用于汗液中抗体检测的可穿戴实时监测装置

本发明涉及可穿戴实时监测装置，尤其是涉及一种用于汗液中抗体检测的可穿戴实时监测装置。

背景技术：

1、电子信息和生物检测技术的不断发展，使得可穿戴健康监测与诊断传感器成为产业界与学术界的研究热点，使得高效率生化即时检验与个人健康监测成为可能。但常用样本依然是血液样本，而血液样本面临采集困难、处理繁琐、反应时间过长等多层面的挑战，尤其是对婴幼儿、老年人和重病患者很不友好。汗液中可反映人体生理信息的标志物有乳酸、葡萄糖、尿酸、乙醇代谢物、na+、k+等电解质、皮质醇、抗体等，其在汗液中的含量与血液水平密切相关，因此，对汗液中特定生物标志物的检测可替代采血检测。而汗液作为一种非介入、无痛采集、无污染、可实时连续采集的生理样本，成为能够取代血液的理想检测基质。

2、但是，汗液中生物标志物的监测装置需满足以下几个条件：一、汗液获取途径不如血液方便，因此，可穿戴的、便携的、可自主快速收集汗液的模型是获取汗液的基础；二、汗液背景的生物特性较血液更为复杂，且不方便进行促凝、离心等分离其他干扰物的操作，因此，无需附加分离操作的全汗液检测技术是实现汗液监测装置的基础；三、作为汗液检测使用的生物传感器往往是一次性的，因此，传感器的可装卸设计是必须的；四、汗液中标志物的含量虽与血液呈正相关，但浓度明显低于血液，往往是血液的几千分之一甚至更低，需要检测系统具有良好的富集能力、灵敏度和特异性；五、为保证穿戴舒适性，尽可能地缩短检测时间，开发微型、操作简单的便携式个人健康监测设备，也是设计中必要的考虑因素。

3、汗液中标志物，如乳酸、葡萄糖等一般为毫克/毫摩尔级，尿酸、电解质等为微克/微摩尔级，皮质醇属于痕量标志物，含量低至纳克/纳摩尔级。抗体作为一种免疫系统产生的用于防御病原体或外来抗原的蛋白质，检测抗体对临床药物跟踪治疗和评估药物效率至关重要。抗体主要存在于人体血液中，极少数经由汗液排出，汗液中抗体含量为阿摩尔/阿克级至飞摩尔/飞克级，比皮质醇的含量还要低三个数量级及以上。

4、当前已公开发表的论文或专利中，涉及汗液检测的可穿戴实时监测装置由于其传感器灵敏度限制，仅局限于乳酸、葡萄糖、尿酸、乙醇代谢物、电解质、皮质醇等含量在纳克/纳摩尔级及以上的标志物的检测，难以完成含量如此低的抗体的检测。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种用于汗液中抗体检测的可穿戴实时监测装置，该可穿戴实时监测装置灵敏度较高，能够完成汗液中含量为阿摩尔/阿克级至飞摩尔/飞克级的抗体检测。

2、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于汗液中抗体检测的可穿戴实时监测装置，包括主控系统、电容式生化传感器和汗液收集贴片，所述的汗液收集贴片用于与人体接触收集并储存人体产生的汗液以及将其储存的汗液进行释放，所述的电容式生化传感器用于与所述的汗液收集贴片收集到的汗液中抗体接触产生生化反应现象，使其与汗液之间的界面电容发生改变，产生与界面电容对应的阻抗信号反馈至所述的主控系统，所述的主控系统处预存有界面电容变化值与抗体含量之间的线性关系，所述的主控系统一方面用于输出交流电信号激励所述的电容式生化传感器，使所述的电容式生化传感器与所述的汗液收集贴片收集到的汗液中抗体接触产生的生化反应加速，另一方面用于基于反馈至其处的阻抗信号得到对应的界面电容变化值，再根据界面电容变化值与抗体含量之间的线性关系得到对应抗体含量。

3、所述的电容式生化传感器包括底部补强层、两个金属圆片、介质层、一个叉指电极和顶部补强层；所述的底部补强层、所述的介质层和所述的顶部补强层均为绝缘材料，所述的底部补强层为长条状，沿其长度方向的两端分别设置有一个上下贯穿的圆形孔，两个金属圆片一一对应嵌设固定在两个圆形孔内，将圆形孔填满，每个金属圆片的下端面上均焊接有用于根据磁吸原理与所述的主控系统连接的导电磁珠，两个金属圆片上导电磁珠实现所述的电容式生化传感器与所述的主控系统的连接，接入所述的主控系统输出的交流电信号以及向所述的主控系统反馈阻抗信号，所述的主控系统也能过克服两个金属圆片上导电磁珠的吸引，与所述的电容式生化传感器分离，以便所述的电容式生化传感器能够实现可装卸；所述的介质层覆盖在所述的底部补强层上，所述的介质层上设置有两个导电孔，两个导电孔与两个金属圆片一一对应，相对应的一个导电孔与一个金属圆片中，该导电孔位于该金属圆片正上方，且该导电孔与该金属圆片连接，所述的叉指电极设置在所述的介质层的上表面，所述的叉指电极的两端与两个导电孔一一对应连接，所述的顶部补强层覆盖在所述的叉指电极上方，所述的顶部补强层上开设有与所述的汗液收集贴片尺寸匹配的通孔，所述的叉指电极的一部分在所述的通孔处暴露出来，且所述的叉指电极的该部分表面修饰有能够与汗液中抗体特异性结合的抗原探针。

4、所述的底部补强层、所述的介质层和所述的顶部补强层的材质均为聚酰亚胺材料；所述的叉指电极的分为三层，从下至上三层材料依次为铜、镍和金。

5、所述的叉指电极的叉指宽度及叉指间间距均为50μm、叉指长度为4mm、总面积为90mm2。

6、所述的通孔为矩形通孔。

7、所述的电容式生化传感器采用双层fpcb工艺制备而成，具体包括以下步骤：

8、步骤1：按设计的形状对聚酰亚胺材料进行切料，得到介质层，在介质层上按照设定位置打两个圆柱形通孔，先使用石墨烯或石墨乳对两个圆柱形通孔做黑化处理，再使用化学沉积方法在两个圆柱形通孔的孔壁圆柱面上镀铜箔层，形成两个导电孔；

9、步骤2：用压板制造方法在所述的介质层的上表面覆一层铜箔，用蚀刻工艺将铜箔刻蚀成对称叉指图案，在对称叉指图案上先电镀一层镍形成镍层，再电镀一层金形成金层，得到所述的叉指电极，将所述的叉指电极的两端一一对应连接到介质层的两个导电孔上，实现叉指电极与两个导电孔的连接；

10、步骤3：按设计的形状对聚酰亚胺材料进行切料，得到顶部补强层，在顶部补强层上开设一个矩形通孔，再使用导热硅胶将顶部补强层粘接在两个叉指电极上，此时，所述的叉指电极除在所述的矩形通孔处暴露出来的一部分之外，其他部分均被所述的顶部补强层覆盖住；

11、步骤4：将两个金属圆片一一对应焊接在介质层的两个导电孔处，此时两个金属圆片与两个叉指电极通过两个导电孔导通；

12、步骤5：按设计的形状对聚酰亚胺材料进行切料，得到底部补强层，在所述的底部补强层上开设尺寸与金属圆片匹配的两个圆形孔，使用导热硅胶将底部补强层b粘接在所述的介质层的下表面，此时两个金属圆片一一对应嵌入两个圆形孔内，将两个圆形孔填满，此时得到电容式生化传感器雏形；

13、步骤6：在暴露在所述的顶部补强层的矩形通孔处的叉指电极的一部分表面修饰能够与汗液中抗体特异性结合的抗原探针；

14、步骤7：在两个金属圆片的下端面上分别焊接导电磁珠。

15、所述的步骤6中在暴露在所述的顶部补强层的矩形通孔处的叉指电极的一部分表面修饰能够与汗液中抗体特异性结合的抗原探针的具体过程为：

16、步骤6.1：对叉指电极进行两次清洁，其中每次清洁过程为：先将电容式生化传感器雏形浸泡在丙酮中进行超声处理，然后再浸泡到异丙醇中超声处理，最后采用去离子水冲洗；

17、步骤6.2：在厚度为1.5mm的硅胶片开设一个上下贯穿的矩形空腔，该矩形空腔的尺寸与顶部补强层上开设的矩形通孔的尺寸匹配，将该硅胶片粘贴在顶部补强层上，硅胶片上开设的矩形空腔与顶部补强层上开设的矩形通孔对接形成一个新的矩形空腔，将该新的矩形空腔称为容纳腔，叉指电极的一部分暴露在该容纳腔处；

18、步骤6.3：将电容式生化传感器雏形放置于220nm/10w的紫外线下照射30分钟，增加电容式生化传感器雏形表面的亲水性；

19、步骤6.4：先在容纳腔中滴入浓度为10ug/ml的30ul的抗原溶液，其中所述的抗原溶液由所需检测的汗液中抗体对应的抗原与缓冲液(磷酸盐)混合而成，再置于恒温箱中孵育20小时，使所需检测的汗液中抗体对应的抗原附着到暴露在该新的矩形空腔处的叉指电极的一部分表面，实现抗原探针修饰，倒掉剩余的抗原溶液，得到抗原探针修饰后的电容式生化传感器雏形；

20、步骤6.5：先对抗原探针修饰后的电容式生化传感器雏形进行清洗，再在容纳腔中滴入浓度为100ug/ml的30ul的乳清蛋白溶液，接着置于恒温箱中2.5h完成抗原探针的封闭，倒掉剩余的乳清蛋白溶液，得到封闭后的电容式生化传感器雏形；

21、步骤6.6：对封闭后的电容式生化传感器雏形进行清洗，以去除容纳腔内游离的抗原和乳清蛋白，氮气吹干，去除硅胶片后，完成抗原探针修饰。

22、所述的步骤1中使用化学沉积方法在两个圆柱形通孔的孔壁圆柱面上镀的铜箔层的厚度为0.025mm，所述的步骤2中用压板制造方法在所述的介质层的上表面覆的铜箔的厚度为9.2202μm，叉指电极的叉指宽度及叉指间间距均为50μm，叉指长度为4mm，总面积为90mm2，其中镍层厚度为3.048μm，金层厚度为0.0254μm。

23、所述的汗液收集贴片包括贴片本体和pet膜，所述的贴片本体和所述的pet膜均为矩形结构，所述的贴片本体的材质为水凝胶材料，所述的pet膜覆盖在所述的贴片本体的正面，将所述的贴片本体的正面完全覆盖住，所述的贴片本体的正面中心处设置贯穿至其背面中心处的汗液收集腔，所述的汗液收集腔的尺寸与所述的顶部补强层上开设的通孔尺寸匹配，所述的贴片本体上还设置有多个汗液收集点和多个冗余汗液排出点，多个汗液收集点间隔分布在所述的汗液收集凹腔的周围，多个冗余汗液排出点也间隔分布在所述的汗液收集凹腔的周围；每个汗液收集点和所述的贴片本体之间设置有一个将两者连通的通道，该通道通过在所述的贴片本体的正面开设向其背面凹陷的凹槽来实现；每个冗余汗液排出点和所述的贴片本体之间设置有一个将两者连通的通道，该通道通过在所述的贴片本体的正面开设向其背面凹陷的凹槽来实现，每个汗液收集点均为从所述的贴片本体正面开始向其背面凹陷的圆柱形凹孔，每个冗余汗液排出点均为从所述的贴片本体正面开始贯穿其背面的圆柱形通孔，每个汗液收集点均用于收集人体汗液，并通过其与所述的液收集腔连通的通道将收集的人体汗液输送至所述的汗液收集腔中，当所述的汗液收集腔中的汗液超过其容量时，多出的汗液通过其与每个冗余汗液排出点之间的通道输送至每个冗余汗液排出点处进行排出，从而维持所述的汗液收集腔中汗液容量的稳定，所述的pet膜正对所述的汗液收集腔处开设有与所述的汗液收集腔尺寸匹配的矩形开口，所述的pet膜正对每个汗液收集点处分别开设有与每个汗液收集点尺寸匹配的圆形开口，每个通道和每个冗余汗液排出点位于所述的贴片本体的正面的一端被所述的pet膜封闭，所述的pet膜能够与人体粘贴固定，当检测汗液中与形成所述的抗原探针的抗原相对应的抗体时，所述的汗液收集贴片通过所述的pet膜粘贴在人体皮肤表面，所述的电容式生化传感器固定在所述的汗液收集贴片背面，使所述的顶部补强层上开设的通孔与所述的汗液收集腔对接形成一个长方体形状空腔，人体皮肤上产生的汗液一方面通过每个圆形开口进入每个汗液收集点处，再经由每个汗液收集点流入所述的汗液收集腔中，另一方面直接通过矩形开口进入所述的汗液收集腔中，当所述的汗液收集腔被汗液充满后通过所述的冗余汗液排出点排出汗液时，所述的汗液收集腔内的汗液开始接触并浸泡所述的抗原探针，汗液中的抗体与所述的抗原探针处的抗原结合，产生生化反应，所述的汗液收集腔被汗液充满构成中，汗液由于自然沉降，其内干扰物会在沉积在汗液收集腔底部，使得与所述的抗原探针接触产生生化反应的汗液为洁净汗液，从而在无需附加促凝、离心等分离操作下，实现全汗液检测；此时将所述的电容式生化传感器与所述的主控系统连接，所述的主控系统输出交流电信号激励所述的叉指电极，促进汗液中的抗体与所述的抗原探针处的抗原的结合，使汗液中的抗体与所述的抗原探针处的抗原结合产生的生化反应加速，所述的叉指电极产生与界面电容对应的阻抗信号反馈至所述的主控系统处，主控系统先基于反馈至其处的阻抗信号得到对应的界面电容变化值，再根据界面电容变化值与抗体含量之间的线性关系得到对应抗体含量。

24、所述的汗液收集贴片通过以下方法制备得到，具体制备过程为：

25、步骤a1：根据所述的贴片本体以及其上设置的汗液收集腔、多个冗余汗液排出点、多个汗液收集点和用于连接汗液收集腔与多个冗余汗液排出点和多个汗液收集点的通道的设计要求，制作对应的3d注塑模型；

26、步骤a2：将水凝胶材料pdms搅拌后倒入3d注塑模型中，静置待水凝胶材料pdms凝固后用镊子取出，即得到贴片本体以及其上开设的汗液收集腔、多个冗余汗液排出点、多个汗液收集点和用于连接汗液收集腔与多个冗余汗液排出点和多个汗液收集点的通道；

27、步骤a3：先使用去离子水清洗所述的贴片本体，再用氮气枪将其吹干，随后放入紫外线中照射30分钟，然后将亲水试剂与异丙醇按体积比7：3的比例混合后，注入到每个通道、每个汗液收集点，每个冗余汗液排出点和所述的汗液收集凹腔中，静置直至干燥，再使用去离子水清洗后氮气吹干待用；

28、步骤a4：将按照设计要求打孔处理后的pet膜粘贴在贴片本体正面。

29、与现有技术相比，本发明的优点在于通过主控系统、电容式生化传感器和汗液收集贴片构建用于汗液中抗体检测的可穿戴实时监测装置，汗液收集贴片与人体接触收集并储存人体产生的汗液以及将其储存的汗液进行释放，电容式生化传感器与汗液收集贴片收集到的汗液中抗体接触产生生化反应，使其与汗液之间的界面电容发生改变，产生与界面电容对应的阻抗信号反馈至主控系统，主控系统处预存有界面电容变化值与抗体含量之间的线性关系，主控系统一方面输出交流电信号激励电容式生化传感器，使电容式生化传感器与汗液收集贴片收集到的汗液中抗体接触产生的生化反应加速，提高检测速度，另一方面基于反馈至其处的阻抗信号得到对应的界面电容变化值，再根据界面电容变化值与抗体含量之间的线性关系得到对应抗体含量，由于界面电容本身就很灵敏，电容式生化传感器也具有高灵敏度，主控系统输出的交流电信号作为激励信号，也能够更好的带动汗液中抗体与电容式生化传感器的结合，从而即使汗液中抗体含量较低(为阿摩尔/阿克级至飞摩尔/飞克级)，电容式生化传感器也能够与汗液中抗体产生明显的生化反应，进而产生与界面电容对应的阻抗信号反馈至主控系统，最终通过主控系统得到抗体浓度，由此，本发明灵敏度较高，能够完成汗液中含量为阿摩尔/阿克级至飞摩尔/飞克级的抗体检测。