CN112043026A - 呼吸系统检测用口罩 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种呼吸系统检测用口罩，包括口罩本体，口罩本体上具有排气孔；富集部件，设置在口罩本体外侧；富集部件内具有微流道，其内表面附着有对呼吸气中生物标志物特异性吸附的位点，微流道一端与所述排气孔相连通，另一端连通外侧大气。由上，实现了对生物标志物的富集，进而提升了检测的准确性和快速性。

Description

呼吸系统检测用口罩

技术领域

本申请涉及富集技术领域，特别是指一种呼吸系统检测用口罩。

背景技术

近年来，与呼吸道系统相关的病毒流传与蔓延开的情况很不乐观，有增加的趋势。这些病毒中，如常见的流感性感冒病毒，又如SARS病毒，以及新型冠状病毒(COVID-19)，可以通过空气中的飞沫进行传播。

目前，对于呼吸道系统的病毒，例如新型冠状病毒，一般采用咽拭子的方式采集，再进行核酸的检测。采集咽拭子样本取样比较麻烦，会消耗大量的医疗资源，例如，需要很高等级的防护措施，并且由于每天多人的咽拭子采集，也会造成医护人员很大的感染风险。另一方面，而对于去医院排队检测的疑似患者之间，由于人员的聚集，也可能出现交叉感染的风险，并且采集咽拭子样本也即为不舒服。如何能够在更方便安全的情况下进行呼吸道病毒的检测，甚至疑似患者可以方便的自行检测，是目前要解决的技术问题，例如中国专利申请号为CN202010157459.8的专利申请公开了一种可检测新型冠状病毒肺炎病原体的口罩与使用方法，通过检测过程与口罩相结合，替代采集咽拭子以解决上述问题。

但是，通过口罩的技术方案，由于采集方式更改为通过呼吸作用进行采集，但实际上由于呼吸的气体中的病毒附着在呼吸的气体中分散存在，导致聚集到检测部件的病毒很少，无法很快的检测出结果，甚至需要更长的时间，如上述中国专利申请号为CN202010157459.8中提到了需要佩戴30分钟左右才能获得结果。

如何能够解决这一问题，使得口罩上的传感器有足够的灵敏，以更快速的检测出结果，是本申请所要解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本申请的主要目的在于提供一种呼吸系统检测用口罩，以能实现对生物标志物的富集，进而提升了检测的准确性和快速性。

本申请提供的一种呼吸系统检测用口罩，包括：口罩本体，口罩本体上具有排气孔；富集部件，设置在口罩本体外侧；富集部件内具有微流道，其内表面附着有对生物标志物特异性吸附的位点，微流道一端与所述排气孔相连通，另一端连通外侧大气。

由上，通过富集部件的微流道，实现将呼吸气体进行冷凝，并通过微流道内表面附着有对生物标志物特异性吸附的位点，对冷凝液或呼吸气体中的生物标志物进行吸附，实现对生物标志物的有效富集，进而提升了检测的准确性和快速性。

可选的，富集部件的所述微流道形成阵列状排列；相邻的微流道之间具有侧壁进行间隔，至少一微流道内具有沿微流道排列设置的若干立柱；微流道的内表面和/或立柱的外表面附着有所述对生物标志物特异性吸附的位点。

由上结构，通过立柱与邻近的侧壁，可以有效锁住包含生物标志物的冷凝液，从而能实现对生物标志物的更有效富集，进而提升了检测的准确性和快速性。

可选的，所述微流道的内表面和/或立柱的外表面具有纳米薄膜，该纳米薄膜表面具有若干伸出表面的纳米刺，该纳米刺的顶端为所述生物标志物的特异性吸附位点。

由上结构，通过纳米刺结构，可以更加有效的实现对生物标志物的捕获，进而能实现对生物标志物的更有效富集，进而提升了检测的准确性和快速性。

可选的，还包括与口罩本体分体设置的可佩戴结构，所述富集部件设置在可佩戴结构内，富集部件通过管路连通口罩本体上的所述排气孔。

由上，该结构可以制作更为灵活方便，且可佩戴结构所受体积、重量限制更为放松。

可选的，所述富集部件位于口罩本体外表面设置。

由上，该结构将富集部件集成口罩本体设置，整体更为紧凑、小型化。

可选的，还包括依次电信号耦合的检测单元、电信号输出单元和无线传输单元，以及供电单元；所述检测单元用于加载电信号并检测被富集部件影响的电信号的变化；所述电信号输出单元用于输出检测的所述电信号；所述无线传输单元用于将电信号输出单元输出的信号发送出去。

由上，可以直接输出检测的电信号，实施过程中可以配合手机等上位机，使得检测结果的获得更为方便。

可选的，所述供电单元为自供电方式，包括贴片电池。

可选的，所述供电单元为非自供电方式，具有感应线圈。

由上，可以根据需要、应用场景采用自供电或非自供电方式。

可选的，还设置一用于驱动口罩本体内的气体流向富集部件的微型风扇。

由上，通过风扇提供了呼出气体的流动提供动力，可以使呼出气体有效流向富集部件，缩短了富集时间。

附图说明

图1A为一实施例中口罩的示意图；

图1B为另一实施例中口罩的示意图；

图2A为一实施例中富集部件的示意图；

图2B为图2A的局部放大示意图；

图2C为图2B的局部放大示意图；

图2D为使用过程中的图2A局部放大示意图；

图2E为富集部件一实施例的真实产品图；

图3A为一实施例中具有纳米草结构的纳米薄膜传感器的示意图；

图3B为另一实施例中具有纳米草结构的纳米薄膜传感器的示意图；

图4为一实施例中富集部件冲洗后荧光检测的信号示意图。

具体实施方式

在以下的描述中，涉及到“一些实施例”，其描述了所有可能实施例的子集，但是可以理解，“一些实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集，并且可以在不冲突的情况下相互结合。

在以下的描述中，所涉及的术语“第一\第二\第三等”或模块A、模块B、模块C等，仅用于区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本申请实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。

在以下的描述中，所涉及的表示步骤的标号，如S100、S200……等，并不表示一定会按此步骤执行，在允许的情况下可以互换前后步骤的顺序，或同时执行。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。其中，本发明所述的口罩是宽泛意义上的口罩，表示可以遮着口部或和鼻部，且用户可呼吸的罩体结构，包括面罩式(遮着整个面部)、头罩式(覆盖整个头部)、口鼻式(遮着口鼻)等形式的口罩。即包括如图1A示出的部分结构可佩戴于手臂或腰部的结构，也包括如图1B示出的均集成到面部位置的口罩本体的结构。

为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述。

通常，呼出气中含有医用诊断用的一些生物标志物，如新冠病毒、某细菌、某蛋白等，但实际上由于呼吸的气体中的生物标志物附着在呼吸的气体中分散存在，往往单位体积/面积内的含量很低，导致聚集到检测部件的生物标志物很少，这给准确、便携式诊断呼出气相关疾病造成一定困难。

如图1A和图1B示出的实施例，本申请提供的口罩的结构包括连通口罩本体上设置的呼气导出部，将导出的呼气连通至一富集部件后再排出。该富集部件采用微流道式结构，微流道内壁修饰有可捕获特定生物标志物的薄膜，富集部件将通过其微流道内的呼出气体进行冷凝并沉积，在冷凝水中的生物标志物会在被修饰的薄膜捕获，通过该方式，不断捕获呼出的气体中的特定生物标志物，实现了对该特定生物标志物的富集，进而实现了富集部件内的单位体积/面积内的特定生物标志物含量的提高。该富集部件由于修饰有薄膜，同时作为检测部件存在，进而导致聚集到检测部件的特定生物标志物含量的提高，从而提升了检测的准确性。其中，图1A的例子中，富集部件与口罩本体分体设置且通过呼气导出部连通，该富集部件设置于一可佩戴结构上；图1B的例子中，富集部件集成到口罩本体上设置。

下面以如图1A、图1B示出了本申请两个实施例的呼吸系统检测用口罩的整体示意图，对本发明的可采用的实施方式进行详细说明：

该呼吸系统检测用口罩包括口罩本体10，本体10上具有一排气孔30，该排气孔30对应靠近口鼻处设置，以使呼出的气体能顺畅进入该排气孔30相连通的富集部件20。如图1A中，该排气孔30、连接排气孔30和富集部件20的连接部，如管路，构成呼气导出部。

可选的，在图1A的实施例中，管路中或管路的某一端设置有单向呼吸阀；在图1B的实施例中，排气孔30处设置有单向呼吸阀。该结构更便于气体的单向的向排气孔30所连通的富集部件20传输。

可选的，在图1A的实施例中，在可佩戴结构内，设置一微型风扇，连通管路和富集部件20；在图1B的实施例中，呼吸阀内可以内置微型风扇。该结构提供了动力，可以更好的将口罩内呼吸时产生的呼气向排气孔30所连通的富集部件20传输。其中图1A中的微型风扇的体积、功率可以大于图1B实施例中的微型风扇，可以采用如气泵式微型风扇。

在可选的一个实施例中，排气孔内设置有过滤层，用于限制不大于目标物尺寸的生物粒子方可通过排气孔30进入富集部件20。其中过滤层的筛孔可由圆形、长方形、三角形或其组合形状构成。过滤层主要是过滤掉过大的生物粒子，其筛孔大小可根据所要检测的目标物进行制作。

其中，在图1A示出的实施例中，富集部件位于可佩戴结构内，可佩戴结构可以通过魔术带方式佩戴与手臂，或通过夹持、挂钩式佩戴于腰部皮带、皮带扣、或口袋上。口罩本体、管路、可佩戴结构可以为可拆卸式结构装配到一起。

其中，在图1B示出的实施例中，富集部件20位于口罩本体10外侧表面设置，其一端为进气口连通所述排气孔30，一端为排出口连通外接大气。在生产口罩时可以采用粘附等方式使富集部件20粘附于口罩本体10外侧表面。在图1B示出的实施例中，富集部件20可以施加一定力量后脱离口罩本体10外侧表面，以便于可以采用其他外部装置，如电子显微镜、电子摄像头取像等方式观测，或留存样本，或置于其他溶液中以使被测生物标志物显影(如荧光显示)等。这种情况下，适用于采用观测的方式，例如对富集部件20冲洗后进行荧光检测的方式进行。

在图1A和图1B示出的实施例中，还可以设置检测电路，其原理是，由于富集部件20对目标物的吸附，导致了加载于该富集部件20的检测单元的电信号发生变化，相应的电信号输出单元输出变化后的电信号。电信号的类型可以是加载于该富集部件20的检测单元电信号而相应的检测到的信号，如阻抗信号、电压、电流、电感、电容、高频、低频等各种形式的某种电信号，具体以适配的检测电路为准。例如，当加载于该富集部件20为阻抗检测电路时，富集部件20吸附目标生物标志物后会影响电子的流动性，从而阻抗检测电路所输出的阻抗值会发生变化，从而该变化的阻抗值会由电信号输出单元进行输出。又如，当加载于该富集部件20为高频检测电路时，富集部件20吸附目标生物标志物后会对谐振频率产生影响，高频检测电路所输出的频率会发生变化，从而该变化的频率会由电信号输出单元进行输出。具体举例如下：

在一个实施例中，富集部件20可以引出电极，以通过电检测方式检测富集部件因富集被测生物标志物导致的电信号的变化。所述电方式包括电信号电阻、电感、电压和/或电流的变化。其中，实现电检测的检测电路可以与富集部件集成为一体设置，且设置一供电单元为该检测电路供电。

在另一个实施例中，富集部件20由于整体为片状，可以贴附于一谐振部件设置，该谐振部件会由于富集部件20富集生物标志物导致谐振频率的变化，该谐振部件属于检测电路的一部分，检测电路可以与富集部件集成为一体设置，且设置一供电单元为该检测电路供电。

所述供电单元可以是自供电方式或被动供电方式，下面进行说明：

当为自供电方式时，可以采用电池。对应图1B为了集成到口罩本体，电池可以此采用贴片电池(或称为纽扣电池)，对应图1A，电池可以采用贴片电池，也可以采用标准电池。采用这种供电方式时，检测电路还可连接一无线传输单元，以将检测电路输出的电信号发送至上位机，上位机上具有相应的应用可以接收并显示相应的检测结果。其中上位机可以是与传感器贴片蓝牙信号连接的智能手机。

当供电单元为非自供电方式，即被动供电方式时，则需由专用读取装置基于电磁感应使该供电单元得以供电。例如基于RFID方式的被动供电，即供电单元主要以感应线圈构成，通过专用读取装置的电磁感应使得感应线圈获得电力后向检测电路供电。采用这种供电方式时，检测电路还可连接一无线传输单元，以将检测电路输出的电信号发送至该专用读取装置。该情况主要该情况适用于医院/检测站对疑似患者发放被动供电的口罩，由医生手持读取装置进行信号采集的情况。

上述无线传输单元可以根据需要设置，无线传输单元主要由微型电路构成，将电信号输出单元输出的电信号直接或经编码后通过无线通讯，如wifi、蓝牙或RFID等方式发送出去，以由智能终端，如手机、平板电脑或医生用的专用读取设备接收所述电信号，从而展示呼吸气中所含的生物标志物含量。

其中，上述涉及电路的部分可以集成设置，且可以与富集部件20集成一体设置。对应图1A可设置于可佩戴结构内，对应图1B可集成设置于口罩本体上。

下面，对本申请的富集部件20的内部结构进行详细说明。

如图2A-2D示出了本申请的富集部件20的结构示意图，图2E示出了富集部件一实施例的真实产品图，富集部件20的本体形成阵列状的微流道210，微流道210两端具有进气口、排气口，本实施例中，进气口/排气口通过树状的微流道连通各微流道210，以实现气体的分流、合流。相邻的微流道210之间具有侧壁201进行间隔，每个微流道210内具有至少两排沿微流道设置的立柱202。如图2D所示，含有微液滴52(或称为液滴碎片)的呼气经过微流道210时，被自然冷凝，冷凝的呼气所形成的冷凝液51，被侧壁201与邻近的一排立柱202有效的锁住，其中冷凝液中含有待检测的生物标志物。

富集部件20的微流道可以采用MEMS微制造工艺制备，例如可以采用在硅基的表面采用纳米压印、蚀刻或光刻等技术制作微流槽后，再键合到一平面，如玻璃平面的方式进行制备。富集部件20的微流道的内表面(包括立柱的外表面)，附着有对呼吸气中生物标志物(如细菌、病毒、各种蛋白等)特异性吸附的位点，如抗体、适配体等，以捕获对应的生物标志物。例如，该生物标志物可以为anti-S蛋白、抗体(2019-CoV spike antibody fromSinobio)等。为了使富集部件20能够更高效率的抓取生物标志物，富集部件20的微流道的内表面(包括立柱的外表面)修饰有纳米薄膜，如图3A和图3B示出的例子中，该纳米薄膜表面具有若干伸出表面的纳米刺，形成纳米草结构，刺的顶端是敏感位点，即附有特异性吸附的位点，通过纳米草的结构，形成三维的传感界面，相比附着有特异性吸附位点的光滑的纳米薄膜，更有利于提高抓取生物标志物的效率。其中，具有纳米刺的纳米薄膜，可以采用在纳米薄膜上形成聚电解质PETx的方式来生成所述纳米刺。

通过上述富集部件，实现了对冷凝液中的待检测生物标志物的不断捕获，并且在冷凝液被排出后，该捕获的生物标志物由于被捕获会留存在富集部件内，进而实现了对该生物标志物的富集。如图4示出的富集部件冲洗后荧光检测的信号示意图显示了富集效果。

另外，图示所述富集部件20的微流道为单层设置，实际制备时也可为多层结构。

由上可以看出，本申请上述的各实施例的呼吸系统检测用口罩，相比与背景技术来说，能够更有效率的对生物标志物进行捕获，从而能更快速的进行呼吸道系统病毒的检测。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种呼吸系统检测用口罩，其特征在于，包括：

口罩本体，口罩本体上具有排气孔；

富集部件，设置在口罩本体外侧；

富集部件内具有微流道，其内表面附着有对生物标志物特异性吸附的位点，微流道一端与所述排气孔相连通，另一端连通外侧大气。

2.根据权利要求1所述的口罩，其特征在于，

富集部件的所述微流道形成阵列状排列；

相邻的微流道之间具有侧壁进行间隔，至少一微流道内具有沿微流道排列设置的若干立柱；

微流道的内表面和/或立柱的外表面附着有所述对生物标志物特异性吸附的位点。

3.根据权利要求2所述的口罩，其特征在于，

所述微流道的内表面和/或立柱的外表面具有纳米薄膜，该纳米薄膜表面具有若干伸出表面的纳米刺，该纳米刺的顶端为所述生物标志物的特异性吸附位点。

4.根据权利要求3所述的口罩，其特征在于，还包括与口罩本体分体设置的可佩戴结构，所述富集部件设置在可佩戴结构内，富集部件通过管路连通口罩本体上的所述排气孔。

5.根据权利要求3所述的口罩，其特征在于，所述富集部件位于口罩本体外表面设置。

6.根据权利要求4或5所述的口罩，其特征在于，还包括依次电信号耦合的检测单元、电信号输出单元和无线传输单元，以及供电单元；

所述检测单元用于加载电信号并检测被富集部件影响的电信号的变化；

所述电信号输出单元用于输出检测的所述电信号；

所述无线传输单元用于将电信号输出单元输出的信号发送出去。

7.根据权利要求6所述的口罩，其特征在于，所述供电单元为自供电方式，包括贴片电池。

8.根据权利要求7所述的口罩，其特征在于，所述供电单元为非自供电方式，具有感应线圈。

9.根据权利要求4至8任一所述的口罩，其特征在于，还设置一用于驱动口罩本体内的气体流向富集部件的微型风扇。

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