CN114042479A - 一种汗液微流控系统、制作方法及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种汗液微流控系统、制作方法及使用方法，所述微流控系统包括：用于汗液收集的微流控芯片、粘胶层、去离子水注入球、空气注入球和汗液收集器；微流控芯片的制作方法包括：加工含有微流控芯片的阳模，按照比例均匀混合液态PDMS与固化剂，注入阳模中；将固化后的微流控芯片与阳模剥离；将微流控芯片的流体流通区与粘胶层的开孔区对准，粘接压实；使用方法包括汗液收集方法和出汗率计算方法。本发明采用了PDMS材料制作微流控芯片，每隔一段时间收集新鲜的汗液样本，使用去离子水球与空气注入球将汗液样本冲洗到去汗液收集器中，可连续使用收集汗液，确保“新鲜”汗液被取样，无创且便携。
Description
技术领域
本发明涉及微流控技术领域，具体是一种汗液微流控系统、制作方法及使用方法。
背景技术
血液分析是人体疾病检测与健康评估最常见的分析手段，但血液取样通常要破坏皮肤组织，是有创的。血液分析耗时长、费用高，不能实时获取人体生理健康状态，且频繁采血给病人带来很大程度上的痛楚。
随着电子信息及微纳加工技术的快速发展，智能可穿戴设备不仅可实时获取与人体健康信息相关的物理信息(如心率、呼吸频率、血压、体温)等，且正朝着实时监测人体生物分子层面信息方向迈进。而汗液作为人体一种重要液体，成为可穿戴式传感器的热门研究目标。汗液中包含的与人体健康相关的生物标志物的种类丝毫不亚于血液，且汗液与其他体液相比更容易采集。例如，局部或全身的出汗率可提供人体水合状态信息，对出汗率的实时测量可以预防与温度相关的疾病如中暑，汗液中电解质和代谢产物如乳酸、氯和葡萄糖与人体疲劳程度、电解质平衡以及血糖水平息息相关。
汗液的定量收集是实现上述汗液分析目标的重要前提。传统的汗液收集方法通常采用滤纸、纱布、毛巾、酒精棉等吸水材料吸收皮肤表面汗液，然后采用高速离心机离心获取。该方法操作复杂，无法实现连续分析。
发明内容
本发明的目的在于提供用于汗液定量收集与出汗率测量的微流控系统及其方法,采用了PDMS材料制作微流控芯片，每隔一段时间收集新鲜的汗液样本，使用去离子水球与空气注入球将汗液样本冲洗到汗液收集器中，可连续收集汗液，确保“新鲜”汗液被取样，无创且便携；将微芯片通道设计为细长的扁舟型，用光滑的曲线连接微流控芯片的流体输入口、流体输出口，以防止液体、气体滞留在边角处，从而确保皮肤与微流控芯片接触处出现的汗液能够全部与去离子水混合，并被全部排出至汗液收集器中。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种汗液微流控系统，所述微流控系统包括：
用于汗液收集的微流控芯片，所述微流控芯片包括流体流通区，流体流通区包括用于收集皮肤表面分泌的汗液的汗液收集区，汗液收集区的两端均设有用于引导去离子水的注入和汗液收集物的排出的流体通道，流体通道的两端分别设有流体输入口和流体输出口；
粘胶层，包含粘胶区与开孔区，其中开孔区的轮廓特征与微流控芯片的流体流通区相对应；
去离子水注入球，所述去离子水注入球由球帽与移液管构成，移液管上标有吸液提示刻度线，吸液至刻度线位置所吸取的液体体积与汗液收集区及流体通道的体积和相等；
空气注入球，所述空气注入球与离子水注入球结构相同，其区别在于尺寸不同；
汗液收集器，所述汗液收集器为上开口大、下开口小的柱体结构，下开口与流体输出口相连接，汗液收集器上设有刻度线，可读出收集汗液的体积。
进一步的，所述流体通道的横截面为矩形，矩形的深度和宽度的尺寸范围均为：200μm～1000μm。
进一步的，所述汗液收集区呈细长扁舟型，汗液收集区上设有阵列分布的圆柱支撑体。
进一步的，所述流体输入口和流体输出口均位于流体通道上。
进一步的，所述微流控芯片材质为PDMS。
进一步的，所述球帽是软体塑料材质，移液管为上开口大，下开口小，上开口与球帽连接，下开口与微流控芯片的流体输入口连接；
所述去离子水注入球的球帽体积大于微流控芯片汗液收集区及流体通道的体积和。
微流控芯片的制作方法，制作方法包括以下步骤：
S1:加工含有微流控芯片的阳模，其特征为与微流控芯片的形状凹凸相反；
S2:在阳模的周边安装挡板，按照10:1比例均匀混合液态PDMS与固化剂，注入阳模中，65-75℃固化110-130min；
S3:将固化后的微流控芯片与阳模剥离；
S4:粘胶层为医用双面胶带，采用激光雕刻制成对应形状；
S5:将微流控芯片的流体流通区与粘胶层的开孔区对准，将微流控芯片与粘胶层粘接压实。
一种汗液微流控系统的使用方法，使用方法包括汗液收集方法和出汗率计算方法。
进一步的，所述汗液收集方法包括以下步骤：
S10:将粘胶层的保护膜撕除，粘贴于皮肤汗液收集部位；
S20:运动或皮肤局部加热，出汗一定时间后，将汗液收集器插入流体输出口，将去离子水注入球插入流体输入口处，挤压球帽，将所有去离子水注入微流控芯片，汗液与去离子水混合，拔出去离子水注入球，松开球帽；
S30:将空气注入球插入流体输入口处，挤压球帽，使微流控芯片中的所有液体进入汗液收集器，拔出空气注入球，松开球帽。
进一步的，所述出汗率计算方法包括以下步骤：
S110:计算出汗液收集区与皮肤接触处的表皮面积，称量去离子水球中去离子水的质量；
S120:实验开始后，记录汗液收集时间；
S130:实验结束后，称量汗液收集器中液体质量，多次实验称量，避免实验误差；
S140:通过下列公式计算出汗率
本发明的有益效果：
1、本发明采用了PDMS材料制作微流控芯片，每隔一段时间收集新鲜的汗液样本，使用去离子水球与空气注入球将汗液样本冲洗到去汗液收集器中，可连续使用收集汗液，确保“新鲜”汗液被取样，无创且便携；
2、本发明将微芯片的流体流通区设计为细长的扁舟型，用光滑的曲线连接微流控芯片的输入口、流体输出口，防止液体、气体滞留在边角处，从而确保皮肤与微流控芯片接触处出现的汗液能够全部与去离子水混合，并被全部排出至汗液收集器中。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明微流控系统结构示意图；
图2是本发明微流控芯片结构示意图；
图3是本发明粘胶层结构示意图；
图4是本发明微流控系统部分结构示意图；
图5是本发明去离子水注入球结构示意图；
图6是本发明汗液收集器结构示意图；
图7是本发明汗液收集的流程图；
图8是本发明微流控芯片制作流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种汗液微流控系统，微流控系统包括：
微流控芯片1：如图2、图4所示，用于汗液收集；微流控芯片1包括流体流通区101，流体流通区101包括汗液收集区103，汗液收集区103的两端均设置流体通道102，流体通道102的功能是引导去离子水的注入和汗液收集物的排出，流体通道102的横截面为矩形，矩形的高(深)与宽的比值接近1，深度、宽度的尺寸范围200μm～1mm，尺寸太小容易堵塞流体通道102，尺寸较大占据空间大，不利于收集的汗液的排出。汗液收集区103的功能是收集皮肤表面分泌的汗液，其特征在于呈细长扁舟型，空间内均匀分布多个圆柱支撑体，以防芯片坍塌不利于汗液的收集。流体通道102的两端分别设有流体输入口104和流体输出口105，流体输入口104和流体输出口105均位于流体通道102上。微流控芯片1材质为软体有机材料，优选为PDMS。
粘胶层2，包含粘胶区201与开孔区202，如图3所示，其中开孔区202的轮廓特征与流体流通区101相对应，材质为透气性好，粘接力强的医用双面胶带。
去离子水注入球3，如图5所示，去离子水注入球3由球帽301与移液管302构成。球帽301是软体塑料材质(优选透明PET，PC，PS，PP等薄壁塑料，其他橡胶等材料也在本专利的保护范围内)。移液管302具有一定的硬度，其形状特征为上开口大，下开口小，上开口与球帽301连接，下开口与微流控芯片1的流体输入口104连接，其材质可选常用塑料，如PP，PS，PMMA等。移液管302上标有吸液提示刻度线，吸液至刻度线位置所吸取的液体体积与汗液收集区103及流体通道102的体积和相等，去离子水注入球3的球帽301体积略大于微流控芯片1汗液收集区103及流体通道102的体积和。去离子水注入球3中可事先储存定量去离子水；也可测试前吸入，其吸液方法为：捏紧球帽301，将移液管插入去离子水中，待去离子水至刻度线松开球帽，即可吸入定量去离子水。本专利采用去离子水注入球3向微流控芯片1中注入去离子水，操作方便，体积小，成本低。采用其他的移液方法来实现本专利中提取汗液，也在本专利的保护范围内。例如采用注射器、移液枪、洗耳球等。
空气注入球4，该球由球帽401与连接管402构成。球帽是软体塑料材质(优选透明PET，PC，PS，PP等薄壁塑料，其他橡胶等材料也在本专利的保护范围内)。连接管具有一定的硬度，其形状特征为上开口大，下开口小，上开口与球帽连接，下开口与微流控芯片1的流体输入口104连接，其材质可选常用塑料，如PP，PS，PMMA等。
空气注入球4与离子水注入球3结构相同，其区别在于，空气注入球4的球帽的体积大于微流控芯片1汗液收集区103及流体通道102的体积，优选体积是其2倍。
汗液收集器5，如图6所示，为上开口大、下开口小的柱体结构，下开口与流体输出口105相连接。其体积大于等于汗液收集区103与通道体积和的两倍，优选体积是其4倍，其上有刻度线，可读出收集汗液的体积。其材料为透明硬质塑料，可为PS，PP，PMMA等。
微流控芯片1的制作方法，制作方法包括以下步骤：
S1:加工含有微流控芯片1的阳模，其特征为与微流控芯片1的形状凹凸相反，如图8(a)所示。可采用精密机械加工、光刻法、LIGA、激光雕刻、3D打印等方法制备。
S2:在阳模的周边安装挡板，如图8(b)所示，按照10:1比例均匀混合液态PDMS与固化剂，如图8(c)所示，注入阳模中，65-75℃固化110-130min小时。
S3:将固化后的微流控芯片1流体流通区101与阳模剥离，如图8(d)所示；
S4:粘胶层2为医用双面胶带，采用激光雕刻制成对应形状；
S5:将微流控芯片1的流体流通区101与粘胶层的开孔区202对准，粘接压实。
一种汗液微流控系统的使用方法，使用方法包括汗液收集方法和出汗率计算方法：
汗液收集方法包括以下步骤：
S10:将粘胶层2的保护膜撕除，粘贴于皮肤汗液收集部位，如图7(a)所示；
S20:运动或皮肤局部加热，出汗一定时间后，如图7(a)所示，将汗液收集器5插入流体输出口105，如图7(b)所示，将去离子水注入球3插入流体输入口104处，挤压球帽，将所有去离子水注入微流控芯片1，如图7(c)所示，汗液与去离子水混合，拔出去离子水注入球，松开球帽；
S30:将空气注入球插入流体输入口104处，如图7(d)所示，挤压球帽，使微流控芯片2中的所有液体进入汗液收集器，如图7(e)、7(f)所示，拔出空气注入球，松开球帽。
出汗率计算方法包括以下步骤：
S110:计算出汗液收集区与皮肤接触处的表皮面积(cm2)，称量去离子水球中去离子水的质量(mg)；
S120:实验开始后，记录汗液收集时间(min)；
S130:实验结束后，称量汗液收集器中液体质量(mg)，多次实验称量，避免实验误差；
S140:通过下列公式计算出汗率(mg/(cm2·min))
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (10)
1.一种汗液微流控系统，其特征在于，所述微流控系统包括：
用于汗液收集的微流控芯片(1)，所述微流控芯片(1)包括流体流通区(101)，流体流通区(101)包括用于收集皮肤表面分泌的汗液的汗液收集区(103)，汗液收集区(103)的两端均设有用于引导去离子水的注入和汗液收集物的排出的流体通道(102)，流体通道(102)的两端分别设有流体输入口(104)和流体输出口(105)；
粘胶层(2)，包含粘胶区201与开孔区202，其中开孔区202的轮廓特征与微流控芯片的流体流通区101相对应；
去离子水注入球(3)，所述去离子水注入球(3)由球帽(301)与移液管(302)构成，移液管(302)上标有吸液提示刻度线，吸液至刻度线位置所吸取的液体体积与汗液收集区(103)及流体通道(102)的体积和相等；
空气注入球(4)，所述空气注入球(4)与离子水注入球(3)结构相同，其区别在于尺寸不同；
汗液收集器(5)，所述汗液收集器(5)为上开口大、下开口小的柱体结构，下开口与流体输出口(105)相连接，汗液收集器(5)上设有刻度线，可读出收集汗液的体积。
2.根据权利要求1所述的一种汗液微流控系统，其特征在于，所述流体通道(102)的横截面为矩形，矩形的深度和宽度的尺寸范围均为：200μm～1000μm。
3.根据权利要求1所述的一种汗液微流控系统，其特征在于，所述汗液收集区(103)呈细长扁舟型，汗液收集区(103)上设有阵列分布的圆柱支撑体。
4.根据权利要求1所述的一种汗液微流控系统，其特征在于，所述流体输入口(104)和流体输出口(105)均位于流体通道(102)上。
5.根据权利要求1所述的一种汗液微流控系统，其特征在于，所述微流控芯片(1)材质为PDMS。
6.根据权利要求1所述的一种汗液微流控系统，其特征在于，所述球帽(301)是软体塑料材质，移液管(302)为上开口大，下开口小，上开口与球帽(301)连接，下开口与微流控芯片(1)的流体输入口(104)连接；
所述去离子水注入球(3)的球帽(301)体积大于微流控芯片(1)汗液收集区(103)及流体通道(102)的体积和。
7.制作权利要求1-6任意一项所述的一种汗液微流控系统中微流控芯片的制作方法，其特征在于，制作方法包括以下步骤：
S1:加工含有微流控芯片(1)的阳模，其特征为与微流控芯片(1)的形状凹凸相反；
S2:在阳模的周边安装挡板，按照10:1比例均匀混合液态PDMS与固化剂，注入阳模中，65-75℃固化110-130min；
S3:将固化后的微流控芯片(1)与阳模剥离；
S4:粘胶层(2)为医用双面胶带，采用激光雕刻制成对应形状；
S5:将微流控芯片(1)的流体流通区(101)与粘胶层(2)的开孔区(202)对准，将微流控芯片(1)与粘胶层(2)粘接压实。
8.基于权利要求1-6任意一项所述的一种汗液微流控系统的使用方法，其特征在于，使用方法包括汗液收集方法和出汗率计算方法。
9.根据权利要求1所述的使用方法，其特征在于，所述汗液收集方法包括以下步骤：
S10:将粘胶层(2)的保护膜撕除，粘贴于皮肤汗液收集部位；
S20:运动或皮肤局部加热，出汗一定时间后，将汗液收集器(5)插入流体输出口(105)，将去离子水注入球(3)插入流体输入口(104)处，挤压球帽，将所有去离子水注入微流控芯片(1)，汗液与去离子水混合，拔出去离子水注入球，松开球帽；
S30:将空气注入球插入流体输入口(104)处，挤压球帽，使微流控芯片(2)中的所有液体进入汗液收集器，拔出空气注入球，松开球帽。
10.根据权利要求1所述的使用方法，其特征在于，所述出汗率计算方法包括以下步骤：
S110:计算出汗液收集区与皮肤接触处的表皮面积(cm2)，称量去离子水球中去离子水的质量(mg)；
S120:实验开始后，记录汗液收集时间(min)；
S130:实验结束后，称量汗液收集器中液体质量(mg)，多次实验称量，避免实验误差；
S140:通过下列公式计算出汗率(mg/(cm2·min))
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