CN113425327A - 体表汗液收集存储微流控芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种体表汗液收集存储微流控芯片，包括至少一个进液口、至少一个出液口；所述进液口、出液口之间通过主通道连通；所述主通道与多个储液池连通；每个所述储液池上均开设有出口；其特征在于，所述进液口与所述主通道之间通过特斯拉单向阀连通；所述特斯拉单向阀的多组回流连接通道分别位于主通道的两侧，且与所述主通道连通。本发明采用主通道侧边汗液收集腔室的设计，通过吸水性材料将汗液引入腔室，待吸汗饱和后汗液只会沿着出口方向流出至不具有汗液贮存功能的新鲜汗液储液池中，而不会干扰汗液收集腔室内的汗液。从而能够不采用任何机械活动部件而实现汗液的收集与存储，且能够同时对长时间存储的汗液以及新鲜的汗液同时进行分析。

Description

体表汗液收集存储微流控芯片

技术领域

本发明涉及可穿戴式微流控芯片技术领域，特别是一种体表汗液收集存储微流控芯片。

背景技术

可穿戴式汗液传感器是一种无创的人体生理参数检测设备，近年来的研究呈现快速增长，促进了对个人健康状况的持续监测及早期疾病诊断。汗液传感器已经被广泛应用于汗液中的钠离子，钾离子以及葡萄糖乳酸等代谢产物的监测，传感信号的读取方式主要分为电化学、比色法以及光学监测方法。可穿戴式汗液传感器的成功实现的关键要求是获得足够多的汗液样品用于分析其中的分析物浓度，且需要避免由于环境蒸发、污染所造成的影响。需要实现实时连续地采样，并且实现样本的有效存储。

通常，体表汗液的收集通过滤纸、棉布等具有吸水性材料实现，但后续的汗液提取仍需要离心机等设备或者直接在这些具有吸水性材料的表面进行汗液分析，此过程极为不便且需要专业人员的操作。由于可穿戴式设备需适应人体穿戴的需求，需要尽可能微型化，穿戴舒适等特点，可穿戴式微流控设备很好的解决了这个问题，能够为个性化医疗诊断，运动状态分析以及军事应用提供可能性。

现有的体表汗液收集装置大多采用具有吸水性的材料或者直接将检测电极浸泡在出汗点，不能将液体进行长时间的保存，且由于大多与空气想接触，极易由于汗液蒸发，导致汗液中被检测物的浓度出现极大的误差。少数具有汗液收集存储功能的装置都采用极易损坏的活动机械部件对液体进行密封，限制了其作为可穿戴式装置反复使用的作用。大多数微流控汗液提取装置只具有汗液引流通道，而汗液与空气的接触有可能会造成汗液的蒸发，从而导致汗液中微量的被分析物的实际浓度与测试浓度相去甚远。而一些具有汗液存储功能的微流控腔室往往采用的都是含有运动部件的微阀等微型化元件，极易出现损坏和失灵，这使得微流控汗液提取储存芯片的可重复实用性大大降低。CN 108553129 A发明公开了一种便于操作的医学检验用的汗液收集器，然而其方案本质是一种汗液的收集容器，所收集的液体需要交由专业实验室进行分析，不具备可穿戴性，不能进行任何生物化学修饰，具有较多的机械部件，极易降低使用寿命，较大的尺寸不适用于与电化学检测、光学检测等设备构成微型化可穿戴式微流控体液成分分析装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种体表汗液收集存储微流控芯片，在无需任何运动部件的情况下，保证所收集液体不回流。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种体表汗液收集存储微流控芯片，包括至少一个进液口、至少一个出液口；所述进液口、出液口之间通过主通道连通；所述主通道与多个储液池连通；所述进液口与所述主通道之间通过特斯拉单向阀连通；所述特斯拉单向阀的多组回流连接通道分别位于主通道的两侧，且与所述主通道连通。

本发明在体表汗液收集芯片通道中通过引入特斯拉单向阀，在无需任何运动部件的情况下，保证所收集液体不回流。

优选地，所述回流通道宽度为200-400微米，较窄的回流通道能够有效地增加回流液体的压力，抑制已采集汗液的回流。

优选地，所述进液口宽度为1000-1500微米，较宽的进液口能够保障汗液流入顺畅。

所述主通道与多个第一连接通道连通；每个所述连接通道与一个储存腔连通；每个所述储存腔与一个所述储液池连通。上述设计能够保障汗液进入不同的收集腔室，通过在不同腔室内进行不同的生物化学探针修饰，能够实现不同汗液中不同类型标志物的分析，使用方便。

所述第一连接通道纵截面为梯形，梯形结构的连接通道能够最大程度上保证液体流入容易而流出难，为汗液在腔室内的保存提供保障。

所述储存腔通过第二连接通道与所述储液池连通，通过连接储液池能够为临床汗液实时收集提供便利。

为了进一步防止汗液回流，所述第二连接通道与所述储存腔的连接位置位于所述储存腔与水平面夹角为225～300°的位置。

每个所述储液池内均设置有挡板结构，且所述挡板结构与对应的第二连接通道靠近所述储存腔的一端连接；优选地，所述挡板结构长度为800～2000微米。挡板结构的引入能够人为地影响所采集汗液的流动方向，使得在腔室内已采集的汗液不会流向出口，而新采集的汗液能够顺着出口的方向流出，从而达到存储腔室内汗液不受污染或蒸发等干扰等影响。

所述储液池截面为椭圆，所述椭圆长轴为800-1000微米，短轴为400---500微米。椭圆形的储液池设计能够较大程度上使得汗液的流动速度平缓，从而不易产生气泡，从而影响后续的采集分析。

所述特斯拉单向阀的多组回流连接通道均匀设置于主通道两侧，两侧分布的特斯拉阀能够充分发挥其单向导通的叠加效应，从而抑制汗液的回流而无需任何机械部件。

所述储存腔截面为圆形。圆形的汗液存储腔室能够较大程度上促使采集的汗液产生涡流现象，从而能够停留在存储腔室内，且不受外部流入流体的影响，实现采集与存储的功能。

所述主通道、储液池、储存腔、各连接通道均刻蚀于基片和/或盖片上；所述基片与盖片贴合。主通道、储液池、储存腔、各连接通道可以刻蚀与基片上，也可以刻蚀于盖片上，或者也可以在基片和盖片对应位置均刻蚀相应结构，基片与盖片贴合后，形成相应的主通道、储液池、储存腔、各连接通道。

所述基片的材料为PDMS，玻璃以及PMMA中的一种，基片主通道蚀刻深度为200-400微米，盖片材料为PDMS，玻璃以及PMMA中的一种。针对不同的使用场景及加工成本，可以选用相应舒适性，耐久性使用的材料，加工的多样化为推广使用奠定了基础。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明采用主通道侧边汗液收集腔室的设计，通过吸水性材料将汗液引入腔室，待吸汗饱和后汗液只会沿着出口方向流出至不具有汗液贮存功能的新鲜汗液储液池中，而不会干扰汗液收集腔室内的汗液。从而能够不采用任何机械活动部件而实现汗液的收集与存储，且能够同时对长时间存储的汗液以及新鲜的汗液同时进行分析。此外，通过在汗液入口处引入特斯拉单向阀，有效地防止已收集的汗液的回流对检测效果的影响，本发明能够克服现有汗液收集装置效果不佳，极易损坏的缺点，能为可穿戴式体液检测传感器提供可靠的汗液收集分析平台。

附图说明

图1为本发明一种体表汗液收集存储微流控芯片的平面示意图；

图2为本发明一种体表汗液收集存储微流控芯片单个汗液储存腔室在不同出口角度位置下，汗液收集区域的对比图数据柱状图；

图3为本发明一种体表汗液收集存储微流控芯片单个汗液储存腔室在不同出口角度位置下，汗液收集区域的对比图数据散点图；

图4为本发明一种体表汗液收集存储微流控芯片单个汗液储存腔室在不同入口通道尺寸下的汗液收集区域对比，以及对应的静态速度分布云图；

图5为本发明一种体表汗液收集存储微流控芯片单个汗液储存腔室在不同挡板尺寸下的汗液收集区域对比，以及对应的静态速度分布云图；

图6为本发明一种体表汗液收集存储微流控芯片单个汗液储存腔室在不同入口通道尺寸下的汗液收集区域对比，以及对应的静态压力分布云图；

图7为本发明一种体表汗液收集存储微流控芯片单个汗液储存腔室在不同挡板尺寸下的汗液收集区域对比，以及对应的静态压力分布云图；

图8为本发明一种体表汗液收集存储微流控芯片在增加特斯拉单向阀前的液体流经分布云图；

图9为本发明一种体表汗液收集存储微流控芯片在增加特斯拉单向阀后的液体流经分布云图；

图10为本发明特斯拉单向阀反向流动压强变化曲线；

图11为本发明特斯拉单向阀正向流动压强变化曲线；

图12为本发明特斯拉单向阀反向流动压强变化曲线；

图13为本发明特斯拉单向阀不同分流通道角度下正向和反向流动压降差之比随流速变化图；

图14本发明特斯拉单向阀为分流角为60°时，两方向压降随流速变化图；

图15为特斯拉单向阀分流角示意图；

其中：汗液入口1，特斯拉单向阀2，汗液收集腔室入口连接通道3，汗液收集腔室出口连接通道4，新鲜汗液储液池5，汗液出口6，汗液收集腔室7，挡板8，主通道9，新鲜汗液储液池出口10，特斯拉单向阀回流通道11。

具体实施方式

本发明包括包含至少一个汗液收集入口，至少一个汗液通道出口，入口于出口之间由汗液收集主通道相连，主通道包含至少一组特斯拉阀，至少四组汗液收集存储腔室分列于主通道的两侧，汗液收集腔室与主通道通过梯形的连接通道相连，汗液收集腔室上包含至少一个缺口，每个汗液收集腔室与汗液实时分析腔室相连通，汗液试试分析腔室包含至少一个出口。本发明在体表汗液收集芯片通道中通过引入特斯拉阀，在无需任何运动部件的情况下，保证所收集液体不回流。优化的汗液收集腔室，能够保证存储的汗液不受实时收集汗液的污染。

如图1，本发明实施例结构包括至少一个进液口1以及至少一个出液口6，进液口1通过特斯拉单向阀2与主通道9相连通，特斯拉单向阀2所具有的至少三组回流连接通道11分别位于主通道的两侧。至少四组汗液收集存储腔室7（即存储腔）分布于主通道9两侧且与主通道通过梯形连接通道3相连，每个汗液收集存储腔室7都具有一个挡板结构8，每个汗液收集存储腔室7与新鲜汗液储液池5通过连接通道4相连，新鲜汗液储液池5（即储液池）都具有至少一个出口10且与空气相连。

各所述特斯拉单向阀2位于汗液入口通道后端，入口通道宽度为1000-1500微米，特斯拉阀的回流通道宽度为200-400微米。

各所述汗液收集储存腔室为圆形，半径为8000-10000微米，与主通道相连的连接通道为上窄下宽的梯形，上宽为200-300微米，下宽为800-1000微米。

所述汗液收集储存腔室的出口位于与水平夹角为225-300°的位置，汗液收集储存腔室的挡板长度为800-2000微米。

所述新鲜汗液储液池为椭圆形结构，长轴为800-1000微米，短轴为400---500微米

所述体表汗液收集存储微流控芯片，所制备基片的材料为PDMS，玻璃以及PMMA，芯片基片通道蚀刻深度为200-400微米，盖片材料为PDMS，玻璃以及PMMA。

本发明实施例中，主通道、回流通道、储液池、储液仓、连接通道均刻蚀在基片上。

实施例一

要实现汗液在腔室中存储的目的，且不受到后续收集的液体的污染，汗液收集腔室内的死体积，即产生涡流的面积需要达到最大。在本实施例中，采用计算流体力学软件Fluent对汗液收集腔室在不同出口设计（出口与水平方向的夹角分别为0°，45°，180，225°）情况下的速度场分布进行了流体模拟分析，如图2所示，汗液流动方向为从左至右，圆形汗液存储腔室分布在主通道的一侧，出口位于圆形腔室的圆弧上，随着夹角的增大，速度分布低于0.0007m/s的面积由55.77%增长到67.833103%（可称之为静态区域），且高于0.0007m/s速度的分布更为均匀，这也意味着除去速度较低的部分，其余速度都能够均匀地流向出口。只要当收集到的汗液存储在上述速度低于0.0007m/s的区域，后续收集到的液体将不会对该区域的液体产生干扰，从而可以实现液体的存储功能。

为了构造相应的汗液传感器，静态区域可由具有毛细现象吸水性能的滤纸或者透明纸等材料进行生物化学修饰后形进行功能化，一方面可以吸引汗液，待吸收汗液饱和后，后续采集的汗液将会随着出口流出，另一方面便于对存储好的汗液进行比色法和光学方法进行检测。

实施例二

为了进一步探究在出口与水平方向的夹角固定为225°时，汗液采集腔室与主通道连接通道的宽度之间的关系，如图所示2，随着连接通道宽度的减小，静态区域的面积逐渐增大，然而，进液的压力也随之增加，为了防止进一步增加的压力降将会导致进液困难，连接通道宽度尺寸选定为200μm。此外，为了进一步能够将静态区域的流体储存起来，在汗液存储腔室的出口处引入了挡板结构，如图3所示，随着挡板长度从600增长到2000μm，静态区域面积持续上升，最高能够达到80%左右，但是相应地，压力将也会进一步增加，为了避免压力降进一步增大，选择挡板长度为2000μm。

从速度分布流线图（图5）可以看出，通过挡板的引入，原有的流线被扰动，在静态区域部分形成了许多涡流（即液体在涡流出循环流动，不与外界接触），且随着挡板尺寸的增加，涡流现象也随之增强，这就意味着在静态区域部分的流体几乎不会通进口和出口的液体流线有相互影响，从而实现了液体的存储，且只要汗液存储腔室的出口入口存在液体，就会形成对静态区域部分天然的密封，从而避免了存储部分的液体由于与空气接触而引起的蒸发现象，从而引起汗液中被检测物浓度的变化。至此，单个汗液存储腔室基本实现了汗液的收集与存储功能。如图1所示，将四个汗液存储腔室分别列于主通道的两侧，依然能够形成单个汗液存储腔室内的静态区域的涡流现象。

实施例三

保留了静态区域存储汗液，且从汗液收集存储腔室引出的汗液采集通道连接新鲜汗液储液池（含有出口），这方便了临床上无需接触的连续汗液采集。换句话说，本发明包含对汗液长时间存储不受新鲜汗液影响的汗液收集存储腔，以及能够对新鲜汗液进行实时分析的新鲜汗液储液池，极大地方便了后续的不同时期汗液成分分析的需求。此外，为了防止汗液的回流造成二次污染以及对汗液成分分析的干扰，本发明在汗液入口处引入了特斯拉单向阀，首次通过引入一种无需任何运动部件的微流控结构，实现加快入口汗液流速以及增加液体回流压力的单向阀结构，有效地防止已收集到的汗液向汗液入口处回流，首次将特斯拉单向阀引入体表汗液收集微流控芯片中，相比现有的汗液收集芯片，该装置具有能够反复使用的优势，不会产生机械损坏的情况，大大提升了可穿戴式汗液检测设备的实用性。

实施例四

为了获取汗液单向采集的最佳方法，本实施例首先使用典型的特斯拉阀进行验证其单向导通的工作性能，本发明使用fluent流体力学软件。反向流动和正向的速度云图如图10和图11所示，其中以2 mL/s的流体流速为例。发现流体在两个流动方向的分叉部分处分离。当通过特斯拉阀向正向流动时，流体主要流入直线通道。相反，当流体反向流过特斯拉阀时，它们中的大多数流入弧形通道。当流动方向急剧变化时，流动阻力增加，因此流体将进入通道，在该通道分叉处流动方向的变化会更加平缓。

图10和图11显示了沿通道中心线的静压，其中以流速为2 mL/s的正向和反向流动为例。入口位置设置为0mm，x轴平行于分叉部分的直通道，出口方向为正。对于反向流动，由于少量的流体流入分支部分的直通道，因此在分支部分的入口和出口之间的静压差很小。由于来自弧形通道的喷射流，中心线处的静压急剧下降，尤其是在分叉部分的出口处。这表明对于反向流动来说，与正向流动相比，来自弧形通道的射流对压降的影响更大。对于正向流动，中心线的静压力在分支部分的入口处略有增加，然后在分支部分中线性减小。当流动方向急剧变化时，流体从分叉部分流出时，中心线的静压大大降低。

同时为了实验结果的获取方便，分别选取了中心线处的压强变化和边沿处的变化，可以看出沿中心线和沿边沿的压强变化趋势基本符合，只有在转折点处有较大的区别，但是一旦跨越转折点时，其压强趋势又再次重合。

为了更好的控制变量，本次实验对参考型的特斯拉阀进行了修改，使特斯拉阀两分支1’、2’（液体回流后的两个分支）的直线部分长度相等且长度固定，同时也为了增强圆弧部分（2’的圆弧部分，该圆弧部分与2’的直线部分连接）的逆向流动效果，增大圆弧通道的曲率并使圆弧通道的一条切线与主通道垂直。

具体效果如图12，通过曲线可以观察特斯拉阀的反向流动压降有所提升，因此本次实验将以特斯拉阀为基础进行研究探讨。图13是本次实验模的数据模拟结果，对于所有不同分流角的特斯拉阀而言，其压降比始终随着流速的增大而增大。当流速小于11mL/s时，分流角a（液体回流后的两个分支的夹角）为45°、60°、70°的特斯拉阀的压降比变化较为剧烈；当流速大于11mL/s时，特斯拉阀的压降比的变化趋势区域平缓。对于分流角10°、15°、30°的特斯拉阀，在整个流速变化区内，特斯拉阀的整体压降比变化都是缓慢的。

当分流角为60°的时候，特斯拉阀的工作效果是最好的，此时的特斯拉阀有最大压降比值。图13展示了该特斯拉阀随着流速变化，正向流动和反向流动的压降变化。无论是正向流动还是反向流动，其压降都随着流速的增大和增大。图14展示的是单级特斯拉阀和多级特斯拉阀在正向流动和反向流动时的速度云图，对于正向流动，多级特斯拉阀中单个情况与单级特斯拉阀的情况相同，液体的大部分直接流过直线段通道；但是对于反向流动，多级特斯拉阀中的单个情况与单级特斯拉阀存在着差别，多级特斯拉阀的第一级特斯拉阀与单级特斯拉阀情况大致相同，虽然分支段对液体有分流作用，但其实分流效果并不理想，这会反映在在压降上并直接影响压降比，不难发现从第二级开始分支段对液体的分流作用有着明显的作用，大部分的液体都流向了弧形通道。

Claims (10)

1.一种体表汗液收集存储微流控芯片，包括至少一个进液口、至少一个出液口；所述进液口、出液口之间通过主通道连通；所述主通道与多个储液池连通；其特征在于，所述进液口与所述主通道之间通过特斯拉单向阀连通；所述特斯拉单向阀的多组回流连接通道分别位于主通道的两侧，且与所述主通道连通；优选地，所述回流通道宽度为200-400微米；优选地，所述进液口宽度为1000-1500微米；优选地，所述特斯拉单向阀的分流角为60°；优选地，所述分流角两条边的长度相等。

2.根据权利要求1所述的体表汗液收集存储微流控芯片，其特征在于，所述主通道与多个第一连接通道连通；每个所述连接通道与一个储存腔连通；每个所述储存腔与一个所述储液池连通。

3.根据权利要求2所述的体表汗液收集存储微流控芯片，其特征在于，所述第一连接通道纵截面为梯形。

4.根据权利要求2所述的体表汗液收集存储微流控芯片，其特征在于，所述储存腔通过第二连接通道与所述储液池连通；优选地，所述第二连接通道与所述储存腔的连接位置位于所述储存腔与水平面夹角为225～300°的位置。

5.根据权利要求4所述的体表汗液收集存储微流控芯片，其特征在于，每个所述储液池内均设置有挡板结构，且所述挡板结构与对应的第二连接通道靠近所述储存腔的一端连接；优选地，所述挡板结构长度为800～2000微米。

6.根据权利要求1所述的体表汗液收集存储微流控芯片，其特征在于，所述储液池截面为椭圆，所述椭圆长轴为800-1000微米，短轴为400---500微米。

7.根据权利要求1所述的体表汗液收集存储微流控芯片，其特征在于，所述特斯拉单向阀的多组回流连接通道均匀设置于主通道两侧。

8.根据权利要求1～7之一所述的体表汗液收集存储微流控芯片，其特征在于，所述储存腔截面为圆形；优选地，所述圆形半径为8000～10000微米。

9.根据权利要求4或5所述的体表汗液收集存储微流控芯片，其特征在于，所述主通道、储液池、储存腔、各连接通道均刻蚀于基片和/或盖片上；所述基片与盖片贴合。

10.根据权利要求9所述的体表汗液收集存储微流控芯片，所述基片的材料为PDMS，玻璃以及PMMA中的一种；盖片材料为PDMS，玻璃以及PMMA中的一种。

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