CN114569123A - 汗液传感器 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种汗液传感器，包括：汗液收集单元，所述汗液收集单元接触体表，适用于对体表的汗液的原位收集和储存；信号采集单元，所述信号采集单元与所述汗液收集单元连通，适用于对所述汗液收集单元储存的足量汗液进行检测；以及汗液控制单元，设置于所述汗液收集单元与所述信号采集单元之间，适用于控制所述汗液收集单元储存的足量汗液，使得所述足量汗液中的待检成分与所述信号采集单元发生充分反应。本发明实施例的汗液传感器，收集汗液并储存至足量后再进行检测，使得检测所需反应充分发生，避免不足量的汗液过早的开始检测，造成反应不充分，无法获得准确的检测结果。

Description

汗液传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种汗液传感器。

背景技术

可穿戴传感技术可以持续监测个人的健康状况，对实现个性化医疗至关重要。传感器与可穿戴传感技术相结合可以以非侵入方式监测汗液中的分析物，从而动态监测个体的生理健康状态。人体汗液中富含大量潜在的与健康和疾病相关的标志物，相比较常规的血液和尿液检测，其具有非侵入和实时连续监测等优势，因此原位汗液传感器的研究成为可穿戴健康电子设备领域发展的重要分支。

用原位汗液传感器连续测量分泌汗液中的生物标记物，如电解质、代谢物和蛋白质等，是一种非常有应用潜力的研究方向。但是由于汗液分泌的不稳定及分泌的汗液蛋白等物质的浓度较低，在基于汗液和基于金标准血浆的生物标志物浓度之间的直接相关性方面，尚需进行大量对比研究。

原位汗液传感器的成功商业化需要保持在长期和持续暴露于汗液中检测分析物的稳定性，需要确保目标疾病特异性分析物，如代谢物、蛋白质等，在复杂的汗液缓冲液中的稳定性。随着时间的推移，目标疾病特异性分析物的酸碱度和活性也会发生变化。此外，由于汗液中小分子代谢物(激素、氨基酸、多肽)浓度相对较低，而小分子量蛋白质的汗液分泌浓度极低，从单个汗液样本中进行蛋白质生物标记物分析，需要待对待测汗液进行收集和储存直至其满足检测所需份量。

发明内容

基于现有技术中的上述、以及其他方面的技术至少一种技术问题，本发明提供了汗液传感器，收集汗液并储存至足量后再进行检测，使检测时所需反应充分发生，提高检测精度。

本发明实施例提供了一种汗液传感器，包括：汗液收集单元，所述汗液收集单元接触体表，适用于对体表的汗液的原位收集和储存；信号采集单元，所述信号采集单元与所述汗液收集单元连通，适用于对所述汗液收集单元储存的足量汗液进行检测；以及汗液控制单元，设置于所述汗液收集单元与所述信号采集单元之间，适用于控制所述汗液收集单元储存的足量汗液，使得所述足量汗液中的待检成分与所述信号采集单元发生充分反应。

在一种可能实施的方式中，所述汗液控制单元包括：水溶解层，设置成阻隔所述汗液直接与所述信号采集单元发生反应，直至所述足量汗液将所述水溶解层溶解。

在一种可能实施的方式中，所述汗液收集单元包括：第一凝胶层，所述第一凝胶层的一侧接触体表，另一侧连接所述信号采集单元，所述第一凝胶层厚度方向上设置有贯穿的通孔，所述通孔与所述信号采集单元围成凹槽，所述凹槽适用于储存所述汗液至足量。

在一种可能实施的方式中，所述第一凝胶层包含：促排剂，适用于促进所述汗液的排出；以及导电离子，使得所述第一凝胶层具有导电性。

在一种可能实施的方式中，所述信号采集单元包括：柔性基底，具有面向所述体表的内侧面；第一电极，设置于所述柔性基底的内侧面上，所述第一电极与所述足量汗液电连接后，与所述足量汗液中的待检成分发生充分反应，产生电位变化；第二电极，设置于所述柔性基底的内侧面上，与所述汗液电连接，提供与所述第一电极的电位变化进行对比的标准电位；第三电极，设置于所述柔性基底的内侧面上，所述第三电极与所述汗液电连接；所述第一电极与所述足量汗液电连接后，所述第一电极与第三电极电连接，形成检测回路。

在一种可能实施的方式中，所述第一电极表面具有与汗液的待检成分对应的检测修饰层，所述检测修饰层与所述足量汗液中的待检成分发生充分反应。

在一种可能实施的方式中，所述检测修饰层外表面覆盖有第二凝胶层，所述第二凝胶层用于保护所述检测修饰层的检测功能的稳定。

在一种可能实施的方式中，所述第二凝胶层包括室温离子。

在一种可能实施的方式中，所述检测修饰层断续分布，并包括能够与多种所述汗液的待检成分同时发生反应的修饰物。

在一种可能实施的方式中，所述第三电极与所述汗液收集单元电连接，所述第三电极能够对所述汗液收集单元接触的体表进行电刺激，使得排汗加速。

根据本发明上述实施例的汗液传感器，收集汗液并储存至足量后再进行检测，使得检测所需反应充分发生，避免不足量的汗液过早的开始检测，造成反应不充分，无法获得准确的检测结果。

附图说明

图1为根据本发明实施例的汗液传感器的俯视图；

图2为图1所示的汗液传感器沿A-A线的剖视图；以及

图3为根据本发明实施例的第一电极的侧面剖视图。

【附图中符号说明】

1-体表；

2-汗液收集单元；

21-导流槽；

3-汗液控制单元；

4-信号采集单元；

41-柔性基底；

42-第一电极；

421-检测修饰层；

422-第二凝胶层；

43-第二电极；

44-第三电极；

45-绝缘部；

5-柔性电路；

6-导流部；

7-储液部。

具体实施方式

本发明公开了一种汗液传感器，对待测汗液进行收集并储存至足量后再进行检测，使得检测所需反应充分发生，提高了检测精度。

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

根据本公开总体上的发明构思，提供一种汗液传感器，包括：汗液收集单元，所述汗液收集单元接触体表，适用于对体表的汗液的原位收集和储存；信号采集单元，所述信号采集单元与所述汗液收集单元连通，适用于对所述汗液收集单元储存的足量汗液进行检测；以及汗液控制单元，设置于所述汗液收集单元与所述信号采集单元之间，适用于控制所述汗液收集单元储存的足量汗液，使得所述足量汗液中的待检成分与所述信号采集单元发生充分反应。

图1为根据本发明实施例的汗液传感器的俯视图。

如图1所示，在一种实施例中，汗液传感器与柔性电路5电连接，柔性电路5通过汗液传感对体表1进行刺激，促进体表1加速排出汗液。柔性电路5还接收汗液传感器采集的检测信号，并对检测信号进行分析得到检测数据。在一些是实施例中，柔性电路5包括无线传输装置，可将检测数据实时发送给终端设备，如计算机、手机等。

图2为图1所示的汗液传感器沿A-A线的剖视图。

如图2所示，本发明实施例的汗液传感器包括：汗液收集单元2，与体表1接触，适用于对体表1的汗液的原位收集和储存；信号采集单元4，与汗液收集单元2连通，适用于对汗液收集单元2储存的足量汗液进行检测；以及汗液控制单元3，设置于汗液收集单元2与信号采集单元4之间，适用于控制汗液收集单元2储存的足量汗液，使得足量汗液中的待检成分与信号采集单元4发生充分反应。

本发明的一些实施例中，汗液控制单元3包括：水溶解层，设置成阻隔汗液直接与信号采集单元4发生反应，直至足量汗液将水溶解层溶解。在一些实施例中，水溶解层由可逐渐水溶的膜材料制成，可以根据检测需要的汗液份量对水溶解层进行设计。水溶解层未溶解时，持续阻隔汗液直接与信号采集单元4接触并发生反应，水溶解层溶解的过程中，汗液逐渐累积至足量，足量汗液中的待测物质份量较多，能够满足检测所需。足量汗液将水溶解层溶解后，汗液与信号采集单元4接触并充分发生反应，产生电化学或者光学信号作为检测信号。

本发明的一些实施例中，汗液收集单元2与汗液控制单元3之间还设置有导流部6及与导流部6连接的储液部7。在一些实施例中，导流部6一端设置于水溶解层与柔性基底41之间，待水溶解层被溶解后，通过毛细作用将过量的汗液导出汗液收集单元2。导流部6另一端与储液部7连接，储液部7储存导流部6导出的过量的汗液。在一些实施例中，导流部6表面修饰微米图形和沟槽，使其具有毛细亲水效应，利于汗液导流。

本发明的一些实施例中，汗液收集单元2包括：第一凝胶层，第一凝胶层的一侧接触体表1，另一侧连接信号采集单元4，第一凝胶层厚度方向上设置有贯穿的通孔，通孔与信号采集单元4围成凹槽，凹槽适用于储存汗液至足量。

本发明的一些实施例中，第一凝胶层包含：促排剂，促进汗液的排出；以及导电离子，使得第一凝胶层具有导电性。在一些实施例中，第一凝胶层与柔性电路5电连接。柔性电路5对第一凝胶层施加电流，电流驱动促排剂渗透进入体表的皮肤，刺激皮下汗腺加速分泌汗液，加快汗液收集单元2对体表1的汗液的原位收集速度，使得汗液加速累积至足量。

本发明的一些实施例中，促排剂为毛果芸香碱、乙酰胆碱等具有诱导汗液排出的药剂。

本发明的一些实施例中，导电离子可为离子液体，如室温离子液体，使得第一凝胶层中的水份不易流失，实现汗液传感器的长期佩戴。

本发明的一些实施例中，第一凝胶层与汗液接触的表面为弧面设计，有利于汗液向汗液收集单元2内流动。

本发明的一些实施例中，第一凝胶层与汗液接触的表面具有导流槽21，导流槽21引导体表1排出的汗液向汗液收集单元2内流动。导流槽21可以直接制备在第一凝胶层与汗液接触的表面，也可以通过在第一凝胶层与汗液接触的表面放置薄层塑料或者引导聚合的图形实现。

继续参考图2所示，在一些实施例中，信号采集单元4包括：柔性基底41，具有面向体表1的内侧面；第一电极42，设置于柔性基底41的内侧面上，第一电极42与足量汗液电连接后，与足量汗液中的待检成分发生充分反应，产生电位变化；第二电极43，设置于柔性基底41的内侧面上，与汗液电连接，提供与第一电极42的电位变化进行对比的标准电位；第三电极44，设置于所述柔性基底41的内侧面上，第三电极44与汗液电连接；当第一电极42与足量汗液电连接后，第一电极42与第三电极44电连接，形成检测回路。

本发明的一些实施例中，柔性基底41的制作材料具有一定的柔韧度，可弯曲，可耐受制备第一电极42、第二电极43和第三电极44时产生的高温，并能够被切割加工。在一些实施例中柔性基底41的制作材料可为聚酰亚胺(Polyimide，简写为PI)、聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)，塑料薄层材料聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethyleneterephthalate，PET)、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)等。

本发明的一些实施例中，在对待测物质进行检测时，第一电极42为工作电极，第二电极43为参比电极，第三电极44为对电极。足量汗液将汗液控制单元3溶解，使得足量汗液同时与第一电极42及第二电极43连通，组成了检测回路，第一电极42与第二电极43之间设置绝缘部45，第二电极43不与待测物质发生反应，不发生定位变化。在一些实施例中，第一电极42、第二电极43及第三电极44均可采用性质稳定的物质进行溅射或者蒸镀制备，如金、铂等贵金属及性质稳定的非金属，也可以采用碳浆进行印刷制备。

继续参考图2所示，在一些实施例中，第一电极42表面具有与汗液的待检成分对应的检测修饰层421，检测修饰层421与足量汗液中的待检成分发生充分反应。

本发明的一些实施例中，检测修饰层421为生物修饰层，是能够对汗液中的待测物质进行特异识别的生物物质的固定层。生物修饰层可以采用待测物质和类固醇激素特异识别的抗体或者适体。在一些实施例中，生物修饰层可对汗液中的待测蛋白，如微量白蛋白(Microalbumin，MA)、白细胞介素6(Interleukin 6，IL-6)、视黄醇结合蛋白(Retinol-Binding Protein，RBP)和皮质醇(Cortisol，COR)等进行特异识别。检测时，汗液中的待测蛋白与第一电极42表面上相应的适体或者抗体结合，使得第一电极表面阻抗变化，阻抗的变化触发柔性电路5采集阻抗变化的信号，柔性电路5对信号进行电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy，简称EIS)检测，反应发生前测得的第一电极表面阻抗值为基线阶跃阻抗值，基线阶跃阻抗值与反应发生后测得的第一电极表面阻抗值之差为总阻抗变化率(zmod)，通过总阻抗变化率(zmod)能够得到待测蛋白在汗液中的浓度数据。在其他实施例中，检测修饰层421还可以是其他生物敏感活性物质，对汗液中的活性成分进行响应，实现对汗液中待测物质的检测，并不限于对汗液中蛋白的识别。

本发明的一些实施例中，检测修饰层421断续分布，并包括能够与多种汗液的待检成分同时发生反应的修饰物。在一些实施例中，检测修饰层421为条带式或者是点阵列式的断续分布，不同的条带或点阵上修饰不同的生物敏感活性物质，实现对多种待测物质的同时检测。

图3为根据本发明实施例的第一电极的侧面剖视图。

如图3所示，本发明的一些实施例中，检测修饰层421外表面覆盖有第二凝胶层422，第二凝胶层422用于保护所述检测修饰层421的检测功能的稳定。

本发明的一些实施例中，第二凝胶层422包括室温离子。室温离子可保护检测修饰层421的生物稳定性，在一些实施例中，室温离子包含在室温离子液体(Ionic liquids，IL)或者室温离子凝胶中。由于汗液的收集、储存和检测时间较长，室温离子液体及室温离子凝胶可以有效提高生物敏感活性物质在常温状态下长时间内的活性和稳定性。可以选择的室温离子液体，包括：如1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体、N，N-新戊二醇对(N-甲基咪唑)溴盐离子液体、1-乙烯基-3-乙基咪唑六氟磷酸盐离子液体、1-胺丙基-3-乙烯基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐离子液体、1-磺酸丁基-2-甲基-3-十六烷基咪唑硫酸氢盐离子液体、1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐离子液体、1-丁基-3-甲基咪唑二氰胺盐离子液体、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐离子液体、1-乙基-2，3-二甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体等。室温离子液体凝胶是将离子液体进行交联形成凝胶，可以采用1-乙基-三甲基咪唑双(三氟甲磺酰基)化学交联乙烯基单体等方法制备高离子导电性凝胶、无机盐诱导离子液体制备多孔离子液体水凝胶。凝胶使得汗液传感器便于保存和携带，也保持了汗液传感器上生物物质的活性，同时防止了汗液的挥发。

本发明的一些实施例中，第一电极42与检测修饰层421之间还设置有纳米修饰层，能够提高第一电极42的灵敏度。在一些实施例中，纳米修饰层可以为采用金纳米粒子或者沉积铂黑纳米离子对第一电极42进行修饰，也可以为采用碳纳米管对第一电极42进行修饰

本发明的一些实施例中，第二电极43表面修饰Ag/AgCl，以保证检测时，第二电极提供的标准电位的稳定性。Ag/AgCl可以采用商业购买的Ag/AgCl浆进行印刷制备，也可以先修饰银层，再将银层表面进行氯化，形成Ag/AgCl层。

继续参考图2所示，本发明的一些实施例中，第三电极44与汗液收集单元2电连接，第三电极44能够对汗液收集单元2接触的体表1进行电刺激，使得排汗加速。

本发明的一些实施例中，第三电极44分别柔性电路5及汗液收集单元2的第一凝胶层连通。在未开始对待测物质检测时，柔性电路5通过第三电极44及第一凝胶层对体表1进行电刺激，促进汗液排出。在一些时实施例中，柔性电路5通过第三电极44促进促排剂通过毛孔导入体表1的皮肤，诱导汗液的分泌，进一步加速汗液的排出。

根据本发明的一个实施例，汗液传感器的制备方法具体可以包括步骤S1-S12。

在步骤S1中，制备柔性基底41、第一电极42、第二电极43及第三电极44。具体为采用100～300微米厚的聚酰亚胺PI材料做为柔性基底41的材料，通过MEMS溅射或者蒸镀工艺在基底上形成100～300纳米厚的电极。

在步骤S2中，在第三电极44上镀100-300nm厚的银层，然后用FeCl3将银层氯化。具体为将0.1M FeCl3溶液注入在蒸发的Ag电极上1min，形成Ag/AgCl层。

在步骤S3中，在第一电极42表面修饰纳米修饰层。具体为将40-60nm的金纳米粒子修饰在第一电极42表面以形成纳米修饰层。

在步骤S4中，在纳米修饰层上修饰生物修饰层。具体为通过碳二亚胺盐酸盐/N-羟基琥珀酰亚胺(EDC/NHS)将金纳米粒子进行巯基功能化，在室温下将生物材料100μg/ml的d-IL-6适体稀释于1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体中，然后固定于经纳米粒子修饰的第一电极42的表面。

在步骤S4中，组合汗液控制单元3。具体为0.5～2毫米厚度的水溶解层，贴附在第一电极42周围，对第一电极42进行完全的遮盖。导流部6与储液部7粘接后，将导流部6另一端粘附在水溶解层一侧。

在步骤S5中，连接汗液收集单元2及第三电极44。具体为第一凝胶层贴附第三电极44上。具体的，第一凝胶层采用1～8％琼脂制备，加入0.01～4％促排剂，加入1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体形成。

根据本发明的汗液传感器，收集汗液并储存至足量后再进行检测，足量汗液中的待测物质含量较高，满足检测所需反应的充分发生，避免开始检测时待测物质含量不足，造成反应不充分，无法获得准确的检测结果。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种汗液传感器，包括：

汗液收集单元(2)，所述汗液收集单元(2)接触体表(1)，适用于对体表(1)的汗液的原位收集和储存；

信号采集单元(4)，所述信号采集单元(4)与所述汗液收集单元(2)连通，适用于对所述汗液收集单元(2)储存的足量汗液进行检测；以及

汗液控制单元(3)，设置于所述汗液收集单元(2)与所述信号采集单元(4)之间，适用于控制所述汗液收集单元(2)储存的足量汗液，使得所述足量汗液中的待检成分与所述信号采集单元(4)发生充分反应。

2.根据权利要求1所述的汗液传感器，其中，所述汗液控制单元(3)包括：

水溶解层，设置成阻隔所述汗液直接与所述信号采集单元(4)发生反应，直至所述足量汗液将所述水溶解层溶解。

3.根据权利要求1所述的汗液传感器，其中，所述汗液收集单元(2)包括：

第一凝胶层，所述第一凝胶层的一侧接触体表(1)，另一侧连接所述信号采集单元(4)，所述第一凝胶层厚度方向上设置有贯穿的通孔，所述通孔与所述信号采集单元(4)围成凹槽，所述凹槽适用于储存所述汗液至足量。

4.根据权利要求3所述的汗液传感器，其中，所述第一凝胶层包含：

促排剂，适用于促进所述汗液的排出；以及

导电离子，使得所述第一凝胶层具有导电性。

5.根据权利要求1所述的汗液传感器，其中，所述信号采集单元(4)包括：

柔性基底(41)，具有面向所述体表(1)的内侧面；

第一电极(42)，设置于所述柔性基底(41)的内侧面上，所述第一电极(42)与所述足量汗液电连接后，与所述足量汗液中的待检成分发生充分反应，产生电位变化；

第二电极(43)，设置于所述柔性基底(41)的内侧面上，与所述汗液电连接，提供与所述第一电极(42)的电位变化进行对比的标准电位；

第三电极(44)，设置于所述柔性基底(41)的内侧面上，所述第三电极(44)与所述汗液电连接；

所述第一电极(42)与所述足量汗液电连接后，所述第一电极(42)与第三电极(44)电连接，形成检测回路。

6.根据权利要求5所述的汗液传感器，其中，所述第一电极(42)表面具有与汗液的待检成分对应的检测修饰层(421)，所述检测修饰层(421)与所述足量汗液中的待检成分发生充分反应。

7.根据权利要求6所述的汗液传感器，其中，所述检测修饰层(421)外表面覆盖有第二凝胶层(422)，所述第二凝胶层(422)用于保护所述检测修饰层(421)的检测功能的稳定。

8.根据权利要求7所述的汗液传感器，其中，所述第二凝胶层(422)包括室温离子。

9.根据权利要求6所述的汗液传感器，其中，所述检测修饰层(421)断续分布，并包括能够与多种所述汗液的待检成分同时发生反应的修饰物。

10.根据权利要求5所述的汗液传感器，其中，所述第三电极(42)与所述汗液收集单元(2)电连接，所述第三电极(42)能够对所述汗液收集单元(2)接触的体表(1)进行电刺激，使得排汗加速。

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