CN111185249A - 用于人体汗液生理指标检测及脱水事件提醒的微流芯片及其制备方法与应用 - Google Patents

用于人体汗液生理指标检测及脱水事件提醒的微流芯片及其制备方法与应用 Download PDF

Info

Publication number
CN111185249A
CN111185249A CN202010094543.XA CN202010094543A CN111185249A CN 111185249 A CN111185249 A CN 111185249A CN 202010094543 A CN202010094543 A CN 202010094543A CN 111185249 A CN111185249 A CN 111185249A
Authority
CN
China
Prior art keywords
sweat
paper
microfluidic chip
microfluidic
cold
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010094543.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN111185249B (zh
Inventor
王秀锋
陈尧
王若宸
陈尚达
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xiangtan University
Original Assignee
Xiangtan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xiangtan University filed Critical Xiangtan University
Priority to CN202010094543.XA priority Critical patent/CN111185249B/zh
Publication of CN111185249A publication Critical patent/CN111185249A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111185249B publication Critical patent/CN111185249B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502707—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by the manufacture of the container or its components
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N21/78—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator producing a change of colour
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/12—Specific details about manufacturing devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0809—Geometry, shape and general structure rectangular shaped
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0861—Configuration of multiple channels and/or chambers in a single devices
    • B01L2300/0867—Multiple inlets and one sample wells, e.g. mixing, dilution

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)
  • Measuring And Recording Apparatus For Diagnosis (AREA)

Abstract

本发明公开一种人体汗液生理指标检测及脱水事件提醒的微流芯片及其制备方法与应用。微流芯片由框架衬底、纸基载体和底板组成，框架衬底由微流通道和微流腔组成，微流通道与微流腔直接连接；纸基载体放置在框架衬底与底板之间；纸基载体和微流通道及微流腔同结构。汗液由底板的入口流到纸基载体时，从中心向四周发散流动，使得沉淀在与冷热刺激物相连接的纸基载体上的汗液量显色剂发生颜色变化，得知人体出汗量；当汗液到达汗液标记物显色剂所在的腔体时，使得显色剂发生相应的颜色变化，获得相应的汗液生理指标；当汗液到达冷热刺激物所在的腔体时，会使得冷热刺激物产生温度变化，通过刺激皮肤以提醒使用者达到出汗量阈值，即需要补充水分。

Description

用于人体汗液生理指标检测及脱水事件提醒的微流芯片及其 制备方法与应用
技术领域
本发明涉及人体汗液和纸基微流领域，具体涉及用于人体汗液生理指标检测及脱水事件提醒的微流芯片及其制备方法与应用，可应用于可穿戴微流设备和芯片实验室。
背景技术
近年来，微流芯片作为一种新的技术平台，在化学、生物和医学领域受到广泛关注。体积小、反应灵敏及对样品检测速度快的特点，使得微流芯片对各种生物、化学实验都有着无与伦比的优势。在检测某些疾病，比如囊泡性纤维症和糖尿病时，需要通过抽取血液来检测，这对于孩子、老人或体弱多病的人来说有一定的伤害。因此，通过收集或检测汗液，比如通过检测汗液中的氯离子浓度来检测囊泡性纤维症，通过检测汗液中的葡萄糖浓度反应血糖浓度，从而检测糖尿病，以无创的方式代替了血液。
而纸基微流芯片具有诸多显著优点，如制作方便、成本低廉、体积小重量轻、便于运输和储存、操作性强、生物兼容性好、功能性强、后续处理简单等。纸基微流芯片可以作为微型化、便携式的现场检测器件，其流体快速检测在化学、生物和医学等领域具有巨大潜在应用价值。
而人体的水合作用，人体最多承受20%的水合作用变化，常常需要通过尿液情况来检测，这对于很多人，比如说沙漠的军人、高温工作者及游泳运动者等来说非常不方便，也并不准确。当前医学上，用微流系统检测汗液量的芯片中，比如JungilChoi等2017年在Advancedhealthcarematerials期刊上发表的Thin, Soft, Skin-Mounted MicrofluidicNetworks with Capillary Bursting Valves for Chrono-Sampling of Sweat 中提到的对于汗液量的采样，一种通过毛细爆破阀和水凝胶来测人体汗液量，但是只能靠使用者自己主动去观察，才能知道汗液量，并且该芯片有多个出口，影响了实际的汗液量的收集和记录；VaibhavJain等2019年在Microsystems&Nanoengineering期刊上发表的A mass-customizable dermal patch with discrete colorimetric indicators forpersonalized sweat rate quantification 中提到的对于汗液量的采集，一种通过氯化钴沉淀在滤纸末端，测量梯度的汗液量，只能靠使用者自己主动去观察，才能知道汗液，不能主动提醒。而J.T.Reeder等2019年在NatureCommunications期刊上发表的Resettableskin interfaced microfluidic sweat collection devices with chemesthetichydration feedback中，一方面利用很小的毛细爆破阀（仅10μm）实现，需要昂贵和精密的仪器；另一方面只能通过向人体皮肤排出刺激性的液体，让佩戴者让人感知，还需处理芯片排除的体表上液体，对人们造成一些不便，而且这种液体排除有一定延迟性，影响汗液量测量结果及提醒时间。
因此，以低价的滤纸为载体，以毫米为单位的滤纸图案可通过激光切割、喷墨打印、切纸机切割等多种方式进行制备，对仪器要求低，且能大规模生产，易操作。而对于冷热刺激物，可利用商用药片压片机、家用药片奶片压片机，进行快速、批量、高效的压片，并可根据不同部位、不同人、不同环境大规模生产相适应质量、压力下的压片。利用过塑机封装，大批量操作。微流通道以几百微米甚至毫米为单位，对仪器要求低。该芯片一方面收集汗液，测量出相应的汗液生理指标，另一方面将汗液引导至微流腔中与冷热刺激物反应产生温度变化对皮肤产生提醒。该芯片形成的没有出口，能在一定程度减少汗液污染和蒸发。该芯片不仅可以解决人体脱水事件主动提醒的问题，还可同时检测人体汗液生理指标的多种成分。在化学、生物和医学方面具有重要意义的同时，还能大规模生产，实现工业化、产业化、商业化，可以创造极高的经济效益。
发明内容
本发明的第一个目的在于，提供一种人体汗液生理指标检测的微流芯片，以实现微流芯片中人体汗液生理指标的检测。
本发明还有一个目的在于，提供一种如上所述的微流芯片在人体脱水事件中提醒领域的应用及其制造方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下方案：
本发明提供了用于人体汗液生理指标检测及脱水事件提醒的微流芯片，其特征在于：该芯片包括底板、纸基载体和框架衬底；其中底板上有进口，框架衬底上包括微流通道和微流腔；所述微流腔分为冷热刺激物微流腔和生物标志物检测微流腔，微流腔位于微流通道端口处并与其相通；所述纸基载体放置在所述微流通道和微流腔内，纸基载体的端头为圆环或圆片，冷热刺激物被固定在纸基载体端头的圆环之中，生物标志物显色剂沉淀在纸基载体端头的圆片之中，汗液量显色剂沉淀在与冷热刺激物相连接的纸基载体上。
作为本发明的进一步说明，设置有一个或一个以上的所述进口及相对应的微流通道连接一个冷热刺激物。
作为本发明的进一步说明，所述纸基载体与冷热刺激物接触时，纸基载体端头以圆环、圆片或略微出头的形式存在。
作为本发明的进一步说明，所述纸基载体端头的圆片根据所需要生物标志物检测的需要，沉淀相对应的试剂。
作为本发明的进一步说明，所述纸基载体为滤纸且可以用传输水能力较好的材料替换。
作为本发明的进一步说明，所述纸基载体材料可为海绵、棉花、麻绳、纱中的任意一种或几种。
作为本发明的进一步说明，所述纸基载体结构与微流通道结构、微流腔结构相适配。
作为本发明的进一步说明，所述的汗液量显色剂为无水氯化钴、无水硫酸铜、过氧化钠的任意一种或多种。
作为本发明的进一步说明，所述的纸基载体在每条微流通道中均相同。
作为本发明的进一步说明，所述的纸基载体在每条微流通道中等高等宽等厚同重量同材质。
作为本发明的进一步说明，所述冷热刺激物是以固态，比如颗粒、粉末、压片,或者液态或者气态形式存在。
作为本发明的进一步说明，所述的冷热刺激物是遇水吸热物质。
作为本发明的进一步说明，所述的冷热刺激物为尿素、碘化钾、硝酸铵、氯化铵等任意一种或几种。
作为本发明的进一步说明，所述的冷热刺激物为遇水放热物质。
作为本发明的进一步说明，所述的冷热刺激物为金属钾、金属钙、金属纳、金属镁、金属铝等碱金属元素任意一种或几种，或冷热刺激物为氢氧化钠、氢氧化钾、生石灰、无水硫酸铜等任意一种或几种
作为本发明的进一步说明，所述的冷热刺激物为中和反应放热物质
作为本发明的进一步说明，所述的冷热刺激物为氢氧化钠+柠檬酸、乙醇钠+柠檬酸、氧化钙+柠檬酸、氢氧化钠+三氟乙酸、氢氧化钾+高碘酸、氢氧化钙+磷酸等的任意一种或多种。
一种人体汗液生理指标检测的微流芯片的应用，其特征在于利用了该发明中的汗液量显色剂和生物标志物显色剂。该应用基于毛细力作用，汗液由底板的进口进入到纸基载体上时，汗液由中心向四周发散，会使沉淀在与冷热刺激物相连接的纸基载体上的汗液量显色剂发生颜色变化，从而知晓汗液量。当汗液到达汗液标记物显色剂所在的腔体时，使得显色剂发生相应的颜色变化，从而获得相应的汗液生理指标。
一种人体脱水事件提醒的微流芯片的应用，其特征在于利用了该发明中的冷热刺激物，该应用利用毛细力的设计，使汗液进入微流腔，从而实现微流腔中的冷热刺激物发生溶解或反应等冷热温度变化刺激皮肤，提醒人们汗液量阈值并补充水分。
一种制造用于人体汗液生理指标检测及脱水事件提醒的微流芯片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)雕刻：将CAD模板图导入电脑，用CO2激光雕刻机将PMMA模板雕刻成微流芯片模板。
(b)清洗：将制备好的PMMA模板和光滑的平板在超声清洗机中用无水乙醇和去离子水分别超声10min。
(c)浇筑：将材料按预聚物：固化剂为10:1的比例混合后，分别倒在PMMA模板和光滑PMMA平板上，放入高温干燥箱60℃固化，将固化后的模板和底板分别从模具上剥离下来，得到具有微流通道和微流腔图形的框架衬底和平整的底板。
(d)制备特定的滤纸模型：将CAD模板图导入电脑，用CO2激光雕刻机上将滤纸切割出需要的形状，并在与冷热刺激物相连接的滤纸载体上沉淀氯化钴。
(e)键合：将框架衬底和底板放在氧等离子中照射，然后进行封装，即制成完整的该微流芯片。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的用于人体汗液生理指标检测及脱水事件提醒的微流芯片及其制备方法与应用，汗液由底板的入口流到纸基载体时，由于毛细力的作用，汗液由中心向四周发散流动，会使得沉淀在与冷热刺激物相连接的纸基载体上的汗液量显色剂发生颜色变化，从而知晓人体出汗量；当汗液到达汗液标记物显色剂所在的腔体时，使得显色剂发生相应的颜色变化，从而获得相应的汗液生理指标；当汗液到达冷热刺激物所在的腔体时，会使得冷热刺激物产生温度变化，从而通过刺激皮肤以提醒使用者达到出汗量阈值，即需要补充水分。只有进口无出口的设计使得芯片无外界及其他出口的污染及蒸发途径，保证汗液的纯净性，也避免了汗液易蒸发的缺点。
使用本发明的人体汗液生理指标检测及脱水事件提醒的微流芯片，以低价的滤纸为载体，以毫米为单位的滤纸图案可通过激光切割、喷墨打印、切纸机切割等多种方式进行制备，对仪器要求低，且能大规模生产，易操作。而对于冷热刺激物，可利用商用药片压片机、家用药片奶片压片机，进行快速、批量、高效的压片，并可根据不同部位、不同人、不同环境大规模生产相适应质量、压力下的压片。利用过塑机封装，大批量操作。微流通道以几百微米甚至毫米为单位，对仪器要求低。该芯片一方面收集汗液，测量出相应的汗液生理指标，另一方面将汗液引导至微流腔中与冷热刺激物反应产生温度变化对皮肤产生提醒。该芯片形成的没有出口，能在一定程度减少汗液污染和蒸发。该芯片不仅可以解决人体脱水事件主动提醒的问题，还可同时检测人体汗液生理指标的多种成分。在化学、生物和医学方面具有重要意义的同时，还能大规模生产，实现工业化、产业化、商业化，可以创造极高的经济效益。
附图说明
图1为本发明所提供的用于人体汗液生理指标检测及脱水事件提醒的微流芯片及实施例三中一种汗液量检测芯片的结构示意图。
图2为本发明实施例一中沉淀着氯化钴的滤纸在进液前后的颜色变化实物图。
图3为本发明实施例一中沉淀着氯化钴的滤纸在进液前后的颜色变化RGB图。
图4为本发明实施例二中两根热电偶校准曲线图。
图5为本发明实施例二中测量微流芯片中的冷热刺激物对皮肤的温度刺激的温度变化图。
图6为本发明实施例三中几种适用于不同部位、不同人、不同环境下的汗液量检测的微流芯片的平面图。
图7为本发明实施例四中一种多进口通道的微流芯片的结构示意图。
图中序号：底板1、纸基载体2、框架衬底3、进口4、微流通道5、冷热刺激物微流腔6、生物标志物检测微流腔7、冷热刺激物8、圆环9、圆片10、滤纸通道11，尿素片12，圆环滤纸13，圆形滤纸14。
具体实施方式
本发明根据滤纸毛细力的特点，提供了用于人体汗液生理指标检测及脱水事件提醒的微流芯片及其制备方法与应用，利用提供的芯片使样品汗液定量进入微流通道5，通过观察与冷热刺激物8（尿素片或氧化钙-一水合柠檬酸压片）相连接的纸基载体2上所沉淀的氯化钴的颜色变化的范围，知晓汗液量；然后根据冷热刺激物微流腔7中滤纸载体上确定的物质的量的生物标志物显色剂反应，从而实现相应的汗液生理指标检测；最后利用生物标志物检测微流腔6中的冷热刺激物8（尿素片或氧化钙-一水合柠檬酸压片）与汗液发生反应产生温度变化对人体皮肤产生温度刺激，从而实现汗液量及脱水事件的提醒。根据目的不同，这些微流腔可以是相同体积的，也可以是不同体积的，该方法具体如下：
实施样品汗液量自动定量检测时，首先用注射泵将待定量的样品汗液注入进口4处，在毛细力的作用下，液体会向四周扩散。通过观察与冷热刺激物8（尿素片或氧化钙-一水合柠檬酸压片）相连接的纸基载体2上氯化钴颜色变化的范围，实现不同量样品汗液量的自动定量检测。与生物标志物相连接的纸基载体2上不沉淀汗液量显色剂，以防干扰生物标志物的检测。
实施样品汗液生物标志物自动检测时，首先用注射泵将样品汗液注入进口4处，流过微流通道5，到冷热刺激物微流腔7中时与沉淀在滤纸上的生物标识物的显色剂发生反应，产生颜色变化。通过使用者眼睛或者手机APP识别，实现样品汗液相应的生理指标的自动检测。
实施样品汗液关于脱水情况自动提醒时，首先用注射泵将样品汗液注入进口4处，到达生物标志物检测微流腔6中时与其中的冷热刺激物8（尿素片或氧化钙-一水合柠檬酸压片）发生反应产生温度变化对人体皮肤产生温度刺激，从而实现汗液量及脱水事件的提醒。
实施例1
微流芯片对于汗液生理指标的检测
本发明所提供的一种用于实施上述汗液生理指标检测的微流芯片的结构如图1所示，该芯片包括底板1、纸基载体2和框架衬底3组成；其中底板1上有进口4，框架衬底3上包括微流通道5和微流腔；所述的微流腔分为冷热刺激物微流腔6和生物标志物检测微流腔7，微流腔位于微流通道5端口处并与其相通，微流通道5和微流腔之间是直接对口连接的；所述的纸基载体2放置在所述的底板1和框架衬底3之间，纸基载体2的端头为圆环9和圆片10，尿素片（冷刺激物）、氧化钙-一水合柠檬酸压片（热刺激物）被固定在纸基载体2的端头的圆环9之中，生物标志物显色剂沉淀在纸基载体2的端头的圆片10之中，氯化钴（汗液量显色剂）仅沉淀在与尿素片或氧化钙-一水合柠檬酸压片相连接的纸基载体2上，与生物标志物显色剂相连接的纸基载体2不沉淀氯化钴，以防干扰生物标志物检测。
微流通道宽为1.5mm，深度为0.2mm；用于生物标志物检测的微流腔7为半径2mm的圆，深度为0.2mm；用于放置尿素片或氧化钙-一水合柠檬酸压片的微流腔6为半径3.2mm的圆，深度为0.2mm；纸基载体2与微流通道5及微流腔结构相同，厚度为0.18mm。
以硅胶材料(PDMS)为例：
(a)雕刻：将CAD模板图导入电脑，用CO2激光雕刻机将PMMA模板雕刻成微流芯片模板。
(b)清洗：将制备好的PMMA模板和光滑的平板在超声清洗机中用无水乙醇和去离子水分别超声10min。
(c)浇筑：将PDMS按预聚物：固化剂为10:1的比例混合后，分别倒在PMMA模板和光滑PMMA平板上，放入高温干燥箱60℃固化，将固化后的PDMS基底和底板1分别从模具上剥离下来，得到具有微流通道5和微流腔图形的框架衬底3和平整的底板1。
(d)制备特定的滤纸模型：将CAD模板图导入电脑，用CO2激光雕刻机上将滤纸切割出需要的形状，并在与冷热刺激物8相连接的滤纸上沉淀氯化钴。如图2、3所示为氯化钴在滤纸上遇水的颜色变化及RGB值变化，图2中进液前呈无色，进液后呈蓝色。
(e)键合：将框架衬底3和底板1放在氧等离子中照射，然后进行封装，即制成完整的该微流芯片。
如图1所示，在该微流芯片的底板1处贴上了皮肤粘性层（透明敷料IV3000#4008,Smith&NephewMedicalLtd）（除进液口）后，汗液从皮肤汗腺出来，进入进口4，通过纸基载体2的毛细力作用使汗液进入微流体通道5，最后分别进入微流腔。当汗液完全进入到沉淀着生物标志物显色剂的微流腔时，会使其发生相应的颜色变化。当汗液进入到放置尿素片的微流腔1μl左右时会使尿素片溶解吸热，对人体皮肤产生冷的刺激，告知人们此时的汗液量阈值，并提醒人们进行补水。出汗行为继续，当汗液进入到放置氧化钙-一水合柠檬酸压片的微流腔1μl左右时会使氧化钙-一水合柠檬酸压片反应放热，对人体皮肤产生热的刺激，告知人们此时的汗液量阈值，并再次提醒人们进行补水或者停止活动进行休息。因为二次提醒时出汗量已经较多了，建议补水后停止活动进行休息。或者人们也可以在汗液量到达汗液量阈值前（产生冷热刺激时）观察与尿素片或氧化钙-一水合柠檬酸压片相连接的纸基载体2上变色的氯化钴的范围来判断汗液量。
实施例2
微流芯片中的冷热刺激物对皮肤的温度刺激
我们对用于脱水情况提醒的微流芯片中的冷热刺激物进行了温度测试。将实施例1中的微流芯片用两层50×50×1mm的硅胶膜上下包裹后置于智能型石墨电热板上，冷热刺激物8为尿素片和氧化钙-一水合柠檬酸压片，插在压片与底板1之间的为热电偶A，插在下层硅胶膜与框架衬底3之间的为热电偶B。具体方法如下所述：
（1）用研磨钵研磨1.0g尿素颗粒，依次取0.015g尿素粉末用压片机在4.0MPa的压力下压成夹片；用研磨钵研磨3.0g一水合柠檬酸颗粒，取2.5g一水合柠檬酸粉末与1.0g氧化钙粉末充分混合，取混合物0.015g在4.0MPa下压片，置于如图1所示的微流芯片中,分别作为冷热刺激物8。其中，微流结构和滤纸的组合选用圆环9加压片的组合方式。然后，将底板1与框架衬底3运用实施例1中微流芯片的氧等离子体封装方式封装，即可得到该微流芯片。
（2）将智能型石墨电热板温度调至40℃，将实施例1中的微流芯片用两层50×50×1mm的硅胶膜上下包裹后置于智能型石墨电热板上。下层硅胶膜用来模拟人体皮肤，上层硅胶膜用来保温。将两根热电偶中的一根端头插压片与底板1之间，与压片直接接触，用来检测其温度变化；另一根端头插在下层硅胶膜与框架衬底3之间，用来测量传递到透过样品芯片时下层硅胶膜的温度变化。用注射泵以0.5μl/min的速度从进液口注射样品汗液注到进口4处，样品汗液会逐渐扩散至微流腔内，与微流腔内的尿素片或者氧化钙-一水合柠檬酸压片发生反应产生温度变化从而刺激皮肤。
（3）两根热电偶校准曲线如图4(1)(2)所示，热电偶A的校准曲线的R 2=0.994，y=-0.02858x+1.37，热电偶B的校准曲线的R 2=0.995，y=-0.02921x+2.08，所测温度曲线如图5所示。热量变化：由图5(1)可看出，与尿素片直接接触的热电偶A响应更剧烈，温度变化大约10℃，而置于微流芯片与下层硅胶膜之间的热电偶B，因为硅胶隔热的缘故，温度变化值有所下降，大约6℃。当尿素片全部溶解时，可以发现白色的夹片变透明。继续注液，将热电偶A、B以相同的方式与氧化钙-一水合柠檬酸压片微流腔放置。由于氧化钙遇水放热，生成的碱与一水合柠檬酸发生中和反应也放热，所以两者混合物可以作为热刺激物，其方程式分别为：CaO+H2O=Ca(OH)2，3Ca(OH)2+2C6H8O7·H2O=Ca3(C6H5O7)2+8H2O。因为反应中有水生成，我们需要将生成的水的体积从样品芯片汗液体积数中减去。按照上面测尿素反应温度的方法进行测试，所测温度曲线如图5(2)所示。热量变化：由图5(2)可看出，与氧化钙-一水合柠檬酸压片直接接触的热电偶A响应更剧烈，温度变化大约14℃，比尿素片的温度变化值还多4℃左右，而置于微流芯片与硅胶膜之间的热电偶B，因为硅胶隔热的缘故，温度变化值有所下降，大约10.8℃，而且热电偶响应时间也有所滞后。虽然隔着硅胶，但是热量变化还是很明显，最热点可以达到45℃左右，对人体有一定的热刺激。我们还对下层芯片膜进行了加厚至1mm进行测试，结果如图5（3）所示，可以看出，与氧化钙-一水合柠檬酸压片直接接触的热电偶A响应基本无影响，但是，置于微流芯片与硅胶膜之间的热电偶B基本无变化，我们可以看到当芯片硅胶厚度增加时，会影响热量的传递。所以我们可以将芯片贴近皮肤的那一层变薄一些，减少热量的损失，远离皮肤的那一层做厚一些，起到更好的保温。同样，对于更加冷或者热的环境，我们还可以增加压片的量，提高热量的变化值。
实施例3
一种适用于不同部位、不同人、不同环境下的汗液量检测的微流芯片
考虑到不同部位、不同人、不同环境下，出汗量不同，我们还对实施例1中的微流芯片模型进行大小、通道的数量进行了一定的调整，以适应多种情况。
如图6(1)所示，由包括进口为4，滤纸通道为11，尿素片为12，圆环滤纸为13。微流通道宽为1.0mm，深度为0.2mm；微流腔为半径3.2mm的圆，深度为0.2mm；滤纸载体与微流通道及微流腔结构相同，厚度为0.18mm。整个滤纸都沉淀氯化钴，将尿素片12放在圆环滤纸13处，完成封装。用注射泵以0.5μl/min的速度从进口4注射样品汗液，滤纸上的氯化钴会随着汗液的进入而变色，大约进入5μl的汗液量时，会使尿素片12发生温度变化刺激皮肤。该模型适合耳背等出汗强度较弱的部位，或者老人、小孩、病人、办公室工作的人等，他们出汗强度较弱。
如图6(2)所示，由包括进口为4，滤纸通道为11，尿素片为12，圆环滤纸为13，圆形滤纸为14。微流通道宽为1.0mm，深度为0.2mm；放置尿素的微流腔为半径3.2mm的圆，沉淀生物标志物的微流腔为半径2.0mm的圆，深度为0.2mm；滤纸载体与微流通道及微流腔结构相同，厚度为0.18mm。与尿素片12相连的滤纸通道11沉淀氯化钴，其他通道不沉淀氯化钴，避免影响生物标志物的检测。完成封装，用注射泵以0.5μl/min的速度从进口4注射样品汗液，滤纸上的氯化钴会随着汗液的进入而变色。大约进入10μl的汗液量时，生物标志物正好反应显色完全，同时尿素片12发生温度变化刺激皮肤。该模型适合手臂、头部、腹部等有一定出汗强度的部位或者有一定运动量的的人，比如上课的老师等。
如图1所示，即实施例1中的图形，用注射泵以0.5μl/min的速度从进口4注射样品汗液，滤纸上的氯化钴会随着汗液的进入而变色。大约进入25μl的汗液量时，生物标志物正好反应显色完全，同时第一个尿素片发生温度变化刺激皮肤，告知人们进行补水。继续注液，当大约进入52μl的汗液量时，第二个尿素片发生温度变化刺激皮肤，告知人们进行补水并停止运动。继续注液，当大约进入56μl的汗液量时，滤纸片完全充满汗液。该模型适合胸部、背部等有很大出汗强度的部位或者持续运动量的的人或者高温工作者，比如足球运动员、沙漠的军人及炼钢厂的工人等，他们有高强度的出汗或者极热环境被迫出汗维持生理平衡。
实施例4
一种多进口通道的微流芯片
如图7所示，为了避免进口4与尿素片12之间的滤纸通道断开或破坏，导致汗液不能到达尿素片12发生温度变化，我们还设置多个进口4及相对应的通道连接一个冷热刺激物，使得汗液从进口4能顺利与尿素片12反应，实现多进口多通路多保险的效果。当任意一条通道中的汗液与尿素片12接触时，即可产生温度变化提醒使用者。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范实施例的细节，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验本发明。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 (22)

1.一种微流芯片，其特征在于：该芯片包括底板（1）、纸基载体（2）和框架衬底（3）；其中底板（1）上有进口（4），框架衬底（3）上包括微流通道（5）和微流腔；所述微流腔分为冷热刺激物微流腔（6）和生物标志物检测微流腔（7），微流腔位于微流通道（5）端口处并与其相通；所述纸基载体（2）放置在所述微流通道（5）和微流腔内，纸基载体（2）的端头为圆环（9）或圆片（10），冷热刺激物（8）被固定在纸基载体（2）端头的圆环（9）之中，生物标志物显色剂沉淀在纸基载体（2）端头的圆片（10）之中，汗液量显色剂沉淀在与冷热刺激物（8）相连接的纸基载体（2）上。
2.根据权利要求1所述的微流芯片，其特征在于：设置有一个或一个以上的所述进口（4）及相对应的微流通道（5）连接一个冷热刺激物（8）。
3.根据权利要求1所述的微流芯片，其特征在于：所述纸基载体（2）的端头与冷热刺激物（8）接触时，纸基载体（2）的端头以圆环（9）、圆片（10）或略微出头的形式存在。
4.根据权利要求1所述的微流芯片，其特征在于：所述纸基载体（2）端头的圆片（10）根据所需要生物标志物检测的需要，沉淀相对应的试剂。
5.根据权利要求1所述的微流芯片，其特征在于：所述纸基载体（2）的材质为传输水能力优异的材料，优选为滤纸。
6.根据权利要求5所述的微流芯片，其特征在于：所述纸基载体（2）的材质可为海绵、棉花、麻绳、纱中的任意一种或几种。
7.根据权利要求1所述的微流芯片，其特征在于：所述纸基载体（2）结构与微流通道（5）结构、微流腔结构相适配。
8.根据权利要求1所述的微流芯片，其特征在于：所述的汗液量显色剂为无水氯化钴、无水硫酸铜、过氧化钠的任意一种或多种。
9.根据权利要求1所述的微流芯片，其特征在于：所述的纸基载体（2）在每条微流通道（5）中均相同。
10.根据权利要求9所述的微流芯片，其特征在于：所述的纸基载体（2）在每条微流通道（5）中等高等宽等厚同重量同材质。
11.根据权利要求1所述的微流芯片，其特征在于：所述冷热刺激物（8）是以固态（比如颗粒、粉末、压片）或者液态或者气态形式存在。
12.根据权利要求1所述的微流芯片，其特征在于：所述的冷热刺激物（8）是遇水吸热物质。
13.根据权利要求12所述的微流芯片，其特征在于：所述的冷热刺激物（8）为尿素、碘化钾、硝酸铵、氯化铵等任意一种或几种。
14.根据权利要求1所述的微流芯片，其特征在于：所述的冷热刺激物（8）为遇水放热物质。
15.根据权利要求14所述的微流芯片，其特征在于：所述的冷热刺激物（8）为金属钾、金属钙、金属纳、金属镁、金属铝等碱金属元素任意一种或几种，或冷热刺激物（8）为氢氧化钠、氢氧化钾、生石灰、无水硫酸铜等任意一种或几种。
16.根据权利要求1所述的微流芯片，其特征在于：所述的冷热刺激物（8）为中和反应放热物质。
17.根据权利要求16所述的微流芯片，其特征在于：所述的冷热刺激物（8）为氢氧化钠+柠檬酸、乙醇钠+柠檬酸、氧化钙+柠檬酸、氢氧化钠+三氟乙酸、氢氧化钾+高碘酸、氢氧化钙+磷酸等的任意一种或多种。
18.权利要求1-17任一项所述的微流芯片用于人体汗液生理指标检测及脱水事件提醒。
19.一种人体汗液生理指标检测的微流芯片的应用，其特征在于利用了权利要求1或8中任一项所述微流芯片中的汗液量显色剂，该应用基于毛细力作用，汗液由底板（1）的进口（4）进入到纸基载体（2）上时，汗液由中心向四周发散，会使沉淀在与冷热刺激物（8）相连接的纸基载体（2）上的汗液量显色剂发生颜色变化，从而知晓汗液量。
20.一种人体脱水事件提醒的微流芯片的应用，其特征在于利用了权利要求1、3、11、12、13、14、15、16、17中任一项所述微流芯片中的冷热刺激物（8），该应用利用毛细力的设计，使汗液进入微流腔，从而实现微流腔中的冷热刺激物（8）发生溶解或反应等冷热温度变化刺激皮肤，提醒人们汗液量并补充水分。
21.一种制造权利要求1-17中任一项所述的用于人体汗液生理指标检测及脱水事件提醒的微流芯片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)雕刻：将CAD模板图导入电脑，用CO2激光雕刻机将PMMA模板雕刻成微流芯片模板；
(b)清洗：将制备好的PMMA模板和光滑的平板在超声清洗机中用无水乙醇和去离子水分别超声10min；
(c)浇筑：将材料按预聚物：固化剂为10:1的比例混合后，分别倒在PMMA模板和光滑PMMA平板上，放入高温干燥箱60℃固化，将固化后的模板和底板分别从模具上剥离下来，得到具有微流通道和微流腔图形的框架衬底和平整的底板；
(d)制备特定的滤纸模型：将CAD模板图导入电脑，用CO2激光雕刻机上将滤纸切割出需要的形状，并在与冷热刺激物相连接的滤纸载体上沉淀氯化钴；
(e)键合：将框架衬底和底板放在氧等离子中照射，然后进行封装，即制成完整的该微流芯片。
22.一种含有权利要求1-17任一项所述微流芯片的微流设备。
CN202010094543.XA 2020-02-16 2020-02-16 用于人体汗液生理指标检测及脱水事件提醒的微流芯片及其制备方法与应用 Active CN111185249B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010094543.XA CN111185249B (zh) 2020-02-16 2020-02-16 用于人体汗液生理指标检测及脱水事件提醒的微流芯片及其制备方法与应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010094543.XA CN111185249B (zh) 2020-02-16 2020-02-16 用于人体汗液生理指标检测及脱水事件提醒的微流芯片及其制备方法与应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111185249A true CN111185249A (zh) 2020-05-22
CN111185249B CN111185249B (zh) 2021-09-14

Family

ID=70687441

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010094543.XA Active CN111185249B (zh) 2020-02-16 2020-02-16 用于人体汗液生理指标检测及脱水事件提醒的微流芯片及其制备方法与应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111185249B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113877642A (zh) * 2021-08-24 2022-01-04 杭州电子科技大学 一种纸基式微通道汗液流量监测芯片结构及其制备方法
CN114042479A (zh) * 2021-11-25 2022-02-15 南京信息工程大学 一种汗液微流控系统、制作方法及使用方法
CN116060144A (zh) * 2022-12-26 2023-05-05 湘潭大学 一种汗液定向流多功能微流控芯片及其制备方法和应用
CN116060144B (zh) * 2022-12-26 2024-08-02 湘潭大学 一种汗液定向流多功能微流控芯片及其制备方法和应用

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004065961A1 (ja) * 2003-01-24 2004-08-05 Mitsubishi Kagaku Bio-Clinical Laboratories, Inc. 酸化度の定量法
CN105848564A (zh) * 2013-10-18 2016-08-10 辛辛那提大学 用于集成的、重复的、长时间、和/或可靠汗液刺激及生物感测的装置
CN106793954A (zh) * 2014-08-11 2017-05-31 伊利诺伊大学评议会 用于生物流体的表皮表征的设备和相关方法
CN107530119A (zh) * 2015-02-19 2018-01-02 凯蒂森特生物医学公司 用于产生热量的医疗装置和使用它的治疗方法
CN109806920A (zh) * 2019-01-28 2019-05-28 湘潭大学 一种用于自动定量分配、收集和检测的微流控装置及使用方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004065961A1 (ja) * 2003-01-24 2004-08-05 Mitsubishi Kagaku Bio-Clinical Laboratories, Inc. 酸化度の定量法
CN105848564A (zh) * 2013-10-18 2016-08-10 辛辛那提大学 用于集成的、重复的、长时间、和/或可靠汗液刺激及生物感测的装置
CN106793954A (zh) * 2014-08-11 2017-05-31 伊利诺伊大学评议会 用于生物流体的表皮表征的设备和相关方法
CN107530119A (zh) * 2015-02-19 2018-01-02 凯蒂森特生物医学公司 用于产生热量的医疗装置和使用它的治疗方法
CN109806920A (zh) * 2019-01-28 2019-05-28 湘潭大学 一种用于自动定量分配、收集和检测的微流控装置及使用方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113877642A (zh) * 2021-08-24 2022-01-04 杭州电子科技大学 一种纸基式微通道汗液流量监测芯片结构及其制备方法
CN114042479A (zh) * 2021-11-25 2022-02-15 南京信息工程大学 一种汗液微流控系统、制作方法及使用方法
CN116060144A (zh) * 2022-12-26 2023-05-05 湘潭大学 一种汗液定向流多功能微流控芯片及其制备方法和应用
CN116060144B (zh) * 2022-12-26 2024-08-02 湘潭大学 一种汗液定向流多功能微流控芯片及其制备方法和应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN111185249B (zh) 2021-09-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20210000390A1 (en) Epidermal Photonic Systems and Methods
US20190231483A1 (en) Release agent receptacle
Chen et al. Application of microfluidics in wearable devices
CN111185249B (zh) 用于人体汗液生理指标检测及脱水事件提醒的微流芯片及其制备方法与应用
US7854609B2 (en) Dental appliance wear indication
EP2166978B1 (en) Dental appliance wear indication and release agent receptacle
US6887709B2 (en) Devices, systems and methods for the containment and use of liquid solutions
US7878801B2 (en) Systems and methods for dental appliance compliance indication
Tabasum et al. Wearable microfluidic-based e-skin sweat sensors
WO2023215836A2 (en) An analyte sensor for measuring at varying depths within a user
WO2019121324A1 (en) Skin patch for diagnosis
CN110477930A (zh) 一种用于汗液检测的柔性可穿戴传感器
CN107049604A (zh) 智能创可贴
CN106983603A (zh) 智能卫生巾
WO2018167508A1 (en) A monitoring device
CN210903027U (zh) 一种用于汗液检测的柔性可穿戴传感器
JPWO2010013757A1 (ja) 体細胞数の測定装置及びセンサ
Asadi et al. A review on wearable sensors for sodium detection in human sweat
CN113598760B (zh) 生物监测装置
CN113877642A (zh) 一种纸基式微通道汗液流量监测芯片结构及其制备方法
CN116060144B (zh) 一种汗液定向流多功能微流控芯片及其制备方法和应用
Benito-Lopez et al. Sensing sweat in real-time using wearable microfluidics
CN212326741U (zh) 一种智能检测卫生巾
CN116060144A (zh) 一种汗液定向流多功能微流控芯片及其制备方法和应用
Mingels Development of a multi-parameter in vivo sensing platform for intrauterine studies and subfertility diagnostics

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant