CN109009046A - 电学传感器及其制备方法、以及胎音监护装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及胎音监护领域，公开了电学传感器及其制备方法、以及胎音监护装置和方法。一种电学传感器的制备方法，包括：将含有纳米材料的组装液置于表面具有图案化阵列结构的基底模板和柔性基材之间，然后进行诱导自组装，再剥离所述基底模板，得到电学传感器；所述电学传感器包括所述柔性基材和在所述柔性基材的表面上由所述组装液中的纳米材料形成的具有所述图案化阵列结构的直线阵列图案或曲线阵列图案。采用本发明的电学传感器进行胎音监护，具有高灵敏度和高精度，安全无害，可以实现24小时实时检测，操作方便，成本低廉的优点。

Description

电学传感器及其制备方法、以及胎音监护装置和方法
技术领域
本发明涉及胎音监护领域，具体涉及电学传感器及其制备方法、以及胎音监护装置和方法。
背景技术
随着纳米材料、功能材料在响应性器件、智能设备上的不断应用开发，依托于此的柔性传感器在医疗监测、智能服装、便携军用装置上的应用得到了广泛关注。使用柔性基材制备的电学传感器因其具有柔弹性特点，既能贴附于不规则或者刚性物体表面、也能贴附于人体皮肤，在机器人、手持式消费电子产品、显示器、医疗健康监测设备等领域有着潜在的应用。其中，胎音监护(也称胎心监护)就是通过监测孕妇和胎儿的生命体征数据，能够准确及时的了解胎儿的发育状态。其中，胎儿心率、胎儿体动及孕妇心率是胎音监护的重要数据，通过实时监测孕妇手腕、腹部等体表皮肤微动，经数据分析处理，可判断胎儿和孕妇的生命体征信号。
目前，胎音监护设备主要采用多普勒原理设计，是利用超声波的物理特性(如方向性、反射、衰减、穿透力等)和人体组织结构的声学特点密切结合的一种物理检查方法，向人体器官组织内部发射并接收其回声信号即可进行检查。声波携带能量，存在安全剂量的隐患。当使用的超声剂量小于这个值时，它是无害的，反之大于这个值时，则可能会产生有害的效应或损伤。尽管用于胎音监护的检测剂量很低，也属于有损探测范畴，不适于经常性、重复性的检查及家庭使用。
CN204500774U公开了一种用于妇科护理的超声多普勒胎心检测仪，包括超声探头、声衰减器、函数发生器、驱动电机等。但是操作复杂，需要专人配合使用，无法在中、小型医院及广大的农村地区普及。
CN205924063U提供了一种便携式胎心监测仪，同样采用多普勒原理设计，但是需要涂耦合剂，存在安全隐患、无法24小时实时监测、胎音监护不方便。
因此，在现有的胎音监护仪器中，存在装置复杂、操作不便、不够安全、无法24小时实时检测的缺点。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的使用不便、频繁使用对人体有害、无法实现24小时实时检测的问题，提供电学传感器及其制备方法、以及胎音监护装置和方法，采用本发明的电学传感器进行胎音监护，具有高灵敏度和高精度，安全无害，可以实现24小时实时检测，操作方便，成本低廉的优点。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种电学传感器的制备方法，其中，该方法包括：将含有纳米材料的组装液置于表面具有图案化阵列结构的基底模板和柔性基材之间，然后进行诱导自组装，再剥离所述基底模板，得到电学传感器；所述电学传感器包括所述柔性基材和在所述柔性基材的表面上由所述组装液中的纳米材料形成的具有所述图案化阵列结构的直线阵列图案或曲线阵列图案。
本发明第二方面提供了由上述方法制备的电学传感器，其中，该电学传感器包括柔性基材和在所述柔性基材的表面上由组装液中的纳米材料形成的具有图案化阵列结构的直线阵列图案或曲线阵列图案。
本发明第三方面提供了一种胎音监护装置，该装置包括上述的电学传感器，以及信号识别仪器或终端。
本发明第四方面提供了一种胎音监护的方法，该方法包括：将上述的电学传感器贴付于孕妇的体表皮肤，通过有线或无线的方式，将电学传感器与信号识别仪器或终端连接，进行数据采集与分析。
本发明通过采用印刷纳米材料图案化技术，在柔性基底上诱导自组装制备图案化阵列结构的直线阵列图案或曲线阵列图案，得到高性能的电学传感器，其中，电学传感器的直线或曲线阵列图案对微小形变具有高灵敏、高精度的实时电学响应特点。将一个或多个电学传感器贴付于孕妇的体表皮肤，电学传感器可通过有线或无线方式连接到信号识别仪器或终端，进行数据采集与分析，实时监测孕妇在日常活动如静止、活动和睡眠，以及不同环境和心理条件下，胎儿体动、胎儿心率及孕妇心率引起的体表微形变相关生理反应，而且该产品可用于24小时实时监护孕妇和胎儿生命体征。
附图说明
图1是本发明的电学传感器应用于监测孕妇脉搏的电阻响应图；
图2是本发明的电学传感器的制备过程示意图。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明第一方面提供了一种电学传感器的制备方法，其中，该方法包括：将含有纳米材料的组装液置于表面具有图案化阵列结构的基底模板和柔性基材之间，然后进行诱导自组装，再剥离所述基底模板，得到电学传感器；所述电学传感器包括所述柔性基材和在所述柔性基材的表面上由所述组装液中的纳米材料形成的具有所述图案化阵列结构的直线阵列图案或曲线阵列图案，制备过程示意图如图2所示。
根据本发明的方法，所述组装液包含纳米材料、溶剂和可选的表面活性剂。优选地，以组装液的总重量计，纳米材料的含量为0.5-20重量％，溶剂的含量为70-99.5重量％，表面活性剂的含量为0-10重量％。进一步优选地，纳米材料的含量为0.5-20重量％，溶剂的含量为70-99.45重量％，表面活性剂的含量为0.05-10重量％。
根据本发明的方法，所述纳米材料可以选自但不限于：纳米颗粒、碳纳米管、导电石墨烯和有机导电高分子中的一种或几种。进一步优选地，所述纳米颗粒为纳米金颗粒、纳米银颗粒、纳米铜颗粒、纳米铝颗粒和纳米铂颗粒中的一种或多种；进一步优选地，所述有机导电高分子为聚(3-己基噻吩-2,5-二基)(又称P3HT)、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(又称PEDOT)、聚苯胺(又称PAn)、聚吡咯(又称PPy)和聚对苯撑乙烯(又称PPV)中的一种或多种。
根据本发明的方法，所述溶剂可以为但不限于：水、甲醇、乙醇、丙酮、甲苯、乙二醇、异丙醇、二甘醇、乙二醇甲醚、乙二醇乙醚、乙二醇丁醚、乙二醇苯醚、乙二醇苄醚、康醇、二甘醇甲醚、二甘醇乙醚、二甘醇丁醚、三甘醇甲醚、双丙酮醇、十三醇、十四醇、邻苯二甲酸二辛酯、醋酸乙酯、醋酸丁酯、环己酮、二甲苯、联二环己烷、环己烷、正丁醇、丁酮、邻苯二甲酸二甲酯和山梨糖醇中的一种或几种。
根据本发明的方法，所述表面活性剂可以为但不限于：阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性离子表面活性剂或非离子表面活性剂；进一步优选地，所述阴离子表面活性剂为十二烷基苯磺酸纳、十二烷基硫酸钠或硬脂酸；进一步优选地，所述阳离子表面活性剂为季铵化合物；进一步优选地，所述两性离子表面活性剂为氨基酸型、甜菜碱型、聚丙烯酰胺或卵磷脂；进一步优选地，所述非离子表面活性剂为脂肪酸山梨坦、脂肪酸甘油酯、聚山梨酯或吐温。其中，季铵化合物可以为苯扎氯胺、苯扎溴铵；氨基酸型表面活性剂可以为十二烷基氨基丙酸钠、十二烷基二亚甲基氨基二甲酸钠，甜菜碱型表面活性剂可以为N-(十二酰胺丙撑基)二甲基甜菜碱、α-十六烷基三甲基甜菜碱，但并不限于此。
根据本发明的方法，所述基底模板以能够形成自组装结构为目的，例如可以为但不限于：硅片、铝片、铜片、玻璃片、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷(又称PDMS)膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯(又称PET)膜、聚甲基硅氧烷酯(又称PMMS)膜或聚氨酯材料是聚氨基甲酸酯(又称PU)膜。
根据本发明的方法，所述图案化阵列结构为直线或曲线排列的点阵列、柱状阵列、纺锤柱阵列、圆柱阵列或多面体柱阵列。也就是说，图案化阵列结构包含多个点阵列、柱状阵列、纺锤柱阵列、圆柱阵列或多面体柱阵列，阵列以直线或曲线排列。
根据本发明的方法，所述柔性基材具有柔性应力，例如可以为但不限于：PDMS膜、PET膜、聚苯乙烯(又称PS)膜、PU膜或聚酰亚胺(又称PI)膜。进一步优选的，所述柔性基材的厚度为0.3mm-1mm。在此厚度范围内的柔性基材使得电学传感器具有较好的灵敏度。
根据本发明的方法，组装液置于表面具有图案化阵列结构的基底模板的用量以形成高灵敏电学传感器为目的，无特别的限定。在优选的情况下，组装液置于表面具有图案化阵列结构的基底模板的用量为20-30μL/cm2。例如，在每cm2的表面具有图案化阵列结构的基底模板的表面，滴加20-30μL的组装液。
根据本发明的方法，所述诱导自组装为本领域常规的方法，在此不再赘述。
本发明第二方面提供了由上述方法制备的电学传感器，其中，该电学传感器包括柔性基材和在所述柔性基材的表面上由组装液中的纳米材料形成的具有图案化阵列结构的直线阵列图案或曲线阵列图案。
在本发明中，所述曲线阵列图案可以为但不限于正弦波图案；优选地，所述正弦波的振幅与周期比值为0.1-1。
在本发明中，根据本发明方法制备的电学传感器的拉伸形变量为0％-50％，最小感应形变量不大于0.05％，最小感应面积不大于0.1mm2，最小响应时间不大于2ms。由此本发明的电学传感器对微小形变具有高灵敏、高精度的实时电阻响应的特点。
本发明第三方面提供了一种胎音监护装置，该装置包括上述的电学传感器，以及信号识别仪器或终端。
其中，信号识别仪器或终端可以在电脑、手机中显示胎音监护结果。
本发明第四方面提供了一种胎音监护的方法，该方法包括：将上述的电学传感器贴付于孕妇的体表皮肤，通过有线或无线的方式，将电学传感器与信号识别仪器或终端连接，进行数据采集与分析。
其中，孕妇的体表皮肤可以是腕部、心口、肚皮、肩部、肘部、膝部、颈部、胸口、腹部等。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
将2500μL组装液(含量为5重量％的粒径约为30nm的银纳米粒子、含量为0.05重量％的十二烷基硫酸钠和含量为94.95重量％的水)置于100cm2表面具有图案化阵列结构的硅片(基底模板)和厚度为0.8mm的PDMS膜(柔性基材)中间，诱导组装成振幅与周期比为0.12的微米曲线阵列图案，再剥离所述表面具有图案化阵列结构的硅片，得到电学传感器。
将一片电学传感器贴附于孕妇的腕部，并通过铜线连接到监测仪器上，实时记录由脉搏跳动引起的腕部皮肤起伏引起的电阻变化信息，如图1所示，从图中能够看出，无加载时为直线，而将电学传感器贴附于孕妇的腕部时可以得到孕妇的每分钟脉搏跳动的次数与强度信息。
实施例2
将3000μL组装液(含量为5重量％的粒径为30nm的金纳米粒子、含量为0.05重量％的十二烷基苯磺酸钠和含量为94.95重量％的甲醇)置于100cm2表面具有图案化阵列结构的玻璃片(基底模板)和厚度为0.6mm的PET膜(柔性基材)中间，诱导组装成振幅与周期比为0.26的微米曲线阵列图案，再剥离所述表面具有图案化阵列结构的玻璃片，得到电学传感器。
将三片传感器分别贴附于孕妇的心口，并通过蓝牙模块连接到监测仪器上，实时记录被孕妇在生活、工作中的心率变化。
实施例3
将2000μL组装液(含量为10重量％的粒径为100nm的铜纳米粒子、含量为0.05重量％的卵磷脂和含量为89.95重量％的乙醇)置于100cm2表面具有图案化阵列结构的铝片(基底模板)和厚度为0.5mm的PDMS膜(柔性基材)中间，诱导组装成直线阵列图案，再剥离所述表面具有图案化阵列结构的铝片，得到电学传感器。
将六传感器分别贴附于孕妇的肚皮上，并通过蓝牙模块连接到监测仪器上，记录由于胎儿运动引起的肚皮起伏情况，分析胎儿体动的频率。
实施例4
将2500μL组装液(含量为5重量％的粒径为30nm的铂纳米粒子、含量为0.05重量％的聚山梨酯和含量为94.95重量％的乙二醇乙醚)置于100cm2表面具有图案化阵列结构的PDMS膜(基底模板)和厚度为0.8mm的PI膜(柔性基材)中间，诱导组装成振幅与周期比为0.45的微米曲线阵列图案，再剥离所述表面具有图案化阵列结构的PDMS膜，得到电学传感器。
将六片传感器贴附于孕妇的双肩、双肘、双膝，并通过蓝牙模块连接到监测仪器上，当孕妇进行运动时，记录孕妇的运动幅度及异常动作。
实施例5
将2500μL组装液(含量为1重量％的导电高分子材料P3HT、含量为99％的甲苯)置于100cm2表面具有图案化阵列结构的硅片(基底模板)和厚度为0.8mm的PDMS膜(柔性基材)中间，诱导组装成振幅与周期比为0.28的微米曲线阵列图案，再剥离所述表面具有图案化阵列结构的PDMS膜，得到电学传感器。
将四片传感器贴附于孕妇的肚皮上部、下部、左侧和右侧，并通过蓝牙模块连接到监测仪器上，实时监测胎儿心率。
实施例6
将2500μL组装液(含量为0.5重量％的导电高分子材料PEDOT、含量为99.5％的水)置于100cm2表面具有图案化阵列结构的硅片(基底模板)和厚度为0.8mm的PDMS膜(柔性基材)中间，诱导组装成振幅与周期比为0.28的微米曲线阵列图案，再剥离所述表面具有图案化阵列结构的硅片，得到电学传感器。
将两片传感器贴附于孕妇两膝关节处，并通过蓝牙模块连接到监测仪器上，当孕妇进行日常行走，实时记录了由膝关节运动引起的电阻变化信息，收集数据并分析，可得到孕妇行走的步数信息。
实施例7
将2500μL组装液(含量为5重量％的导电石墨烯、含量为0.05％的十二烷基硫酸钠和含量为94.95％的水)置于100cm2表面具有图案化阵列结构的硅片(基底模板)和厚度为0.5mm的PDMS膜(柔性基材)中间，诱导组装成振幅与周期比为0.7的微米曲线阵列图案，再剥离所述表面具有图案化阵列结构的硅片，得到电学传感器。
将一片传感器贴附于孕妇颈部，并通过wifi连接到监测仪器上，实时记录了由颈动脉起伏的电阻变化信息，收集数据并分析，可对比分析孕妇的心率变化。
实施例8
将2500μL组装液(含量为20重量％的粒径为200nm的铝纳米粒子、含量为10％的十二烷基硫酸钠和含量为70％的水)置于100cm2表面具有图案化阵列结构的硅片(基底模板)和厚度为0.3mm的PDMS膜(柔性基材)中间，诱导组装成振幅与周期比为0.5的微米曲线阵列图案，再剥离所述表面具有图案化阵列结构的硅片，得到电学传感器。
将三片传感器贴附于孕妇胸口位置，并通过wifi连接到监测仪器上，实时记录了由呼吸引起的胸部皮肤变化，收集数据并分析，可对比分析孕妇的呼吸速率变化。
实施例9
将2500μL组装液(含量为5重量％的直径为10nm的碳纳米管、含量为0.05％的十二烷基苯磺酸纳和含量为94.95％的水)置于100cm2表面具有图案化阵列结构的硅片(基底模板)和厚度为1mm的PET膜(柔性基材)中间，诱导组装成振幅与周期比为1的微米曲线阵列图案，再剥离所述表面具有图案化阵列结构的硅片，得到电学传感器。
将三片传感器贴附于孕妇腹部的左右两侧和中间，并通过蓝牙连接到监测仪器上，实时记录了由胎儿心跳数据并分析，可对比分析胎儿的胎心率变化。
采用本发明方法制备的电学传感器的具有高灵敏、高精度的实时电学响应特点。将一个或多个电学传感器贴付于孕妇的体表皮肤，电学传感器可通过有线或无线方式连接到信号识别仪器或终端，进行数据采集与分析，实时监测孕妇在日常活动如静止、活动和睡眠，以及不同环境和心理条件下，胎儿体动、胎儿心率及孕妇心率引起的体表微形变相关生理反应，而且可用于24小时实时监护孕妇和胎儿生命体征。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电学传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括：将含有纳米材料的组装液置于表面具有图案化阵列结构的基底模板和柔性基材之间，然后进行诱导自组装，再剥离所述基底模板，得到电学传感器；所述电学传感器包括所述柔性基材和在所述柔性基材的表面上由所述组装液中的纳米材料形成的具有所述图案化阵列结构的直线阵列图案或曲线阵列图案。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述组装液包含纳米材料、溶剂和可选的表面活性剂；
优选地，以组装液的总重量计，纳米材料的含量为0.5-20重量％，溶剂的含量为70-99.5重量％，表面活性剂的含量为0-10重量％；
优选地，所述纳米材料选自纳米颗粒、碳纳米管、导电石墨烯和有机导电高分子中的一种或几种；进一步优选地，所述纳米颗粒为纳米金颗粒、纳米银颗粒、纳米铜颗粒、纳米铝颗粒和纳米铂颗粒中的一种或多种；进一步优选地，所述有机导电高分子为P3HT、PEDOT、PAn、PPy和PPV中的一种或多种；
优选地，所述溶剂为水、甲醇、乙醇、丙酮、甲苯、乙二醇、异丙醇、二甘醇、乙二醇甲醚、乙二醇乙醚、乙二醇丁醚、乙二醇苯醚、乙二醇苄醚、康醇、二甘醇甲醚、二甘醇乙醚、二甘醇丁醚、三甘醇甲醚、双丙酮醇、十三醇、十四醇、邻苯二甲酸二辛酯、醋酸乙酯、醋酸丁酯、环己酮、二甲苯、联二环己烷、环己烷、正丁醇、丁酮、邻苯二甲酸二甲酯和山梨糖醇中的一种或几种；
优选地，所述表面活性剂为阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性离子表面活性剂或非离子表面活性剂；进一步优选地，所述阴离子表面活性剂为十二烷基苯磺酸纳、十二烷基硫酸钠或硬脂酸；进一步优选地，所述阳离子表面活性剂为季铵化合物；进一步优选地，所述两性离子表面活性剂为氨基酸型、甜菜碱型、聚丙烯酰胺或卵磷脂；进一步优选地，所述非离子表面活性剂为脂肪酸山梨坦、脂肪酸甘油酯、聚山梨酯或吐温。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基底模板为硅片、铝片、铜片、玻璃片、聚四氟乙烯、PDMS膜、PET膜、PMMS膜或PU膜。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述图案化阵列结构为直线或曲线排列的点阵列、柱状阵列、纺锤柱阵列、圆柱阵列或多面体柱阵列；
优选地，所述柔性基材为PDMS膜、PET膜、PS膜、PU膜或PI膜；进一步优选地，所述柔性基材的厚度为0.3mm-1mm。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，组装液置于表面具有图案化阵列结构的基底模板的用量为20-30μL/cm2。
6.由权利要求1-5中任意一种所述方法制备的电学传感器，其中，该电学传感器包括柔性基材和在所述柔性基材的表面上由组装液中的纳米材料形成的具有图案化阵列结构的直线阵列图案或曲线阵列图案。
7.根据权利要求6所述的电学传感器，其中，所述曲线阵列图案为正弦波图案。
8.根据权利要求7所述的电学传感器，其中，所述正弦波的振幅与周期比值为0.1-1。
9.一种胎音监护装置，该装置包括权利要求6-8中任意一项所述的电学传感器，以及信号识别仪器或终端。
10.一种胎音监护的方法，该方法包括：将权利要求6-8中任意一项所述的电学传感器贴付于孕妇的体表皮肤，通过有线或无线的方式，将电学传感器与信号识别仪器或终端连接，进行数据采集与分析。
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