室12，分别在两个腔室8，12中的三个腔室微柱7起支撑作用，确保pet薄膜10和pdms薄膜20保持间隔开。结合图2，pet薄膜10上的工作电极2直接对应于pdms薄膜20上的进样口6，pet薄膜10上的参比电极3和对电极4都位于进样腔室8内以在此处对汗液的标志物乳酸进行测量。另外，pdms薄膜20上形成有毛细止回阀9，可以阻止汗液流回。蛇形微柱阵列通道40设置在毛细止回阀9和出样腔室12之间，提供毛细微流泵的作用，由表面张力和微结构增加毛细力，加速汗液流动，由此，汗液以蛇形的流动方式前进流动到出样腔室12，从出样口11(参见图3)流出。结合图2，pet薄膜10上的插指电极5直接对应于蛇形微柱阵列通道40以在此处对汗液的流速进行测量。
37.如图7所示，微柱的长度w1和宽度w2(一般w2/w1小于1，w1在100um-1mm之间)，微柱的中心q2对齐微柱间隙中心q1，微柱横向间距s1和纵向间距s2的关系对汗液前进的流速，汗液的填充通道的时间息息相关，在微柱尺寸和s1/s2比值(通常为1/2)一定的情况下，微柱越密集(即s1，s2尺寸越小)，毛细微流泵的毛细压力越大，驱动汗液能力越强，流速也就越大，填充通道时间越短。
38.汗液从进样口6进入后在进样腔室8内，接触到汗液的电化学汗液标志物检测传感器可以检测乳酸含量，电化学工作站上的i-t curve模式可以检测乳酸氧化还原过程中的电学信号。通过毛细止回阀9，阻止了汗液回流，避免了进样腔室8内新旧汗液混合的问题，之后进入蛇形微柱阵列通道40，在毛细力的作用下液体沿着蛇形方式前进，最后汗液由出样口11流出贴片。汗液在蛇形微柱阵列通道40流动期间可以通过改变蛇形微柱阵列通道40的大小，数量，间隙距离来调控液体的流速。
39.对于如图8所示的三种通道而言，其中的a为蛇形非微柱阵列通道，b为蛇形微柱阵列通道40，c为空腔，comsol软件仿真结果所示如图9所示，在进样泵提供的70kpa压力下驱动液体流入，通过微柱阵列的蛇形结构中的液体在后期可以维持一个相对稳定的速率流动，而非微柱阵列的蛇形结构在后期随着流阻的增大，速率也会逐渐降低，空腔结构虽然仿真结果液体速率较大，但具有很大的死体积，且波动较大，难以使用流速传感器标定。具体地，蛇形微柱阵列通道结构结合了插指电极的流速传感器有效的控制和测量汗液流速，避免了单纯蛇形结构流阻增大导致流速逐渐减小的弊端。蛇形非微柱结构会流阻逐渐增大，导致汗液流满通道后的流速逐渐减小，影响流速传感器检测的准确性，而蛇形微柱阵列通道在汗液填充整个通道后可以将流速稳定，便于流速传感器检测的准确性。实际上，在汗液未填充满微柱阵列通道时，可以通过毛细泵作用减小流阻，使其快速填充，起到加快汗液流入的效果，如图9所示，在填充满微柱通道后，微柱阵列使流速稳定在一个值，便于检测稳定的流速值，控制稳定时流速大小可依靠调整微柱阵列的间隙距离，控制流速大小也是蛇形
微柱阵列通道40的一大优点。
40.根据图10的实验结果，进样泵设置为0.7kpa的小压力驱动，随着液体在蛇形微柱阵列通道前进，液体的向前流速逐渐增加，而蛇形非微柱阵列结构呈逐渐降低趋势，说明了毛细微流泵驱动液体流动的效果。具体地，汗液通过蛇形微柱阵列通道40比蛇形非微柱阵列通道填充满的时间更短，且流动速度逐渐增大，加速驱动汗液流入检测腔室，另外可以通过调整纵向和横向微柱间距从而控制毛细压力大小，影响汗液在通道内的流速大小，证实了毛细微流泵增加了主动驱动汗液的效果。
41.如图11所示，通过电化学工作站的eis(电学阻抗谱扫描)的模式测得到人造汗液在不同流速对应的导纳值(频率为1khz)，随着流速在0-60μl/min增加，流速传感器的导纳也随之升高，验证汗液贴片流速检测的功能是可行的，从而实现对于插指电极5的流速传感器的功能验证和表征。
42.通过ttf/cnt作为中介层修饰的汗液标志物检测传感器测试结果如图12所示，0～22mm范围内，2mm的浓度递增，测得灵敏度为7.36μa/mm
·
cm2(r2＝0.996)，验证提出的汗液贴片乳酸检测的功能是可行的，从而实现对于乳酸电化学传感器的功能验证和表征。
43.总之，本发明通过微流控技术与电化学传感器的集成，可以有效地采集体表汗液，避免蒸发与污染，并对其中多参数进行实时定量的检测；通过设计蛇形微柱阵列通道结构毛细微流泵与插指电极结构结合实现汗液的自驱动以及流速的检测，同时实现入口处汗液代谢物的准确检测。
44.本发明中汗液是通过毛细力作用流入贴片的进样口的，属于自发的流入，不需要人为干预。且后置了毛细微流泵结构(蛇形微柱阵列通道)，可以驱动汗液在微腔室和通道中更快的流通，这种毛细微流泵作用是由表面张力和微结构结构本身设计导致的。
45.本发明的进出样口也可安放水凝胶和亲水性聚合物材料增加吸取汗液的效率。
46.以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。