CN116491937B - 一种可穿戴的纤维基电化学-比色传感阵列及其在汗液分析检测中的应用 - Google Patents

一种可穿戴的纤维基电化学-比色传感阵列及其在汗液分析检测中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可穿戴的纤维基电化学‑比色传感阵列及其在汗液分析检测中的应用。本发明的纤维基电化学‑比色传感阵列，包括层叠的电化学传感层和比色传感层，电化学传感层包括依次层叠的电化学传感吸附层、电路和电化学检测单元，比色传感层包括层叠的比色传感吸附层和比色检测单元，实现电化学和比色两种方法同时监测汗液中葡萄糖、乳酸、pH、Cl‑和尿素5种生物标记物，并将电化学信号传递给外部分析设备。每个电化学传感单元和比色传感单元都独立于传感腔室内没有串扰，免受皮肤分泌物污染，减少分析试剂回流，实现液体自动捕获和传递，具有密封性、可靠性和穿戴舒适性，且灵敏度高，特异性强，准确性高，稳定性好。

Description

一种可穿戴的纤维基电化学-比色传感阵列及其在汗液分析 检测中的应用
技术领域
本发明涉及生理状态监测技术领域，具体地，涉及一种可穿戴的纤维基电化学-比色传感阵列及其在汗液分析检测中的应用。
背景技术
生物流体，如血液、间质液、汗液、尿液和眼泪，含有大量与生理状态相关的生物标记物(代谢物、蛋白质、激素和电解质)。在这些生物流体中，汗液不仅可以进行无创收集，而且富含疾病相关的一些标志物，因此对于汗液的分析在动态健康诊断和监测中具有重大意义。然而，传统的技术依靠吸收垫(垫子和纱布)进行汗液收集，需要昂贵且笨重的实验室设备进行分析，往往需要耗费很大的时间，也无法实现对汗液的在位和实时监测。对于此，一些学者研发了即时检测设备，该设备具有小型化、程序简化和快速分析等特点。尽管这些设备可以实现在患者床边或者事故现场快速的给出分析结果，但它仍然需要体外样本处理过程，并且缺乏实时和在位监测的能力。
可穿戴电子因其便携性、适形可穿戴性以及可瞬时传递信息等优点，在个人医疗保健、医疗诊断和运动监测等领域都发挥了重要作用。这些设备集成了传感组件、电子设备和其他功能组件，可以直接贴附或佩戴在人体皮肤上，能够以非侵入性方式提供人体动态生物分子状态的实时信息。目前，众多的可穿戴传感器已被开发用于无创实时测量汗液中的化学成分(例如葡萄糖、尿酸、皮质醇、钠离子)。然而，这些可穿戴汗液检测设备还存在一定的问题，例如采样过程中的汗液蒸发和污染、不同传感器表面上的汗液传输不对称以及不同传感器之间的串扰。微流控技术的引入可以使得整个诊断过程自动执行，包括样品预处理、样品/试剂处理、分离、反应和检测，它提供了从样品获得到显示分析结果的完整解决方案。
然而，目前报道的可穿戴微流控芯片大多都是基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)的，这种微流芯片的制备一般都是采用光刻技术，它需要昂贵的仪器、苛刻的实验室条件和繁琐的制造工艺。这种微流控芯片都是基于无填料的中空结构，它无法避免可溶性化学试剂从传感室回流对皮肤造成的潜在化学伤害，也无法将皮肤分泌物对传感器的污染降至最低。虽然目前的纸基微流控芯片可以避免以上问题，但其材料组成不易调，且目前的多层微流控芯片都是依靠外部器件(例如，夹子)来固定和组装，这会造成密封性差、稳定差、重复性差和舒适性差等问题。另外，由于制造过程涉及不同材料、传感组件和层的集成，将多模传感器和微流控芯片集成到一个可穿戴设备中仍然面临显著的挑战。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种可穿戴的纤维基电化学-比色传感阵列及其在汗液分析检测中的应用。
本发明的第一个目的是提供一种纤维基电化学-比色传感阵列。
本发明的第二个目的是提供所述纤维基电化学-比色传感阵列在制备检测液体成分和/或pH值的设备中的应用。
本发明的第三个目的是提供一种检测液体成分和/或pH值的设备。
为了实现上述目的，本发明是通过以下方案予以实现的：
一种纤维基电化学-比色传感阵列，包括层叠的电化学传感层和比色传感层；
所述电化学传感层包括依次层叠的电化学传感吸附层、电路和电化学检测单元，
所述电化学检测单元由电化学入口区、电化学传感室和电化学流道壁组成，电化学入口环形成所述电化学入口区，所述电化学入口区通过电化学入口环和电化学流道壁与电化学传感室连接；
所述电化学传感室由电化学检测电极和环绕在电化学检测电极外侧的电化学流道环组成；
所述比色传感层包括层叠的比色传感吸附层和比色检测单元，所述比色检测单元由比色入口区、比色传感室和比色流道组成，比色入口环内部形成比色入口区，所述比色流道壁内部形成比色流道，
所述比色入口区通过比色入口环和比色流道与比色传感室连接；
所述比色传感室由环绕在比色检测部分外侧的比色流道环和比色检测部分组成；
所述比色入口区与电化学入口区位置对应，所述比色传感室与电化学传感室位置对应，所述比色流道和比色流道壁与电化学流道壁位置对应，所述比色入口环与电化学入口环位置对应，所述比色检测部分与电化学检测电极位置对应，所述比色流道环和电化学流道环位置对应；
所述电化学检测单元和比色检测单元位于比色传感吸附层的两侧。
优选地，电化学传感吸附层和比色传感吸附层材料为十二烷基苯磺酸钠和聚酰亚胺制备得到的纳米纤维。
更优选地，所述纳米纤维由制备静电纺丝溶液制备得到，所述静电纺丝溶液为十二烷基苯磺酸钠的聚酰亚胺溶液。
更优选地，所述十二烷基苯磺酸钠的聚酰亚胺溶液中十二烷基苯磺酸钠的浓度为0.009～0.011g/mL。
更优选地，所述十二烷基苯磺酸钠的聚酰亚胺溶液中十二烷基苯磺酸钠的浓度为0.01g/mL。
更优选地，所述静电纺丝溶液的制备方法为，将所述十二烷基苯磺酸钠溶解在聚酰亚胺溶液中搅拌5.9～6.1h。
更优选地，所述静电纺丝溶液的制备方法为，将所述十二烷基苯磺酸钠溶解在聚酰亚胺溶液中搅拌6h。
更优选地，所述纳米纤维的制备方法为，用静电纺丝技术沉积所述静电纺丝溶液，得到纳米纤维。
更优选地，所述纳米纤维的制备方法为，设置静电纺丝机的收集距离为15cm，电压为9.5kV，流速为1.0μL/min，沉积所述静电纺丝溶液，得到纳米纤维。
优选地，所述电化学检测电极数量为至少1个。
更优选地，所述电化学检测电极数量为5个。分别用于检测汗液样品中的葡萄糖、乳酸、Cl-、pH值和尿素，所述电化学检测电极的直径为2.9～3.1mm，所述电化学入口区的直径为3.1～3.3mm。
更优选地，所述电化学检测电极的直径为3mm，所述电化学入口区的直径为3.2mm。
优选地，所述比色检测部分数量为至少1个。
更优选地，所述比色检测部分数量为5个。分别用于让汗液样品中的葡萄糖、乳酸、Cl-、pH值和尿素显色，所述比色检测部分的直径为5.1～5.3mm，所述比色入口区的直径为3.1～3.3mm。
更优选地，所述比色检测部分的直径为5.2mm，所述比色入口区的直径为3.2mm。
优选地，所述比色流道长度为0.6～0.8mm。
优选地，所述电路由工作电极、参比电极和对电极、电路线和电接触垫组成；
所述电化学传感吸附层和比色传感吸附层用以收集汗液并将汗液输送到对应电化学传感室和对应比色传感室。
每个电化学检测电极和电化学传感吸附层之间设置1个工作电极，每个流道环的环内连接1个参比电极和对电极；
每个工作电极连接一条电路线，每个参比电极和对电极连接一条电路线，每条电路线远离电化学检测电极的一端连接电接触垫，用以连接外部分析设备。
优选地，所述工作电极的直径为2.9～3.1mm。
更优选地，所述工作电极的直径为3.0mm。
优选地，所述纤维基电化学-比色传感阵列还包括粘附层，其与所述电化学传感层和比色传感层依次层叠，所述粘附层和电路位于电化学传感吸附层两侧。
更优选地，所述粘附层表面设有一个开口，与电化学入口区和比色入口区位置对应，粘附层1用以贴在皮肤上。
更优选地，所述粘附层为医用双面胶带。
优选地，所述比色传感层还包括密封层，与所述比色传感吸附层和比色检测单元依次层叠，所述比色传感吸附层和密封层位于比色检测单元两侧。
所述纤维基电化学-比色传感阵列在制备检测液体成分和/或pH值的设备中的应用。
优选地，所述液体为含有葡萄糖、尿素、乳酸和/或氯离子的液体。
更优选地，所述液体为体液。
最优选地，所述体液为汗液。
一种检测液体成分和/或pH值的设备，所述设备含有所述纤维基电化学-比色传感阵列。
优选地，所述液体为含有葡萄糖、尿素、乳酸和/或氯离子的液体。
更优选地，所述液体为体液。
更优选地，所述体液为汗液。
最优选地，所述检测液体成分和/或pH值的设备为分析检测汗液的装置。
使用时，将分析检测汗液的装置的粘附层贴在皮肤上，汗液经粘附层的孔到达电化学传感吸附层，进入电化学检测单元的电化学入口区，由电化学流道壁进入各电化学传感室，用电化学检测电极检测汗液中生物标记物(葡萄糖、乳酸、Cl-、pH值和尿素)，产生电化学信号，并通过电路将电化学信号传递给外部分析设备，实现对汗液的连续和无线监测。同时，根据相同的原理，汗液通过比色传感吸附层进入比色检测单元的比色入口区，通过比色流道到达比色检测部分，用比色检测部分让汗液中生物标记物显色，产生比色信号。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种可穿戴的纤维基电化学-比色传感阵列及其在汗液分析检测中的应用。所发明的可穿戴的纤维基电化学-比色传感阵列包括电化学检测单元和比色检测单元，实现电化学和比色两种方法同时监测汗液中葡萄糖、乳酸、pH、Cl-和尿素5种生物标记物，并通过电路将电化学信号传递给外部分析设备，实现对汗液的连续和无线监测。每个电化学传感单元和比色传感单元都独立都独立于传感室内，没有串扰。本发明的电化学传感吸附层和比色传感的吸附层的材料为电纺纳米纤维，具有高孔隙率、柔韧性、亲水性和和优异力学性能等特点，无需外部条件(例如泵、致动器和吸水垫)，实现自动收集汗液，并将汗液输送到电化学传感室和比色传感室；避免可穿戴的纤维基电化学-比色传感阵列遭受皮肤分泌物的污染；减少了电化学传感室和比色传感室内的分析试剂回流的情况，实现液体的自动捕获和传递。本发明的粘附层的材料为医用双面胶带，是医用级别的粘合剂和软材料。本发明的可穿戴的纤维基电化学-比色传感阵列轻薄、柔软，不会对皮肤产生化学或物理刺激，且具有密封性、可靠性和穿戴舒适性，且灵敏度高，特异性强，准确性高，稳定性好。
附图说明
图1为实施例1分析检测汗液的装置的结构示意图。
图2为实施例1分析检测汗液的装置的电化学传感层的结构示意图。
图3为实施例1分析检测汗液的装置的比色传感层的结构示意图。
图4为实施例1分析检测汗液的装置的电路的结构示意图。
图5为实施例1分析检测汗液的装置的实物图。
图6为实施例1分析检测汗液的装置的检测原理图。
图7为实施例1的比色传感层的抗干扰性能。
图8为实施例1的比色传感层的稳定性。
图9为实施例1的电化学传感层的抗干扰性能。其中(A)为葡萄糖，(B)乳酸，(D)为Cl-，(D)为pH，(E)为尿素。
图10为实施例1的电化学传感层的稳定性。其中(A)为葡萄糖，(B)乳酸，(D)为Cl-，(D)为pH，(E)为尿素。
图11为实际检测分析情况。其中(A)为实际佩戴情况，(B)为葡萄糖，(C)为乳酸，(D)为Cl-，(E)为pH值，(F)为尿素。
图注：1-粘附层；2-电化学传感层；3-比色传感层；21-电化学传感吸附层；22-电路；23-电化学检测单元；31-比色传感吸附层；32-比色检测单元；33-密封层；221-工作电极；222-参比电极和对电极；223-电路线；224-电接触垫；231-电化学入口环；232-电化学入口区；233-电化学传感室；234-电化学流道壁；2331-电化学检测电极；2332-电化学流道环；321-比色入口环；322比色入口区；323-比色传感室；324-比色流道；325-比色流道壁；3231-比色检测部分；3232-比色流道环。
具体实施方式
下面结合说明书附图及具体实施例对本发明作出进一步地详细阐述，所述实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。下述实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，为可从商业途径得到的试剂和材料。
实施例1一种分析检测汗液的装置
如图1所示，一种分析检测汗液的装置，包括依次层叠的粘附层1、电化学传感层2和比色传感层3。
如图2所示，所述电化学传感层2包括依次层叠的电化学传感吸附层21、电路22和电化学检测单元23。
电化学检测单元23由1个圆形电化学入口区232、5个独立的圆形电化学传感室233和电化学流道壁234组成，电化学入口环231形成所述电化学入口区232，电化学入口区232通过电化学入口环231和电化学流道壁234与电化学传感室233固定连接。
每个电化学传感室233由电化学检测电极2331和环绕在电化学检测电极2331外侧的电化学流道环2332组成。
5个电化学传感室233分别用于检测汗液样品中的葡萄糖、乳酸、Cl-、pH值和尿素，所述电化学检测电极2331的直径为3mm，所述电化学入口区232的直径为3.2mm。
如图3所示，比色传感层3包括依次层叠的比色传感吸附层31、比色检测单元32和密封层33。比色传感吸附层31和密封层33位于比色检测单元32两侧。
所述比色检测单元32由1个圆形比色入口区322、5个独立的圆形比色传感室323和比色流道324组成，比色入口环321内部形成比色入口区322，所述比色流道壁325内部形成比色流道324，所述比色入口区322通过比色入口环321和比色流道324与比色传感室323连接。
所述比色传感室323由环绕在比色检测部分3231外侧的比色流道环3232和圆形比色检测部分3231组成，5个比色传感室323分别用于让汗液样品中的葡萄糖、乳酸、Cl-、pH值和尿素显色，所述比色检测部分3231的直径为5.2mm，所述比色入口区322的直径为3.2mm。
所述比色入口区322与电化学入口区232位置对应，所述比色传感室323与电化学传感室233位置对应，所述比色流道324和比色流道壁325与电化学流道壁234位置对应，所述比色入口环321与电化学入口环231位置对应，所述比色检测部分3231与电化学检测电极2331位置对应，所述比色流道环3232和电化学流道环2332位置对应，所述比色流道324长度为0.7mm。
所述电化学检测单元23和比色检测单元32位于比色传感吸附层31的两侧。
如图4所示，所述电路22由工作电极221、参比电极和对电极222、电路线223和电接触垫224组成；
每个电化学检测电极2331和电化学传感吸附层21之间设置1个圆形工作电极221，每个流道环2332的环内可拆卸连接1个参比电极和对电极222，所述工作电极221的直径为3mm；
每个工作电极221连接一条电路线223，每个参比电极和对电极222连接一条电路线223，每条电路线223远离电化学检测电极2331的一端连接电接触垫224，用以连接外部分析设备。
所述粘附层1和电路22位于电化学传感吸附层21两侧。
所述粘附层1表面设有一个圆形开口，其与电化学入口区232和比色入口区322位置对应，粘附层1用以贴在皮肤上。
所述电化学传感吸附层21和比色传感吸附层31用以收集汗液并将汗液输送到对应电化学传感室233和对应比色传感室323。
如图5所示，为分析检测汗液的装置的实物图。如图6所示，使用时，将分析检测汗液的装置的粘附层1贴在皮肤上，汗液经粘附层1的孔到达电化学传感吸附层21，进入电化学检测单元23的电化学入口区232，由电化学流道壁234进入各电化学传感室233，用电化学检测电极2331检测汗液中生物标记物(葡萄糖、乳酸、Cl-、pH值和尿素)，产生电化学信号，并通过电路22将电化学信号传递给外部分析设备，实现对汗液的连续和无线监测。同时，根据相同的原理，汗液通过比色传感吸附层31进入比色检测单元32的比色入口区322，通过比色流道324到达比色检测部分3231，用比色检测部分3231让汗液中生物标记物显色，产生比色信号。
实施例2实施例1分析检测汗液的装置的制备方法
1、制备电化学传感吸附层21
将0.1g SDS(十二烷基苯磺酸钠)溶解在10mL PI(聚酰亚胺)溶液，搅拌6h，制备得到静电纺丝溶液(PI/SDS)。
用配备有注射泵、高压电源和二维运动平台的静电纺丝机，将PI/SDS溶液沉积在铝基板上，沉积厚度为35μm，得到一层用于电化学传感的PI/SDS纳米纤维基底，作为支撑基底，即为实施例1的电化学传感吸附层21。静电纺丝机设置的收集距离为15cm，电压为9.5kV，流速为1.0μL/min
2、制备电路(22)
将4.0mg普鲁士蓝纳米颗粒(PBNPs)添加到1.0mL多壁碳纳米管水性浆料中，搅拌4.0h，制成PB/CNT导电墨水。
用配备有注射泵和二维运动平台直写装置，将PB/CNT导电墨水直写到电化学传感吸附层21上，制备图案化PB/CNT电路，即为实施例1的电路22。直写装置设置的基底移动速度为1mm/s，溶液流速为80μL/h。
3、制备电化学流道壁234和电化学流道环2332
(1)制备聚二甲基硅氧烷(PDMS)墨水。
将有机硅弹性体基料(道康宁，Sylgard 184 silicone elastomer base)和固化剂以质量比10：1混合并搅拌30min，制备得到PDMS墨水，储存于4℃备用。
(2)在电化学传感吸附层21上直写PDMS墨水，形成电化学流道壁234和电化学流道环2332。直写的参数和装置与步骤2中制备电路22的相同。
4、修饰电路22
在实施例1电路22的参比电极和对电极222位置直写Ag/AgCl墨水，形成参比电极和对电极222，在实施例1电路22的电接触垫224位置直写Ag墨水，形成电接触垫224。
所述Ag和Ag/AgCl墨水购买于上海聚隆科技有限公司，直写完成后，在120℃下固化30min。直写的参数和装置与步骤2中制备电路22的相同。
5、制备电化学检测电极2331
(1)配置修饰试剂：
1)葡萄糖传感：将壳聚糖溶解在2wt％的乙酸中，制备得到0.5wt％的壳聚糖溶液。将葡萄糖氧化酶(GOx)溶解在pH 6.0的PBS缓冲液中，制备得到30mg/mL葡萄糖氧化酶溶液。将所述壳聚糖溶液与葡萄糖氧化酶溶液以1：2的体积比混合，得到GOx/壳聚糖混合液。
2)乳酸传感：将乳酸氧化酶(LOx)溶解在pH 7.0的PBS缓冲液中，制备得到30mg/mL乳酸氧化酶溶液。将所述壳聚糖溶液与乳酸氧化酶溶液以1：2的体积比混合，得到LOx/壳聚糖混合液。
3)pH传感：将苯胺粉末溶解在0.1M HCl中，得到0.1M的苯胺溶液。
4)尿素传感：将无活菌素(nonactin)、聚氯乙烯(PVC)和癸二酸二异辛酯(DOS)溶解在660μL THF中制备NH4+离子选择性溶液，其中nonactin含量为1％(w/w)，PVC含量为33％(w/w)，DOS含量为66％(w/w)。
将脲酶溶于去离子水中溶液，得到20mg/mL脲酶溶液。
5)配置参比溶液：将50mg NaCl和79.1mg聚乙烯醇缩丁醛酯(PVB)溶于1mL甲醇中，得到参比溶液。
(2)修饰电化学检测电极2331
1)检测葡萄糖的电化学检测电极：将3μL GOx/壳聚糖混合液滴涂到检测葡萄糖的电化学检测电极2331对应的工作电极221上，4℃干燥。在干燥后的工作电极上滴加1.5μL0.5％萘芬(Nafion)，4℃干燥。
2)检测乳酸的电化学检测电极：将GOx/壳聚糖混合液替换为LOx/壳聚糖混合液，将LOx/壳聚糖混合液滴涂到相应检测乳酸的电化学检测电极2331对应的工作电极221上，其他操作与检测葡萄糖的电化学检测电极相同。
3)检测Cl-的电化学检测电极：在检测Cl-的电化学检测电极对应的工作电极221上直写入Ag层，将10μL的0.1M FeCl3水溶液滴在工作电极上，2min后，形成Cl-选择性膜，直写入Ag层的试剂、参数与装置与步骤4的修饰电路22相同。
4)检测pH值的电化学检测电极：将100μL苯胺溶液滴在检测pH值的电化学检测电极对应的工作电极221上，覆盖工作电极221表面即可，通过循环伏安法(CV)在工作电极上以0.05V s-1的扫描速率从-0.2V到1V进行50圈电聚合，以制备聚苯胺(PAN)I薄膜。
5)检测尿素的电化学检测电极：
尿素：①将含有10mM 3，4-乙烯二氧噻吩(EDOT)和2mg mL-1聚苯乙磺酸钠(PSS)水溶液，滴在检测尿素的电化学检测电极对应的工作电极221上，覆盖工作电极221表面即可。将工作电极在+1V电压下进行90s的电化学沉积，获得PEDOT/PSS修饰的工作电极。
②将3μL NH4+离子选择性溶液滴在PEDOT/PSS修饰的工作电极的PEDOT：PSS层上，4℃干燥；重复该步骤1次，得到NH4+离子修饰的工作电极上。
③将3μL脲酶溶液滴铸在NH4+离子修饰的工作电极的NH4+离子选择性层上，并在4℃下干燥，然后重复该步骤1次，得到脲酶修饰的工作电极。
④将1.5μL 0.5％ Nafion滴在步骤③脲酶修饰的工作电极上，4℃下干燥过夜(12h)。
6)对于Cl-、pH和尿素检测，它们电化学检测电极2331的参比电极和对电极222还覆盖有6μL参比溶液，并干燥。
6、将另一层PI/SDS纳米纤维基底按照步骤1的方法沉积在步骤1～5制备得到的装置的电化学检测单元23上，但不覆盖电接触垫224，得到比色传感吸附层31，电路22和比色传感吸附层31位于电化学检测单元23两侧。
7、以与步骤3相同的方式，在比色传感吸附层31上直写PDMS墨水，并置于室温(25℃)下固化(约30min)。形成实施例1比色检测单元32的比色流道324、比色流道壁325和比色流道环3232。
8、制备比色检测部分3231
(1)配置修饰试剂：
1)葡萄糖比色试剂：将10mg葡萄糖氧化酶(GOx)和15mg邻苯二胺(ODA)溶解在2mL金纳米簇(AuNCs)溶液(pH 5.0)中，制备葡萄糖检测试剂。然后，在葡萄糖检测试剂中加入107mg聚氧化乙烯(PEO)，搅拌至混合均匀，得到葡萄糖比色试剂。
2)乳酸比色试剂：配置含有20mg乳酸氧化酶(LOx)、15mg 3，3’-二氨基联苯胺(DAB)和2mL AuNCs的溶液(pH 5.0)，再加入0.176g聚氧化乙烯(PEO)，得到乳酸比色试剂。
3)Cl-比色试剂：配置含有2mL氯化物分析试剂(Sigma-Aldrich(Shanghai,China)，MAK023)和1.296mL 0.1wt％Hg(SCN)2的溶液，再加入0.287g PEO，得到Cl-比色试剂。
4)pH比色试剂：将0.173g PEO溶解在2mL通用pH指示剂溶液中，得到pH比色试剂。
5)尿素比色试剂：将20mg脲酶和0.172g PEO溶解在2mL去离子水中(pH7.0)，制备脲酶/PEO溶液。
(2)修饰比色检测部分
1)分别将葡萄糖比色试剂、乳酸比色试剂、Cl-比色试剂和pH比色试剂用静电纺丝机分别沉积在实施例1比色检测部分3231对应的位置，得到相应的比色检测部分，静电纺丝沉积的试剂和仪器参数与步骤1制备电化学传感吸附层相同。
2)检测尿素的比色电极
将pH比色试剂用静电纺丝机沉积在实施例1检测尿素的比色检测部分3231的位置，再沉积一层脲酶/PEO纳米纤维膜，静电纺丝沉积仪器参数与步骤1制备电化学传感吸附层相同，其中制备检测尿素的比色检测部分的试剂与步骤1制备电化学传感吸附层的静电纺丝溶液(PI/SDS)相同。
比色检测部分经修饰后，汗液中有葡萄糖，检测葡萄糖的比色检测部分显现棕红色；汗液中有乳酸，检测乳酸的比色检测部分显现棕色；汗液中有Cl-，检测Cl-的比色检测部分显现蓝色；汗液中有尿素，检测尿素的比色检测部分显现蓝色；汗液中pH值由低到高，检测pH的比色检测部分依次显现黄色到蓝色。
9、制备密封层33
在硅晶片上以500rpm的转速旋涂PDMS并在80℃加热10min制备得到PDMS覆盖层。将厚度约200μm的粘性PDMS覆盖层从硅晶片上剥离，得到密封层33，与步骤1～8制备得到的装置的比色传感单元32层叠压在一起，但不覆盖电接触垫224。密封层33和比色传感吸附层31位于比色传感单元32的两侧。
将双面医用胶带作为粘附层1贴在电化学传感吸附层21的一面，双面医用胶带具有圆形开口(直径4.5mm)，与实施例1的电化学传感层2的电化学入口区232和比色传感层3的比色入口区322位置对应，电路22和粘附层1位于电化学传感吸附层21的两侧。
实施例3比色传感层的抗干扰性
一、实验方法
分别配置1mM葡萄糖、20mM尿素、10mM乳酸、20mM尿酸(UA)、20mM抗坏血酸(AA)、20mM K+(KNO3)、20mM Na+(NaCl)、20mM Ca2+(Ca(NO3)2)、20mM NO3 +(KNO3)和20mM Cl-(NaCl)的溶液，调节pH＝7.0，分别滴加于实施例1的比色传感层的比色入口区，所有实验均为3个平行试验。
二、实验结果
结果如图7所示，实施例1的比色传感层仅对葡萄糖、尿素、乳酸和Cl-响应信号强度高，对其他干扰物质均的响应信号强度低且没有明显差异。表明了实施例1的比色传感层具有优异的抗干扰性。
实施例4比色传感层的稳定性
一、实验方法
将实施例1的比色传感层置于4℃下分别储存1、3、5、7、9、15和20天，再用其检测实施例3中含有葡萄糖、尿素、乳酸和Cl-的试剂，所有实验均为3个平行试验。
二、实验结果
结果如图8所示，pH、葡萄糖、乳酸、尿素和Cl-测定的RSD(n＝7)分别为3.15％、3.83％、4.57％、4.89％和4.06％。表明实施例1的比色传感层稳定性强。
实施例5电化学传感层的抗干扰性
一、实验方法
在检测时将相应的干扰物(浓度均为10mM的乳酸、尿素、尿酸(UA)、抗坏血酸(AA)、KNO3、NaCl、Ca(NO3)2)分别加入电化学传感层，观察电化学信号变化情况。
二、实验结果
如图9(A)～(E)所示，添加干扰物质时，信号基本保持不变。当添加目标物时，信号产生很大的变化。表明表明实施例1的电化学传感层具有很好的抗干扰性。
实施例6电化学传感层的稳定性
一、实验方法
将实施例1的电化学传感层置于4℃下分别储存1、2、3和4周，再用其检测实施例3中含有葡萄糖、尿素、乳酸和Cl-的试剂，所有实验均为3个平行试验。
二、实验结果
如图10(A)～(E)所示，葡萄糖、乳酸、Cl-、pH和尿素测定的RSD(n＝7)分别为2.96％、4.82％、2.35％、4.55％和3.68％。表明实施例1的电化学传感层稳定性强。
实施例7实施例1分析检测汗液的装置的检测限和检测范围
一、实验方法
选定葡萄糖、乳酸、Cl-、pH和尿素的检测范围(依据汗液中各物质的正常范围而定)，构建浓度梯度，建立各物质浓度与电流信号之间的线性关系，然后依据线性关系计算出相应的检测限(LOD)。
二、实验结果
如表1所示，实施例1分析检测汗液的装置对汗液中葡萄糖、乳酸、Cl-、尿素和pH值的检测限分别为0.0051mM、0.38mM、2.1mM、1.3mM和3.5；检测范围分别为0～1.6mM、1.6～50mM、12.5～200mM、6.5～200mM和4～8。
表1
实施例8实际检测分析
一、实验方法
如图11(A)所示，为了验证实施例1的分析检测汗液的装置的实用性，招募5名志愿者(3男2女，年龄25～30)。每名志愿者的手腕上都佩戴实施例1和2制备得到分析检测汗液的装置，并在固定自行车上进行恒负荷运动(150W的功率下运动30min)。所述分析检测汗液的装置的电接触垫224与无线传感电路连接，然后通过蓝牙传输信号，然后采用平板收集数据。
实验室检测采用的是：用吸收垫收集上述志愿者的汗液，用HPLC检测汗液中的葡萄糖、尿素和乳酸，用商用pH计(pH-3c，Leici，China)检测汗液的pH值，用台式氯量计检测汗液中的Cl-。
二、实验结果
如图11(B)～(F)所示，分别为汗液中葡萄糖、乳酸、Cl-、pH值和尿素的检测情况，不同颜色的曲线代表不同志愿者的汗液数据。在最初的15min内，由于缺乏足够的汗水，系统没有产生信号输出。运动15min后，系统开始输出信号，t检验表明，在95％置信区间内未发现显著差异。使用实施例1和2制备得到分析检测汗液的装置获得的数据(电化学分析和比色分析)与用HPLC、pH计和台式氯量计检测汗液后获得的数据一致，表明可穿戴系统在持续监测各种汗液生物标志物方面具有巨大潜力。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明及思路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。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纤维基电化学-比色传感阵列，其特征在于，包括层叠的电化学传感层(2)和比色传感层(3)；
所述电化学传感层(2)包括依次层叠的电化学传感吸附层(21)、电路(22)和电化学检测单元(23)，
所述电化学检测单元(23)由电化学入口区(232)、电化学传感室(233)和电化学流道壁(234)组成，电化学入口环(231)形成所述电化学入口区(232)，所述电化学入口区(232)通过电化学入口环(231)和电化学流道壁(234)与电化学传感室(233)连接；
所述电化学传感室(233)由电化学检测电极(2331)和环绕在电化学检测电极(2331)外侧的电化学流道环(2332)组成；
所述比色传感层(3)包括层叠的比色传感吸附层(31)和比色检测单元(32)，所述比色检测单元(32)由比色入口区(322)、比色传感室(323)和比色流道(324)组成，比色入口环(321)内部形成比色入口区(322)，比色流道壁(325)内部形成比色流道(324)，
所述比色入口区(322)通过比色入口环(321)和比色流道(324)与比色传感室(323)连接；
所述比色传感室(323)由环绕在比色检测部分(3231)外侧的比色流道环(3232)和比色检测部分(3231)组成；
所述比色入口区(322)与电化学入口区(232)位置对应，所述比色传感室(323)与电化学传感室(233)位置对应，所述比色流道(324)和比色流道壁(325)与电化学流道壁(234)位置对应，所述比色入口环(321)与电化学入口环(231)位置对应，所述比色检测部分(3231)与电化学检测电极(2331)位置对应，所述比色流道环(3232)和电化学流道环(2332)位置对应；
所述电化学检测单元(23)和比色检测单元(32)位于比色传感吸附层(31)的两侧。
2.根据权利要求1所述的纤维基电化学-比色传感阵列，其特征在于，
所述电路(22)由工作电极(221)、参比电极和对电极(222)、电路线(223)和电接触垫(224)组成；
每个电化学检测电极(2331)和电化学传感吸附层(21)之间设置1个工作电极(221)，每个流道环(2332)的环内连接1个参比电极和对电极(222)；
每个工作电极(221)连接一条电路线(223)，每个参比电极和对电极(222)连接一条电路线(223)，每条电路线(223)远离电化学检测电极(2331)的一端连接电接触垫(224)。
3.根据权利要求1所述的纤维基电化学-比色传感阵列，其特征在于，所述纤维基电化学-比色传感阵列还包括粘附层(1)，其与所述电化学传感层(2)和比色传感层(3)依次层叠，所述粘附层(1)和电路(22)位于电化学传感吸附层(21)位于两侧。
4.根据权利要求3所述的纤维基电化学-比色传感阵列，其特征在于，所述粘附层(1)表面设有一个开口，与电化学入口区(232)和比色入口区(322)位置对应。
5.根据权利要求1所述的纤维基电化学-比色传感阵列，其特征在于，所述比色传感层(3)还包括密封层(33)，与所述比色传感吸附层(31)和比色检测单元(32)依次层叠，所述比色传感吸附层(31)和密封层(33)位于比色检测单元(32)两侧。
6.权利要求1～5任一所述纤维基电化学-比色传感阵列在制备检测液体成分和/或pH值的设备中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述液体为含有葡萄糖、尿素、乳酸和/或氯离子的液体。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述液体为体液。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述体液为汗液。
10.一种检测液体成分和/或pH值的设备，其特征在于，所述设备含有权利要求1～5任一所述纤维基电化学-比色传感阵列。
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