CN107802293A - 一种人体汗液收集的柔性微流体设备及该设备的汗液收集和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人体汗液收集柔性微流体设备及该设备的汗液收集检测方法，柔性微流体设备包括：基体，提供传输和容纳汗液的通道和空腔的模块；盖板，用于封合基体的半透明盖板。所述基体包括：进液口、出液口和微流体通道，所述微流体通道包括：毛细管，用于控制流体流过微流体设备中的通道；微液腔，用于储汗，且内置显示剂。本发明设备固定在人体上，待汗液进入微流体通道后，通过手机软件定位盖板上的“+”标记扫描不同位置微液腔内的颜色来得到某时刻的出汗量，同时，待汗液收集完毕后，用注射器从出液口抽取汗液，用来保存和进行医学检测。本发明使用方法简单，原料及工艺成本低，可大批量生产，适用性广。

Description

一种人体汗液收集的柔性微流体设备及该设备的汗液收集和 检测方法

技术领域

本发明涉及针对特殊人群，如军人行军、病人以及儿童等的体液收集及检测方法，包括出液量、存储液体样品和检测体液中的生物指标。尤其是一种人体汗液收集柔性微流体设备及该设备的汗液收集和检测方法。

背景技术

随着健康关注力度的升高，人们对身体各项指标监控的需求突飞猛进，可以通过血液、组织液或汗液的检测来跟踪掌握身体健康状况，血液和组织液的检测会对身体造成一定的损伤，因此利用汗液的无创伤检测是一个趋势。人体汗液包含钠、氯化物、乳酸、尿素和少量的蛋白质、多肽类与金属离子。汗液中的各成分可以反应人体健康状况。比如：脱水、囊胞性纤维症、儿童胰腺疾病等。同时，人体汗液收集也运用于运动员或部队在高温训练中，尤其是在着装防护装备的作业中会丢失大量的水和无机盐，从而对作业人员的心血管等系统带来危害，降低机体的运动能力。收集汗液，测定出汗量，分析排汗对机体的水、电解质、蛋白质等物质代谢的影响可以为高温作业人员的水盐补给提供科学依据。出汗率是人体热紧张指标之一，它与环境热强度显著相关，不同劳动时间的生物指标与环境热强度指标密切相关，通过这些关系可测算出热环境下的劳动耐受时限。人们经常用运动前后裸体重差法、着装体重差法和纱布增重法来表示出汗量来反应人体负重极限，其不能精确得反映运动员或军人的身体情况。

现有技术中汗液收集的装置较少，大多数采用棉签或者袋状结构进行收集。这些装置有的采用开放式的结构，医护人员挤压收集汗液时需要用手接触汗液收集部位，使得最终采集的汗液容易被污染，一些结构采用的挤压方式不会污染汗液，但挤压效果不是很好，并且整体不易清洗。专利CN 204468144 U公开了一种汗液收集装置是通过挤压的方式获得汗液用来医学检测，并且，需要清洗。专利CN 104280444 A公开了一种提到的是与可穿戴设备结合的汗液收集及分析设备，它需要借助各种可穿戴设备，不能进行贴合皮肤。

Gao W, Emaminejad S, Nyein H Y Y等在2016年的Nature期刊上发表的 Fullyintegrated wearable sensor arrays for multiplexed in situ perspirationanalysis中提到了现有的柔性微流体设备通过传感器、NFC芯片和手机结合扫描出汗液中各成分及其变化，其工艺复杂。Ma Y, Pharr M, Wang L等在2017年的small期刊上发表的Soft Elastomers with Ionic Liquid‐Filled Cavities as Strain IsolatingSubstrates for Wearable Electronics中提到了现有的柔性微流体设备加工工艺和方法，其多采用精密仪器进行，多只用于实验室，没有进行大规模工业生产。查阅大量资料得出主要原因有以下五点：

（1）制作微流体吸汗材料的是Dow Corning公司的PDMS或Ecoflex等产品。其缺点：价格昂贵。

（2）微流体吸汗材料的基体与盖板封装都是用等离子刻蚀机进行氧离子刻蚀的。其缺点：等离子刻蚀机价格昂贵。

（3）基体的模板都是采用光刻的方法。其缺点：(i) 模板随着使用次数的增加，光刻胶越来越薄，直至失效，模板保存不当，会使硅片和光刻胶分离；(ii) 光刻机价格昂贵，并且，需要耗费光刻胶，还需要用高精度的旋涂机进行旋涂光刻胶。

（4）人体汗液收集系统需要在微流体上植入NFC芯片，并且需要有NFC功能的手机才能进行扫描。

（5）汗液收集是通过将收集好液体的微流体进行离心甩出，从而得到收集的汗液样品。其缺点：设备要求高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种人体汗液收集柔性微流体设备及该设备的汗液收集检测方法。

一种人体汗液收集柔性微流体设备，包括盖板和基体，其中，基体上有进液口、出液口和微流体通道，而微流体通道上有毛细管和微液腔，微液腔中有汗液颜色指示剂、防止塌陷的柱子和生物指示剂。

作为本发明进一步的方案：在制作过程中，基体与盖板是由半透明液态医用硅橡胶固化得到的。

作为本发明进一步的方案：在制作过程中，基体与盖板是通过涂覆同种液态材料粘结，然后，需要在60℃加热2小时，再放置室温静置24小时后来完成封装的。

作为本发明进一步的方案：在制作过程中，基体中间有贯穿顶部和底部的圆孔，为进液口，其直径为1 mm ~ 4 mm。

作为本发明进一步的方案：在制作过程中，基体是由模板拓印得到的，模板是PMMA或使用用刻字机做出一次性使用的模板。

作为本发明进一步的方案：所述微液腔的深度大于毛细管和微流体通道的深度。

作为本发明进一步的方案：所述盖板上对应于汗液颜色指示剂的位置做了“+”标记。

作为本发明进一步的方案：所述微流体通道为贯穿通道。

作为本发明进一步的方案：所述微液腔的中间部位设置若干用于防止塌陷的柱子。

一种人体汗液收集设备的汗液收集检测方法，所述方法包括：

1）将人体汗液收集柔性微流体设备固定在人体上，待汗液从进液口进入微流体通道后，通过手机软件定位盖板上的“+”标记扫描不同位置微液腔内的颜色来得到出汗量；

2）待汗液收集完毕后，用注射器从出液口抽取人体汗液收集柔性微流体设备里的汗液，来保存和进行医学检测。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：使用本发明，制作柔性微流体的基底与盖板的材料价格低廉，且不影响韧性和透明性，柔性微流体的基底与盖板的封装方法不仅对设备的要求低，且工艺简单；微流体通道的整体形状可多变，且微液腔大小可调；拓印基底的模板可以反复循坏使用，并且成本低，可以大批量生产；通过手机软件定位盖板上的“+”标记扫描不同位置微液腔内的颜色变化来获得某时刻的出汗量，降低了手机型号的局限性，有利于大众化使用，为工业化生产汗液收集微流体提供前提条件；收集好的汗液直接用注射器抽取出来进行保存或医学检测，这不仅成本低廉，工艺简单，操作方便，且不会污染汗液，有利于医学检测。

附图说明

图1为本发明实施例一人体汗液收集柔性微流体设备的整体结构分解示意图。

图2为本发明实施例一人体汗液收集柔性微流体设备的基体平面图。

图3为本发明实施例一人体汗液收集柔性微流体设备的制备流程图。

图4为本发明实施例二中具有青蛙图案微流体通道的基体平面图。

图5为本发明实施例二中具有蝴蝶图案微流体通道的基体平面图。

图6为本发明实施例三中人体汗液收集微流体设备的基体平面图。

图7为本发明实施例四中人体汗液收集检测柔性微流体设备的基体平面图。

图8为本发明针对不同的身体部位出汗量设计的不同大小的人体汗液收集柔性微流体。

图中，盖板1、基体、进液口3、出液口4、微流体通道5、毛细管6、微液腔7、汗液显色剂8、防止塌陷的柱子9，生物指示剂10。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一，

如图1所示，一种人体汗液收集柔性微流体设备，包括盖板1和基体2，基体和盖板的直径为30 mm，盖板1的厚度为0.2 mm，盖板1上对应于汗液颜色指示剂8的位置做了“+”标记；基体2的厚度为0.5 mm，其中，基体2上有进液口3、出液口4和微流体通道5，而微流体通道5上有毛细管6和微液腔7，微液腔7中有汗液颜色指示剂8，在人体汗液收集柔性微流体基体2下边贴上了皮肤粘性层（PC2723U, ScapaHealthcare）（除入液口）后，汗液从皮肤汗腺出来，进入进液口3，通过毛细管6作用使汗液进入微流体通道5，在微流体通道5里依次通过微液腔7时，汗液显色剂8发生颜色变化，通过配套的手机软件定位盖板1上的“+”标记扫描不同位置微液腔7内的颜色变化来获得某时刻的出汗量；

如图2所示，基体2直径是30 mm，厚度0.5 mm；进液口3是直径为1.5 mm的圆孔；毛细管6宽度为0.2 mm，深度为0.3 mm；微液腔7直径是2 mm，深度是0.4 mm；微流体通道5宽度为0.2mm，深度0.3 mm；出液口4宽0.2 mm，高0.3 mm。

如图3所示，人体汗液收集柔性微流体设备的制备步骤为：

（1）厂家定制（数控精雕刻机雕刻）PMMA制得模板，这种模板可以反复循环1000次以使用。也可使用刻字机做出一次性使用的模板，其价格会更便宜；

（2）通过以0.06 g 1% APS/SMBS（过硫酸铵+焦亚硫酸钠）作引发剂，以7.5 g HEMA（甲基丙烯酸羟乙酯）为单体，以0.1 g EDMA（乙二醇二甲基丙烯酸酯）作交联剂，加入2.34 g去离子配制成水溶剂置于三颈烧瓶中。经50 ℃磁力搅拌32小时回流冷凝后，得到PHEMA水凝胶，最后加入氯化钴（CoCl₂）备用；

（3）将国产液态人体硅胶（其主要成分是加成型PDMS，可拉升性能好，能拉升至200%，并且属于环保型和食用级，型号为PS6600系列，分为肤色、半透明和透明三种）倒入PMMA模板和光滑平板上，等固化好后，撕下，分别得到基体2和盖板1，并将汗液颜色指示剂8（水凝胶包裹着的CoCl₂）注入基体2上的微液腔7内，40 ℃真空干燥2小时；

在上述基体2上涂覆液态人体硅胶（PDMS），将涂有液态人体硅胶（PDMS）的基体2和盖板1粘合，并放入干燥箱60℃加热2小时后拿出，室温放置24小时，即可得到人体汗液收集微流体。具体涂覆人体硅胶（PDMS）到基体2上的方法为：将液态人体硅胶（PDMS）涂覆在干净的玻璃片上，用玻璃棒刮掉玻璃片上的液态医用硅橡胶（PDMS），因为它是一种粘稠液体，所以玻璃片上还是会有薄薄一层液态PDMS，大约20 μm，也可用匀胶机旋涂玻璃片，转速为3000rpm，加速度3000 rpm/sec，转30 s得到处理过的玻璃片，将已经在微液腔7内注入了汗液颜色指示剂8（水凝胶包裹着的CoCl₂）的基体2放在处理过的玻璃片上，然后取下和盖板粘合。

实施例二，

如图4、5所示，一种人体汗液收集柔性微流体设备，相对实施例一，改变微流体通道5的形状，设置成动物形状，使它更加能让儿童接受；图4青蛙图案的圆形基体2直径是30 mm，厚度0.5 mm；进液口3是直径为1.5 mm的圆孔；毛细管6宽度为0.2 mm，深度为0.3 mm；微液腔7直径是2 mm，深度是0.4 mm；微流体通道5宽度为0.2 mm，深度0.3 mm；出液口4宽0.2 mm，高0.3 mm；图5蝴蝶图案的圆形基体2直径是30 mm；进液口3是直径为1.5 mm的圆孔；毛细管6宽度为0.2mm，深度为0.3 mm；微液腔7直径是3 mm，深度是0.4 mm；微流体通道5宽度为0.2mm，深度0.3 mm；出液口4宽0.2 mm，高0.3 mm。

实施例三，

如图6所示，一种人体汗液收集微流体设备，针对运动员或军人使用，相比实施例一，设计成大的微液腔7，且为防止微液腔7太大而导致塌陷，在微液腔7中间设置可防止塌陷的柱子9；其中，基体2直径是40 mm；进液口3是直径为1.5 mm的圆孔；毛细管6宽度为0.2 mm，深度为0.3 mm；微液腔7直径是4 mm，深度是0.4 mm；微流体通道5宽度为0.2 mm，深度0.3 mm；出液口4宽0.2 mm，高0.3 mm，柱子9直径为0.4 mm。

实施例四，

如图7所示，在基板2上增加用于储存生物指示剂10的微液腔，并且与汗液收集通道分开，该通道的进液口1 mm；毛细管、出液口和用于储存指示剂10的微液腔与汗液收集通道的尺寸和大小相同。不同的生物指示剂可以测试汗液不同的成分，葡萄糖检测剂（将1.2 mg葡萄糖氧化酶、0.12 mg辣根过氧化物酶、102 mg海藻糖和99.6 mg碘化钾加到1ml柠檬酸钠缓冲溶液(pH 6.0)中溶解后，即得到葡萄糖检测剂）可以用来测定汗液中的葡萄糖；D-乳酸检测试剂可以测定汗液中的乳酸；氯化物检测试剂被滴到硫氰化汞中可以用来测定氯化物；pH指示剂溶液被滴在滤纸上嵌入在安全壳中用来测定PH 。

如图8所示，根据人体不同的身体部位出汗量不同而贴的不同的大小和尺寸的人体汗液收集柔性微流体，尺寸大小排序：胸 > 大腿 > 腹部 > 头部 > 手臂。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种人体汗液收集柔性微流体设备，其特征在于，包括盖板（1）和基体（2）；其中，基体（2）上有进液口（3）、出液口（4）和微流体通道（5），微流体通道（5）上有毛细管（6）和微液腔（7），微液腔（7）中有汗液颜色指示剂（8）和生物指示剂（10）。

2.根据权利要求1所述的一种人体汗液收集柔性微流体设备，其特征在于，所述基体（2）与盖板（1）是由半透明液态医用硅橡胶固化得到的。

3.根据权利要求1所述的一种人体汗液收集柔性微流体设备，其特征在于，所述基体（2）与盖板（1）是通过涂覆同种液态材料粘结，然后在60℃加热2小时，再放置室温静置24小时后来完成封装的。

4.根据权利要求1所述的一种人体汗液收集柔性微流体设备，其特征在于，所述基体（2）中间有贯穿顶部和底部的圆孔，为进液口（4），其直径为1 mm ~ 4 mm。

5.根据权利要求1所述的一种人体汗液收集柔性微流体设备，其特征在于，所述基体（2）是由模板拓印得到的，所述模板可由PMMA或用刻字机做出一次性使用的模板制得。

6.根据权利要求1所述的一种人体汗液收集柔性微流体设备，其特征在于，所述微液腔（7）的深度大于毛细管（6）和微流体通道（5）的深度。

7.根据权利要求1所述的一种人体汗液收集柔性微流体设备，其特征在于，所述盖板（1）上对应于汗液颜色指示剂（8）的位置做“+”标记。

8.根据权利要求1所述的一种人体汗液收集柔性微流体设备，其特征在于，所述微流体通道（5）为贯穿通道。

9.根据权利要求1所述的一种人体汗液收集柔性微流体设备，其特征在于，所述微液腔（7）中间设置若干防止塌陷的柱子（9）。

10.根据权利要求1-9任一所述的一种人体汗液收集柔性微流体设备的汗液收集检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将人体汗液收集柔性微流体设备固定在人体上，待汗液从进液口（3）进入微流体通道（5）后，通过手机软件定位盖板上的“+”标记扫描不同位置微液腔（7）内的颜色来得到出汗量；

2）待汗液收集完毕后，用注射器从出液口（4）抽取人体汗液收集柔性微流体设备里的汗液，来保存和进行医学检测。