CN109916980A - 一种体液分析物的可穿戴传感器及其传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种体液分析物的可穿戴传感器及其传感方法。本发明的可穿戴传感器包括：环形穿戴模型、传感电极、微电流计和电源；其中，微电流计包括电流采集电路、A/D转换电路、微处理器、显示电路和显示屏；或者，本发明的可穿戴传感器包括：环形穿戴模型、传感电极、电流采集电路、A/D转换电路、微处理器、无线发射器和无线接收器；本发明针对人体的体液进行实时检测；针对汗液的乳酸敏感检测范围为0.04762～9.21429mM；反应时间短为2分钟左右，要远远短于医疗检测手段；拥有长时间的寿命，纽扣电极的稳压时长达2百小时，能够持续不间断测量；拥有稳定的电流和较高的准确率。

Description

一种体液分析物的可穿戴传感器及其传感方法

技术领域

本发明涉及生物传感技术，具体涉及一种对于体液分析物的可穿戴传感器及其传感方法。

背景技术

目前生物传感器越来越得到广泛的应用，其中包括医疗，健康以及军工等数据采集设备。具有很大市场需求的可穿戴、可植入传感器也越来越追求系统的小型化及可持续性检测，但目前市面上的人体健康监测的传感器体积依然很大，便携性很差，监测成本高昂，需要几天的化验等待时间等等还一时难以解决的诸多问题。而且目前的检测手段只能有医院方面完成，难以走进到真正普通家庭中，他们是通过现场对化学成分的测量而间接获得实时信息,离个人体液检测仪器仍有很大距离。目前电化学传感器的发展的一大方向是,实现传感器结构的复杂度,契合度以及微型化,高传感功能的便携性和可行性。

在现有的体液传感器中，目前的传感器主要操作是在电位和安培模式下,即电流时间曲线,测量电流随时间的变化曲线图,获得变化信号。目前的传感器的变化趋势逐渐向小型化,可塑化,智能化发展。现阶段的电化学传感器主要分为电位型传感器,电流型传感器以及电导型传感器。本发明主要运用到电位传感器，它是基于电极电位与被测成分的浓度关系,被测物质的浓度改变是通过电极电位变化来测得,传感器在参比电极电极和电解质之间的界面处于一个恒定的电位,使得分析物的恒定电位电解。根据扩散控制条件,确定极限电流与浓度的线性关系,从而检测待检测物质成分的实时变化。对于传感器电源，目前生物传感器的能量来源分为三类，一由外电路提供电源，缺点是限制了传感器的使用范围；二是通过天线元件接收空气中的无线电波作为能量来源，优点是能够进行无线信号传输，但它的使用范围限制于匹配的无线电波环境中，信号易受影响，噪声较大；三是自带电源的传感器，这类电源包括纽扣电池等，它的电路比较简单，器件尺寸较为小巧。

发明内容

为了解决可穿戴的汗液实时检测的问题，本发明提出了一种对于体液分析物的可穿戴传感器及其传感方法，用于检测乳酸；本发明的可穿戴传感器，使得生物传感器微型化，更加适于商业应用，也将为生物医学分析、污染物监测和爆炸物检测提供更可靠的检测方式。

本发明的一个目的在于提出一种对于体液分析物的可穿戴传感器。

本发明的对于体液分析物的可穿戴传感器的电源采用电池或者无线接收器。

电源采用电池，本发明的对于体液分析物的可穿戴传感器包括：环形穿戴模型、传感电极、微电流计和电源；其中，微电流计包括电流采集电路、A/D转换电路、微处理器、显示电路和显示屏，电流采集电路、A/D转换电路和微处理器依次连接，微处理器通过显示电路连接至显示屏；环形穿戴模型为环形结构，内部设置有空腔；微电流计的电流采集电路、A/D转换电路微处理器和显示电路以及电源安装在环形穿戴模型内部的空腔内；显示屏设置在环形穿戴模型的外表面；传感电极设置在环形穿戴模型的内表面，包括工作电极和对电极，二者之间有距离；工作电极和对电极分别通过导线连接至电源的正极和负极；在工作电极与电源之间，或者在对电极与电源之间串联微电流计；在工作电极的表面固定催化剂；待检测物待检测物测试者穿戴上环形穿戴模型，当没有体液时，工作电极与对电极之间断开，微电流计处在断路中没有显示；当测试者的表面产生体液时，体液中的待检测物与催化剂发生催化反应，催化反应的生成物发生电化学反应，形成电化学反应电流，工作电极与对电极导通，形成闭合回路，电流的大小与体液中的待检测物的浓度有关，电流采集电路采集电流，经A/D转换电路转换为数字信号传输至微处理器，微处理器处理后得到待检测物的浓度，通过显示电路传输给显示屏，显示屏显示待检测物的浓度。

微电流计包括电流采集电路、A/D转换电路、微处理器、显示电路和显示屏，其中，电流采集电路、A/D转换电路和微处理器串联在工作电极与电源之间，或者在对电极与电源之间；电流采集电路采集电流，传输至A/D转换电路，A/D转换电路将电流转换为数字信号传输至微处理器，微处理器根据电流值得到相应的浓度值，传输至显示电路；显示电路将数字信号输出至显示屏显示。显示屏采用多个LED数码管。微处理器的宽度为2～3mm，长度2～3mm，高为0.6～0.9mm。

电源采用内置电池的方式，电源为电池，电池为可置换的结构，采用小型电池，如纽扣电池、柱状电池，方形电池或异形电池。电池或小型无线充电单元内置在环形穿戴模型内的安装孔中，两端分别连接至工作电极和对电极，并串联微电流计，为微电流计提供电源，并在工作电极和对电极之间形成电位差，促进电化学反应。电源的电压为1～10V；工作电极上的电位为0.3～4V。

电源采用无线接收器，本发明的对于体液分析物的可穿戴传感器包括：环形穿戴模型、传感电极、电流采集电路、A/D转换电路、微处理器、无线发射器和无线接收器；其中，电流采集电路、A/D转换电路和微处理器依次连接；无线接收器连接至微处理器；微处理器连接至无线发射器；环形穿戴模型为环形结构，内部设置有空腔；电流采集电路、A/D转换电路、微处理器、无线发射器和无线接收器安装在环形穿戴模型内部的空腔内；传感电极设置在环形穿戴模型的内表面，包括工作电极和对电极，二者之间有距离；工作电极连接至微处理器，对电极连接至电流采集电路；在工作电极的表面固定催化剂；测试者穿戴上环形穿戴模型，外部的控制器发射射频信号，无线接收器接收射频信号并转变成交流电，传输至微处理器，微处理器将交流电转换成直流电，在工作电极和对电极上提供电压；当没有体液时，工作电极与对电极之间断开，为断路；当测试者的表面产生体液时，体液中的待检测物与催化剂发生催化反应，催化反应的生成物发生电化学反应，形成电化学反应电流，工作电极与对电极导通，形成闭合回路，电流的大小与体液中的待检测物的浓度有关，电流采集电路采集电流，经过A/D转换电路转换为数字信号传输至微处理器，微处理器得到待检测物的浓度，通过无线发射器将结果发射至外部的控制器，从而外部的控制器显示待检测物的浓度。

外部的控制器采用计算机或者智能手机。

无线接收器包括感应线圈和整流器，外部的控制器为感应线圈提供射频信号，感应线圈产生感应电流，经整流器整流后传输至微处理器进行供电，射频信号采用短距离传输高频电波，例如蓝牙的2.485GHz的ISM波段的UHF无线电波。这种射频信号的频率都在安全范围内，不会对人体产生损害。

根据测试者的穿戴部位的形体大小，设定环形穿戴模型的尺寸，外半径为8～70mm，内半径为5～50mm，高为5～100mm。环形穿戴模型采用3D打印的方法，在内部形成空腔，作为微电流计的电流采集电路、A/D转换电路、微处理器、和显示电路以及电源，或者电流采集电路、A/D转换电路、微处理器、无线发射器和无线接收器的安装孔。环形穿戴模型为戒指或手环。环形穿戴模型采用无机高分子材料、有机聚合物或者不导电涂层覆盖的金属材料，例如光敏树脂材料。

传感电极采用两电极体系或三电极体系。在两电极体系中，传感电极由工作电极和对电极组成，在工作过程中，工作电极和对电极之间形成电流回路和电压回路，电化学反应电流由此之间流通，同时由电源提供一个稳定的电位差。在三电极体系中，传感电极由工作电极、参比电极和对电极组成，工作电极和对电极分别连在电源的两端，参比电极连接至环形穿戴模型相当于接地；在工作过程中，工作电极和对电极之间形成电流回路，而参比电极和工作电极之间形成稳压电路，较少了极化现象的影响。

工作电极和对电极采用对电化学反应敏感的传感材料，例如石墨或金；参比电极采用电位稳定的材料。工作电极和对电极的宽度为1～5mm，厚度为0.1～0.5mm，工作电极与对电极的间距为1～3mm。

针对待检测物选择相应的催化剂，例如，体液是汗液，汗液中含有乳酸和葡萄糖，待检测物是乳酸或葡萄糖，则针对乳酸选择催化剂为乳酸氧化酶，葡萄糖选择催化剂为葡萄糖氧化酶；其中，乳酸氧化酶或葡萄糖氧化酶浓度为10～100U/μl，容量为1～10μl。进一步，采用固化剂将催化剂固定在工作电极的表面，根据催化剂选择固化剂，针对乳酸氧化酶或葡萄糖氧化酶的催化剂，固化剂采用戊二醛。

本发明与人体接触部分，持续电压范围在1～6V之间，小于持续接触安全电压24V；持续电流在0～0.1mA之间，小于人体持续接触安全电流10mA和人体感知最小电流1mA，故不会对人体健康造成任何危害，以及不会在佩戴过程中产生任何异样感。

本发明的另一个目的在于提供一种对于体液分析物的可穿戴传感器的传感方法。

本发明的对于体液分析物的可穿戴传感器的传感方法，电源采用电池，包括以下步骤：

1)根据待检测物，提供相应的催化剂，固定在工作电极的表面；

2)测试者穿戴上环形穿戴模型，当没有体液时，工作电极与对电极之间断开，微电流计处在断路中没有显示；

3)当测试者的表面产生体液时，体液中的待检测物与催化剂发生催化反应，催化反应的生成物发生电化学反应，形成电化学反应电流，工作电极与对电极导通，形成闭合回路，电流的大小与体液中的待检测物的浓度有关；

4)电流采集电路采集电流，经A/D转换电路转换为数字信号传输至微处理器，微处理器处理后得到待检测物的浓度，通过显示电路传输给显示屏，显示屏显示待检测物的浓度。

本发明的对于体液分析物的可穿戴传感器的传感方法，电源采用无线接收器，包括以下步骤：

1)根据待检测物，提供相应的催化剂，固定在工作电极的表面；

2)测试者穿戴上环形穿戴模型；

3)外部的控制器发射射频信号，无线接收器接收射频信号并转变成交流电，传输至微处理器，微处理器将交流电转换成直流电，在工作电极和对电极上提供电压；

4)当没有体液时，工作电极与对电极之间断开，为断路；

5)当测试者的表面产生体液时，体液中的待检测物与催化剂发生催化反应，催化反应的生成物发生电化学反应，形成电化学反应电流，工作电极与对电极导通，形成闭合回路，电流的大小与体液中的待检测物的浓度有关；

6)电流采集电路采集电流，经过A/D转换电路转换为数字信号传输至微处理器，微处理器得到待检测物的浓度，通过无线发射器将结果发射至外部的控制器，从而外部的控制器显示待检测物的浓度。

其中，在步骤1)中，针对汗液中乳酸或葡萄糖，乳酸选择催化剂为乳酸氧化酶，葡萄糖选择催化剂为葡萄糖氧化酶；其中，乳酸氧化酶或葡萄糖氧化酶浓度为10～100U/μl，容量为1～10μl。采用固化剂将催化剂固定在工作电极的表面，针对乳酸氧化酶或葡萄糖氧化酶的催化剂，固化剂采用戊二醛。

本发明的优点：

本发明针对人体的体液进行实时检测；针对汗液的乳酸敏感检测范围为0.04762～9.21429mM(毫摩每升)；反应时间短为2分钟左右，要远远短于医疗检测手段；拥有长时间的寿命，纽扣电极的稳压时长达2百小时，能够持续不间断测量；拥有稳定的电流和较高的准确率，回归相关系数为0.9935。

附图说明

图1为本发明的对于体液分析物的可穿戴传感器的一个实施例的示意图，其中，(a)为外部的结构示意图，(b)为电路原理图；

图2为本发明的对于体液分析物的可穿戴传感器和电化学仪器的实施例一的电源的性能比较图，其中，其中，(a)和(b)分别为可穿戴传感器在不同电压下的电流随时间的变化图，(c)和(d)分别为电化学工作站在不同电压下的电流随时间变化图；

图3为本发明的对于体液分析物的可穿戴传感器的实施例一的电源在不同浓度的缓冲溶液下的性能比较图，其中，(a)～(c)分别对应着不同的缓冲溶液的浓度；

图4为实施例二的传统的电化学工作站测量得到的H₂O₂检测表征图；

图5为本发明的对于体液分析物的可穿戴传感器的实施例二测量得到的H₂O₂检测表征图；

图6为实施例三的电化学工作站测量得到的乳酸检测表征图；

图7为本发明的对于体液分析物的可穿戴传感器的实施例三测量得到的乳酸检测表征图；

图8为本发明的对于体液分析物的可穿戴传感器的实施例四测得人工汗液的乳酸浓度图；

图9为本发明的对于体液分析物的可穿戴传感器的实施例四测得的实际汗液的乳酸浓度图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的对于体液分析物的可穿戴传感器包括：环形穿戴模型1、传感电极2、微电流计3和电源4；其中，微电流计包括电流采集电路、A/D转换电路、微处理器、显示电路和显示屏33，电流采集电路、A/D转换电路和微处理器依次连接，微处理器通过显示电路连接至显示屏；环形穿戴模型为环形结构，内部设置有空腔；微电流计的微处理器和显示电路以及电源安装在环形穿戴模型内部的空腔内；显示屏33设置在环形穿戴模型1的外表面；传感电极2设置在环形穿戴模型1的内表面，包括工作电极和对电极，二者之间有距离；工作电极和对电极分别通过导线连接至电源的正极和负极；在工作电极与电源之间，或者在对电极与电源之间串联微电流计；在工作电极的表面固定催化剂。

在本实施例中，工作电极和对电极长度和宽度分别为15mm和2mm，工作电极采用黑色石墨，参比电极采用Ag/AgCl。

以缓冲溶液作为模拟实际人体的汗液的生理溶液，以乳酸作为待检测物。催化剂采用乳酸氧化酶或葡萄糖氧化酶的催化剂，汗液中的乳酸在氧化酶的酶促反应下发生催化反应分解，生成过氧化氢H₂O₂，H₂O₂在工作电极上发生电化学反应产生电流。

可穿戴传感器在测试前，需要放置在浓度已知的待检测物中进行标定，工作电极和对电极分别连接电源的正负极，并且串联电流表，得到待检测物的浓度与电流之间的关系，包括以下步骤：

a)提供已知待检测物浓度的体液；

b)在工作电极的表面固定催化剂；

c)工作电极和对电极的表面被体液覆盖；

d)体液中的待检测物与催化剂发生反应形成电化学反应电流，工作电极与对电极导通，形成闭合回路；

e)电流表中有电流通过，电流的大小体现体液的浓度有关；

f)记录下此浓度下对应的电流值；

g)改变待检测物的浓度，重复步骤b)～e)，得到一组已知的浓度与对应的电流值；

h)将一组已知的浓度与对应的电流值进行拟合，得到待检测物的浓度与电流之间的关系。

微处理器根据电流得到待检测物的浓度。

实施例一

在本实施例中，分别利用传统的测量仪器电化学工作站和以纽扣电池作为电源的可穿戴传感器进行检测H₂O₂浓度。电化学工作站是现有技术中的电化学测量仪器，非常大。

(一)对可穿戴传感器的电源的电压进行优化

图2显示了具有不同电压的电化学工作站和以纽扣电池作为电源的可穿戴传感器的比较。图2a显示了1mM H₂O₂的特性，纽扣电池的电压为1.5V。在可穿戴传感器中加入100μL缓冲溶液后，向缓冲溶液中加入5μL的1mM H₂O₂；响应时间为4分钟，灵敏度为-1.89μA/mM。加入H₂O₂后，由于H₂O₂和溶液中的氧化物被大电流快速氧化，电流基线降低。图2b显示了使用传感器测量的H₂O₂电流时间响应图，纽扣电池的电压为3.0V，加入100μL缓冲溶液后，加入5μL的1mM H₂O₂，响应时间为～2min，灵敏度为2.10μA/mM，检测限为0.014286mM。图2c为电化学工作站在1.5V下检测H₂O₂的信号响应曲线，与上述实验步骤相同，响应时间为2分钟，电流增加0.78μA，灵敏度为15.75μA mM^-1，检测限为0.001905mM。图2d显示了使用电化学工作站测量的H2O2的电流时间响应图，源电压为3.0V。电流基线为129.30000μA，响应时间为2分钟，灵敏度为194.04000μA/mM，检测限为0.001546mM。该图表明，电池供电的可穿戴传感器的电流灵敏度和检测限均低于电化学工作站，响应时间相似。对于1.5和3.0V的电源电压，电池供电的传感器对电压变化测量性能的影响较小；相比之下，电化学工作站的影响较大，电流基线大大增加，斜率高12倍。此外，在这两种类型的可穿戴传感器中，1.5和3.0V的电压会由于电极上的电流过大而导致较大的噪声和不稳定性，从而在表面上产生过多的气体，从而使电极性能不稳定。

(二)对可穿戴传感器的不同缓冲溶液的浓度下进行检测

如图3所示，将由电池供电的可穿戴传感器用于检测H₂O₂的0.5mM缓冲溶液，如图3a所示。将100μl缓冲溶液放置在传感器上，然后将5μl的1mM H₂O₂添加到可穿戴传感器中；将混合物静置，直到达到稳定状态。响应时间为～3分钟，灵敏度为3.7609μA mM-1，检测限为0.00638mM，电流基线为11.4863μA。图3b显示了电池供电的可穿戴传感器在2.0mM缓冲溶液中检测H₂O₂的信号响应。将100μl缓冲溶液置于可穿戴传感器上，然后向可穿戴传感器中加入5μl 1mM H₂O₂。反应时间为7分钟，灵敏度为4.3138μA mM-1，电流基线为17.797μA，检出限为0.00556mM。图3c显示了用于在50.0mM缓冲溶液中检测H₂O₂的电池供电的可穿戴传感器的信号响应曲线。向可穿戴传感器中添加100μl缓冲溶液，然后添加5μl 5mM H₂O₂。反应时间为6分钟，斜率为-1.533μA/mM，当前基线为33.6964μA。当前基线随着缓冲液浓度的增加而增加，浓度为50mM，导致当前基线最高。对于H₂O₂检测，在2mM缓冲液浓度下获得最大信号。这可能是因为当缓冲液浓度较低时，溶液中的离子浓度也较低；反过来，电子转移效率较低，因此工作电极表面的H₂O₂氧化反应不能被电流及时变化所反映。然而，当缓冲液浓度较高时，电流基线也较大；反过来，电子和液体表面之间穿过电极的电子密度也随着H₂O₂消耗率的增加而增加。因此，电流不易稳定，信号响应较小。

实施例二

在本实施例中，分别利用电化学工作站和纽扣电池作为电源的可穿戴传感器进行检测H₂O₂浓度。

(一)电化学工作站检测H₂O₂的电流时间曲线

图4显示了使用电化学工作站基于石墨生物传感器的H₂O₂检测的特征。使用电化学工作站在1.5V电压下测量，在可穿戴传感器上放置100μl的2mM缓冲溶液，然后添加5μl每种浓度的H₂O₂溶液；使混合物静置，直到电流稳定，然后继续逐滴添加下一种浓度的H₂O₂。图中，C1～C7分别为检测物的浓度梯度，C1:0.04762mM，C2:0.08875mM，C3:0.21146mM，C4:0.40217mM,C5:0.77000mM,C6:1.86462mM,C7:2.46724mM为滴加的检测物的浓度梯度(下同)。图4a显示了H₂O₂检测的当前时间曲线。当溶液加入时，由于新加入的H₂O₂分子集中在电极表面，大量的H₂O₂分子与电极接触，氧化反应强烈。因此，产生非常大的电流，H₂O₂继续迅速扩散。与参与反应一样，电极表面被过氧化氢还原。随着扩散速率的逐渐减小，电流开始稳定，直至扩散均匀。此外，随着液滴浓度的增加，扩散所需的时间也随着响应时间的增加而增加，使电流更难达到平衡。测量时间为～5分钟。可穿戴传感器检测H₂O₂的电流时间曲线，如图4b所示，回归系数R²为0.9999。

(二)可穿戴传感器检测H₂O₂的电流时间曲线

图5显示了以纽扣电池作为电源的可穿戴传感器检测H₂O₂的特性。万用表与1.5V的纽扣电池一起用于感应。图5a表明，在加入100μl的2mM缓冲溶液后，在工作电极上加入5μl每种浓度的H₂O₂。电流稳定后，继续滴加下一浓度的H₂O₂。当加入H₂O₂溶液时，产生的电流很大，然后电流逐渐减小并稳定，直至扩散均匀。此外，随着液滴浓度的增加，响应时间也随之增加，电流难以达到平衡。测量时间为～4分钟。从图5b的校准曲线来看，斜率为4.3138μA/mM，回归系数R²为0.9967，当前基线为17.6715μA，检测限为0.00556mM。

比较电化学工作站和电池供电传感器之间的H₂O₂测量结果，可以忽略不计。信号基本相同，电化学工作站的检测限和斜率稍好。

实施例三

在本实施例中，分别利用电化学工作站和纽扣电池作为电源的可穿戴传感器进行检测乳酸浓度。

(一)电化学工作站作为电源检测乳酸的电流时间曲线

图6显示了使用电化学工作站作为仪器，用可穿戴传感器来检测乳酸的时间电流曲线。将电化学工作站的电压设为1.5V，然后加入100μl的2mM缓冲溶液，在工作电极顶部加入5μl每种浓度的H₂O₂。等待电流稳定后，继续滴加下一浓度的乳酸。其中，C1～C8分别为检测物的浓度梯度，C1:0.04762mM，C2:0.08875mM，C3:0.21146mM，C4:0.40217mM,C5:0.77000mM,C6:1.86462mM,C7:2.46724mM,C8:3.36243mM。当溶液加入时，乳酸分子集中在电极表面。因为乳酸产生H₂O₂需要一段时间，所以电信号有一个滞后时间，它从当前基线开始增加；这与H₂O₂的响应信号不同。乳酸的生成速率大于H₂O₂的扩散速率和消耗速率之和，因此，信号缓慢上升，直到这两个速率基本相等，此时电流变得稳定。电化学工作站的测量时间为2分钟，产生的信号响应与乳酸浓度成正比。从图6b中的校准曲线来看，得到的斜率为4.2963μA/mM，回归系数R²为0.9914，当前基线为14.0600μA，检测限为0.00698mM。

(二)可穿戴传感器检测乳酸的电流时间曲线

图7显示了使用电池供电的可穿戴传感器检测乳酸的电化学曲线。设定1.5V电压，然后加入100μl的2mM缓冲液，在工作电极顶部加入5μl每种乳酸浓度。等待电流稳定后，继续滴加下一浓度的乳酸。加入溶液后，电信号开始改变需要时间，并且从当前基线开始增加；信号缓慢上升，直到稳定。电池供电传感器的测量时间为2分钟。产生的信号响应与乳酸浓度成正比。斜率为3.5032μA/mM，回归系数R²为0.9935，当前基线为11.6200μA，检出限为0.00771mM。

比较电化学工作站和电池供电传感器之间的乳酸测量结果，可以忽略不计。电化学工作站的检出限、斜率和响应时间稍好。

对不同电压下本发明的可穿戴传感器与电化学工作站测量仪器的电化学测量性能进行比较，发现本发明的可穿戴传感器对电压变化测量性能的影响较小，相比之下，电化学工作站对电压变化测量性能的影响较大，电流基线大幅度增加，斜率高12倍。此外，在这两种类型的传感器中，1.5和3.0V的电源电压会由于电极上的电流过大而导致较大的噪声和不稳定性，从而在表面上产生过多的气体，从而使电极性能不稳定。

之外比较电化学工作站和电池供电传感器之间的乳酸和过氧化氢的测量结果，两者的差别可以忽略不计。但电化学工作站的检出限、斜率和响应时间稍好。

实施例四

在本实施例中，针对人工汗液里的乳酸进行检测，环形穿戴模型利用3D打印技术打印出外半径为15mm，内半径为10mm，高为5mm环氧树脂的空腔戒指。利用光刻技术，在环形穿戴模型内表面上溅射出一条长度和宽度分别为15和2mm，厚度为1mm的石墨电极，该石墨电极作为工作电极；然后在距离工作电极2mm处再蒸镀出一条尺寸特征与工作电极相同的银金属电极，并用该电极进行电解处理形成银/氯化银电极，作为对电极。将AD转换电路、电流采集和微处理器、1.5V的纽扣电池安装固定至穿戴模型戒指的空腔内，在环形穿戴模型的外表面上固定宽1cm长2cm的4位LED显示数码管作为显示屏，并与微处理器通过显示电路进行连接。电池的正极与工作电极相连，电池的正极与工作电极相连，对电极依次串联电流采集电路、A/D转换电路和微处理器，连接至电池的负极，保证电化学反应的顺势电压。之后，将1μl的1％戊二醛和1μl的10U/μl的乳酸酶溶液用振荡器进行混合，之后滴加于工作电极之中等待至干燥凝固。图8为本发明的可穿戴传感器检测人工汗液时，测得浓度与实际浓度的关系图，从图8中的校准曲线来看，检测限为0.00771mM，可精确检测浓度范围为0.00771～4mM，相对平均误差在2％左右，检测时间为2分钟左右。而随着乳酸酶的固定量增加，检测范围也将进一步增大，精度和准确度也进一步提升，但成本也会随着提高。

此外，也进行了另一个实验，以测试实际人体汗液样本的传感器性能。分别在同一受试者骑行5公里20分钟、跑步1公里4分钟、慢跑1.7公里12分钟，测试之间进行了大量的休息，以确保测试实验与测试者的状态大致相同。检测测试者汗液中的乳酸浓度，测试结果如图9所示，黑色柱状的数据为用分光光度计测得数据，白色柱状的数据为本发明传感器测得数据，发现两者相差不大。文献表明，发现运动强度越大，出汗率越高，乳酸浓度越低，但总乳酸消耗率也随着运动强度的增加而上升，本发明的测试结果与结论一致。慢跑和自行车运动后的汗液样本可能无法显示出明显的差异，因为运动强度可能太相似，但跑步后收集的汗液样本显示出明显的差异，这表明本发明的可穿戴传感器能够测试实际的汗液中的乳酸。

实施例五

本实施例中，电源采用无线接收器，对于体液分析物的可穿戴传感器包括：环形穿戴模型、传感电极、微处理器、无线发射器和无线接收器；其中，无线接收器连接至微处理器；微处理器连接至无线发射器；环形穿戴模型为环形结构，内部设置有空腔；微处理器、无线发射器和无线接收器安装在环形穿戴模型内部的空腔内；传感电极设置在环形穿戴模型的内表面，包括工作电极和对电极，二者之间有距离；工作电极和对电极分别通过导线连接至微处理器的端位接口；在工作电极的表面固定催化剂；可穿戴传感器放置在浓度已知的待检测物中进行标定，得到待检测物的浓度与电流之间的关系；测试者穿戴上环形穿戴模型，外部的控制器发射射频信号，无线接收器接收射频信号并转变成交流电，传输至微处理器，微处理器将交流电转换成直流电，在工作电极和对电极上提供电压；当没有体液时，工作电极与对电极之间断开，为断路；当测试者的表面产生体液时，体液中的待检测物与催化剂发生催化反应，催化反应的生成物发生电化学反应，形成电化学反应电流，工作电极与对电极导通，形成闭合回路，微处理器中有电流通过，电流的大小与体液中的待检测物的浓度有关，微处理器对电流进行处理后按照浓度与电流之间的关系，得到待检测物的浓度，通过无线发射器将结果发射至外部的控制器，从而外部的控制器显示待检测物的浓度。

针对人体汗液里的葡萄糖进行检测，环形穿戴模型利用3D打印技术打印出外半径70mm，内半径为50mm，宽为50mm环氧树脂的空腔手环。利用光刻技术，在内壁上蒸镀出一条长度和宽度分别为2mm和3mm，厚度为0.01mm的金电极，该金电极作为工作电极，后蒸镀一条特征尺寸与金电极相同的银金属电极，并用该电极进行电解处理形成银/氯化银电极作为对电极。将微处理器、无线发射器和无线接收器安装固定至空腔内。将10U/μl的葡萄糖氧化酶、丁烯-3、4-氧化物和丙烯酰胺共聚即可得稳定的葡萄糖氧化酶溶液，将其滴加于工作电极表面上等待至干燥凝固。

本发明开发了一种可穿戴传感器，并与传统的电化学工作站的性能进行了比较，以检测溶液浓度，发现两种系统的电学性能相似。通过纵向比较缓冲剂浓度、电压等实验条件对电性能的影响，验证了本发明的可穿戴传感器具有良好的检测性能，为今后电化学测量提供了一种很有前景的选择。相对于电化学工作站，电池供电的戒指传感器在尺寸和结构上大大简化，允许将其安装在诸如小圆环之类的物品上，以检测无处不在的汗液特性。本发明有望为开发新的传感系统和推进相关的生物医学和环境应用开辟重要的途径。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种对于体液分析物的可穿戴传感器，其特征在于，所述可穿戴传感器包括：环形穿戴模型、传感电极、微电流计和电源；其中，电源采用电池；微电流计包括电流采集电路、A/D转换电路、微处理器、显示电路和显示屏，电流采集电路、A/D转换电路和微处理器依次连接，微处理器通过显示电路连接至显示屏；环形穿戴模型为环形结构，内部设置有空腔；微电流计的电流采集电路、A/D转换电路微处理器和显示电路以及电源安装在环形穿戴模型内部的空腔内；显示屏设置在环形穿戴模型的外表面；传感电极设置在环形穿戴模型的内表面，包括工作电极和对电极，二者之间有距离；工作电极和对电极分别通过导线连接至电源的正极和负极；在工作电极与电源之间，或者在对电极与电源之间串联微电流计；在工作电极的表面固定催化剂；待检测物待检测物测试者穿戴上环形穿戴模型，当没有体液时，工作电极与对电极之间断开，微电流计处在断路中没有显示；当测试者的表面产生体液时，体液中的待检测物与催化剂发生催化反应，催化反应的生成物发生电化学反应，形成电化学反应电流，工作电极与对电极导通，形成闭合回路，电流的大小与体液中的待检测物的浓度有关，电流采集电路采集电流，经A/D转换电路转换为数字信号传输至微处理器，微处理器处理后得到待检测物的浓度，通过显示电路传输给显示屏，显示屏显示待检测物的浓度。

2.如权利要求1所述的可穿戴传感器，其特征在于，所述电源的电压为1～10V。

3.一种对于体液分析物的可穿戴传感器，其特征在于，所述可穿戴传感器包括：环形穿戴模型、传感电极、电流采集电路、A/D转换电路、微处理器、无线发射器和无线接收器；其中，电流采集电路、A/D转换电路和微处理器依次连接；无线接收器连接至微处理器；微处理器连接至无线发射器；环形穿戴模型为环形结构，内部设置有空腔；电流采集电路、A/D转换电路、微处理器、无线发射器和无线接收器安装在环形穿戴模型内部的空腔内；传感电极设置在环形穿戴模型的内表面，包括工作电极和对电极，二者之间有距离；工作电极连接至微处理器，对电极连接至电流采集电路；在工作电极的表面固定催化剂；测试者穿戴上环形穿戴模型，外部的控制器发射射频信号，无线接收器接收射频信号并转变成交流电，传输至微处理器，微处理器将交流电转换成直流电，在工作电极和对电极上提供电压；当没有体液时，工作电极与对电极之间断开，为断路；当测试者的表面产生体液时，体液中的待检测物与催化剂发生催化反应，催化反应的生成物发生电化学反应，形成电化学反应电流，工作电极与对电极导通，形成闭合回路，电流的大小与体液中的待检测物的浓度有关，电流采集电路采集电流，经过A/D转换电路转换为数字信号传输至微处理器，微处理器得到待检测物的浓度，通过无线发射器将结果发射至外部的控制器，从而外部的控制器显示待检测物的浓度。

4.如权利要求3所述的可穿戴传感器，其特征在于，所述无线接收器包括感应线圈和整流器，外部的控制器为感应线圈提供射频信号，感应线圈产生感应电流，经整流器整流后传输至微处理器进行供电。

5.如权利要求1或3所述的可穿戴传感器，其特征在于，所述环形穿戴模型采用采用无机高分子材料、有机聚合物或者不导电涂层覆盖的金属材料。

6.如权利要求1或3所述的可穿戴传感器，其特征在于，根据测试者的穿戴部位的形体大小，设定环形穿戴模型的尺寸，外半径为8～70mm，内半径为5～50mm，高为5～100mm。

7.如权利要求1或3所述的可穿戴传感器，其特征在于，所述工作电极和对电极采用对电化学反应敏感的传感材料；参比电极采用电位稳定的材料。

8.如权利要求1或3所述的可穿戴传感器，其特征在于，针对待测物选择相应的催化剂；采用固化剂将催化剂固定在工作电极的表面。

9.一种对于体液分析物的可穿戴传感器的传感方法，其特征在于，电源采用电池，所述传感方法包括以下步骤：

1)根据待检测物，提供相应的催化剂，固定在工作电极的表面；

2)测试者穿戴上环形穿戴模型，当没有体液时，工作电极与对电极之间断开，微电流计处在断路中没有显示；

3)当测试者的表面产生体液时，体液中的待检测物与催化剂发生催化反应，催化反应的生成物发生电化学反应，形成电化学反应电流，工作电极与对电极导通，形成闭合回路，电流的大小与体液中的待检测物的浓度有关；

4)电流采集电路采集电流，经A/D转换电路转换为数字信号传输至微处理器，微处理器处理后得到待检测物的浓度，通过显示电路传输给显示屏，显示屏显示待检测物的浓度。

10.一种对于体液分析物的可穿戴传感器的传感方法，其特征在于，电源采用无线接收器，所述传感方法包括以下步骤：

1)根据待检测物，提供相应的催化剂，固定在工作电极的表面；

2)测试者穿戴上环形穿戴模型；

3)外部的控制器发射射频信号，无线接收器接收射频信号并转变成交流电，传输至微处理器，微处理器将交流电转换成直流电，在工作电极和对电极上提供电压；

4)当没有体液时，工作电极与对电极之间断开，为断路；

5)当测试者的表面产生体液时，体液中的待检测物与催化剂发生催化反应，催化反应的生成物发生电化学反应，形成电化学反应电流，工作电极与对电极导通，形成闭合回路，电流的大小与体液中的待检测物的浓度有关；

6)电流采集电路采集电流，经过A/D转换电路转换为数字信号传输至微处理器，微处理器得到待检测物的浓度，通过无线发射器将结果发射至外部的控制器，从而外部的控制器显示待检测物的浓度。