CN111657961B - 一种在皮肤上制备超表面用于血糖检测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在皮肤上制备超表面用于血糖检测的方法，属于柔性可穿戴电子技术和医疗健康交叉技术领域。其中，血糖检测方法包括：预先设计具有谐振环结构的超表面，通过模拟建立血糖浓度与所述超表面的电磁吸收特性之间关系的模型；在皮肤上制备超表面；利用电磁波扫描所述皮肤上形成的超表面在不同频率下的反射光谱，得到S11参数与所述频率之间的关系曲线；根据所述模型以及所述关系曲线上谐振峰的频移，以确定血糖浓度的变化。本发明实现了在皮肤上直接构筑形成与皮肤相容性好的、电磁性能稳定、血糖测试准确性高的电磁波超表面，并且，该方法可直接检测人体的血糖浓度，无须采集人体血液，实现了真正无创地检测人体血糖。

Description

一种在皮肤上制备超表面用于血糖检测的方法

技术领域

本发明属于柔性可穿戴电子技术和医疗健康交叉领域，具体涉及一种在皮肤上制备超表面用于血糖检测的方法。

背景技术

糖尿病已成为威胁现代人健康和生命的重大慢性疾病，自我血糖监控是糖尿病管理的重要部分。目前临床上是通过血糖仪进行手指采血来检测血糖，给患者带来身体疼痛、细菌感染的问题。

研究人员已经制备了可穿戴的贴片式血糖传感器，通过对皮下组织液进行电化学测试实现微创血糖检测，但需要用有创的方法进行多次校准。因此，开展无痛感、准确性高的无创血糖检测技术具有重要意义。

血液中的葡萄糖浓度变化会对血液的介电特性产生影响，从而使血糖浓度表现出对电磁信号具有响应特性，这为利用电磁波实现血糖无创检测提供了可能，其关键是准确测试血液的电磁特性。目前测试血液电磁常数的方法是采用同轴探头作为传感器，但其对血糖浓度微量的变化不敏感，使检测准确性不高，且该方法测试对象是液体，需要进行抽血，无法实现无创血糖检测。超表面对电磁波的相位、振幅等具有高度灵敏的响应特性和强大的操控能力，可精确反映血糖对电磁波的反射或透射特性。目前基于电磁波超表面测试血糖的研究是在特定基材上构筑超表面并在其表面沉积人体血液来测试或者将具有超表面的基材贴在皮肤上来测试，前者仍需要采集人体血液，后者在基材与皮肤之间会发生相对位移而产生电磁噪声、降低测试的准确性。

因此，如何采用简便快捷的方式在皮肤上直接构筑与皮肤相容性好的、性能稳定的电磁波超表面，是电磁波超表面实现人体血糖无创检测的关键，这就需要开发一种新的在皮肤上制备超表面用于血糖检测的方法。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种在皮肤上制备超表面用于血糖检测的方法。

本发明提供一种在皮肤上制备超表面用于血糖检测的方法，包括：

预先设计具有谐振环结构的超表面，通过模拟建立血糖浓度与所述超表面的电磁吸收特性之间关系的模型；

在皮肤上制备超表面；

利用电磁波扫描所述皮肤上形成的超表面在不同频率下的反射光谱，得到S11参数与所述频率之间的关系曲线；

根据所述模型以及所述关系曲线上谐振峰的频移，以确定血糖浓度的变化。

可选的，所述谐振环结构为开口谐振环结构，所述开口谐振环结构的形状为圆形或方形，以及，所述开口谐振环结构的线宽范围为0.5mm～5mm，所述开口谐振环结构的开口尺寸为1mm～10mm；和/或，

所述电磁波波长为毫米波长范围，频率范围为30GHz～300GHz。

可选的，所述在皮肤上制备超表面，包括：

采用预设的液态金属粒子、预设的金属颗粒以及预设的弹性树脂制备可拉伸复合导电油墨；

采用丝网印刷方式将所述可拉伸复合导电油墨印刷在水转印纸张上，干燥后对印刷在水转印纸上的可拉伸导电油墨施加预设的处理压力并处理预设的处理时间，使所述可拉伸复合导电油墨中的液态金属粒子的壳破裂而流出并连接在所述金属颗粒之间，以在所述水转印纸张上得到超表面；

将所述水转印纸张上的超表面通过水转印方式转印到所述皮肤上，以在所述皮肤上形成超表面。

可选的，所述可拉伸复合导电油墨中的所述液态金属粒子的质量分数范围为1％～15％，所述金属颗粒的质量分数范围为60％～80％，以及，所述弹性树脂的质量分数范围为5％～39％。

可选的，所述液态金属粒子采用共晶镓铟纳米粒子或共晶镓铟锡纳米粒子。

可选的，所述液态金属粒子的直径范围为50nm～1000nm。

可选的，所述金属颗粒为微米银片、纳米银片和微米银粒子中的至少一种。

可选的，所述弹性树脂采用聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、硅胶、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物中任意一种。

可选的，所述对印刷在水转印纸上的可拉伸导电油墨施加预设的处理压力并处理预设的处理时间，使所述可拉伸复合导电油墨中的液态金属粒子的壳破裂而流出并连接在所述金属颗粒之间，以在所述水转印纸张上得到超表面，包括：

对印刷在水转印纸上的可拉伸导电油墨施加预设的处理压力范围为10N～100N，并处理1min～2min，使所述可拉伸复合导电油墨中的液态金属粒子的壳破裂而流出并连接在所述金属颗粒之间，以在所述水转印纸张上得到超表面。

可选的，所述将所述水转印纸上的超表面通过水转印方式转印到所述皮肤上，包括：

通过水转印方式将所述水转印纸上的超表面用水湿润，并在压力范围为10Pa～800Pa下处理1min～5min，以转印到所述皮肤上。

本发明提供一种在皮肤上制备超表面用于血糖检测的方法，包括：预先设计具有谐振环结构的超表面，通过模拟建立血糖浓度与超表面的电磁吸收特性之间关系的模型，以及，在皮肤上制备超表面，利用电磁波扫描皮肤上形成的超表面在不同频率下的反射光谱，得到S11参数与频率之间的关系曲线，根据模型以及关系曲线上谐振峰的频移，以确定血糖浓度的变化。本发明采用简便快捷的方式在皮肤直接构筑形成与皮肤相容性好的、可变形的、性能稳定的电磁波超表面，并且，该超表面基于电磁波电磁吸收特性与血糖浓度的关系，可直接对的人体血糖浓度进行检测，无须采集血液，实现了真正无创地检测人体血糖。

附图说明

图1为本发明一实施例的一种在皮肤上制备超表面用于血糖检测的方法的流程框图；

图2为本发明另一实施例的在皮肤上制备超表面的流程框图；

图3为本发明另一实施例的皮肤上的超表面进行血糖检测的方法示意图；

图4为本发明另一实施例的皮肤上的超表面在不同频率下的反射系数图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。

如图1所示，本发明提供一种在皮肤上制备超表面用于血糖检测的方法S100，具体包括以下步骤S110～S140：

S110、预先设计具有谐振环结构的超表面，通过模拟建立血糖浓度与超表面的电磁吸收特性之间关系的模型。

具体地，本实施例可采用多物理场仿真软件设计具有谐振环结构的超表面，并且，该谐振环结构为开口谐振环结构，该开口谐振环结构的形状为圆形或方形，以及，该开口谐振环结构的线宽范围为0.5mm～5mm，开口谐振环结构的开口尺寸为1mm～10mm，对此不做具体限定。

当然，对于本领域技术人员来说，根据实际需要，也可以设计互补开口的谐振环结构或其他结构，对此不作具体限定。

需要说明的是，本实施例的超表面是一种厚度小于波长的层状材料，超表面对电磁波的相位、振幅等具有高度灵敏的响应特性和强大的操控能力，可精确反映血糖对电磁波的反射或透射特性，以实现通过超表面来检测人体血糖浓度。应当理解的是，在检测之前，首先需要通过模拟建立一个超表面电磁吸收特性与人体血糖浓度之间关系的模型，以用于与后续的检测结果进行比对分析。

进一步需要说明的是，模拟的模型中需要输入某些谐振环结构的尺寸参数，这样，为设计超表面中的谐振环结构的尺寸提供了帮助。同时模拟时输入血糖的介电常数来模拟某一特征尺寸的超表面在不同频率下的反射光谱，并且，血糖的介电常数与血糖浓度具有一定的相关性，因此，基于该相关性可建立血糖浓度与超表面电磁吸收特性之间关系的模型。

S120、在皮肤上制备超表面。

需要说明的是，由于目前的现有技术中使用硅片或者其他基底上制备电磁波超表面，然后在其表面滴加人体模拟血糖或贴在皮肤上。前者需要采用模拟血糖，如果要测试人体血糖的话还需有创的方式采血，而后者又存在较大的误差，该误差主要是由于皮肤与贴的超表面之间的间隙而导致，因此，超表面的制备非常关键，需要避免皮肤与超表面之间产生间隙。基于此，本实施例采用水转印的方式在皮肤形成导电图案，以得到与皮肤无间隙的超表面，可实现直接测试人体血糖，无需采集血液。

示例性的，一并结合图3所示，给出了在人体胳膊200皮肤上制备形成了超表面100，该超表面与皮肤具有较好的生物相容性，可紧密贴附在皮肤。

具体地，如图2所示，S120、在皮肤上制备超表面，包括以下步骤S121～S123：

S121、采用预设的液态金属粒子、预设的金属颗粒以及预设的弹性树脂制备可拉伸复合导电油墨。

需要说明的是，上述步骤的可拉伸导电油墨中三者之间的比例可以根据实际需要进行调整，对此不作具体限定。示例性的，本实施例将液态金属粒子的质量分数范围设置为1％～15％，金属颗粒的质量分数范围设置为60％～80％，以及，弹性树脂的质量分数范围设置为5％～39％，这样，将预设的液态金属粒子、预设的金属颗粒、以及预设的弹性树脂按一定比例进行混合，搅拌均匀，以满足丝网印刷的条件。

具体地，在一些实施例中，可以将液态金属粒子的质量分数设置为5％，金属颗粒的质量分数设置为70％，以及，弹性树脂的质量分数设置为25％。

进一步需要说明的是，预设的液态金属粒子可采用共晶镓铟纳米粒子或共晶镓铟锡合金纳米粒子，其中，液态金属粒子的直径范围为50nm～1000nm，以及，金属颗粒可采用银颗粒，其中，银颗粒可以采用微米银片、纳米银片和微米银粒子中的一种或几种。另外，本实施例中的弹性树脂可采用聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、硅胶、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物中任意一种，对此不做具体限定，对于本领域技术人员来说，可以根据实际需要进行具体选择。

S122、采用丝网印刷方式将可拉伸复合导电油墨印刷在水转印纸张上，干燥后对印刷在水转印纸上的可拉伸导电油墨施加预设的处理压力并处理预设的处理时间，使可拉伸复合导电油墨中的中的液态金属粒子的壳破裂而流出并连接在金属颗粒之间，以在水转印纸张上得到超表面。

需要说明的是，在步骤S122中印刷后对含有液态金属粒子与银颗粒的墨层进行施加预设的处理压力范围为10N～100N，处理时间为1min～2min，这样，可保证在转移到皮肤上的超表面同时具有可拉伸性和导电性，以及，处理后的超表面上的开口谐振环结构线条的方阻小于100Ω/□。

S123、将水转印纸张上的超表面通过水转印方式转印到皮肤上，以在皮肤上形成超表面。

具体地，该步骤中可通过水转印方式将水转印纸上的超表面谐振环结构图案用水湿润，并在压力范围为10Pa～800Pa下处理1min～5min，以转印到人体皮肤(例如：胳膊表面)上，以实现在人体皮肤上制备可承受一定变形的超表面。本实施例采用的水转印方式可有效解决对于曲线复杂表面无法平整贴覆材料的问题。这样，对于人体任何地方的皮肤均可形成超表面，以实现针对血糖浓度的无创检测。

需要说明的是，人体的变形包括拉伸、弯曲等其他变形，在上述人体变形范围内超表面上谐振环结构图案的电学性能保持不变。也就是说，本实施例在皮肤上制备得到的超表面电学性能并不会随着人体的变形而发生变化，可有效避免因人体变形而产生影响，进而有效降低检测误差。

本实施例在皮肤上制备电磁波超表面的方法，通过在水转印纸上丝网印刷可拉伸导电油墨得到超表面结构，并经水转印技术将其转印在皮肤上，实现在皮肤上构筑生物相容性好的、可承受人体一定变形的、导电性能稳定的电磁波超表面。目前在皮肤上构筑超表面的技术还没有，大多数是在某种基材上通过蚀刻、印刷的方式制备超表面。而通过本实施例的方法可实现在人体皮肤直接制备完全贴合在皮肤上的超表面，以用于无创血糖检测。

S130、利用电磁波扫描皮肤上形成的超表面在不同频率下的反射光谱，得到S11参数与频率之间的关系曲线。

如图4所示，给出了超表面的S11参数随频率变化的关系曲线，根据该关系曲线可得到人体皮肤表面的血糖浓度变化。

需要说明的是，本实施例使用的电磁波波长为毫米波长范围，频率范围为30GHz～300GHz，以使得在该频率下工作的超表面中的谐振环结构的尺寸容易在皮肤上实现。

S140、根据模型以及关系曲线上谐振峰的频移，以确定血糖浓度的变化。

具体地，根据步骤S110中建立的模型，以及步骤S130中得到的S11参数与频率之间关系曲线，以确定血糖的浓度变化。示例性的，一并结合图4所示，天线S11参数的谐振峰从高频段向低频段移动，进而根据步骤S110中模拟的模型推测出人体血糖浓度的变化。也就是说，S11参数谐振峰的频移与血糖浓度的变化具有一一对应关系，由此，根据频移即可直接得到血糖浓度的变化。

本实施例的检测方法无须采集人体血液，通过在皮肤制备超表面，以及，通过超表面对电磁波的有效控制，直接可检测人体血糖浓度，实现了针对人体血糖的无创检测。

示例性的，如图3所示，以人体胳膊为例进行说明，在人体胳膊200皮肤上制备形成超表面100，并且，与该超表面相对应的上方的适当位置处设置有雷达天线310，该雷达天线310还与矢量网络分析仪320相连接，以通过雷达天线的辐射场激发超表面，并利用矢量网络分析仪320得到超表面的电磁反射特性曲线(如图4)，根据曲线上谐振峰的位置并结合软件模拟结果可获得血糖的浓度。本发明避免了传统检测方法需采集人体血液造成的伤害和不适，而且超表面与皮肤之间紧密接触，避免了在基材上制备超表面再贴附在皮肤上来测试血糖浓度时由于基材与皮肤发生相对位移而产生电磁噪声、降低测试准确性的问题。

本发明提供一种在皮肤上制备超表面用于血糖检测的方法，相对于现有技术而言，具有以下有益效果：其中，通过在水转印纸上丝网印刷可拉伸导电油墨得到超表面结构，并经水转印技术将其转印在皮肤上，实现在皮肤上构筑生物相容性好的、可承受人体一定变形的、电磁性能稳定的电磁波超表面。其次，通过测试皮肤上的超表面对毫米波的电磁响应特性曲线，以及根据曲线上谐振峰的频移并结合软件模拟结果可准确获得人体血糖浓度变化。以及，本发明提供的检测血糖浓度方法能够在人体皮肤的任何位置实现在线、无创地测试人体血糖，无须采集血液，具有较高的检测效率以及较高的安全性，不影响人体运动和正常的生活。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种在皮肤上制备超表面用于血糖检测的方法，其特征在于，包括：

预先设计具有谐振环结构的超表面，通过模拟建立血糖浓度与所述超表面的电磁吸收特性之间关系的模型；

采用水转印的方式在皮肤上制备超表面；

利用电磁波扫描所述皮肤上形成的超表面在不同频率下的反射光谱，得到S11参数与所述频率之间的关系曲线；

根据所述模型以及所述关系曲线上谐振峰的频移，以确定血糖浓度的变化。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述谐振环结构为开口谐振环结构，所述开口谐振环结构的形状为圆形或方形，以及，所述开口谐振环结构的线宽范围为0.5mm～5mm，所述开口谐振环结构的开口尺寸为1mm～10mm；和/或，

所述电磁波波长为毫米波长范围，频率范围为30GHz～300GHz。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在皮肤上制备超表面，包括：

采用预设的液态金属粒子、预设的金属颗粒以及预设的弹性树脂制备可拉伸复合导电油墨；

采用丝网印刷方式将所述可拉伸复合导电油墨印刷在水转印纸张上，干燥后对印刷在水转印纸上的可拉伸导电油墨施加预设的处理压力并处理预设的处理时间，使所述可拉伸复合导电油墨中的液态金属粒子的壳破裂而流出并连接在所述金属颗粒之间，以在所述水转印纸张上得到超表面；

将所述水转印纸张上的超表面通过水转印方式转印到所述皮肤上，以在所述皮肤上形成超表面。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述可拉伸复合导电油墨中的所述液态金属粒子的质量分数范围为1％～15％，所述金属颗粒的质量分数范围为60％～80％，以及，所述弹性树脂的质量分数范围为5％～39％。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述液态金属粒子采用共晶镓铟纳米粒子或共晶镓铟锡纳米粒子。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述液态金属粒子的直径范围为50nm～1000nm。

7.根据权利要求3至6任一项所述的方法，其特征在于，所述金属颗粒为微米银片、纳米银片和微米银粒子中的至少一种。

8.根据权利要求3至6任一项所述的方法，其特征在于，所述弹性树脂采用聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、硅胶、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物中任意一种。

9.根据权利要求3至6任一项所述的方法，其特征在于，所述对印刷在水转印纸上的可拉伸导电油墨施加预设的处理压力并处理预设的处理时间，使所述可拉伸复合导电油墨中的液态金属粒子的壳破裂而流出并连接在所述金属颗粒之间，以在所述水转印纸张上得到超表面，包括：

对印刷在水转印纸上的可拉伸导电油墨施加预设的处理压力范围为10N～100N，并处理1min～2min，使所述可拉伸复合导电油墨中的液态金属粒子的壳破裂而流出并连接在所述金属颗粒之间，以在所述水转印纸张上得到超表面。

10.根据权利要求3至6任一项所述的方法，其特征在于，所述将所述水转印纸上的超表面通过水转印方式转印到所述皮肤上，包括：

通过水转印方式将所述水转印纸上的超表面用水湿润，并在压力范围为10Pa～800Pa下处理1min～5min，以转印到所述皮肤上。

Images