一种穿戴式汗液实时检测装置及其检测方法

本发明属于汗液分析检测，具体涉及一种穿戴式汗液实时检测装置及其检测方法。

背景技术：

1、飞行员在长时间执行任务过程中，身体状态的细微变化都会对飞行安全造成巨大影响。因此对飞行员进行实时健康监测尤为重要，传统的健康监测通常是定期前往医院进行检查，这种方法虽然能够提供一定的身体健康信息，但是无法实现飞行途中的实时动态健康监测。而汗液的易于产生，为穿戴式实时健康监测提供了新的可能性，该作用机理如图2所示。汗液是由表皮分泌腺分泌的一种生理液体，含有电解质、葡萄糖、乳酸和少量的蛋白质等，这些生物标志物与人体的生理状态息息相关。由于汗液易蒸发且其中的生物标志物浓度较低，测量不准确会给建立生物标志物浓度和健康状况之间的关系带来挑战，因此对汗液的采集效率和灵敏度提出了更高的要求。

2、现有的汗液检测技术有多种，主要采用的有比色法、电化学法检测汗液中的生物标志物的浓度。其中钠、钾离子传感器的制备技术基本成熟，而对于葡萄糖浓度检测，最常用的检测方法是使用葡萄糖氧化酶作为探针进行检测，但是酶探针对检测环境要求较高易失活。目前新兴的非酶传感器，如金属及其衍生物具有较低的检测限，但是复杂的合成方式和高成本的传感材料会限制其在便携式和可穿戴设备中的应用。

3、高效的汗液采集效率是准确检测汗液中钠、钾以及葡萄糖浓度的前提。现有的汗液采集装置大多是由一块水凝胶、pdms或者纸等材料组成的柔性贴片，该贴片含有一条汗液采集通道和一个检测功能件。提高汗液采集效率大多是扩大汗液采集入口或者是增强微流控通道的传输效率。虽然上述的研究人员对汗液采集通道进行了一些改进，但是从入口到检测功能件的采集时间长，这样可能会引发汗液的蒸发或者回流导致检测结果不准确。因此，亟需一种能够提升汗液采集速度与检测灵敏度的穿戴式汗液检测应用。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中的问题，本发明提供了一种穿戴式汗液实时检测装置及其检测方法，以此提升汗液的采集速度与汗液检测的灵敏度。

2、本发明通过以下技术方案实施：

3、本发明提供了一种穿戴式汗液实时检测装置，微流控芯片，所述微流控芯片包括至少两层，所述两层芯片为纵向上下贴合，下层为微流控芯片覆盖层，所述微流控芯片覆盖层设有汗液收集孔，所述汗液收集孔贴合所述微流控芯片上层，所述上层芯片的下表面设有汗液采集通道，所述汗液采集通道的前端为楔形结构，所述汗液采集通道的后端设有毛细管泵，所述毛细管泵为上下两层式通道，所述上层通道由短凸部与所述通道的两侧内壁形成，所述下层通道由多个短凸部间隔排列形成，多个所述短凸部呈横向同距间隔布置，所述毛细管泵的上层通道为检测功能件，所述检测功能件为空腔体，所述毛细管泵的后端连接汗液出口通道；

4、相邻的两层所述微流控芯片之间设有丝网印刷电极，所述丝网印刷电极含有工作电极、参比电极、对电极，所述工作电极由cu-mof/pani和钠、钾离子选择性膜修饰，所述参比电极为银浆，所述对电极为碳浆，每个电极通过对应的引线与外部电路相连，所述丝网印刷电极通过检测器电极接口连接到多参数检测器电路，所述多参数检测器电路连接蓝牙传输模块，同时所述多参数检测器电路由可充电锂电池供电；

5、所述微流控芯片与所述丝网印刷电极构成汗液采集柔性贴片；所述汗液采集柔性贴片，所述多参数检测电路系统，所述电池，所述蓝牙传输模块集成，共同构成汗液检测功能系统。

6、进一步的，所述微流控芯片以pdms为柔性基底材料。

7、进一步的，所述汗液采集通道尺寸d为0.2mm宽，浮动值±0.02mm，h为0.25mm深，浮动值±0.01mm，楔形通道的延长线角度α为1.38°，浮动值±0.02°。

8、进一步的，所述毛细管泵上层通道高度为l2，所述毛细管泵下层通道为l3，所述的l3/l2比值为0.25。

9、进一步的，所述丝网印刷电极的葡萄糖传感器检测限为1.94μm。

10、本发明还提供了一种穿戴式汗液实时检测方法，本方法采用上述的检测装置，包括以下步骤：

11、s1汗液收集

12、将所述穿戴式汗液实时检测装置佩戴于人体表面，皮肤表面的汗液通过微流控芯片覆盖层上的汗液收集孔流入微流控芯片上层，通过汗液采集通道的前端后，因结构自发形成的拉普拉斯力使汗液沿着采集通道中继续向后流动，直至到达毛细管泵，毛细管泵的下层通道被汗液填充满后，汗液继续沿至上层通道，接触丝网印刷电极，多余汗液从出口通道排出。

13、s2系统上电与初始化及参比电极电压设置

14、装置通过锂电池供电，锂电池的输出通过稳压模块转换电压；同时，稳压模块再次将电压转换，为单片机和其他需要供电的组件供电，单片机上电后，进行初始化操作，包括配置i/o端口、adc模块、lmp91000参数设置、uart用于与蓝牙模块通信的接口，以及硬件资源；稳压芯片生成电压后，通过分压电路产生稳定电压，作为离子检测中参比电极的输入电压；

15、s3离子、葡萄糖检测

16、钠钾离子工作电极的电势输出通过运算放大器构成的缓冲器进行缓冲，缓冲后的模拟信号被送入stm32f103rct6的片内adc进行模数转换，将模拟电势转换为数字信号，稳压芯片通过其内部电路控制参比电极和工作电极之间的偏置电压并恒定；

17、葡萄糖检测，工作电极上的电流信号被稳压芯片转换为电压信号，并进行放大处理，放大后的电压信号再次通过集成电路adc转换为数字信号，单片机的3个adc通道分别采集离子电极的工作电极和参比电极的电位和电化学检测芯片的输出电压，基于电压值和预设的校准曲线或算法，单片机计算出相应的离子浓度和葡萄糖浓度，计算得到的浓度数据通过蓝牙模块无线传输至手机app，实现数据的实时显示和记录；

18、s4交互与反馈

19、手机app接收到数据后，实时显示离子浓度和葡萄糖浓度的变化，app对长时间的数据进行统计分析，并提供健康建议或异常提醒，通过蓝牙技术实现数据的无线传输与实时显示，通过上述步骤，这个汗液检测装置能够完成汗液中离子浓度和葡萄糖浓度的检测，并通过蓝牙技术实现数据的无线传输与实时显示，提供健康监测服务。

20、有益效果：在葡萄糖传感器方面，采用经济性的金属材料cu，使用自制的微混合器合成cu-mof，同时加入经济性的导电材料pani为基底，提升了葡萄糖传感器的传感性能；在设计汗液采集贴片上，在微流控通道部分采用楔形结构使得汗液自发向检测功能件流动，加快汗液的传输效率，同时在检测功能件部分设计上下两层的毛细管泵用于增强微流控通道的毛细力，进一步增强汗液的采集效率；将汗液采集贴片和三电极检测电路集成，使用蓝牙进行信号传输，用于可穿戴汗液检测装置，因此本发明提供的装置可实现飞行途中的实时动态健康监测，为飞行员的健康监测和飞行安全提供了有力保障。

技术特征：

1.一种穿戴式汗液实时检测装置，其特征在于，包括微流控芯片，所述微流控芯片包括至少两层，所述两层芯片为纵向上下贴合，下层为微流控芯片覆盖层，所述微流控芯片覆盖层设有汗液收集孔，所述汗液收集孔贴合所述微流控芯片上层，所述上层芯片的下表面设有汗液采集通道，所述汗液采集通道的前端为楔形结构，所述汗液采集通道的后端设有毛细管泵，所述毛细管泵为上下两层式通道，所述上层通道由短凸部与所述通道的两侧内壁形成，所述下层通道由多个短凸部间隔排列形成，多个所述短凸部呈横向同距间隔布置，所述毛细管泵的上层通道为检测功能件，所述检测功能件为空腔体，所述毛细管泵的后端连接汗液出口通道；

2.根据权利要求1所述的一种穿戴式汗液实时检测装置，其特征在于：所述微流控芯片以pdms为柔性基底材料。

3.根据权利要求1所述的一种穿戴式汗液实时检测装置，其特征在于：所述汗液采集通道尺寸的宽度d为0.2mm，浮动值±0.02mm，深度h为0.25mm，浮动值±0.01mm，楔形通道的延长线角度α为1.38°，浮动值±0.02°。

4.根据权利要求1所述的一种穿戴式汗液实时检测装置，其特征在于：所述毛细管泵上层通道高度为l2，所述毛细管泵下层通道高度为l3，所述的l3/l2比值为0.25。

5.根据权利要求1所述的一种穿戴式汗液实时检测装置，其特征在于：所述丝网印刷电极的葡萄糖传感器检测限为1.94μm。

6.一种穿戴式汗液实时检测方法，采用权利要求1所述的穿戴式汗液实时检测装置，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明提供了一种穿戴式汗液实时检测装置及其检测方法。以PDMS为柔性基底材料，设计一种微流控汗液采集通道，通过加入楔形结构和分层式毛细管泵用于加快对汗液的采集效率。同时采用PANI为基底，在上面构建Cu‑MOF葡萄糖传感器，传感器的检测性能得到大幅度提升，同时具有良好的选择性和长期稳定性。同时结合钠和钾离子选择性电极，可实现汗液中钠、钾和葡萄糖的即时检测。通过蓝牙进行数据传输，可用于飞行员长期执行任务中身体健康信息的实时监测。

技术研发人员：石环环,许炜铮
受保护的技术使用者：南昌航空大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5