CN114740060A - 可穿戴式无源的汗液检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可穿戴式无源的汗液检测装置，包括至少一个检测传感器，所述检测传感器包括：基板；传感元件，设于所述基板上，所述传感元件包括汗液采集部和汗液自驱动检测部，所述汗液采集部用于采集皮肤汗腺排出的汗液，所述汗液自驱动检测部包括呈半锥形结构的导向部、设于所述导向部的外锥面上的测试电极、背部电极，所述导向部的窄端对着所述汗液采集部；测试元件，所述测试元件与所述测试电极、背部电极相连接。本发明通过采用锥状结构，实现液固摩擦效应达到汗液成分的无源检测；同时实现柔性化，便于穿戴；通过使用不同的离子选择性薄膜，可以对不同的离子浓度进行检测；检测精度高。

Description

可穿戴式无源的汗液检测装置
技术领域
本发明涉及汗液检测技术领域，尤其涉及一种基于液固摩擦效应的可穿戴式无源的汗液检测装置。
背景技术
现代社会生活节奏的不断加快和工作压力的不断增大，造成许多慢性疾病的发病率逐年增加并有年轻化的趋势。汗液作为一种易于获得且适用于长期监控的对象，成为了反映人体指标的一种新的对象，针对可穿戴汗液检测的研究也逐渐成为可穿戴医疗设备的热点。
现阶段，常见的汗液检测方法主要有两类，分别是电化学法和化学比色法。电化学方法又有循环伏安法、电势法、场效应晶体管和阻抗滴定法。化学比色法又包括荧光检测和颜色反应检测。电化学法需要电源和相对复杂的电路设计，而且实时监测设备更需要电源的长期稳定供应，如果电池的续航能力不强，经常需要充电，很容易引起用户反感，并且电池在一些特殊环境下还有安全隐患。而化学比色法需要额外的光学分析设备。这些都限制了传统方法的可穿戴化。
发明内容
针对现有技术不足，本发明的目的在于提供一种可穿戴式无源的汗液检测装置。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种可穿戴式无源的汗液检测装置，包括至少一个检测传感器，所述检测传感器包括：
基板；
传感元件，设于所述基板上，所述传感元件包括汗液采集部和汗液自驱动检测部，所述汗液采集部用于采集皮肤汗腺排出的汗液，所述汗液自驱动检测部包括呈半锥形结构的导向部、设于所述导向部的外锥面上的测试电极、背部电极，所述导向部的窄端对着所述汗液采集部；
测试元件，所述测试元件与所述测试电极、背部电极相连接。
作为本发明的进一步改进，所述汗液采集部包括开设在所述基板上的通孔。
作为本发明的进一步改进，所述基板、导向部均采用PDMS材质制成。
作为本发明的进一步改进，所述基板的上表面为平面，所述导向部的外锥面为亲水锥面。
作为本发明的进一步改进，所述导向部的外锥面上设置有多个微凹槽。
作为本发明的进一步改进，所述测试电极包括第一测试电极和第二测试电极，所述测试元件包括两个电压测试电路或两个电流测试电路，其中一个所述电压测试电路或电流测试电路的正负极分别与所述第一测试电极、背部电极相连接，另一个所述电压测试电路或电流测试电路的正负极分别与所述第二测试电极、背部电极相连接。
作为本发明的进一步改进，所述第一测试电极、第二测试电极均为电极线，所述背部电极为镀金层。
作为本发明的进一步改进，所述第一测试电极、第二测试电极均延伸到所述基板上。
作为本发明的进一步改进，所述导向部的宽端处设置有汗液排出部。
作为本发明的进一步改进，所述导向部的外锥面上设置有离子选择性薄膜。
本发明的有益效果是：
(1)通过液固摩擦效应实现了汗液成分的无源检测。
(2)通过使用仿仙人掌的锥状结构，实现了液滴的定向运动，从而实现液固摩擦。
(3)通过使用PDMS作为传感元件的主要材料，实现液固摩擦效应，同时实现柔性化，便于穿戴。
(4)通过使用不同的离子选择性薄膜，可以对不同的离子浓度进行检测。
(5)采用该装置可以实现对单一液滴进行分析，检测精度高。因为液滴是一个封闭的反应腔体，具有独立的液体环境，相较于连续流控技术，液滴比表面积更高、液滴内外的温差更大、质量转移效率更高、扩散距离更短也就是分子在液体中的分散程度更小、污染程度更低，从而提高检测的准确度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的优选实施例的结构示意图；
图2为本发明的优选实施例的未设置防护壳的结构示意图；
图3为本发明的优选实施例的未设置防护壳的俯视图；
图4为本发明的优选实施例的仰视图；
图5为本发明的优选实施例的离子选择性薄膜与测试电极在导向部上的排布图；
图6为本发明的优选实施例的半锥状结构的微凹槽分布图；
图7为本发明的优选实施例的多参数并行检测传感器示意图；
图8为本发明的优选实施例的液滴在汗液自驱动检测部外锥面的受力分析图；
图9为本发明的优选实施例的蒸馏水液滴液固摩擦产生电荷示意图；
图10为本发明的优选实施例的离子溶液液滴液固摩擦产生电荷示意图；
图中：1、检测传感器，10、基板，201、导向部，202、外锥面，203、测试电极，204、背部电极，206、微槽，207、第一测试电极，208、第二测试电极，30、测试元件，301、第一电压测试电路，302、第二电压测试电路，401、通孔，501、医用棉花，601、离子选择性薄膜，70、防护壳，72、承载板，80、液滴。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图6，本申请实施例公开了一种可穿戴式无源的汗液检测装置，包括至少一个检测传感器1，检测传感器1包括：基板10；传感元件，设于基板10上，传感元件包括汗液采集部和汗液自驱动检测部，汗液采集部用于采集皮肤汗腺排出的汗液，汗液自驱动检测部包括呈半锥形结构的导向部201、设于导向部201的外锥面202上的测试电极203、背部电极204，导向部201的窄端对着汗液采集部；测试元件30，测试元件30与测试电极203、背部电极204相连接。导向部201与背部电极204分别设置在基板10的相对表面上。在本实施例中，导向部201设于基板10的上表面，背部电极204设于基板10的下表面。
具体地，汗液采集部包括开设在基板10上的通孔401，通过通孔401直接对接皮肤汗腺，便于汗腺排出的汗液穿过通孔401，并沿着导向部201的窄端向宽端移动。
优选基板10、导向部201均采用PDMS材质制成，基板10采用PDMS材质制成，便于该检测装置适应可穿戴的需求，导向部201采用PDMS材质，便于产生液固摩擦效应，同时也提高可穿戴性。
进一步地，基板10的上表面为平面，便于与导向部201相配合，导向部201的外锥面202为亲水锥面。可以使用纳米二氧化硅均匀涂敷在导向部201的外锥面202上，使得外锥面202形成亲水。
在本实施例中，导向部201的外锥面202上设置有多个微凹槽206，以提升汗液在外锥面202上的受力，提高检测的准确性。
具体地，测试电极203包括第一测试电极207和第二测试电极208，测试元件30包括两个电压测试电路，两个电压测试电路分别为第一电压测试电路301和第二电压测试电路302，第一电压测试电路301的正负极分别与第一测试电极207、背部电极204相连接，第二电压测试电路302的正负极分别与第二测试电极208、背部电极204相连接。通过第一电压测试电路301、第二电压测试电路302对汗液进行两次电压检测，便于得到汗液移动速度，从而提高后续标定结果的准确性，使得浓度与电压的关系式更准确，也就是浓度的检测结果越准确。可以理解的是，并不局限于电压测试电路，测试元件30也可以选用两个电流测试电路。
优选第一测试电极207、第二测试电极208均为电极线，背部电极204为镀金层。电极线采用电镀的方式设置在导向部201的外锥面202上。
为了便于第一测试电极207与第一电压测试电路301的电连接，同时便于第二测试电极208与第二电压测试电路302的电连接，优选第一测试电极207、第二测试电极208均延伸到基板10上。
在本实施例中，导向部201的宽端处设置有汗液排出部。进一步优选汗液排出部为医用棉花501，可以吸收流过的汗液，同时医用棉花避免对皮肤造成过敏，医用棉花501可以定期更换。
为了实现对汗液中某种成分的检测，优选导向部201的外锥面202上设置有离子选择性薄膜601。
为了避免对检测装置的污染，优选基板10上设置有防护壳70。
为了可以同时检测多种离子浓度的大小，实现多参数并行检测，请参阅图7，可以设置承载板72，承载板72上可以设置多个检测传感器1，每个检测传感器1上使用不同的离子选择性薄膜601，可以对不同的离子浓度进行检测。优选承载板72为圆形，则多个检测传感器1沿周向均匀分布在承载板72上。承载板72采用PDMS材质制成，提高可穿戴性。
汗液液滴在导向部201的外锥面202上，如图8所示，图8示出了完整的锥形结构，通过图8中的虚线将完整的锥形结构分成两个半锥形结构，其中的一个半锥形结构即为导向部201，导向部201的窄端指的是导向部201的尖端。由于液滴曲率半径的不对称，导致产生Laplace压力：
Figure BDA0003630289680000061
上式(1)中，r是半锥形结构的局部半径，R1和R2是位于半锥形结构上的液滴两侧所对应的半锥形结构的局部半径，R1＜R2，γ是汗液液滴的表面张力，R0是液滴半径，α是半锥形结构的半顶角，dz是半锥形结构的增量。半锥形结构窄端附近区域的拉普拉斯压力大于宽端附近区域的拉普拉斯压力，也就是小半径R1处的拉普拉斯压力大于大半径R2处的拉普拉斯压力。液滴曲率不对称导致的内部Laplace压力差(ΔP)是驱动液滴的动力，使液滴沿着呈半锥形结构的导向部201从窄端移动到宽端。
除了拉普拉斯压力的梯度，无表面能的梯度是另一个驱动力。具体来说，导向部201上的微凹槽206具有宽度梯度。微凹槽206在导向部201宽端附近比在导向部201尖端附近更稀疏，微凹槽206在导向部201尖端附近比在导向部201宽端附近更密集，也就是说导向部201的尖端比导向部201的宽端更粗糙。根据Wenzel方程，式(2)中，r是粗糙度系数，定义为实际表面积与粗糙表面几何投影面积的比率(光滑表面r＝1，粗糙表面r＞1)，θ0和θw分别是内在接触角和表观接触角，粗糙度的梯度产生润湿性梯度即无表面能量的梯度：
cosθω＝rcosθ0 (2)
这种无表面能量的梯度产生驱动力F：
Figure BDA0003630289680000071
式(3)中，γ是汗液液滴的表面张力，θa和θr分别是导向部201上液滴的前进和后退接触角，dl是半锥形结构的尖端附近区域ltip到宽端附近区域lbase之间的积分变量。
以下介绍液固摩擦产生电信号的过程及其测量浓度的原理，如图9、图10所示。图9是液滴80为蒸馏水即无其他离子时的移动过程图。液滴80一部分位于第一测试电极207上，另一部分位于导向部201的PDMS上，PDMS与水分子接触后，也就是产生液固摩擦后，电子从水分子的氧原子跳到PDMS的LUMO(未占有电子的能级最低的轨道)，如图9(a)；电子与水分子分离后，电子保留在PDMS上，与PDMS接触的水分子带正电荷，由于液滴80继续在PDMS上移动产生液固摩擦，则带正电荷的水分子增多了，如图9(b)；液滴80继续移动后，液滴80的一部分位于导向部201的PDMS上，另一部分移动到第二测试电极208上，水分子由于极化作用，一部分水分子被吸引到PDMS表面，另一部分分散在水中，如图9(c)所示，而分散的水分子的电量即为要测试的电信号。图10所示的是含有离子的液滴的移动过程图。当离子溶液与导向部201的PDMS接触时，电子转移和吸附发生在液固界面，如图10(a)；当液滴完全移动到PDMS上后，如图10(b)所示，离子溶液中的钠离子取代了失去电子的水分子，也就是此处的水分子被钠离子挤占了位置；如图10(c)所示，被极化的水分子减少，分散在液滴中的水分子减少，从而所测试到的电荷量减少。也就是说当离子浓度越大时，被极化的水分子越少，所测试得到的电荷量越小。因此电荷量与离子浓度之间呈负相关关系。
通过图9与图10的比对可以看到，图9(b)中由于没有其它离子的存在，因此与PDMS接触的有四个带正电荷的水分子，而图10(b)中由于有Na+的存在，挤占了水分子的位置，所以此处只有三个带正电荷的水分子，分散在液滴中的水分子也减少了，则电荷量也减少了。另外，通过设置离子选择性薄膜601，则能确保只有一种离子通过离子选择性薄膜601与PDMS接触，其它的离子被阻挡住，也就是确保只有一种离子被吸引在PDMS表面，这样就能确定最后的电信号的大小是由哪种离子造成的。
本发明在使用时，通过医用胶带将传感装置粘贴在皮肤表面，通孔401与皮肤汗腺对接，然后，人体在运动过程中或者在高温环境下正常排汗，汗液从通孔401进入汗液自驱动检测部，由于不对称的结构导致汗液液滴受到Laplace力，沿着导向部201的外锥面202实现定向的移动，汗液液滴在移动过程中，由于液固摩擦效应，液体与固体表面会带有相反的电荷，由于离子存在屏蔽作用也就是占用液滴中水分子位置，离子浓度越大，屏蔽作用越明显，因此电荷量与离子浓度之间呈负相关关系，通过第一电压测试电路301和第二电压测试电路302测试电压值可以反映离子浓度大小。汗液从汗液自驱动检测部的窄端运动至宽端，即完成检测，被排出的汗液被医用棉花501吸收，完成检测过程。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种可穿戴式无源的汗液检测装置，其特征在于，包括至少一个检测传感器，所述检测传感器包括：
基板；
传感元件，设于所述基板上，所述传感元件包括汗液采集部和汗液自驱动检测部，所述汗液采集部用于采集皮肤汗腺排出的汗液，所述汗液自驱动检测部包括呈半锥形结构的导向部、设于所述导向部的外锥面上的测试电极、背部电极，所述导向部的窄端对着所述汗液采集部；
测试元件，所述测试元件与所述测试电极、背部电极相连接。
2.根据权利要求1所述的可穿戴式无源的汗液检测装置，其特征在于，所述汗液采集部包括开设在所述基板上的通孔。
3.根据权利要求1所述的可穿戴式无源的汗液检测装置，其特征在于，所述基板、导向部均采用PDMS材质制成。
4.根据权利要求1所述的可穿戴式无源的汗液检测装置，其特征在于，所述基板的上表面为平面，所述导向部的外锥面为亲水锥面。
5.根据权利要求1所述的可穿戴式无源的汗液检测装置，其特征在于，所述导向部的外锥面上设置有多个微凹槽。
6.根据权利要求1所述的可穿戴式无源的汗液检测装置，其特征在于，所述测试电极包括第一测试电极和第二测试电极，所述测试元件包括两个电压测试电路或两个电流测试电路，其中一个所述电压测试电路或电流测试电路的正负极分别与所述第一测试电极、背部电极相连接，另一个所述电压测试电路或电流测试电路的正负极分别与所述第二测试电极、背部电极相连接。
7.根据权利要求6所述的可穿戴式无源的汗液检测装置，其特征在于，所述第一测试电极、第二测试电极均为电极线，所述背部电极为镀金层。
8.根据权利要求6所述的可穿戴式无源的汗液检测装置，其特征在于，所述第一测试电极、第二测试电极均延伸到所述基板上。
9.根据权利要求1所述的可穿戴式无源的汗液检测装置，其特征在于，所述导向部的宽端处设置有汗液排出部。
10.根据权利要求1所述的可穿戴式无源的汗液检测装置，其特征在于，所述导向部的外锥面上设置有离子选择性薄膜。
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