CN114113065A - 一种柔性无创眼贴式可穿戴传感器及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种柔性无创眼贴式可穿戴传感器及其应用，所述传感器包括：衬底层、连接层、传感层、刺激层和第一、第二保护层；衬底层为上边缘修饰了疏水区域的纺织纤维层；传感层由弯月进样区、通道和修饰了特异性显色试剂的传感区组成；刺激层为修饰了催泪剂的纺织纤维层；硅油纸基和聚乙烯塑料基的保护层分别用于密封刺激层和传感层。本发明传感器采用多通道设计，对泪液中可能存在的多种生物标记物，实现同时无创检测；采用比色反应作为检测方法，智能手机直接读出检测结果，快速便捷，适用于POCT检测和家庭健康监测；传感器设计为眼贴式，以催泪剂无创取样，易于使用且舒适方便；可实现眼泪中多种重要生物标志物的高灵敏、快速、同步、准确检测。

Description

一种柔性无创眼贴式可穿戴传感器及其应用
技术领域
本发明属于生物标志物分析技术领域，具体涉及一种柔性无创眼贴式可穿戴传感器及其应用。
背景技术
无创可穿戴生物传感设备不仅具有体积小，质量轻，便携，成本低等优点，而且可随时方便地取样，不会在取样过程导致伤害或感染，有望替代常规的血液检测，为临床诊断提供依据，同时可用于家庭和个人的健康监测，在各种即时检测(Point-of-Care testing，POCT)需求中有广泛的应用前景。
人体泪液中含有多种生物标志物，且其含量与血液中的含量具有良好的相关性，可以反映眼部和全身的健康状态，作为慢性或急性疾病(包括感染)以及局部创伤或损伤的标志。例如，泪液中蛋白质水平，可作为诊断角膜病变，干眼和无虹膜症等疾病潜在生物标志物；泪液中抗坏血酸水平与角膜健康状况有关，可作为诊断准分子激光角膜手术后角膜疾病、碱烧伤和炎症的潜在生物标志物；泪液的pH可作为流行性角膜结膜炎，小儿疱疹性角膜结膜炎以及眼酒渣鼻等疾病的潜在生物标志物；泪液葡萄糖和血糖之间的相关性可以用来评估测试者的糖尿病状态。这些特性使得泪液用于无创监测及诊断来说极具吸引力的。目前，国际上已有一些工作研发了基于泪液检测的可穿戴传感器，其方案是将电化学传感器或比色传感器集成到隐形眼镜上，从而实现泪液中的生物标记物的检测。很显然，这种技术方法不是真正的“无创取样”，隐形眼睛的佩戴和摘除比较麻烦，而且经常佩戴会导致眼部的一些不适，比如也会引起角膜缺氧，导致角膜上皮基质及内皮的损害，引起感染性角膜炎甚至失明的发生等，尤其对于视力正常的被检测者来说，是非常不方便的，因此很难真正实现POCT检测和健康监测的实际应用。
发明内容
本发明要解决现有技术中的技术问题，提供一种柔性无创眼贴式可穿戴传感器及其应用，本发明的传感器具有即时检测、用户友好、小巧便携、成本低廉、准确性高、灵敏度高以及多通道检测等优势，具有广泛的适用性，满足各种现场即时诊断和家庭健康监测等不同需求。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
本发明提供一种柔性无创眼贴式可穿戴传感器，包括：
衬底层，其为上边缘设置了疏水区域的纺织纤维层；
连接层，其设置在所述衬底层上；所述连接层用于粘合组装衬底层、传感层、刺激层、第一保护层和第二保护层；
所述传感层，其设置在所述连接层上；所述传感层包括：弯月形进样区，所述弯月形进样区连接有多个通道，每个通道连接有传感区，所述传感区设置有能检测泪液中标志物的特异性显色试剂；
所述刺激层包括：第一刺激层和第二刺激层；所述第一刺激层和第二刺激层分别设置有催泪剂，且分别设置在所述连接层的两侧上；
所述第一保护层包括刺激层基体，所述刺激层基体两侧分别设置有第一镂空部、第二镂空部；所述第一保护层设置于所述传感层上，用于保护所述传感层；所述第一镂空部、第二镂空部分别与第一刺激层和第二刺激层相对应；
所述第二保护层包括：保护层一和保护层二，所述保护层一和保护层二分别用于保护第一刺激层和第二刺激层；
使用所述柔性无创眼贴式可穿戴传感器检测泪液样品中标志物时，在检测之前，需要将保护层一和保护层二去除，暴露的催泪剂挥发到眼睛内，在催泪剂的刺激下，眼泪流出，对于容易流泪人群，无需此步骤；流出的泪液经由弯月形进样区进入通道，最终流入传感区，与传感区预先设置的不同种类特异性显色试剂发生显色反应，从而实现泪液中标志物的同时多路检测。
在上述技术方案中，优选的是，所述柔性无创眼贴式可穿戴传感器采用弯月形设计，其上、下弧度分别为85度和75度，长度为75mm，宽度为30mm。
在上述技术方案中，优选的是，所述疏水区域为蜡条带，蜡条带宽度为4mm。
在上述技术方案中，优选的是，所述连接层为医用双面胶。
在上述技术方案中，优选的是，所述弯月形进样区长度25mm、宽度4mm，所述通道为长方形通道、尺寸为2×8mm，所述传感区为圆形、直径为4mm。
在上述技术方案中，优选的是，所述第一刺激层和第二刺激层均为设置了催泪剂的圆形纺织纤维层，直径分别为6mm和10mm。
在上述技术方案中，优选的是，所述第一保护层为聚乙烯塑料层。
在上述技术方案中，优选的是，所述保护层一和保护层二均为硅油纸，直径分别为12mm和18mm。
本发明还提供一种柔性无创眼贴式可穿戴传感器在人体眼泪中生物标志物检测方面的应用，并可通过智能手机直接读出检测结果。
在上述技术方案中，所述的人体眼泪中生物标志物包括氢离子、蛋白质、抗坏血酸、葡萄糖。
本发明的有益效果是：
本发明提供的柔性无创眼贴式可穿戴传感器可真正实现泪液的无创取样和生物标记物的同时检测，易于使用且舒适方便。具体的说本发明优势：1)传感器采用多通道设计，对泪液中可能存在的多种生物标记物，实现同时无创检测；2)采用比色反应作为检测方法，智能手机直接读出检测结果，快速便捷，非常适用于POCT检测和家庭健康监测需求；3)整体传感器设计为眼贴式，贴于眼睛下方以催泪剂无创取样，易于使用且舒适方便；4)可实现眼泪中多种重要生物标志物的高灵敏、快速、同步、准确检测。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明柔性无创眼贴式可穿戴传感器的结构示意图。
图2是本发明衬底层的结构示意图。
图3是本发明连接层的结构示意图。
图4是本发明传感层的结构示意图。
图5是本发明刺激层的结构示意图。
图6是本发明第一保护层的结构示意图。
图7是本发明第二保护层的结构示意图。
图8是本发明柔性无创眼贴式可穿戴传感器的实物图(A)以及在拉伸(B)、扭转(C)、和弯曲(D)后的眼贴实物图。
图9是本发明柔性无创眼贴式可穿戴传感器对泪液中四种标记物的检测示意图。
图10是本发明柔性无创眼贴式可穿戴传感器的表征图；(A-C)纺织纤维层，设置了蜡条带的纺织纤维层和定性滤纸的扫描电镜图。双面胶层(D)，纺织纤维层(E)，设置了蜡条带的纺织纤维层(F)，定性滤纸(G)，pH传感区(H)，蛋白质传感区(I)，低浓度抗坏血酸传感区(J)，高浓度抗坏血酸传感区(K)，葡萄糖传感区(L)的接触角测定图。
图11是本发明柔性无创眼贴式可穿戴传感器所需样品的体积和样品完全浸润眼贴所需时间的测定图。
图12是本发明柔性无创眼贴式可穿戴传感器检测氢离子(A)、蛋白质(B)、低浓度抗坏血酸(C)、高浓度抗坏血酸(D)、葡萄糖(E)抗干扰性的测试图。
图13是本发明柔性无创眼贴式可穿戴传感器检测氢离子(A)、蛋白质(B)、低浓度抗坏血酸(C)、高浓度抗坏血酸(D)、葡萄糖(E)重现性的测试图。
图14是本发明柔性无创眼贴式可穿戴传感器测定(A)氢离子(pH)、(B)蛋白质(Alb)、(C)低浓度抗坏血酸(AA)、(D)高浓度抗坏血酸(AA)、(E)葡萄糖(Glu)的标准曲线。
图15是本发明柔性无创眼贴式可穿戴传感器与标准方法测定人泪液样品中四种标志物结果的对比图。
图中的附图标记表示为：
1、衬底层，2、连接层，3、传感层，4、刺激层，5、第一保护层，6、第二保护层；
1-1、疏水区域，1-2、纺织纤维层；
3-1、弯月形进样区，3-2、传感区，3-3、通道；
4-1、第一刺激层，4-2、第二刺激层；
5-1、刺激层基体，5-2、第一镂空部，5-3、第二镂空部；
6-1、保护层一，6-2、保护层二。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
实施例1柔性无创眼贴式可穿戴传感器
一种柔性无创眼贴式可穿戴传感器，其结构如图1所示，采用弯月形设计，其上、下弧度分别为85度和75度，长度为75mm，宽度为30mm，适于贴合于眼睛下方，覆盖从内眼角到外眼角的区域；具体包括：衬底层1、连接层2、传感层3、刺激层4，第一保护层5和第二保护层6。
所述衬底层1的结构参见图2所示，其为上边缘设置了疏水区域1-1的纺织纤维层1-2，所述疏水区域1-1为蜡条带，蜡条带宽度为4mm。使用纺织纤维层1-2上边缘上设置了蜡条带的，制作疏水屏障(宽度4mm)，有效地防止眼泪渗入。在使用之前，将衬底层1用水充分浸湿，用以粘附在眼睛下方。
所述连接层2的结构参见图3所示，其设置在所述衬底层1上；所述连接层2 为医用双面胶，用于粘合组装衬底层1、传感层3、刺激层4、第一保护层5和第二保护层6；
所述传感层3结构参见图4所示，其为定性滤纸层、设置在所述连接层(2)中部的位置；包括：弯月形进样区3-1，所述弯月形进样区3-1连接有多个通道 3-3，每个通道3-3连接有传感区3-2，所述传感区3-2设置有能检测泪液中标志物的特异性显色试剂；所述弯月形进样区3-1长度25mm、宽度4mm，所述通道3-3为长方形通道、尺寸为2mm×8mm，设置了显色试剂的传感区3-2为圆形、直径为4mm。
所述传感区3-2针对不同生物标志物，设置相应识别和检测试剂。对于pH 传感区，设置混合酸碱指示剂以及固定试剂；对于蛋白质传感区，设置四溴酚蓝显色体系及固定试剂；对于抗坏血酸传感区，针对低浓度和高浓度检测分别设置2，6二氯酚靛酚显色体系和多金属氧酸盐显色体系；对于葡萄糖传感区，设置葡萄糖氧化酶/辣根过氧化物酶级联反应体系以及显色试剂和固定剂，其通道3-3区域设置消耗抗坏血酸等还原性物质的氧化剂；
上述所用到的酸碱指示剂、固定剂CTAB、四溴酚蓝均购买于西格玛化学公司，2，6二氯酚靛酚、多金属氧酸盐、葡萄糖氧化酶、辣根过氧化物酶和3,3',5,5'- 四甲基联苯胺等试剂均购买于阿拉丁工业公司；上述所用到的催泪剂为薄荷脑，购买于京东商城的物华传统、滋补专营店。
所述刺激层4结构参见图5所示，包括：第一刺激层4-1和第二刺激层4-2；所述第一刺激层4-1和第二刺激层4-2分别是直径为6mm的设置了催泪剂的圆形纺织纤维层和直径10mm的设置了催泪剂的圆形纺织纤维层，且分别设置在所述连接层2的两侧上；刺激层4的尺寸依据眼贴的形状设计而成，对于不易流泪人群，去除最上层的两个圆形硅油纸保护层，暴露出催泪剂，通常10s即可以流泪。对于容易流泪人群，无需此步骤。
所述第一保护层5结构参见图6，其为聚乙烯塑料层，所述聚乙烯塑料层尺寸与衬底层1和连接层2尺寸相同；所述第一保护层5包括：刺激层基体5-1，所述刺激层基体5-1两侧分别设置有第一镂空部5-2、第二镂空部5-3；所述第一保护层5设置于所述传感层3上，用于保护所述传感层3；所述第一镂空部5-2、第二镂空部5-3分别与第一刺激层4-1和第二刺激层4-2相对应；
所述第二保护层6结构参见图7，包括：保护层一6-1和保护层二6-2，所述保护层一6-1和保护层二6-2分别用于保护第一刺激层4-1和第二刺激层4-2；所述保护层一6-1和保护层二6-2均为硅油纸，直径分别为12mm和18mm；
使用所述柔性无创眼贴式可穿戴传感器检测泪液样品中标志物时，在检测之前，需要将保护层一6-1和保护层二6-2去除，暴露的催泪剂挥发到眼睛内，在催泪剂的刺激下，眼泪流出，对于容易流泪人群，无需此步骤；流出的泪液经由弯月形进样区3-1进入通道3-3，最终流入传感区3-2，与传感区3-2预先设置的不同种类特异性显色试剂发生显色反应，从而实现泪液中标志物的同时多路检测。
本发明将衬底层1以及置于衬底层1上的传感层3、刺激层4、第一保护层5、第二保护层6通过连接层2进行组装，以制备成所需的眼贴。图8为柔性无创眼贴式可穿戴传感器的实物图(A)以及拉伸(B)、扭转(C)、和弯曲(D)等后的实物图，在各种机械运动下眼贴没有观察到损坏或撕裂，表明所制备的柔性无创眼贴式可穿戴传感器具有良好的机械柔性。
本发明的柔性无创眼贴式可穿戴传感器的工作原理是：具体原理如图9所示，滴加纯净水至纺织纤维衬底使其充分浸湿(大约0.1ml水)，湿润的纺织纤维衬底能更舒适地贴合脸部皮肤，将眼贴平坦贴合眼睛下方，眼贴上边缘距离眼睛下眼睑大约5mm，对于不易流泪人群，去除最上层的两个圆形硅油纸保护层，暴露出催泪剂，通常10s即可以流泪。对于容易流泪人群，无需此步骤，流出的泪液经由眼贴的弯月形进样口3-1，到达传感区3-3发生显色反应，30s 后取下眼贴。传感器上各个传感区3-3呈现出的颜色信号通过智能手机采集，使用现有颜色分析软件(ImageJ-win64)对RGB颜色信号进行分析，实现四种标志物快速准确的检测。该传感器易于使用、时尚、舒适性高、用户友好，具有广泛的适用性和良好的实用性，对泪液样品中各种生物分子的即时检测具有实际应用价值。
实施例2无创眼贴式可穿戴传感器性能实验
一、本发明的柔性无创眼贴式可穿戴传感器的表征
利用扫描电子显微镜以及接触角测定仪对眼贴表面形貌进行了表征。从图10A可以看出，纺织纤维表面极其粗糙，且分布了很多的孔，表明纺织纤维具有很好的亲水性，而设置了蜡条带后的纺织纤维层(图10B)，其表面平整且光滑，证明了纺织纤维上设置了蜡条带，且设置了蜡条带的纺织纤维具有很好的疏水性，可有效地防止泪液的流入。同样地，我们也测定了定性滤纸表面的SEM 图(图2C)，从图中可以看出滤纸表面具有很多的微孔，有利于毛细作用的发生。通过接触角测定仪对眼贴的表面亲疏水状态做进一步的验证。在不同的界面(双面胶层(D)，纺织纤维层(E)，蜡设置了蜡条带的纺织纤维层(F)，定性滤纸(G))上滴加人工泪液后，接触角的大小分别为105.17°，0°，140.21°和0°，有效地证明了眼贴各组成部分的亲疏水状态，而当在定性滤纸上设置了不同的显色试剂制备传感区后(图10H-L)，接触角的大小均为0°，说明设置了显色试剂的滤纸表面仍具有很好的亲水性，以上结果为眼贴用于泪液中多种生物标志物的无创性检测提供了良好的基础。
二、本发明的柔性无创眼贴式可穿戴传感器实验参数的影响
为了对所提出传感器的性能进行更好的评估，首先考察了样品的体积(图11A)和样品充分浸润眼贴所需时间(图11B)的影响。经过反复测试，当泪液体积低于20μL，样品无法充分浸润显色区，从而影响显色反应的发生。当液体体积达20μL时，样品刚好浸润显色区，即眼贴仅需20μL的泪液(≈1滴)。而充分浸润眼贴的时间也仅仅需要2s(图3B)。结果表明该传感器泪液样品需要量少，有利于日常生活中的使用以及家庭健康监测的需求。
三、本发明的柔性无创眼贴式可穿戴传感器的重现性和抗干扰性
从实际应用的角度来看，传感器的重现性和抗干扰性是两个必须要考虑的因素，尤其是在POCT检测中。由于所提出的眼贴可实现泪液中四种标志物的同时检测，因此有必要考察四种标志物之间彼此互相干扰的情况以及泪液中存在的其他潜在干扰物质对检测的影响。如图12所示，即使在干扰物的浓度比目标物浓度高10倍的情况下，所开发的眼贴对选定的目标物依然具有良好的选择性。同样地，我们也考察了该方法的重现性(图13)，在相同的实验条件下，四种目标物所产生颜色信号均无明显的变化，RSD值仅为1.04％(pH)，1.21％(Alb)， 1.31％(AA)，1.28％(AA)，2.92％(Glu)。结果表明所开发的无创眼贴式可穿戴传感器具有良好的实用性和可靠性，可实现复杂泪液样品中的四种生物标志物的准确检测。
四、本发明的柔性无创眼贴式可穿戴传感器的灵敏度实验
在最佳的实验条件(对于pH检测，甲基红/溴百里酚蓝/酚酞浓度为 0.1％/0.01％/0.05％；对于Alb检测，四溴酚蓝浓度为0.25％；对于低浓度AA检测，2，6二氯酚靛酚浓度为0.25mM，对于高浓度AA检测，多金属氧酸盐浓度为8g/L；对于Glu检测，HRP浓度为5U/mL，GOx浓度为5U/mL，TMB浓度为40mM)下，我们考察了无创眼贴式可穿戴传感器的灵敏度。通过对一系列浓度(对于pH：5.4、5.6、5.8、6.0、6.2、6.4、6.6、6.8、7.0、7.2、7.4、7.6、 7.8、8.0；对于Alb：0.5、1、3、5、7、8.5，10g/L；对于AA(2，6二氯酚靛酚检测方法)：0，0.01、0.05、0.1、0.18、0.25mM；对于AA(多金属氧酸盐检测方法)：0.1、0.25、1.25、3、6、12mM；对于Glu：0、0.07、0.15、0.3、 0.6、1.2、2.5、5、10mM)的四种标志物(pH，Alb，AA和Glu)进行测定，以归一化的颜色信号为纵坐标，以目标物浓度或浓度的对数为横坐标作图。如图6所示，在各自的浓度范围(对于pH，5.4-8.0；对于Alb，0.5-10g/L；对于2， 6二氯酚靛酚方法检测AA，0.01-0.25mM；对于多金属氧酸盐方法检测AA， 0.1-12mM)内，颜色信号与样品浓度或浓度的对数呈现出良好的线性关系。结果表明该传感器具有足够高的灵敏度和足够宽的线性范围，而产生的颜色信号也可以实现肉眼的快速半定量分析，为POCT提供第一手信息。
实施例3实际样品检测
为了验证本发明的柔性无创眼贴式可穿戴传感器的实际应用，我们采用所提的传感器检测了5名志愿者泪液中的四种标志物(pH，Alb，AA和Glu)。并且我们将分析结果与标准方法(pH的标准方法为pH计，其他三种目标物的标准检测方法为相应的检测试剂盒)做了对比，发现其有较高的准确性(图15)，这些结果显示，我们所建立的传感器可对实际样品中的多种目标物进行高精度同时分析。由于其便携性、通用型、易于使用、舒适性高，用户友好，将在泪液中生物标志物分析领域的现场诊断中展现出潜在的应用价值。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种柔性无创眼贴式可穿戴传感器，其特征在于，包括：
衬底层(1)，其为上边缘设置了疏水区域(1-1)的纺织纤维层(1-2)；
连接层(2)，其设置在所述衬底层(1)上；所述连接层(2)用于粘合组装衬底层(1)、传感层(3)、刺激层(4)、第一保护层(5)和第二保护层(6)；
所述传感层(3)，其设置在所述连接层(2)上；所述传感层(3)包括：弯月形进样区(3-1)，所述弯月形进样区(3-1)连接有多个通道(3-3)，每个通道(3-3)连接有传感区(3-2)，所述传感区(3-2)设置有能检测泪液中标志物的特异性显色试剂；
所述刺激层(4)包括：第一刺激层(4-1)和第二刺激层(4-2)；所述第一刺激层(4-1)和第二刺激层(4-2)分别设置有催泪剂，且分别设置在所述连接层(2)的两侧上；
所述第一保护层(5)包括刺激层基体(5-1)，所述刺激层基体(5-1)两侧分别设置有第一镂空部(5-2)、第二镂空部(5-3)；所述第一保护层(5)设置于所述传感层(3)上，用于保护所述传感层(3)；所述第一镂空部(5-2)、第二镂空部(5-3)分别与第一刺激层(4-1)和第二刺激层(4-2)相对应；
所述第二保护层(6)包括：保护层一(6-1)和保护层二(6-2)，所述保护层一(6-1)和保护层二(6-2)分别用于保护第一刺激层(4-1)和第二刺激层(4-2)；
使用所述柔性无创眼贴式可穿戴传感器检测泪液样品中标志物时，在检测之前，需要将保护层一(6-1)和保护层二(6-2)去除，暴露的催泪剂挥发到眼睛内，在催泪剂的刺激下，眼泪流出，对于容易流泪人群，无需此步骤；流出的泪液经由弯月形进样区(3-1)进入通道(3-3)，最终流入传感区(3-2)，与传感区(3-2)预先设置的不同种类特异性显色试剂发生显色反应，从而实现泪液中标志物的同时多路检测。
2.根据权利要求1所述的柔性无创眼贴式可穿戴传感器，其特征在于，其采用弯月形设计，其上、下弧度分别为85度和75度，长度为75mm，宽度为30mm。
3.根据权利要求1所述的柔性无创眼贴式可穿戴传感器，其特征在于，所述疏水区域(1-1)为蜡条带，其宽度为4mm。
4.根据权利要求1所述的柔性无创眼贴式可穿戴传感器，其特征在于，所述连接层(2)为医用双面胶。
5.根据权利要求1所述的柔性无创眼贴式可穿戴传感器，其特征在于，所述弯月形进样区(3-1)长度25mm、宽度4mm，所述通道(3-3)为长方形通道、尺寸为2×8mm，所述传感区(3-2)为圆形、直径为4mm。
6.根据权利要求1所述的柔性无创眼贴式可穿戴传感器，其特征在于，所述第一刺激层(4-1)和第二刺激层(4-2)均为设置了催泪剂的圆形纺织纤维层，直径分别为6mm和10mm。
7.根据权利要求1所述的柔性无创眼贴式可穿戴传感器，其特征在于，所述第一保护层(5)为聚乙烯塑料层。
8.根据权利要求1所述的柔性无创眼贴式可穿戴传感器，其特征在于，所述保护层一(6-1)和保护层二(6-2)均为硅油纸，直径分别为12mm和18mm。
9.一种权利要求1-8任意一项所述的柔性无创眼贴式可穿戴传感器在人体眼泪中生物标志物检测方面的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述的人体眼泪中生物标志物包括氢离子、蛋白质、抗坏血酸、葡萄糖。
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